19.4. Принцип измерений спектральной плотности мощности (энергии) лазерного излучения спектрометром с высокой разрешающей способностью

Будем считать [98], что при соотношении  лазерное излучение может обладать хорошей, высокой или сверхвысокой степенью монохрома­тичности. Это означает, что чем выше степень монохроматичности, тем спек­трально «чище» излучение, т. е. тем уже его спектральная ширина полосы.

Выбор подходящего СИ требует учета нескольких факторов, а именно:

· ожидаемой степени спектральной «чистоты»;

· режима излучения (непрерывный или импульсный); во втором случае следует принимать во внимание длительность импульса ;

· спектральных параметров измеряемого излучения: длины волны и фор­мы кривой спектрального распределения, включая ее ширину.

В табл. 19. 4 приведены четыре градации степени монохроматичности пуч­ка в зависимости от диапазона отношений .

Таблица 19. 4. Градации степени монохроматичности в зависимости от ДЛ/А

Диапазон значений ДА/А	^ < ю- А	ю-8 < ~< ю-5 А	ю-» < ^ < ю-3 А	Ю-з < ^ А
Степень моно­хроматичности	Сверх­высокая	Высокая	Хорошая	Низкая

Если лазерное излучение имеет низкую степень монохроматичности, то можно ограничиться описанными в 19. 3 предварительными измерениями спектральных параметров и характеристик в непрерывном или импульсном режИМах при длинах волн, не превышающих 15 мкм.

Выбор надлежащего СИ в трех остальных случаях рекомендовано [98] производить в соответствии с табл. 19. 5.

В табл. 19. 5 приняты следующие обозначения:

· FSR — область дисперсии интерферометра Фабри-Перо в волновых числах;

· с — скорость света;

· L — разность оптических путей в двухлучевом интерферометре. Следует также учитывать, что дифракционный спектрометр высокого

разрешения имеет практическую разрешающую способность  в пределах от 105 до 106. Для измерений спектральных характеристик им­пульсных лазеров при достаточно большой  можно использовать лишь ин­терферометры.

Более подробные сведения о дифракционных спектрометрах интересую­щиеся могут почерпнуть в [20], а об интерферометрах — в [99].

Измерения при хорошей степени монохроматичности. Как следует из табл. 19. 5, в большинстве случаев задача измерений  и  успешно ре­шается дифракционным спектрометром высокого разрешения. В ситуациях, когда этот прибор не годится, следует использовать сканирующий или твердо­тельный интерферометр Фабри-Перо (ИФП). Обе разновидности ИФП (вто­рая часто именуется эталоном Фабри-Перо) пригодны для измерения формы распределения спектральной плотности излучения непрерывных и импульсных лазеров с хорошей степенью монохроматичности, а сканирующий ИФП — и с высокой степенью монохроматичности. Рассмотрим ряд рекомендаций по выбору ИФП.

 

Таблица 19. 5. Рекомендации по выбору спектрометров высокого разрешения

Степень монохрома­тичности	Хорошая	Высокая	Сверхвысокая
Измеряет­ся А	Дифракционный спектро­метр высокого разрешения для непрерывных и импульс­ных лазеров	Интерферометры Майкель-сона, Маха-Цандера или Физо и калиброванный источник для непрерыв­ных и импульсных лазеров (т„ > 10L/c)	Гетеродинная методика
Измеряет­ся ДА	Дифракционный спектро­метр высокого разрешения для непрерывных и им­пульсных лазеров или ска­нирующий или твердо­тельный интерферометр Фабри-Перо для непрерыв­ных и импульсных лазеров (т„ > 100/(с • FSR))	Сканирующий интерфе­рометр Фабри-Перо для непрерывных и импульсных лазеров (т„ > 100/(с • FSR))	Гомодинная или гетеродинная методика

Основной характеристикой ИФП служит область дисперсии, выражаемая в волновых числах (см" 1) и равная , где n — показатель преломления оптической среды, a D — расстояние в сантиметрах между зеркалами с высо­ким коэффициентом отражения. Пересчет из пространства волновых чисел а в пространство длин волн  ( ) осуществляется по формулам

В частности, для большинства практически важных случаев справедливо соотношение .

Вторым важным параметром ИФП является его острота настройки F, связанная с коэффициентом отражения зеркал R соотношением

Ширина резонансной кривой , а разрешающая способность ИФП равна

Как область дисперсии, так и острота настройки ИФП должны обеспечи­вать анализ профиля распределения спектральной плотности, т. е.

Очевидно, что этим условиям могут удовлетворять только интерферомет­ры с весьма высокой остротой настройки. Именно это обстоятельство является ограничением возможностей использования ИФП при спектральных измере­ниях излучения импульсных лазеров. Отсюда возникает условие

где Τ = 2nD/c.

Сканирование резонансов в ИФП может осуществляться либо пропускани­ем сухого воздуха или нейтрального газа в оптическом резонаторе интерфе­рометра (сканирование показателя преломления n), либо смещением зеркал, т. е. изменением расстояния D с помощью, например, пьезоэлектрического актуатора.

Приведенные сведения позволяют сделать три вывода:

· при сверхкоротких длительностях измеряемого лазерного излучения можно пользоваться лишь спектрометром;

· использование сканирующего ИФП предпочтительно в режиме непре­рывного излучения; коллимированный пучок пропускается сквозь ИФП, ска­нирование которого осуществляется одним из двух только что описанных способов; прошедшее сквозь ИФП излучение воспринимается ОЭИП; для регистрации усредненного спектрального профиля диапазон сканирования должен перекрывать не менее 10 FSR;

· использование твердотельного ИФП предпочтительно в режиме им­пульсного излучения; перед пропусканием пучка сквозь ИФП его необходимо оптической системой преобразовать из коллимированного в расходящийся, при этом на установленном за эталоном экране будет наблюдаться интер­ференционная картина из колец; измерения этого распределения осуществ­ляются с помощью ПЗС-камеры, в поле зрения которой должна попадать центральная часть интерференционной картины; выбор параметров измери­тельной установки в целом должен обеспечить согласование размеров одного элемента ОЭИП с ожидаемой разрешающей способностью ИФП.

Измерения при высокой степени монохроматичности. Как следует из табл. 19. 5, задача измерений  успешно решается фазочувствительным методом с использованием интерферометров Физо, Маха-Цандера и Майкель-сона. При этом особое внимание следует обращать на минимизацию механи­ческих и тепловых воздействий окружающей среды или, по крайней мере, их стабилизацию.

Интерферометр Майкельсона эффективен при измерениях как , так и профиля спектрального распределения главным образом непрерывных ла­зеров. Хотя разрешающая способность этого интерферометра обратно про­порциональна перемещению подвижного зеркала, она может быть увеличена переходом на измерение дробной доли интерференционной полосы.

При измерениях длины волны лазерного излучения в интерферометр необ­ходимо ввести как коллимированный пучок измеряемого лазера, так и пучок излучения «опорного» (референтного) лазера с известной λ. Благодаря этому в двух плечах прибора распространяются два волновых фронта, формиру­ющие на выходе интерференционную картину. Тогда длина волны λ i изме­ряемого излучения определяется методом счета интерференционных полос в процессе перемещения подвижного зеркала:

где  — длина волны референтного лазера; Nr — число полос излучения с ; Ni — число полос излучения с .

Точность измерений увеличивается по мере возрастания числа полос, т. е. при движении зеркала.

Для измерения профиля спектрального распределения интерферометром Майкельсона необходимо зарегистрировать всю интерферограмму, т. е. за­висимость распределения интенсивности прошедшего в зону интерференции излучения от смещения подвижного зеркала, после чего компьютером выпол­нить ее фурье-преобразование.

Методика измерений интерферометром Маха-Цандера аналогична только что описанной применительно к интерферометру Майкельсона.

Полезным может оказаться использование и интерферометра Физо (опти­ческого клина). Еще более предпочтительно каскадное соединение нескольких интерферометров Физо с правильно подобранными углами клиньев и длинами оснований. Такое «цепочечное» соединение позволяет измерять длину волны с погрешностью 10~8 мкм как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

С учетом рекомендаций по выбору ИФП их также можно использовать для измерений профиля спектрального распределения лазерного излучения с высокой степенью монохроматичности (табл. 19. 5).

Измерения при сверхвысокой степени монохроматичности. Как следует из табл. 19. 5, в данном случае можно использовать лишь гомодинную или гетеродинную методики измерений, основанные на смешении оптических сигналов.

Гомодинная методика с самозапаздыванием предпочтительна при измере­нии спектральной ширины полосы лазерного излучения в видимом и ближнем и среднем ИК диапазонах спектра. Лазер, излучение которого подлежит ис­следованию, сочленяется с оптическим волокном, расщепляемым с помощью соединителя на две ветви. Это позволяет ввести временное запаздывание, со­кращающее временную корреляцию пучков излучения в ветвях, порождаемых одним и тем же лазером. По выходе из волокон оба пучка смешиваются, обра­зуя тон биений. Спектральная ширина полосы измеряется непосредственно ра­диочастотным спектроанализатором. Разрешающая способность при исполь­зовании этой методики обратно пропорциональна длине оптического волокна, используемого в оптической линии задержки.

Гетеродинная методика позволяет проводить измерения спектральных ха­рактеристик непрерывных и импульсных лазеров, но при этом необходим референтный лазер, от качества которого зависит достоверность получаемых результатов.

Для измерения профиля спектрального распределения или длины волны коллимированный пучок исследуемого излучения смешивается с пучком из­лучения референтного лазера, результатом чего является возникновение тона биений. Профиль спектрального распределения (в области оптических частот) или разность оптических частот непосредственно определяется по огибающей тона биений с помощью радиочастотного спектроанализатора. Тогда измеря­емая длина волны вычисляется по формуле

где с — скорость света; ν — оптическая частота излучения референтного лазера; δ v и — частота тона биений. В табл. 19. 6 приведены параметры референтных лазеров.

 

Таблица 19. 6. Параметры референтных лазеров

Тип лазера	Переход	Частота	Длина волны
СО2	OsO4	29 096 274 952, 30 кГц	10 303 465 254, 300 фм
He-Ne	CH4n3P(7)F22)	88 376 181 600, 18 кГц	3 392 231 397, 327 фм
Laser diode	85Hb, 5D5/2-5S3/2 F=5< -F=3, 2-photon	385 285 142 378, 00 кГц	778 105 421, 220 фм
Dye	40Lpl-lSOi Dmm = 0	55 986 240 494, 15 кГц	657 459 439, 292 фм
He-Ne	127i28-5, P(10)	468 218 332, 40 Мгц	640 283 468, 700 фм
He-Ne	127i211-5, fl(127)	473 612 214 705, 00 кГц	632 991 398, 220 фм
He-Ne	127l29-2, H(47)	489 880 354, 90 МГц	611 970 770, 000 фм
He-Ne	127i217-l, P(62)	520 206 808, 40 МГц	575 294 760, 400 фм
He-Ne	1271226-0, Я(12)	551 579 482, 96 МГц	543 516 33, 100 фм
Nd: YAG	127i232-0, rt(56)	563 260 223, 48 МГц	532 245 036, 140 фм
Ar	127i243_0, P(13)	582 490 603, 37 МГц	514 673 466, 400 фм
Dye	H, 1S-2S, 2-photon	1 233 030 706 593, 70 кГц	243 134 624, 626 фм

Следующей существенной характеристикой степени монохроматичности лазерного излучения является спектральная стабильность. Чем меньше вре­менной дрейф максимальной и средней длин волн, тем выше спектральная стабильность. Оценка спектральной стабильности производится по результа­там серии последовательных N = 10 и более измерений, выполняемых через равные интервалы времени tk. Выбор tk зависит от предъявляемых требо­ваний: если интересна средневременная стабильность, то tk = 15 мин, а если долговременная, то 1 ч или более. Каждая серия от 1 до N измерений обозна­чается индексом к. Результаты измерений  и  и заносятся в протокол. Сначала вычисляются средние арифметические значения  и , а затем стандартные отклонения, характеризующие временные флуктуации:

Полученные значения стандартных отклонений необходимо сравнить со спектральной шириной полосы. Если удвоенные значения стандартных от клонений не менее чем в 10 раз меньше спектральной ширины полосы, то спектральная стабильность излучения считается очень хорошей.

⇐ Предыдущая67686970717273747576Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: