19.2. Термины и определения. 19.3. Принцип предварительных измерений дифракционным спектрометром

19. 2. Термины и определения

Спектральным распределением мощности (энергии)  ( ) называется кривая (огибающая) спектральной плотности в рабочем диапазоне длин волн, содержащем мощность (или энергию в случае импульсного лазера) пучка лазерного излучения. Суммарная мощность (энергия) распространяющегося излучения описывается формулами

где пределы интегрирования  и  выбраны таким образом, чтобы вне их спектральная плотность составляла менее 1 % ее максимального значения. Максимальной (пиковой) длиной волны  считается длина волны, при которой кривая спектральной плотности мощности (энергии) достигает максимума.

Средней длиной волны  (моментом первого порядка) называется центр тяжести распределения спектральной плотности мощности (энергии):

где  является  в случае излучения непрерывного лазера или  при импульсном излучении.

Спектральная ширина полосы  (момент второго порядка) описы­вается формулой

причем для  справедлива оговорка, сделанная при определении .

Полная спектральная ширина кривой распределения на полу­высоте  представляет собой максимальную разность длин волн, при которых значения спектральной плотности в кривой распределения равнялись половине максимального значения.

Флуктуация, характеризующая дрейф максимальной длины волны , описывается стандартным отклонением ряда последовательных значений , зафиксированных в течение интервала наблюдения за дрейфом.

Флуктуация, характеризующая дрейф средней длины волны , описывается стандартным отклонением ряда последовательных значе­ний , зафиксированных в течение интервала наблюдения за дрейфом.

Выбор метода и средства измерений зависит от типа лазера и спектральной ширины полосы  его выходного излучения. Поэтому вначале следует пред­варительно экспериментально оценить ситуацию, чтобы выбрать подходящее СИ в зависимости от спектрального диапазона, режима излучения (непрерыв­ное или импульсное), а также кривой спектрального распределения, значений ,  и . Основным критерием при выборе СИ служит соответствие разрешающей способности прибора измеряемой спектральной ширине полосы.

19. 3. Принцип предварительных измерений дифракционным спектрометром

Предварительные измерения можно выполнить дифракционным монохро-матором средней величины с фокусным расстоянием порядка 30 см. Для любых типов лазеров и лазерных устройств пригоден одиночный прибор, но некоторые компоненты и вспомогательные устройства следует подбирать с учетом области спектра, в которой расположено измеряемое лазерное излу­чение. В [98] рассмотрены две области спектра:

«оптическая», охватывающая ближний ИК, видимый и УФ поддиапазоны (длины волн 0, 2 <  < 1, 5 мкм);

«инфракрасная» (длины волн 1, 5 <  < 15 мкм).

Основным элементом спектрометра служит монохроматор с вмонтирован­ной в него дифракционной решеткой. Во всех случаях должна быть исполь­зована регулируемая по ширине входная щель. Расположенный за выходной щелью прибора ОЭИП должен иметь спектральную характеристику преобра­зования, соответствующую области спектра. Для «оптической» области пред­почтителен многоканальный ОЭИП на основе ПЗС — линейки или матрицы. Эффективная спектральная ширина полосы  спектрометра на полувысоте от максимума должна составлять:

· менее 0, 2 нм в «оптической» области;

· менее 2 нм в «инфракрасной» области.

Остановимся подробнее на критериях выбора дифракционного монохрома-тора и вспомогательных устройств [98]. Для монохроматора с отражательной дифракционной решеткой справедливо соотношение

где к — порядок дифракции; N — количество штрихов на единицу длины;  — длина волны излучения в тех же единицах длины.

В большинстве случаев угол падения i1 близок к углу дифракции i2, т. е.

Теоретическая разрешающая способность дифракционной решетки по от­ношению к k-му порядку дифракции равна

,

где L — поперечный размер решетки & направлении, перпендикулярном ее штрихам.

Практическая разрешающая способность дифракционной решетки зави­сит не только от ее параметров, но и от механических и оптических характе­ристик прибора в целом, а также от рабочего спектрального диапазона. Ухуд­шение разрешающей способности по отношению к ее теоретическому пределу описывается коэффициентом качества Q — Q1Q2, где Q1 — дефекты геомет­рических параметров решетки, а Q2 — локальные дефекты ее оптической поверхности и оптической системы построения и регистрации изображения. Так что практическая разрешающая способность

где к — порядок дифракции;  — теоретическая разрешающая способность в первом порядке.

Чувствительность к оптическим аберрациям зависит от диафрагменного числа монохроматора F/L, где F — фокусное расстояние коллиматора. С уче­том отношения F/L, для Q1 можно записать:

Q1 = 1, при F/L > 10;

Qi1= 0, 7, при 4 < F/L < 10;

Q1= 0, 5, при F/L < 4.

 

Чувствительность к влиянию дефектов поверхностей оптических элемен­тов зависит от спектрального диапазона и для Q2 можно записать:

Q2 = 0, 9, при  > 0, 7 мкм;

< 5г = 0, 5, при 0, 4 <  < 0, 7 мкм;

Q2 = 0, 33, при  < 0, 4 мкм.

Примечание: Приведенные выражения для разрешающей способности получены в предположении, что ширины входной и выходной щелей моно-хроматора (или размер элемента ПЗС-матрицы) могут быть сделаны ма­лыми вплоть до ограничивающего их дифракционного предела . Это с трудом достижимо в коротковолновой области спектра. Кроме то­го, ПЗС-матрица иногда размещается за увеличивающей монохроматическое изображение оптической системой. Все эти эффекты могут быть учтены ко­эффициентом качества Q2-

Монохроматор с голографической решеткой. Световая отдача го-лографических дифракционных решеток приблизительно постоянна (от 30 до 50 %) в первом дифракционном порядке к = 1. Поэтому спектральный диапазон монохроматора с такой решеткой ограничен лишь пределами, от imin До imах) углов поворота основания, на котором она смонтирована. Тогда , где  и .

Монохроматор с отражательной рельефно-фазовой решеткой. Угол отражения iв штриховых решеток зависит от угла наклона штрихов относительно поверхности подложки. Угол iв соответствует углу падения излучения, при котором дифракционная эффективность в первом порядке достигает максимума. Применительно к монохроматору речь идет о длине волны , при которой нормальная работа прибора характеризуется макси­мальной эффективностью:

В сертификатах производителей монохроматоров приводятся обычно та­кие типичные соотношения между эффективностью S и длиной волны :

S = 0, 5, при  и ;

S = 0, 9, при .

Более того, отражательная рельефно-фазовая дифракционная решетка может быть использована и для работы с высшими порядками дифракции. Зависимость дифракционной эффективности от угла остается неизменной, поэтому оптимума она достигает при длине волны . Практическая раз­решающая способность оказывается равной .

Практически реализуемые спектральные диапазоны существуют и для мо­нохроматоров со штриховыми решетками, но они зависят от выбора порядка дифракции:

Очевидно, что качество спектральных измерений зависит от правиль­ности выбора монохроматора. В свою очередь, выбор типа прибора дикту­ется задаваемыми точностью определения длины волны лазерного излуче­ния и разрешающей способностью монохроматора, гарантирующей измерение спектральной ширины полосы. Погрешность определения длины волны имеет составляющие, порождаемые неточностями отсчетов по шкале длин волн и по­зиционирования решетки. Первая из этих составляющих минимизируется при калибровке монохроматора, а вторая обычно оценивается значением  и зависит от практической разрешающей способности прибора.

Для калибровки монохроматоров стандартом [98] рекомендованы несколь­ко эталонных излучателей, в том числе криптоновые и кадмиевые лампы, переходы и длины волн которых представлены в табл. 19. 2-19. 3.

 

Таблица 19. 2. Спектральные линии излучения криптоновых ламп

Переходы	Длины волн
2plO-5d5	605 780 210, 30 фм
2p8-5d4	645 807, 20 пм
2p8-5d4	642 280, 06 пм
ls3-3plO	565 112, 86 пм
Isl-3p8	450 361, 62 пм

 

Таблица 19. 3. Спектральные линии излучения кадмиевых ламп i

Переходы	Длины волн
б^-б^г	644 024, 80 пм
б^З-б^	508 723, 79 пм
53P1-63S1	480 125, 21 пм
53PO-63S1	7 945, 81 пм

После выбора и калибровки монохроматора можно приступать непо­средственно к предварительным измерениям спектра лазерного излучения. Каждый из используемых при измерении оптических компонентов (линзы, зеркала, оптические волокна) должен быть либо неселективен в данном спектральном диапазоне, либо его спектральная характеристика должна быть достаточно точно сертифицирована. Соответственно, их возможная реакция на состояние поляризации пучка либо не должна зависеть от длины волны в диапазоне измерений, либо необходимо знать характеризующие эти элементы матрицы Мюллера. Более того, поскольку такие приборы, как дифракционные монохроматоры и многие типы ОЭИП поляризацион-ночувствительны, весь оптический тракт измерительной установки следу­ет подвергнуть калибровке перед каждым измерением, чтобы определить поляризационную зависимость спектральной чувствительности. Однако для узкополосных лазерных пучков этой зависимостью часто можно пренебречь, считая поляризационно-плоской характеристику преобразования монохрома­тора в весьма ограниченной полосе частот.

При измерениях спектральных параметров обычных (коммерческих) ла­зеров, не предъявляется жестких требований к условиям измерений, вы­полняемых, как правило, в лаборатории с сухим воздухом при нормальной температуре (20 ± 2) °С. В случае спектральных измерений пучков с высокой и сверхвысокой степенью монохроматичности излучения часто приходится ужесточать требования к параметрам окружающей среды. Кроме того, стандарт [98] распространяется на лазерные пучки, спектральные параметры ко­торых одинаковы во всех точках поперечного сечения.

Методика выполнения измерений состоит в следующем. Измеряемый пу­чок лазерного излучения или часть его, ответвленная оптическим делителем, направляется оптической системой на входную щель монохроматора. Отно­сительное отверстие объектива и светосила прибора должны быть выбра­ны с расчетом предельно достижимой облучаемой площади дифракционной решетки. Для этого обычно требуется фокусировка пучка. Следует также предварительно оценить плотность мощности (энергии) на краях щели во избежание ее порчи и даже разрушения.

Затем следует произвести юстировку прибора и с помощью «узкополосно­го» лазера (например, гелий-неонового с длиной волны 632, 8 нм) проконтро­лировать эффективную ширину полосы ; монохроматора.

В случае использования одноканального ОЭИП за выходной щелью мо­нохроматора спектр прошедшего сквозь него измеряемого пучка сканируется вращением основания, на котором закреплена дифракционная решетка. При этом через равные интервалы времени регистрируются значения выходных сигналов ОЭИП, а соответствующие интервалы («шаги») по шкале длин волн монохроматора не должны превышать ,. В случае применения ОЭИП на основе ПЗС-линейки или матрицы одновременно регистрируются значения выходных сигналов всех ее элементов.

В обоих случаях динамический диапазон (рабочий диапазон преобразо­вания) одноканального или многоканального ОЭИП должен охватывать как минимум 2 декады.

Описанная методика выполнения измерений дифракционным монохрома-тором позволяет зарегистрировать спектральную плотность распределения мощности  или энергии  лазерного излучения. Далее следует про­извести обработку полученных результатов в таком порядке:

· — зафиксировать в полученном распределении точку, где , а за­тем по обе стороны от нее найти по одной точке (это легко сделать при одномодовом распределении), где спектральная плотность равна половине ее максимального значения, после чего определить ; если количество таких точек больше двух, определить  не представляется возможным в силу возникшей неоднозначности;

· — вычислить моменты первого  и второго  порядков измеренной функции распределения спектральной плотности;

· — занести полученные данные в протокол результатов измерений;

· — сравнить полученное значение  с шириной полосы пропускания  спектрометра; если , то на этом измерения можно прекратить; если , то в протокол следует занести скорректирован­ное значение спектральной ширины полосы измеряемого излучения, , или же полученное путем выполнения операции деконво-люции, т. е. обращения свертки; если же , то необходимо использо­вать СИ с более высокой разрешающей способностью, чем у дифракционного монохроматора.

⇐ Предыдущая66676869707172737475Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: