Кафедра проектирования электроники для установок «мегасайенс»

Министерство науки и образования Российской Федерации

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

образования Московской области

Университет «Дубна»

Инженерно-физический институт

Кафедра проектирования электроники для установок «мегасайенс»

 

 

Реферат

По курсу «Оптические измерения»

На тему:

«Основы радиометрии лазерного излучения»

По направлению подготовки 11. 03. 03

«Конструирование и технология электронных средств»

Профиль подготовки

«Проектирование и технология радиоэлектронных средств»

 

 

Выполнил:

Студент 4 курса группы 4142 Шершуков М. В.

Проверил

_______________ к. т. н. Бородин. А. Н.

 

 

Оглавление

Введение. 3

1. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОПТИКИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. 4

2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. 8

3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК. 9

3. 1    Фотоэлектрический метод измерения энергии излучения лазера. 10

4. ИЗМЕРЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ.. 13

4. 1 Оптические постоянные материала и нахождение их по спектрам поглощения. 14

4. 2    Определение оптических постоянных по спектрам отражения. 17

5. ИЗМЕРЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ СРЕД.. 19

Вывод. 22

Список литературы.. 23

 

 

Введение

 

Радиометрия — измерение энергетических величин, характеризующих оптическое излучение. В измерительном плане радиометрия и фотометрия полностью идентичны за небольшим исключением, суть которого сводится к различию в восприятии потока излучения приемником.

Умение правильно измерять параметры лазерного излучения определяет эффективность применения его замечательных свойств. Однако, казалось бы, на первый взгляд, простое требование превращается в сложную техническую проблему, которую не всегда удается решить успешно. Сложность ее обусловлена экстремальными значениями лазерного излучения в одних случаях из-за чрезвычайно высокой монохроматичности и когерентности, в других — из-за наличия весьма коротких импульсов лазерного излучения большой мощности и т. д.

 

1. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОПТИКИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Свойства лазерного излучения позволяют значительно улучшить характеристики существующих приборов и разрабатывать новые, параметры которых не могут быть получены при использовании обычных источников света. При выборе лазера в качестве источника излучения необходимо учитывать его энергетические, пространственные, частотно-временные и эксплуатационные параметры.

В приборах измерения или контроля параметров материалов, где необходимо сосредоточивать энергию излучения в небольшом телесном угле и узком спектральном интервале, преимущество использования лазеров в качестве источника излучения очевидно. Значительно повышается чувствительность прибора, поскольку вследствие высокой энергетической яркости лазерного излучения улучшаются энергетические соотношения в приемных устройствах.

По этой же причине резко расширяется диапазон контроля оптических прозрачностей материалов, так как появляется возможность контролировать материалы с большой оптической плотностью, что фактически невозможно выполнить при обычных источниках света. Малая угловая расходимость, обусловленная высокой когерентностью лазерного излучения, позволяет получить световой зонд малого диаметра с помощью простых оптических систем. Высокая монохроматичность и малаяширина спектра лазерного излучения значительно упрощают интерпретацию получаемой информации.

Лазер является специфическим источником излучения, и эту специфику необходимо учитывать при проведении энергетических расчетов и расчетов точности отдельных узлов и всего прибора. Так, лазер нельзя принимать как излучающую точку с параллельным распространением лучей. Необходимо учитывать конфигурацию резонатора и расстояние до точки наблюдения, модовый состав и состояние поляризации излучения, а также распределение интенсивности по сечению луча и по направлениям.

При использовании лазера в энергетических расчетах оперируют обычными энергетическими величинами, из которых наиболее часто применяют лучистый поток и энергетическую яркость. Если излучение лазера происходит на основной моде ТЕМ₀₀, то распределение лучистого потока в поперечном сечении описывается формулой

где Ф₀ — полный поток излучения лазера, измеренный при r > > D; r — радиус некоторого сечения, в пределах которого происходит измерение лучистого потока; D — размер пятна моды.

Излучение лазера не подчиняется закону Ламберта, и энергетическую яркость нельзя определить, пользуясь известным законом. Фронт волны излучения лазера при любой геометрии резонатора в первом приближении остается сферическим, и ему соответствует некоторый эквивалентный точечный источник — центр кривизны фронта.

Пространственно-временные характеристики излучения лазера определяют распределение интенсивности и фазу колебания. Распределение интенсивности в поперечном сечении луча характеризует размер и форму пятна, а по направлениям — расходимость луча и диаграмму направленности излучения. Распределение фазы колебания характеризует форму фронта волны излучения.

При цилиндрической симметрии резонатора лазера распределение интенсивности в основной моде излучения описывается функцией Гаусса

Здесь Е₀ — компонента поля при r = z = 0; z — продольная координата; r — радиальная координата; d₀ и d — диаметр пятна, равный расстоянию от оси пучка до точки, где интенсивность в сечении основной моды снижается в е²раз (амплитуда в е раз) при z = 0 и z ≠ 0 соответственно; k — постоянная распространения; R — радиус кривизны волнового фронта для r = 0; ϕ = arctg(z/R_эк), где R_эк — параметр эквивалентного конфокального резонатора.

Рис. 1. Геометрия луча лазера, используемая при расчете оптических систем в рамках модели гауссовского пучка

 

При расчете оптических систем в рамках гауссовского пучка пользуются пространственными параметрами луча (рис. 1). Положение плоскости перетяжки и размер пятна основной моды в этой плоскости определяются геометрией резонатора и легко находятся при использовании понятия эквивалентного конфокального резонатора, поле которого совпадает с полем реального резонатора. Так, диаметр пятна d₀ равен

где λ — длина волны излучения. Параметр R_эк можно найти, используя формулу

Здесь L — длина резонатора; g₁ = 1 − L/R₁; g₂ = 1 − L/R₂, где R₁ и R₂ — радиусы кривизны зеркал резонатора. При многомодовой структуре излучения (при известном числе мод) диаметр пятна в плоскости перетяжки может быть найден путем умножения на коэффициент моды. Для мод высшего порядка диаметр пятна на расстоянии z от плоскости перетяжки равен

где dmn — диаметр пятна в плоскости перетяжки моды ТЕМmn; b = 2z/R_эк — относительная координата сечения. Форма фронта волны одинакова для мод всех порядков. В плоскости перетяжки фронт волны плоский, а вдоль координаты z — сферический с радиусом R = |(1 − b²)/2b|R_эк.

Распределение плотности излучения описывается выражением

где q₀ — максимальная плотность потока. Для колебаний высших порядков распределение плотности имеет более сложный характер с периодическим чередованием экстремумов. В этом случае d — расстояние от оси пучка до наиболее удаленной точки, где интенсивность в сечении снижается в е² раз по сравнению с максимальным значением. С увеличением радиального индекса моды диаметр пятна увеличивается. При этом, чтобы получить диаметр пятна мод более высоких порядков, следует умножать диаметр пятна основной моды на табулированные значения коэффициентов моды.

Угловую расходимость пучка лазера для основной моды в одну сторону от оси луча по уровню снижения интенсивности в е² раз от максимального значения определяют по формуле

Для любого уровня снижения интенсивности от оси луча

Моды высших порядков имеют большие углы расходимости в соответствии с увеличением диаметра пятна.

Расходимость луча вдоль направления оси z подчиняется гиперболическому закону вследствие сложных дифракционных эффектов. В ближней зоне резонатора (зоне Френеля) из-за разных путей распространения света происходит набег фазы между различными лучами, что приводит к непрерывному увеличению расходимости луча в целом. В дальней зоне резонатора (зоне Фраунгофера) набег фазы отсутствует, и расходимость луча остается постоянной. Это выполняется при условии z > > D²/λ, где D — диаметр апертуры зеркала резонатора.

Иногда для расчета оптических систем используют модель гауссовского пучка, а не лучевую модель (в виде выходного зеркала резонатора), представляющую собой систему излучающих точек, из которых свет распространяется прямолинейно. Модель гауссовского пучка более полно представляет реальный луч лазера, поскольку в этом случае описывается не только форма фронта волны, но и распределение интенсивности по сечению луча. Однако при этой модели аналитические выражения получаются значительно сложнее, чем при лучевой модели. При использовании модели гауссовского пучка двойной угол расходимости луча можно характеризовать нормированной толщиной образца и в отличие от выражения (6. 6) для основной моды его можно представить в виде

где d — толщина контролируемого образца; δ — фазовая толщина.

Поскольку в измерительных приборах применяют в основном газовые лазеры, для которых параметр R_экопределяется по формуле (6. 4) и составляет от 50 до 1000 мкм, из формулы (6. 8) следует, что с увеличением угловой расходимости луча происходит также ухудшение характеристик точности измерительного прибора.

Частотно-временные параметры характеризуют спектр и распределение интенсивности излучения лазера во времени. При практическом использовании лазеров в приборах иногда необходимо знать ширину отдельной линии в спектре, ширину всего спектра, расстояние между отдельными линиями, которые определяют спектр биений. От этих параметров зависит степень сложности количественной интерпретации получаемой информации. При одночастотном режиме в спектре излучения имеется всего лишь одна спектральная линия и для идеально стабилизированного резонатора ширина этой линии близка к нулю. Такое излучение характерно для газовых и твердотельных лазеров. Использование подобных лазеров в приборах дает дополнительные преимущества по сравнению с использованием обычных лазеров. Длина волны излучения, режим работы

 

 

123456Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: