19.5. Методика и аппаратура измерений длины волны лазерного излучения *)

Таким образом, стандартом [98] регламентированы принципы спектраль­ных измерений и рекомендованы соответствующие типы СИ. Вместе с тем, представляют несомненный интерес методики и схемы измерительной аппа­ратуры, реализующие эти принципы. Описанию методик и средств измерений длин волн и частот лазерного излучения посвящен следующий параграф настоящей главы.

19. 5. Методика и аппаратура измерений длины волны лазерного излучения *)

19. 5. 1. Общие сведения.

В предыдущих параграфах этой главы на­ряду со стандартизованными основными терминами и определениями в об­ласти измерений спектральных параметров и характеристик лазерного излу­чения подробно рассмотрены принципы, методика и аппаратура спектраль­но-частотной лазерометрии применительно к измерениям главным образом спектрального распределения мощности (энергии) и спектральной ширины полосы. Методика и аппаратура измерений длин волн (частот) лазерного излучения не описывались.

Вместе с тем, измерения длин волн лазеров необходимы для их эффектив­ного использования в метрологии и измерительной технике, спектроскопии, разделении изотопов, фотохимии, охране окружающей среды, уточнения зна­чений фундаментальных физических констант (скорости света, постоянной Ридберга). В лазерной спектроскопии, например, измерение длин волн тре­буется для определения положения спектральных линий, в фотохимии и раз­делении изотопов — для избирательного возбуждения определенного сорта атомов и молекул, в метрологии — для использования стабилизированных по частоте лазеров в качестве новых более совершенных эталонов единицы длины [83].

С появлением стабильных по частоте лазеров стали развиваться два на­правления в измерениях длин волн: абсолютные и относительные (рис. 19. 1). Под абсолютным понимается непосредственное сравнение длины волны ла­зерного излучения с одной или несколькими юридически узаконенными стан­дартными длинами волн ламповых источников (обычно с оранжевой линией 0, 605 мкм криптона-86), под относительным — сравнение длин волн стабилизи­рованных по частоте лазеров. Иногда для достижения необходимой точности абсолютные измерения комбинируются с относительными.

Основными методами измерений лазерных длин волн являются интер­ференционные, в наиболее точных из них для интерполяции дробной доли интерференционного порядка используют оптическое гетеродинирование. Ге­теродинные методы для измерений длин волн применяются редко, так как они позволяют сравнивать длины волн лазеров близких спектральных диа­пазонов, отличающихся по частоте на десятки и сотни мегагерц. Это обуcловлено недостаточно высоким быстродействием приемников оптического излучения [83].

1) Основу этого параграфа составила написанная д. т. н. А. К. Тороповым и д. т. н. B. C. Со­ловьевым гл. 4 в книге [83].

 

Рис. 19. 1. Классификация методов измерения длин волн лазера

 

 

Гетеродинные методы незаменимы для изучения стабильности и воспро­изводимости частот лазеров, в том числе отличающихся конструкцией и тех­нологией изготовления. Это имеет огромное значение в установлении новых лазерных эталонов единиц длин волн.

К СИ длин волн в зависимости от решаемой задачи предъявляются различные требования. Так, допустимая погрешность измерений колеблется в очень широких пределах — от 10~4 до 10~10-10~11 мкм. Например, для ряда атмосферных лидарных исследований достаточно знать длину волны генерируемого излучения с погрешностью 10~4 мкм, для большинства спек­троскопических задач — 10~6-10~7 мкм, а для исследования и установления новых эталонов единиц длин волн и частот, фундаментальных исследований требования к точности измерений намного выше.

При работе с высокостабильными лазерами непрерывного действия быст­родействие измерительной аппаратуры не имеет какого-либо значения, тогда как при измерениях длин волн импульсных лазеров, особенно при свипиро-

вании частоты в течение импульса генерации, это условие становится реша­ющим. Что касается требований к спектральному диапазону СИ длин волн, то найдены способы управления длиной волны генерации различных типов лазеров (газовых, твердотельных, полупроводниковых, параметрических ге­нераторов света, на растворах органических соединений и т. п. ), позволяющие получать генерацию в практически любой точке спектра — от ультрафиоле­товых до субмиллиметровых волн.

Наиболее разработанными являются СИ длин волн стабилизированных газовых и импульсных твердотельных лазеров.

Остановимся более подробно на общих сведениях, касающихся измерений частоты лазерного излучения и ее нестабильности. Частотные характеристики линии излучения лазера, учитывая специфику диапазона генерации, можно определить несколькими параметрами.

Абсолютное значение частоты — значение частоты, измеренное сли­чением с принятым эталоном единиц времени и частоты.

Абсолютная нестабильность частоты — нестабильность частоты из­лучения по сравнению с эталоном единицы частоты является мерой система­тических уходов.

Относительная нестабильность частоты — определяется путем из­мерения каким-либо образом флуктуации частоты излучения. Она является мерой случайных отклонений. Обычно в зависимости от условий применения лазеров пользуются тремя разновидностями относительной нестабильности частоты.

 

1. Кратковременная относительная нестабильность

где  — среднее значение частоты;  отклонение частоты излучения от среднего значения за некоторое время усреднения или время измерения ; при измерениях кратковременной нестабильности частоты выбирают такое , чтобы оно наилучшим образом позволило определить ширину линии излуче­ния.

2. Долговременная относительная нестабильность

характеризует частоту генератора при длительной работе или его старение.

3. Относительная воспроизводимость,

характеризует поведение частоты излучения при повторных включениях или переюстировках генератора. В этом случае Δ ν есть стандартное отклонение, характеризующее результаты относительных измерений при многократных испытаниях генераторов.

Очень часто для нахождения параметров, определяющих частотные ха­рактеристики излучения, используется спектральная плотность флуктуации частоты. Связь между характеристиками во временной и частотной областях определяется соотношением, которое в зависимости от методов обработки сигналов может быть различным. При анализе сигналов во временной области

эта связь имеет вид

Где — спектральная плотность флуктуации частоты.

При анализе сигналов в частотной области, исходя из общего выражения,

подбирают должным образом фильтр, полоса которого соответствует .

Разработанные и разрабатываемые СИ частоты и частотных характери­стик лазерного излучения предназначены для нахождения численных значе­ний параметров, определения которых были здесь даны. Требования, которые предъявляются к СИ частотных характеристик лазеров, определяются следу­ющими особенностями диапазона генерации и параметров флуктуации:

1) большим абсолютным значением частот излучения (10 -1015) Гц;

2) большими флуктуациями частоты (102-106) Гц;

3) широким спектром флуктуации частоты (0-Ю6) Гц;

4) возможностью перестройки частоты в диапазоне 109 Гц и более. Исходя из особенностей лазерного излучения, можно определить возмож­ные СИ частотных параметров и их диапазоны:

1) СИ абсолютного значения частоты излучения (1011-1015) Гц;

2) СИ относительной нестабильности частоты излучения (10~6-10~15);

3) СИ воспроизводимости частоты излучения (10~6-10~14); Характерные времена измерения составляют от 10~4 до 103 с.

В настоящее время отсутствуют методы, которые позволили бы создать СИ, способные охватить все перечисленные диапазоны измерений. Поэтому на практике создают СИ на узкие диапазоны или даже на дискретные точки частотного диапазона в зависимости от примененного метода преобразования (интерференционного или гетеродинного).

Приведенные выше определения параметров, а также пределы их изме­нения удовлетворяют общему случаю, когда спектр излучения лазера может включать ряд составляющих, количество которых и относительное положе­ние на оси частот определяются шириной линии усиления, длиной резонато­ра, наличием в последнем селектирующих устройств. В этом случае, когда говорят о частоте излучения и о ее нестабильности, подразумевают часто­ту , соответствующую максимуму огибающей спектра излучения, и неста­бильность  положения этого максимума. Характерная для многомодо-вых лазеров ширина спектра излучения (106-1010) Гц позволяет применить для определения  обычные методы оптической спектроскопии или в необходимых случаях (например, для импульсных лазеров) модифициро­вать их.

Более интересный и важный с метрологической точки зрения вопрос из­мерения частотных характеристик отдельных спектральных составляющих излучения лазеров возник в связи с широким распространением одночастотных лазеров, и особенно одночастотных стабилизированных и перестраивае­мых лазеров (измерительных генераторов непрерывного действия). Поэтому чаще всего речь идет в первую очередь об измерении частоты и частотных характеристик именно таких лазеров.

Приведенные значения измеряемых параметров определяют необходи­мость дифференцированного подхода к выбору метода измерения в том или ином диапазоне, метода обработки результатов и, наконец, технических средств в зависимости от диапазонов измерений. Требования, предъявляе­мые к погрешностям измерений, могут быть различными: при измерении частотных характеристик высокостабильных лазеров — 5-10%, при работе с менее стабильными лазерами — 15-20%. Погрешности определяются также диапазоном флуктуации и законом их распределения и в ряде случаев могут достигать (при больших частотных диапазонах флуктуации) 30-40%.

Пределы измерений также могут изменяться в зависимости от того, для каких целей применяется тот или иной лазер. Например, на уровне рабочих средств необходимы СИ относительной нестабильности частоты 10~7-10~9 для лазеров, применяемых в интерферометрии, и 10~8-10~10 для лазеров, применяемых в системах связи и локации. Более точные СИ требуются в спек­троскопии высокой разрешающей силы и в ряде других применений.

Приборы для измерения частотных характеристик излучения лазеров мо­гут создаваться на базе различных измерительных преобразователей (интер­ференционных или гетеродинных) в зависимости от диапазона частот, необ­ходимых пределов измерений и требуемых погрешностей.

19. 5. 2. Измерения длин волн методом многолучевой интерфе­рометрии. Принцип измерений. Измерение длины волны с помощью интерферометра Фабри-Перо производится методом сравнения длины волны с расстоянием между отражающими поверхностями зеркал, выражаемым че­рез единицу длины — метр. Уравнение измерения имеет вид

(19. 1)

где D — длина интерферометра; ρ — целое число полуволн оптического излу­чения, укладывающееся в длине интерферометра (порядок интерференции); ε — дробная часть интерференционного порядка; δ — скачок фазы для длины волны λ при отражении от поверхности зеркала.

Поскольку δ = f(λ ), то точные измерения проводятся с двумя интерферо­метрами различных длин или с одним интерферометром с изменяемой длиной и в вычислении λ используется «разностная» длина. Тогда при применении одинаковых зеркал δ исключается из уравнения резонанса, т. е.

 

                             (19. 2)

 

Таким образом, для нахождения неизвестной длины волны  с использо­ванием уравнений (19. 1), (19. 2) необходимо определить с помощью источников с известными длинами волн значение D или D2 — D1, а далее, предварительно зная  с определенной точностью, найти p или р2 — p1 и затем дробную долю интерференционного порядка ε или ε 2 — ε 1

Определение целого интерференционного порядка в измерениях представ­ляет наиболее сложную их часть.

Так как в определении D участвует известная (эталонная) длина волны , то, записав аналогично (19. 1) два уравнения (δ для упрощения записей не будем принимать в расчет),

получим отношение сравниваемых длин волн:

Для определения значение  измеряемой длины волны необходимо знать априори с относительной погрешностью . Такую точность измерений получают с помощью предварительных измерений на менее точной спектральной аппаратуре. Часто используют методику последо­вательных уточнений  с помощью нескольких интерферометров (или одного с различными разделителями), длины которых возрастают в геометрической прогрессии.

19. 5. 3. Измерения длин волн газовых лазеров методом двух-лучевой интерферометрии. Статический метод. Принцип измерения длин волн с помощью статических двухлучевых интерферометров не отли­чается от описанного метода с использованием интерферометра Фабри-Перо. Здесь также нужно измерить дробную часть порядка интерференции (фазу сигнала интерференции, имеющего косинусоидальное распределение интен­сивности) и определить целое число порядков интерференции. Для задания разности хода обычно используется какая-либо мера длины — концевая или штриховая.

На рис. 19. 2 показана схема типовой установки с интерферометром Май-кельсона для абсолютного измерения длины волны λ ^ = 10, 6 мкм СОг-лазера.

Рис. 19. 2. Статический двухлучевой интерферометр для измерения длины волны 10, 6 мкм: 1 — исследуемый лазер; 2 — подвижная каретка; 3 — автоколлиматор; 4 — мера длины; 5 —призма Кестерса; 6, 7 — зеркала

 

Левая часть интерференционной схемы — интерферометр ИК-излучения, пра­вая — интерферометр Кестерса, работающий в видимом диапазоне. Разность хода задается мерой длины 4 в виде стального и кварцевого эталонов длиной 147 и 651 мм, соответственно. Погрешность аттестации эталонов 1 · 10 мкм. В процессе измерений плоскость зеркала 6 совмещается поочередно с плоско­стью зеркала 7 и свободной торцевой поверхностью эталона 4. Точность сов­мещения контролировалась интерферометром Кестерса 5. Автоколлиматор 3 использовался для юстировки зеркала 6. Во время измерений производилось сканирование уголкового отражателя, закрепленного на подвижной каретке 2, в пределах нескольких полос ИК-излучения, синусоидальный сигнал с ИК-ин-терферометра подавался на осциллограф, что позволяло визуально отсчи­тывать дробную часть порядка интерференции с погрешностью до десятых долей полосы. Предельная погрешность измерения длин волн ~ 10, 6 мкм не превышала 1 · 10~6 мкм и определялась точностью измерения дробной части порядка интерференции для  = 10, 6 мкм.

Для задания разности хода удобно применять лазерный интерферометр перемещений. На рис. 19. 3 приведена схема установки для измерения длины волны 0, 44 мкм He-Cd-лазера с использованием двух лазерных интерферомет­ров 2, 3 типа интерферометра Майкельсона, измеряющих перемещение одного объекта — подвижной каретки 4. В одном из них источником излучения слу­жил He-Ne-лазер 7, стабилизированный по провалу Лэмба, с аттестованным значением длины волны  = 0, 63 мкм. Во втором интерферометре использо­вался He-Cd-лазер 8, стабилизированный подобным же образом, с неизвестным значением длины волны. Схема обладает тем преимуществом, что счет полос в обоих интерферометрах может быть начат и закончен при любых про­извольных положениях каретки. Измерения производились в воздухе при вво­де в счетные устройства значений показателей преломления для нормального воздуха, давления и температуры. В результате измерений получено значение  = 0, 4415 697 ± 0, 0000 001 мкм. Погрешность полученного результата определяется точностью измерений длины лазерными интерферометрами.

 

Рис. 19. 3. Схема установки измерения длины волны лазера с интерферометром перемеще­ний: 1 — направляющая движения; 2, 3 — лазерные интерферометры на 0, 63 и 0, 44 мкм; 4 — подвижная каретка с двумя отражателями; 5, 6 — реверсивные счетчики полос; 7, 8 — блоки стабилизации частоты эталонного и исследуемого лазеров

 

Максимальная точность в статических устройствах достигается исполь­зованием методов компенсации для определения дробных частей порядка интерференции. Известно, что в устройствах с такой компенсацией можно по­лучить очень высокую чувствительность ~ 10~4 интерференционной полосы. Точность же интерполяции снижается из-за погрешностей калибровки ком­пенсатора. При сведении последних к минимуму удается достичь погрешности измерений не более 10~8 мкм. В физико-техническом институте г. Брауншвей-га (ФРГ) в интерферометре типа Кестерса использование статического метода измерений, с модуляционным фиксированием совпадения полос и компенсацией смещения полос давлением воздуха, линейность и масштаб калибровки позволяет производить отсчет дробной части интерференционного порядка с погрешностью порядка 0, 001 при разности хода в интерферометре 1 м.

Результаты международных сличений длин волн стабилизированных ла­зеров показывают, что систематическая погрешность измерений на лучших двухлучевых установках может быть уменьшена до 5 · 10~9 мкм, а невоспро­изводимость измерений находится на уровне 10~9 мкм.

Динамический метод счета интерференционных полос. Принцип измерения этим методом заключается в следующем. При перемещении по­движного зеркала интерферометра интенсивность светового сигнала в плос­кости регистрации изменяется по закону

где Δ = 2d — разность хода интерферирующих лучей (d — перемеще­ние зеркала); f — частота модуляции монохроматического излучения; t — время.

Следовательно, отношение длин волн можно записать в виде

где p — число интерференционных полос, зафиксированное фотоприемником за время измерения.

Таким образом, измерение отношения длин волн лазеров сводится к изме­рению отношения частот модуляции светового сигнала или отношения чисел интерференционных полос, подсчитанных за определенное время.

Применение метода привлекательно прежде всего возможностью полной автоматизации процесса измерения и быстротой получения информации. При непрерывном динамическом счете полос не требуется остановка в начале и в конце счета для определения фазы полосы в этих точках, скорость изме­нения разности хода можно выбрать такой, чтобы уменьшить влияние меха­нических вибраций, флуктуационных помех, шумов и т. п. При непрерывном движении подвижного зеркала отпадает необходимость в реверсивном счете полос и связанном с этим усложнении измерительной установки. При созда­нии установок такого типа необходимо обеспечить равномерность движения подвижного зеркала, что позволяет использовать узкополосные усилители и обеспечить тем самым высокое отношение сигнал/шум (С/Ш) на входе схем счета интерференционных полос.

Интерферометры с динамическим счетом полос могут быть созданы для широкого спектрального диапазона.

 

На рис. 19. 4. показана структурная схема установки, предназначенной для сравнения длин волн лазеров, работающих в диапазоне 0, 4—4 мкм. Излучения эталонного 1 и исследуемого 2 лазеров, расширенные с помощью коллима­торов 3, 4, зеркалами 31 и 32, совмещаются в пространстве и направля­ются в интерферометр типа Майкельсона, состоящий из светоделителя 33 и подвижного уголкового отражателя 34. Интерферирующие световые пучки направляются на ОЭИП 5, 6, один из которых воспринимает видимое, а дру­гой — ИК-излучение. Электрические сигналы с ОЭИП поступают в блок фор­мирования и счета интерференционных полос 7. Счет полос осуществлялся стандартными счетчиками импульсов типа Ф-588 после преобразования фото­электрического сигнала от интерференционной полосы специальным блоком формирования импульсов. Время измерения составляло ~ 3 мин.

 

Рис. 19. 4. Схема установки с динамическим счетом интерференционных полос: 1 — эта­лонный лазер; 2 — лазер с измеряемой длиной волны; 3, 4 — коллиматоры; 5, 6 — ОЭИП соответственно для видимого и ИК-излучения; 7 — блок счета интерференционных полос; 31, 32, 35 — поворотные зеркала; 34 — подвижный уголковый отражатель; 33 — светоде­литель

 

При сравнении длин волн видимого и ИК диапазонов наиболее хорошо зарекомендовал себя способ счета полос между достаточно удаленными по­ложениями совпадения их фаз с заранее устанавливаемой точностью, опре­деляемой параметрами схемы совпадений и ошибками порогов срабатыва­ния устройств формирования счетных импульсов. На описанной установке сравнивались длины волн лазеров 0, 63 мкм, стабилизированных по линии поглощения неона — 20, и 3, 39 мкм, стабилизированного по линии поглоще­ния метана. Длина волны последнего была принята в качестве эталонной, которой на основании международных рекомендаций приписано значение 3, 39223140 ± 0, 00000001 мкм. В результате измерений получено значение длины волны 0, 63 299149 мкм с доверительным интервалом случайной со­ставляющей погрешности ± 3 10~8 мкм при вероятности 0, 95. Систематиче­ская составляющая погрешности полученного результата оценивалась срав­нением его с результатом измерения этой же длины волны 0, 632 991498 + + 0, 000 000 003 мкм, выполненного на установке с многолучевым интерферо­метром.

Приведенные погрешности измерений свидетельствуют о высоких метро­логических характеристиках, достигаемых в двухлучевых интерферометрах с динамическим счетом интерференционных полос, при оперативном полу­чении результата измерений. Метрологическую аттестацию и поверку подоб­ных установок можно производить, измеряя длину волны 0, 63 мкм лазера, стабилизированного по линии насыщенного поглощения в йоде, длина волны которого принята в качестве вторичной эталонной.

На примере этой установки проанализируем систематические погреш­ности сравнения лазерных длин волн, присущие двухлучевым интерферо­метрам.

Одним из источников систематической погрешности измерения отноше­ния длин волн , возникающей даже в идеально отъюстированной оптической схеме интерферометра (рис. 19. 3), является дифракционная по­грешность. Другая группа погрешностей возникает за счет неточной юстиров­ки оптической схемы интерферометра и неполного совмещения осей пучков сравниваемых лазеров. В зависимости от характера перестройки оптической схемы при измерениях погрешности юстировки могут быть случайными или систематическими. Наиболее простая форма выражения для дифракционной погрешности измерения отношений лазерных длин волн выглядит следующим образом:

                                         (19. 3)

где Ь — конфокальный параметр лазерного пучка. Это выражение может быть записано в эквивалентной форме:

                                             (19. 4)

где ω _ο — радиус лазерного пучка в перетяжке.

Введя угол расходимости гауссова пучка (к — волновое число) , получаем

                                                     (19. 5)

Выражения (19. 3)—(19. 5) показывают возможность уменьшения дифрак­ционной погрешности рациональным выбором степени коллимации лазерных пучков перед вводом их в интерферометр. Кроме того, измеряя с достаточной точностью параметры лазерных пучков (в частности, радиусов пучков), ди­фракционную погрешность можно вычислить и ввести в результат измерения в качестве поправки аналогично тому, как это делается при измерениях на многолучевых интерферометрах. Дифракционная погрешность в описывае­мой установке для  = 0, 63 мкм и  = 3, 39 мкм была оценена по (19. 4) и равнялась 5 · 1СГ9.

Оценим погрешности юстировки. Рассмотрим случай, когда направления распространения пучков сравниваемых лазеров лежат в плоскости, перпен­дикулярной ребру светоделителя и проходящей через вершину отражателя, и составляют углы  и  с линией, соединяющей вершину подвижного отра­жателя с точкой пересечения этой плоскостью ребра светоделителя. В пред­положении, что за время измерения  и , а также направление движения отражателя не изменяются, получим

                                           (19-Ь)

Где ; .

В общем случае направления пучков сравниваемых лазеров имеют со­ставляющие, параллельные ребру разделителя. Соответствующая погреш­ность сравнения длин волн находится аналогично (19. 6) и равна , где β — угол наклона освещающего интерферометр лазерного излучения относительно ребра разделителя.

Погрешности юстировки зависят от выбранных методов юстировки и при­меняемой контрольной аппаратуры (например, для контроля за совмещением осей диаграмм направленности излучения и т. п. ) Обычно относительная сум­марная погрешность юстировки оптической схемы интерферометра состав­ляет ~ 10. Варьированием степени юстировки интерферометра и лазерных пучков от измерения к измерению эту систематическую погрешность можно рандомизировать — перевести в разряд случайных. Таким приемом в описан­ной выше установке систематическую погрешность измерений удалось умень­шить в 7 раз.

 

19. 5. 4. Измерения длин волн излучения импульсных лазеров. Измерения длин волн излучения импульсных лазеров, в отличие от изме­рений длин волн высокостабилизированных газовых лазеров непрерывного действия, производятся, как правило, с большей погрешностью (10~4-10~6), что обусловлено шириной линии их генерации и областями применений.

Из-за малой длительности импульсов генерации и невозможности осу­ществления какого-либо сканирования в спектральных приборах необходима регистрация пространственной спектральной картины (спектра разложения или пространственной интерференционной картины).

При измерениях с погрешностью порядка (10~3-10~5) обычно используют стандартную аппаратуру — спектрографы (или монохроматоры). Регистра­цию спектра лазера производят в большинстве случаев фотографическим методом и затем сравнивают полученный спектр со спектром источника, излу­чающего стандартные длины волн (линии железа и т. п. ), в качестве которых обычно используют рубиновый лазер и лазер на стекле с неодимом. Реги­страция, измерения и обработка спектрограмм в этих случаях производятся хорошо отработанными классическими приемами.

Иногда целесообразно создавать специализированные простые спектро­метры, предназначенные для определения типа импульсных лазеров. Так, например, в США для исследований спектров генерации СО2-, N2O-, CO-, HF-и DF-лазеров выпускались специальные спектрографы с дифракционными решетками. Один из этой группы приборов — анализатор спектра (модель 16 А) — имел разрешение 0, 03 мкм в спектральном диапазоне 9, 1-11, 6 мкм. Из­мерения производились визуальным наблюдением вспышек от излучения ла­зера на графитовом экране, установленном в плоскости регистрации спектра. Прибор мог быть использован для работы с лазером непрерывного действия, для чего графитовый экран заменялся термочувствительным, работающим по принципу теплового тушения люминесценции.

При применении высокоразрешающих спектрографов и тщательном экс­перименте возможны измерения длин волн импульсных лазеров с относитель­ной погрешностью до 3 · 10~6.

Когда измеряется относительно небольшое смещение рабочей длины вол­ны внутри области генерации, и требуемая точность измерений мала, возмож­но применение косвенных методов измерений. Например, поскольку область смещения длины волны 0, 694 мкм находится в пределах кривой измене­ния интенсивности люминесценции рубина, можно снять градуировочную характеристику, представляющую зависимость длины волны от отношения интенсивностей двух приемных рубиновых элементов, термостатированных при разных температурах.

Следует остановиться на измерениях длин волн в лазерной спектроскопии, где описанные выше измерительные схемы часто оказываются непригодными. От измерительной аппаратуры здесь требуется оперативное слежение за изме­няющимся значением длины волны перестраиваемого лазера, автоматический съем измерительной информации интерференционной картины, обработка этой информации электронно-вычислительными устройствами и выдача ре­зультата измерений в цифровом виде. Для удовлетворения этим требованиям необходимо использовать современные средства оптоэлектроники (скорост­ные фотографические камеры, оптические кодирующие устройства, волокон­но-оптические диссекторы, телевизионные устройства, матрицы фотодиодов и т. п. ) и электронно-вычислительной техники.

В качестве типичного примера скоростной регистрации спектра импульс­ного лазера с ИФП можно привести установку для измерений значений длин волн лазера, работающего в пичковом режиме генерации (ширина пичка 0, 001 нм). СИ длин волн являлось составной частью лазерного спектрометра для скоростной спектроскопии атмосферных газов. Измерения проводились на интерферометре типа ИТ-51-30 сравнением с аттестованной длиной волны стабилизированного по провалу Лэмба лазера с λ = 0, 63 мкм. Предвари­тельное определение длины волны генерации рубинового лазера 0, 694 мкм с погрешностью 0, 01 нм производилось по шкале перестройки лазера, предва­рительно проградуированной по спектрографу. Фотографическая регистра­ция колец равного наклона интерферометра производилась скоростной фото­камерой СФР-Л. Для ускорения процесса обработки интерферограмм были построены графики зависимостей дробной доли порядка интерференции от диаметров первых двух колец. Абсолютная погрешность измерений длин волн отдельных пичков составляла 5 · 10~4 нм.

В приборах для регистрации интерферограммы применяются ЭОП и види-коны. К недостаткам ЭОП в данном применении следует отнести относитель­но небольшой размер изображения, невозможность кодирования и передачи информации на расстояние, а также принципиально худшее, чем у видиконов, отношение С/Ш.

Основные факторы, влияющие на погрешность измерений с использова­нием указанных оптоэлектронных устройств, — нестабильность питающих напряжений и малая разрешающая способность. Первая погрешность может быть сведена к минимуму. Применение ЭОП и видиконов с большими экра­нами позволяет реализовать разрешающую способность на рабочем участке экрана порядка 50 лин. /мм, чего вполне достаточно для обеспечения погреш­ности измерений ~10~6.

Система автоматической регистрации интерференционной картины колец равного наклона, использующая считывание картины с видикона при помо­щи телевизионной развертки, предназначена для измерения с погрешностью ±0, 01 нм длины волны (694, 3 ±0, 5) нм рубинового лазера с модулирован­ной добротностью. С помощью цилиндрической оптики интерференционные кольца интерферометра Фабри-Перо трансформируются в линии, образуемые в плоскости экрана приемной телевизионной трубки — видикона. Линейный размер каждого кольца считывается при помощи телевизионной развертки. Число последовательных электрических сигналов, умноженное на характер­ный размер растра, определяет Линейный размер интерференционного кольца, а при известных параметрах интерферометра и предварительно известной длине волны лазера позволяет на порядок повысить точность определения последней. Калибровка прибора производится по длине волны He-Ne-лазера (632, 9 нм), принимаемой за эталонную. Воспроизводимость длины интерферо­метра Фабри-Перо достигается выбором материала корпуса и термостатиро-ванием. Результат измерений выдается в цифровой форме, время измерения составляет 1с.

Погрешность измерений длин волн приборами такого типа можно опреде­лить выражением

где — определяется аппаратной функцией прибора; — погрешность калибровки шкалы; — дополнительная погрешность за счет изменения температуры; — дополнительная погрешность за счет изменения давле­ния; — погрешность отсчета. Суммарная относительная погрешность измерений составляет обычно не менее 10 -10~6.

В перспективе заслуживает внимания применение в системе регистрации кремникона (видикон с монокристаллической диодно-мозаичной мишенью), имеющего следующие характеристики.

Рабочая площадь мишени, мм2                    9, 5 X 12, 7

Освещенность мишени, лк                   0, 1-5, 0

Область спектральной чувствительности, мкм 0, 4-1, 1

Максимум спектральной чувствительности, мкм  0, 7

Разрешающая способность, лин. /см:

· в центре                             550-600

· на краях                             450-500

Наиболее универсальными в применениях являются установки с совмест­ным использованием призменного или дифракционного прибора с интерфе­рометром Фабри-Перо, спектры на выходе которых регистрируются элек­тронно-оптическими средствами. Структурная схема установки такого типа представлена на рис. 19. 5. Она предназначена для измерения длин волн пе-

Рис. 19. 5. Структурная схема измерителя длин волн импульсных лазеров: 1 — эталонная лампа; 2 — исследуемый лазер; 3 — монохроматор; 4 — интерферометр Фабри-Перо; 5 — видикон; 6 — телевизионная камера КТП-39; 7 — электронно-вычислительное устройство рестраиваемых лазеров в диапазоне 0, 3-0, 8 мкм.

В канале измерений 3-5-6 автоматически осуществляется сравнение с помощью модифицированного монохроматора МДР-3 неизвестной линии излучения импульсного лазе

⇐ Предыдущая68697071727374757677Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: