Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 75
Текст из файла (страница 75)
Но если этот временной интервал превышает определенную максимальную величину (так называемое время когерентности Г ), то данная разность фаз статистически изменяется. Время когерентности экспериментально можно измерить с помошью интерферометра Майкельсона (рис. 20.4). При этом луч лазера расщепляется светоделителем на две парциальные волны. Последние ретроотражаются зеркалом и вновь объединяются светоделителем, причем между направлениями их распространения устанавливается небольшой угол. Так в области наложения обеих парциальных волн образуется система интерференционных полос. 20.4. К р 3~И еркаяо е!/2 Рис.
20.4. Интерферометр Майкельсона для измерения времени когерентности гг Контраст распределения интенсивности 1(х) в плоскости наблюдения х зависит от времени запаздывания ! обеих парциальных волн, образованных светоделителем 1(х) ! е!в Оба зеркала имеют разную и переменную удаленность от светоделителя, так что парциальные волны запаздывают относительно друг друга в соответствии с разностью времени прохождения б Это запаздывание может стать настолько большим„что интерференция более не возникает. По уменьшению контраста с изменением расстояния с!А =с ~/2 можно оценивать длину когерентности 1, и время когерентности г. У традиционных источников света излучение состоит из отдельных спонтанно испускаемых фотонов либо волновых пакетов длительностью т, что соответствует времени жизни на излучающем энергетическом уровне.
От одного волнового пакета к другому фаза флуктуирует статистически, так что получается время когерентности; !с = т. (20.9) Поскольку длительность волнового пакета и, соответственно, время жизни т связаны со спектральной шириной 21!Гсогласно п.2.4, то полагаем: !с = !ха. (20.10) Хотя лазер излучает не статистические волновые пакеты, а волну с почти постоянной амплитудой, можно, тем не менее, использовать уравнение (20.10) для определения времени когерентности.
Корректная математическая связь между временем когерентности и шириной полосы частоты вычисляется с помощью теоремы Винера — Хинчина, но зависит от точной формы спектра. Отрезок пути, который свет проходит за время 1,, называют длиной когерентности: (20.11) !с=с!с, Пространственная ногерентноств Пространственная когерентность описывает корреляцию напряженностей поля в двух разных точках волнового поля в одно и то же время. Измерение можно про- где с обозначает скорость света. Для белого света, содержащего всю видимую область спектра, получается совсем небольшая длина когерентности — около! мкм. С хорошими спектральными лампами достигаются длины до 1 м, хотя и при условии очень низкой интенсивности. Лазеры показывают — в зависимости от стабилизации — длины когерентности от долей миллиметра до многих километров.
(ч 356 Глава 20. Стабильность и когерентность изводить на основе эксперимента с двухлучевой интерференцией (рис. 20. 5). При этом исследуется состояние волны в двух местах перпецдикулярно направлению луча. Полная когерентность дает интерференционные полосы с перекрестной модуляцией до нуля, поскольку обе подлежащие сравнению напряженности поля обладают одинаковой амплитудой. При частичной когерентности контраст системы интерференционных полос уменьшается. Интенсивность!(х1 Когерентный Частично Некогерентный свет когерентный свет свет Рис.
20.5. Принцип проведения испытания для измерения пространственной когерентности. В падающем волновом поле посредством диафрагмы с двумя отверстиями определяются две точки. За отверстиями образуются сферические волны, которые интерферируют в плоскости наблюдения. Контраст распределения интенсивности Г(х) показывает степень когерентности;?(х) = 2? при некогерентном свете есть величина постоянная и равна сумме отдельных интенсивностей ?обеих сферических волн. При когерентном свете имеет место флуктуация l(х) между значениями 0 и 41 Лазер, генерирующий на одной поперечной моде, например, моде ТЕМ,, обладает (полной) пространственной когерентностью.
Поперечный многомодовый лазер менее когерентен, поскольку различные поперечные моды имеют разные частоты и, следовательно, не постоянные по времени разности фаз. ЗАДАЧИ 20.1. Теоретическая граница ширины линии гелий-неонового лазера составляет примерно 5 10 ' Гц. Какими могут быть изменения расстояния между зеркалами для достижения этой величины? 20.2. Определить для гелий-неонового лазера ширину лэмбовского провала и сравнить ее с шириной линии. 20.3.
Лазер на рубиновом стержне для голографии должен иметь длину когерентности 1 м. Какой может быть ширина линии? Каким образом сузить нормальную ширину линии 330 ГГц до этой величины? 20.4. Насколько силен дробовой шум в лазерном импульсе с энергией 1 НДж и длительностью 1 нс у лазера на эксимере (?ь = 0,2 мкм)? ГЛАВА 21 ФОТОДЕТЕКТОРЫ И УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ Одним из важнейших характеристических параметров лазера является его выходная мощность, а у импульсных лазеров — энергия в импульсе. Для измерения этих характеристик используются разные приборы, которые будут рассматриваться ниже.
21.1. Основные понятия из области измерительной техники При оптических измерениях, как правило, пользуются обычными единицами системы МКС (метр-килограмм-секунда) либо фотометрическими величинами, приведенными далее в таблице 21.1. Лазеры чаше всего не предназначены для целей освещения. Поэтому здесь довольно редко встречаются такие фотометрические понятия из области светотехники, как кандела (свеча), люмен (лм) и люкс (лк).
Известно, что при длине волны 555 нм 1 ватт равен 583 люменам. При свете с другой длиной волны для пересчета необходимо учитывать кривую спектральной чувствительности глаза, о чем уже говорилось в главе 1. таалива з1 и. Сравнительная таблица радиометрических и фотометрических параметров Система МКС Световая энергия Е или И '(от англ. нога) в джоулях =Дж Фотометрическая система Световая энергия 12, лм. сек Световой поток Ф, люмен (лм) Мощность излучения Р (от англ. розтег) в вахтах = Вт Энергетическая сила света, Вт/стерадиан Сила света / в канделах=ли/стер Освещенность Е в люксах =лм/и' Энергетическая освещенность, плотность мощности, интенсивность Д Вт/м' Освещение, плотность энергии, доза, флюкс, Дж/м' Экспозиция Н, лк сек У лазеров непрерывного режима генерации излучения в целях определения мощности проще всего использовать полупроводниковые диоды, которые на основе внутреннего фотоэффекта создают пропорциональный мощности ток.
Недостатком здесь является достаточно сильная зависимость фототока от длины волны. В отличие от этого, в случае тепловых детекторов возможна калибровка, которая практически не зависит от длины волны. У импульсных лазеров измерение временной характеристики мощности Р /г) осуществляется быстродействующими диодами и осциллографами, а в случае очень быстрых импульсов — камерой с щелевой разверпсой. Многие измерительные приборы ~здд Г д!.
Ф д и у~ и д „д пригодны тсиько для измерения средней мощности. С помощью таких интегрирующих устройств можно вычислить максимальную импульсную мощносп на основе средней мощности, если известны часппа следования импульсов и ихдлнтельносп . Импульсная энергия И"=) Р (г) г)г измеряется только приборами, интегрирующими через импульс. Для определения слабых световых мощностей используются фотоэлектронные умножители или канальные платы (англ, с)гаппе1 р!а1ез).
21.2. Тепловые детекторы Принцип действия тепловых фотодетекторов основан на том, что конструкционный элемент нагревается падающим светом, и при этом измеряется происходящее повышение температуры. Нагревание может осуществляться либо световым импульсом (баллистический режим, лазерный калориметр), либо непрерывным облучением, причем в равновесном состоянии устанавливается постоянное повышение температуры. Измерение температуры выполняют термоэлементы, термочувствительные резисторы (при болометрах), либо это достигается с помощью пироэлектрического эффекта.
Терйяоэлементы Принципиальная конструкция работающего с термоэлементом лазерного калориметра для измерения энергии лазерных импульсов представлена на рис. 21.1. Свет падает на измерительный конус (с оптическим противолокационным покрытием), в котором он после нескольких отражений почти полностью поглощается. Опорный конус служит для регистрации влияния фонового излучения. Повышение температуры в измерительном конусе выражено через ЬТ= ЕУС, где Е есть энергия лазерного импульса, а С вЂ” теплоем кость данного измерительного конуса.
С помощью термопары (железо-константан, манганин-константан, висмут-серебро) дгТ преобразуется в измерительное напряжение Лет = аЛТ, причем термоэлектродвижущая сила (термоздс) а = 10 ' В/К зависит от материала используемых термоэлементов. Измерительный конус Рне. 21.1.
Конструкция калориметра для определения энергии лазерных импульсов Опорный конус Рис. 21.2 показывает конструкцию термоэлектрической батареи (англ. 1Ьеппорйе) для непрерывно действующего измерителя мощности. В целях достижения более высокой чувствительности используется поглотитель с малой теплоемкостью, и измерение повышения температуры осуществляется на основе последовательного включения определенного числа термоэлементов. тг.т. т д р 359~ Поглотитель Фотоны Рис. 21.2. Структура термоэлектрической батареи для определения мощности лазерного излучения. сà — температурное напряжение, л — количество термоэлементов кгорячий» спай «холодный» спай точки спайки Пироэлектрические детекторы Пироэлектрические дтекторы (рис.
21.3) состоят из веществ, отличающихся спонтанной электрической поляризацией — например, триглицинсульфата (ТГС) или титаната бария (ВаТ)О,). Поляризация Р, (Т) зависит от температуры. При постоянной температуре поляризация приводит к эффективным поверхностным зарядам Д = Р А на кристалле (плоскость А). Поверхностные заряды компенсируются подвижными носителями заряда. При изменении температуры изменяются также спонтанная поляризация и эффективный поверхностный заряд, так что первоначальные компенсационные заряды уже не нейтрализованы и утекают через рабочий резистор Я. Возникшее напряжение выражено при этом через; У(1) = гс — = АЯ вЂ” '— с(Ц ЙР, г(Т гзг г(Т сгг Фотоны Рис.
21лх Конструкция пироэлектрического детектора Компенсационный заряд Области применения Тепловые детекторы обладают тем преимушеством, что их спектральная чувствительность остается неизменной в широких диапазонах. Поэтому они находят применение, в частности, в инфракрасной области спектра, а также для измерения абсолютных величин мощности и энергии излучения. Таким образом, напряжения появляются только при изменении температуры во времени. Величина с)Р/с(Тесть постоянная вещества. Итак, пироэлектрические детекторы используются преимущественно для измерения энергии в импульсе или в качестве измерителей мощности у импульсных лазеров, причем для измерения энергии импульсов прибегают к интегрированию напряжения.
(~360 Ь 2! Ф д р у р~ р р К их недостаткам можно отнести низкую светочувствительность и малое временное разрешение. В качестве альтернативы здесь могут быть предложены фоторезисторы и фотодиоды. При сравнении термоэлементов и пироэлектрических детекторов последние обнаруживают более высокую светочувствительность и лучшее временное разрешение, в то время как термоэлементы и термоэлектрические батареи проще и надежнее. Время нарастания у коммерческих термоэлементов и термоэлектрических батарей может достигать 10 ' секунд по сравнению с 1О ' секундами у пироэлектрических детекторов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
