ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-3

Техничесие параметры лазеров

Измерение лазерных характеристик

В этом разделе описаны экспериментальные методы диагностики используемые для измерения таких лазерных характеристик как:

-мощность ( непрерывные CW лазеры)

-средняя мощность и энергия импульса (импульсные лазеры)

-частоты следования импульсов (импульсные лазеры)

-поперечный размер луча

-расходимость

-величина M2

-ширина спектральной линии

Измерения мощности, энергии и частоты повторения импульсов

На рынке широко представлен весь спектр коммерчески доступных лазерных измерителей мощности, для измерений во всем оптическом диапазоне длин волн от жесткого ультрафиолетового до дальнего инфракрасного излучения, способных измерять непрерывное (CW) излучение на уровнях мощности от нановатт до киловатт, энергию импульсов от наноджоулей до сотен джоулей и частотой повторения до нескольких килогерц. Измерители могут работать как с коллимированными, так и широко расходящимися пучками, включая излучение от диодных лазеров.

Эти измерительные системы обычно включают в себя, измерительную головку датчика, подключенного к анализатору с дисплеем. Почти все изготовители предлагают анализаторы, которые совместимы с разными датчиками для разных режимов работы и диапазонов мощности и энергии, позволяя пользователю иметь много возможностей измерения одним анализатором и несколькими измерительными головками.

Измерение непрерывной и средней мощности, энергии импульса и частоты их повторения являются взаимосвязанными функциями, поэтому большинство измерителей способны измерять их совместно.

Выбор соответствующего сенсора

Выбор подходящего решения для измерения мощности или энергии, как правило, начинают с выбора соответствующего приемного сенсора (чувствительного элемента). Критерии отбора сенсорной головки основаны на характере и диапазоне ожидаемых значений характеристик лазера, которые должны быть измерены. Обычно используют три основных типа измерительных головок,: болометры, фотоэлектрические и пироэлектрические датчики.

Технические параметры лазеров

Принцип действия болометра основан на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента вследствие нагревания под воздействием поглощаемого потока электромагнитной энергии. Основной компонент болометра — очень тонкая пластинка (например, из платины или другого проводящего материала), зачернѐнная для лучшего поглощения излучения. Из-за своей малой толщины пластинка под действием излучения быстро нагревается и еѐ сопротивление повышается. Для измерения малых отклонений сопротивления пластинки еѐ включают в мостовую схему, которую балансируют при отсутствии засветки. Металлические болометры часто подсоединяют через трансформаторный вход, так как у них очень малое собственное сопротивление. Эти датчики характеризуются широком спектральном ответ от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного, широкий динамический диапазон от десятков микроватт до нескольких киловатт. Недостатком этих датчиков является их медленная реакция. Время отклика составляет от 1 до 50 секунд в зависимости от толщины сенсора. Эти датчики поэтому лучше всего подходит для измерения непрерывной и средней мощности в импульсно-периодических лазерах и энергии длинных лазерных импульсов.

Фактически любой фотоприемник, выходной сигнал которого пропорционален падающему лучистому потоку, позволяет измерять мощность непрерывного излучения лазеров или энергию их импульсного излучения. Для измерения средней мощности излучения лазеров непрерывного действия применяют полупроводниковые фотоприемники с p-n переходом. Энергию излучения лазеров, работающих в импульсном режиме, измеряют интегрированием выходного сигнала фотоприемника.

Кванты падающего лазерного излучения носителей заряда который может быть воспринято либо как тока или напряжения. Они характеризуются ограниченном спектральном диапазоном (как правило, от 200 нм до 1800 нм), высокой чувствительностью (обычно несколько нановатт), низким уровнем шума, малым временем отклика (обычно несколько наносекунд). Эти датчики особенно подходят измерений малых мощностей в непрерывных лазерах. Насыщение происходит при плотности мощности выше приблизительно ≈1 мватт/см-2, что требует использования оптических аттенюаторов для измерения более высоких значений мощности.

Пироэлектрические датчики являются еще одним типом теплового датчика, как и болометр. Разница в том, что пироэлектрический датчик реагирует на скорость изменения температуры, а не абсолютное значение разности температур. Эти датчики действуют как конденсаторы и, следовательно, способны интегрировать импульсы для формирования сигнала с пиком, пропорциональным энергии лазера. Они идеально подходят для измерения параметров импульсных лазеров.

Технические параметры лазеров

Выбор подходящего анализатора

Как отмечалось ранее, наиболее продвинутые разработчики измерителей предлагают приборы, предназначенные для измерений мощности и энергии и совместимые со всеми тремя типами измерительных головок. В сочетании с различными датчиками, эти анализаторы могут обеспечить измерение непрерывной (CW) мощности,

средней мощности, энергии импульса и частоту их повторения.

Измерение поперечного размера луча

Простая техника для измерения поперечного размера (сечения) луча является измерение долей излучения, прошедшего через калиброванные диафрагмы, устанавливаемые перпендикулярно

Диафрагму устанавливают на пути лазерного луча таким образом, что измеритель мощности показывал максимальное значение максимальной. Размер диафрагмы должен быть таким, чтобы измеренная мощность составляла 50-90% от мощности, записанной без диафрагмы. Диаметр луча затем может быть вычислен

по формуле: D/d = √|ln(T-1)|/2

где, D - диаметр диафрагмы , T – доля мощности (энергии), прошедшей через апертуру диафрагмы (отношение измерен -ной мощности с диафрагмой к мощ-

ности без нее), d - лазерного луча

Технические параметры лазеров

Измерение расходимости

Расходимость лазерного луча может быть вычислена путем измерения диаметра луча в двух точках на известных расстояниях, как показано на рис.

Полный угол расходимости луча в этом случае:

Θ ≈ (d2 – d1)/(R2 – R1)

Приведенное выше выражения для вычисления расходимости луча действительно для «дальнего поля» или «дальней зоны» на расстояниях от источника, определяемых выражением:

«Дальнее поле» >> (π×d2)/λ

где d - диаметр выходной апертуры, а λ - длина волны лазера.

Существует еще одна область называемая «ближним полем» или «ближней зоной», определяемая уравнением:

«Ближнее поле» ≤ d2/λ

Следует заметить, что расходимости в дальнем и ближнем поле могут отличаться. Это изучается в теории дифракции.

Техничесие параметры лазеров

Измерение величины M2

В реальных условиях значение M2 измеряется путем фокусировки лазерного луча с помощью линзы с известным фокусным расстоянием.

Рис. Схема измерения M2 с фиксированной линзой и подвижным сенсором

Расположение профиля луча устанавливается либо движущимися краями диафрагм (ножей) или специальной камеры для измерения перетяжки. Значение М2 не может быть определена в результате одного измерения профиля луча; оно вычисляется из данных, полученных в серии измерений. На рис. показана схема, в которой реализован этот метод. Положения линзы в этом случае фиксированы, а детектор (камера в этом случае) перемещается с помощью шагового двигателя, чтобы сделать несколько измерений в область «перетяжки» лазерного луча.

Техничесие параметры лазеров

В альтернативной схеме используется фиксированное положение датчика положения и сканирование линз объектива (рис.).

Схема измерения M2 с фиксированным датчиком и линзами

Здесь используется двойной ограничитель профиля луча интегрированный с дифракционной точность сканируемыми линзами дифракционного качества. Эти фокусирующие линзы создают внутреннюю перетяжку луча и два ортогональных края диафрагмы (ножи), установленные ​​на вращающемся барабане позволяют измерить диаметр луча и соответствующее расположение оси пучка в нескольких плоскостях вдоль перетяжки. Затем величина M2 вычисляется из нескольких измерений размера луча вместе с расположением его оси при известных характеристик и положения фокусирующих линз.

Энергетическая эффективность лазеров (1)

Коэффициент полезного действия лазера Основные рабочие процессы в лазере связаны с преобразованием и передачей

энергии. Энергетическая эффективность лазера - генератора электромагнитного излучения, как правило, невелика, поэтому конечная величина получаемой энергии излучения составляет небольщую часть от выделяющейся. Для непрерывных лазеров удобнее пользоваться понятием

мощности W, относящимся ко всем системам и элементам лазера. Принципиальная, схема распределения потоков мощности имеет тот же вид, что и приведенная схема распределения потоков энергии. Источник энергии, который чаще всего не является частью лазера (в этом случае рассматривается только энергетический поток ЕΣ) обеспечивает функционирование всех систем лазера, причем в основном затрачивается на работу системы накачки Еэ н. В некоторых случаях часть энергии может расходоваться на работу системы подготовки рабочего тела (СПРТ): нагрев рабочего тела, подача его к месту использования и т. п., а также на вспомогательные системы Еэ всп

(безопасности, терморегулирования…) учетом потерь энергии Е можно записать

ЕΣ = Еэ спрт + Еэ н + Еэ всп + Еэ

Энергетическая эффективность лазеров (3)

С учетом потерь энергии Е можно записать : ЕΣ = Еэ спрт + Еэ н + Еэ всп + Еэ Эффективность источника энергии:

ηэ = (EΣ - Еэ) / ЕΣ = (Еэ спрт + Еэ н + Еэ всп ) / ЕΣ = Еэ спрт / ЕΣ + Еэ н / ЕΣ + Еэ всп / ЕΣ

Обозначив относительные доли энергии, затрачиваемой на отдельные системы ξ, это выражение можно записать в виде

ηэ = ξспрт + ξн + ξвсп

Полезно используемой частью энергетических потоков считается энергия, идущая на создание лазерного излучения. Поэтому коэффициентом полезного действия СПРТ будем называть отношение энергии, переданной в СПРТ рабочему телу лазера, к величине полной энергии, подведенной к системе подготовки (или выделившейся в ней):

ηспрт = Еспрт / Еэ спрт = Еспрт / (ξспрт × EΣ)

Аналогично коэффициентом полезного действия системы накачки называют отношение энергии, передаваемой системой накачки рабочему телу, к энергии, обеспечивающей работу системы накачки:

ηн = Ен / Еэ н = Ен / (ξн × EΣ)

Только часть энергии, подводимой к рабочему телу для создания активной среды Еас, может

быть принципиально реализована в вид излучения Е0. Эта часть определяется коэффициентом

полезного действия накачки ηн квантовым КПД излучающего атома или молекулы ηк:

ηн × ηк = Е0 / Еас = Е0 / (EΣ × (ηспрт × ξспрт + ηн × ξн))

Потери энергии в резонаторе характеризуются его коэффициентом полезного действия ηр, как отношением энергии лазерного излучения Ер к запасенной в активной энергии Е0:

ηр = Ер / Е0 = Ер / (EΣ × (ηспрт × ξспрт + ηн × ξн) × ηн × ηк)

Дальнейшие потери энергии связаны с эффективностью преобразования излучения в системе формирования (КПД системы формирования ηсф )

ηсф = Еизл / Ер = Ер / (EΣ × (ηспрт × ξспрт + ηн × ξн) × ηн × ηк × ηр)

Величина энергии в зоне использования Еп определяется потерями на трассе и отражением от поверхности цели Еп: Еп = Еизл × ηп , где ηп - КПД передачи энергии.

Энергетическая эффективность лазеров (4)

Эффективность использования лазера ηΣ зависит от ηл лазера, потерь на трассе ηп и характеристик объекта, на который воздействует лазерное излучение: ηΣ = ηл × ηп,

где ηл = Еизл /ЕΣ = (ηспрт × ξспрт + ηн × ξн) × ηн × ηк × ηр × ηсф) энергетическая

эффективность лазера (КПД лазера).

КПД лазера сильно зависит от типа лазера, характеристик активной среды, способа накачки, конструктивных и других особенностей конкретных систем. Тем не менее, общим для всех лазеров являются невысокие значения для самых удачных решений, как правило, не превышающие 10 %.

У подавляющего большинства лазеров величина ηл значительно меньше. Это указывает на необходимость тщательного анализа эффективности применения лазера в качестве источника энергии.

Перспективы использования лазеров связаны прежде всего с уникальными особенностями лазерного излучения, характеризующегося когерентностью и таким уровнем направленности и монохроматичности, который недостижим никакими другими источниками энергии. С помощью лазеров можно обеспечить исключительно высокие концентрации энергии в пространстве, близкие к условиям в эпицентре ядерного взрыва и в центре звезд, и во времени, обеспечивающие настолько высокую мощность и интенсивность светового пучка, что при

взаимодействии таких пучков с материалами возникают принципиально новые физические эффекты. С другой стороны, низкая энергетическая эффективности вызывает серьезные трудности, связанные непосредственно работой лазеров. Если излучаемая энергия покидает лазер и ее дальнейшее использование становится самостоятельной задачей, то утилизация

оставшейся части полной энергии ЕΣ в конструкции лазера создает серьезнейшие инженерные проблемы, тем большие, чем выше полная энергия лазера чем меньше его коэффициент полезного действия: ЕΣ = ЕΣ × (1 - ηл) = Σ Еi, где Еi энергетические потери в различных системах лазера.

Практически единственный способ избавления от этой энергии - рассеивание в окружающую среду. Однако только в редких случаях, для наименее мощных лазеров это удается сделать без применения специальных систем отвод тепля или систем охлаждения. Поэтому одной из важнейших задач, связанных с разработкой лазеров, является оптимизация рабочих процессов, направленная на обеспечение минимальных энергетических потерь в конструкции