2. Основные параметры и характеристики лазерного излучения

2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Методы, средства и методики выполнения измерений параметров и характеристик выходного лазерного излучения объединены понятием лазерометрии, являющейся составной частью фотометрии и радиометрии. Лазерометрия также охватывает систему обеспечения единства измерений. За последние десять лет лазерная техника прогрессировала по всем основным параметрам выходного лазерного излучения: динамический диапазон интенсивностей современных лазеров простирается от фемтоуровней до сотен киловатт мощности излучения в непрерывном режиме; спектральный диапазон перекрывает ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный (включая дальний) поддиапазоны длин волн; фемтосекундные длительности импульсов лазерного излучения стали повседневной действительностью, а поперечные размеры пучков в ближней зоне достигают десятков сантиметров. Все это требует специфических условий решения измерительной задачи. Вместе с совершенствованием лазерной техники расширяется круг измерительных задач в области лазерометрии, возрастает потребность в получении достоверной информации.

Широко распространено представление о лазере как об источнике оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии. Это коренным образом отличает его от общеизвестных излучателей типа разнообразных ламп накаливания и световых приборов на их основе. Поэтому в лазерометрии пользуются классификацией параметров и характеристик, присущей в основном для лазерных излучателей. Параметры и характеристики выходного излучения лазеров согласно ГОСТ 24453–80 можно разделить на следующие группы:

— энергетические,

— спектральные,

— пространственно-временные,

— параметры когерентности,

— параметры поляризации.

Однако с точки зрения практического использования лазерного излучения параметры и характеристики классифицируют иначе и говорят о таких параметрах, как мощность, энергия, длина волны, угловая расходимость, поляризация и когерентность.

3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК

Основным параметром для энергетической группы является мощность излучения Р. Все остальные параметры и характеристики этой группы функционально связаны с Р, причем аргументами в этих функциональных зависимостях является время t, пространственные координаты поперечного сечения пучка x, y, z (x, y — декартовы координаты непосредственно в поперечном сечении, z — расстояние центра сечения от выходной апертуры резонатора лазера) или их сочетания. Здесь речь идет об измерениях интегральных энергетических параметров, локализованных во времени и пространстве, или же параметров и характеристик, отображающих распределение мощности луча по той или иной координате. Таким образом, внутри энергетической группы можно выделить четыре подгруппы: интегральную, временную, пространственную и пространственно-временную.

К интегральным параметрам относится лишь мощность непрерывного лазерного излучения. Величина, связанная с Р параметром t (время), относится к временной группе. Мощностью непрерывного излучения называется мощность Р выходного излучения непрерывного лазера. Лазер, излучающий порциями в виде одиночных импульсов или некоторого числа последовательных импульсов, называется импульсным лазером, а длительность импульса при этом должна быть менее 0, 25 с. Так принято в лазерометрии.

Энергия Q одного импульса излучения называется импульсной энергией, а отношение ее к длительности импульса τ — импульсной мощностью Р_и. Еще пользуются средней мощностью, представляющей произведение усредненной энергии Q и частоты повторения импульсов f, под которой понимают число импульсов в секунду в этой последовательности.

При измерении перечисленных выше энергетических величин распространение получили прямые измерения, выполняемые методом непосредственной оценки. Шкалы средств измерения проградуированы в ваттах или джоулях либо в кратных или дольных единицах (милли- или микроваттах, милли- или микроджоулях). Поэтому эти средства измерения и называются ваттметрами и джоулеметрами, содержащими, как правило, эталон измеряемой величины. При этом средство измерения аттестовано на точность и имеет определенное значение погрешности. Средства измерения комплектуются, как правило, калиброванными ослабителями света. В современных ваттметрах и джоулеметрах используются, как правило, фотоэлектрические и тепловые преобразователи, преобразующие энергию излучения соответственно в электрическую или тепловую энергию. В качестве фотоэлектрических преобразователей используются фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фотодиоды, фоторезисторы. К тепловым преобразователям, использующимся в средствах измерения, относятся радиационные термоэлементы, болометры, термоэлектрические приемники, оптоакустические, калориметры на основе термоупругого эффекта и др. В качестве примера рассмотрим некоторые из них, обратив внимание на условия их эксплуатации.