16.2. Лазерометрия как вид оптической радиометрии

Итак, лазерометрией будем именовать область измерений параметров и ха­рактеристик выходного лазерного излучения, а также свойств и параметров элементов и узлов излучателей, системы накачки и питания лазеров [82]. Более того, к лазерометрии следует отнести и измерения метрологических парамет­ров и характеристик (СИ) тех компонентов, которыми пользуются в процессе производства и эксплуатации лазерных установок, лазерных устройств и ла­зеров.

Предлагаемый термин не стандартизован, но удобен в силу его краткости и универсальности применительно ко всем объектам и элементам лазерной техники. Поэтому в дальнейшем он будет нами широко использован.

В соответствии с делением характеристик лазерного излучения на четы­ре группы, можно рекомендовать не требующие дополнительных пояснений термины: энергетическая, спектральная, поляризационная и корре­ляционно-фазовая лазерометрия.

Измерения свойств и параметров элементов и узлов, включая системы накачки и питания, предлагается именовать элементной лазерометрией.

В зависимости от режима работы лазера энергетическую и спектральную лазерометрию можно разделить на статическую и динамическую.

Статическая лазерометрия включает измерения параметров и харак­теристик выходного лазерного излучения в установившемся (стационарном) режиме. Примерами могут служить измерения мощности в режиме непре­рывного генерирования лазерного излучения или измерения средней или мак­симальной мощности в режиме импульсно-модулированного генерирования. Сюда же следует отнести определение статических параметров и характери­стик соответствующих СИ.

Динамическая лазерометрия включает измерения параметров и ха­рактеристик выходного лазерного излучения в неустановившемся (переход­ном) режиме, когда приходится учитывать соотношение между временем процесса и временными характеристиками СИ. Примерами могут служить измерения мощности или энергии излучения лазера в импульсном режиме. Сюда же следует отнести определение динамических параметров и характе­ристик соответствующих СИ.

Предлагаемые термины систематизированы в классификационной схеме, представленной на рис. 16. 2 а. Остановимся более подробно на содержании нижнего поля схемы и кратко охарактеризуем часто встречающиеся виды измерений в лазерометрии.

Независимо от режима работы лазера, измеряемые энергетические вели­чины, параметры и характеристики делятся на временные, пространственные и пространственно-временные.

Энергетическая статическая временная лазерометрия включает прямые измерения: мощности непрерывного излучения; средней мощности импульсного излучения; максимальной и мгновенной мощности импульса ла­зерного излучения в импульсном режиме; энергии импульса лазерного излу­чения в импульсном режиме, а также косвенные измерения таких временных (частотных) параметров импульсного излучения, как длительность импульса и период (частота) повторения импульсов.

Энергетическая статическая пространственная лазерометрия со­держит прямые измерения: локальной плотности мощности непрерывного или энергии импульсного лазерного излучения; диаметра пучка непрерывного и импульсного лазерного излучения; положения и уходов оси диаграммы направленности непрерывного и импульсного излучения, а также косвенные измерения расходимости, энергетической расходимости, распределения мощ­ности по сечению пучка лазерного излучения.

Рис. 16. 2. Виды измерений лазерометрии

Энергетическая статическая пространственно-временная лазе-рометрия включает измерения локальной плотности мгновенной мощности импульсного излучения.

Энергетическая динамическая временная лазерометрия содержит прямые измерения мощности и энергии лазерного излучения в моноимпульс­ном режиме, а также косвенные измерения длительности импульса или других его характерных временных параметров.

Энергетическая динамическая пространственная лазерометрия состоит из прямых измерений: локальной плотности энергии моноимпульсного лазерного излучения; диаметра пучка моноимпульсного лазерного излучения; положения оси диаграммы направленности моноимпульсного лазерного излучения, а также из косвенных измерений расходимости, энергетической расходимости, распределения энергии-по сечению пучка моноимп}пьсного лазерного излучения.

Энергетическая динамическая пространственно-временная ла-зерометрия включает прямые измерения изменений всех пространственных величин и параметров моноимпульсного лазерного излучения в течедае вре­мени действия импульса.

Спектральная статическая лазерометрия содержит измер«ния ча­стоты, девиации частоты, длины волны, ширины линии, ширины огибающей спектра непрерывного и импульсного лазерного излучения.

Спектральная динамическая лазерометрия — те же измерения для моноимпульсного режима лазерного излучения.

Статическая лазерометрия, наряду с измерениями величин и парамет­ров, характеризующих установившийся режим лазерного излучения, вклю­чает измерения статических параметров, свойств и характеристик СИ- Сюда в первую очередь следует отнести статическую чувствительность (коэффици­ент или характеристику преобразования), порог чувствительности, рабочий диапазон измерений, линейность рабочего диапазона, равномерность спек­тральной чувствительности и чувствительности приемника излучения по пло­щадке, основную и дополнительные статические погрешности.

Динамическая лазерометрия, наряду с измерениями величин и парамет­ров, характеризующих неустановившийся режим лазерного излучения, со­держит измерения динамических параметров, свойств и характерисгик СИ. Часто предварительно определяют упомянутые статические параметры, за­тем при необходимости измеряют специфические динамические параметры, такие, как переходная или импульсная характеристика СИ, его постоянная времени или ширина полосы пропускания, динамическая чувствитедьность, а также составляющие динамической погрешности.

Элементная лазерометрия содержит, главным образом, измерения пара­метров активного элемента — коэффициентов отражения и пропускания зер­кал, окон, коэффициента усиления среды, дифракционных потерь и IP-Структура энергетической и спектральной лазерометрии в соответствии с изложенным представлена на рис. 16. 2 б, в.

Из рис. 16. 2 б видно, что в энергетической лазерометрии чаще всего при­ходится иметь дело с прямыми измерениями той или иной мощности, энергии, их локальных плотностей. Для этих целей создаются разнообразные СИ, длинные и далеко не всегда удачные названия которых нередко начинаются со слова «измеритель». Желание отказаться от неправильного использования в названии прибора слова «измеритель», а также стремление к лаконичности и унификации терминов, приводит к естественному, на наш взгляд, предло­жению ввести четкие и краткие названия СИ в лазерометрии.

Все приборы, предназначенные для измерений мощности лазерного из­лучения, предлагается именовать «ваттметрами», приборы, измеряющие энергию — «джоульметрами». Приборы, предназначенные для измере­ний локальной плотности мощности и энергии, а также их распределений в пространстве, просто и удобно называть «пространственно-дискретны­ми ваттметрами» или «пространственно-дискретными джоульмет­рами». Если прибор проградуирован в единицах расходимости или энергетической расходимости, следует именовать его измерителем расходимости. Если в названии прибора требуется отметить специфику измеряемой мощно­сти (средняя, максимальная, мгновенная), то и ваттметр можно именовать ваттметром средних, максимальных или мгновенных значений. При желании можно еще более формализовать наименования и перейти к «среднему ватт­метру», «максимальному ваттметру» и «мгновенному ваттметру».

Некоторая возникающая при этом нелогичность в построении терминов (по названию единицы физической величины, обозначению измеряемого па­раметра), по-видимому, неизбежна, так как трудно подобрать сокращенные термины по какому-нибудь единому принципу, а примеров аналогичных тер­минологических образований в других областях измерений достаточно: ватт­метр, расходомер, Q-метр и др.

В области спектральной лазерометрии (см. рис. 16. 2 в) можно заимство­вать названия из радиоизмерений. Приборы для измерения частоты, девиации частоты и длины волны лазерного излучения можно назвать частотомерами, девиометрами, волномерами. Для приборов, измеряющих параметры спек­тров лазерного излучения, следует ввести широко распространенные названия «спектрометры».

Поскольку аналогичные названия приборов встречаются и в других об­ластях измерений, в случаях, когда может возникнуть недоразумение или путаница, рекомендуется каждому предлагаемому наименованию предпосы­лать приставку «лазеро». Тогда термины становятся однозначными и звучат как, например, «лазероспектрометр», «лазерочастотометр», лазероваттметр» и т. д. Если в статье, книге, нормативном документе речь идет только о лазе­рометрии, то приставку «лазеро» можно не употреблять.

Соответственно, используемым в поляризационной и корреляционно-фа­зовой лазерометрии СИ можно присвоить наименования «лазерополяримет-ра», «лазерокогерентометра», «лазерофазометра», опуская по возможности приставку «лазеро».

При рассмотрении пространственных параметров и характеристик были использованы такие термины, как диаграмма направленности и диаметр пуч­ка лазерного излучения. Это понятные читателю, но не стандартизованные термины. Далее при описании методов и средств измерений пространственно-энергетических параметров и характеристик лазерного излучения, мы приве­дем и будем пользоваться терминами и определениями, принятыми в между­народном стандарте.

Независимо от того, какой параметр или характеристика выходного ла­зерного излучения или элемента лазерного устройства подлежит измерению, структурная схема СИ реализует оптоэлектрическое измерительное преобра­зование, подробно описанное ранее.