Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 57
Текст из файла (страница 57)
Так, при энергии электронного потока 4,3 МэВ мощность генерируемогоо излучения иа длине волны А — 3,4 мкм достигала 7 кВт при среднем значении 0,36 Вт. Коэффициент усиления прн этом составлял 7%. СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Г л а в а 10 И ИЗМЕРЕНИЕ ЕГО ПАРАМЕТРОВ 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.
Сложаость 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. !оп. плплметРы ллзвимО! о иъ1уч сния При исследовании свойств лазерного излучения стоит задача метрологического обеспечения измерения, когда объектом измерения является лазерное излучение, взаимодействующее со средством измерения. Средство измерения имеет нормированные метрологические свойства, причем результаты измерения ие зависят от типа источника излучения. Существенными оказываются способ описания лазерного излучения, соответствующие физические величины, характеристики и параметры.
Параметры и характеристики лазерного излучения делятся на две группы: пространственно-временнйе и энергетические, Эти группы охватывают практически все параметры и характеристики лазерного излучения. В технической литературе предлагается иной подход к проведению классификации параметров лазерного излучения. Известно, что лазерное излучение отличается от других видов оптического излучения отчетливыми признаками пространственной н временнбй когерентности. Однако понятие когерентности по отношению к лазерному излучению все еще не имеет колнчествен. ного описания.
Для качественного описания явления когерентности лазерного луча используют функцию взаимной когерентности Г (г,, г,, т), где г, и г, — координаты двух разнесенных в пространстве точек наблюдения поля; т — временной интервал между моментами наблюдения. Функция Г (гм хм т) полностью описывает корреляционные (когерентные) эффекты и при тепловых источниках. Лазерное излучение имеет статистический характер.
Поэтому функция Г (г,, г„ т) только в приближении второго порядка опи2зс сывает его важнейшие корреляционные свойства — когерентность, интерференцию, дифракцню, поляризацию. Следует подчеркнуть, что зто описание с точки зрения измерения в основном качественное; методические и метрологические основы измерений корреляционных эффектов лазерного излучения разработаны слабо. Вместе с тем методы измерений мощности, энергии и длины волны лазерного излучения и ряда других связанных с ними параметров и характеристик детально разработаны, широко применяются и в основном охвачены системой метрологического обеспечения, с помощью которой достигается единство и достоверность измерений, Зго позволяет измеряемые величины, параметры и характеристики лазерного излучения объединить в следующие три группы.
1. Энергетическая группа. Основной физической величиной, подлежащей измерению, является мощность лазерного излучения. Все остальные параметры н характеристики этой группы функционально связаны с мощностью. Аргументамн в этих функциональных зависимостях являются время 1, длина волны Х, пространственные координаты сечения луча х, у, з (х, у — координаты в поперечном сечении, г — расстояние центра сечения от выходной грани резонатора лазера) или их сочетания. Таким образом, внутри энергетической группы можно выделить, и свою очередь, две подгруппы параметров, определяемых через измеряемую мощность излучения. К иим относятся: временная: энергия Е, энергия импульса Е„, средняя мощность Р,, средняя мощность импульса Р„,р, максимальпаи мощность импульса Р,, длительность т и частота повторения Р„ , импульсов, форма импульса й; пространственная: плотность энергии !мощности) дз (дг), относительное распределение плотности энергии !мощности) з сечении пучка, диаметр пучка д, расходимость 0„и 0„энергетическая расходимость 0з и 0з .
м 2. Спектральная группа. Основной физической величиной в этой группе является спектральная глотность мощности лаверного излучения. В группу входят следующие параметры: частота лазерного излучения т„длина волны Х, ширина линии ' излучения Ь~(ЬХ), ширина огибающей спектра лазерного излучения бу~~ (бХ,>~). 3. Корреляционная группа. Основными параметрами этой группы являются когерентиость и поляризация излучения.
Несмотря на то что оба эти параметра являются фундаментальными, ни один из них не получил с точки зрения применения четкого, однозначного определения, не стандартизован. Описанные в литературе методы и средства измерения когерентиости и поляризации не являются таковыми, поскольку отсутствуют мера и узаконенная величина. Существующие измерительные установки фактически позволяют только проводить их качественный анализ.
251 Каждое измерение должно быть согласовано с тремя основными параметрами любой измеряемой величины — диапазоном ее изменения, длительностью и спектром. Прн измерении параметров и характеристик лазерного излучения это особенно важно, так как широко освоены диапазон мощности излучения от микроватт до гигзвагт, спектральный диапазон от 0,4 до )5 мкм, временной диапазон от непрерывного режима до импульсного с длительностями импульсов порядка нескольких найосекунд. Измерения лазерных параметров за пределами указанных диапазонов связаны с трудностями. В этих случаях методы и средства становятся специфическими. Практически все измерения параметров и характеристик лазерного излучения принадлежат к области электрических измерений оптических величин.
Для определения большинства параметров лазерного излучения пользуются прямыми измерениями, причем чаще всего методом непосредственной оценки, Выбор метода, как правило, не вызывает затруднений. Значительно труднее осуществить анализ средства измерения. Здесь возникает задача оценки суммарной инструментальной погрешности, составляющие которой (погрешности отдельных узлов средств измерений) не всегда известны, поскольку многие элементы могут быть метрологически не аттестованы.
Большпе затруднения возникают при оценке метода измерений нз-за его несовершенства. По характеру проявления погрешности делятся на систематические и случайные. Существуют приемы устранения систематических погрешностей н минимизации случайных. К числу первых принадлежит метод сравнения с мерой или проведение измерений различными методами. Уменьшение случайных погрешностей измерений осуществляется миогократностью измерений с последующей статистической обработкой. При однократных измерениях возникают трудности. Здесь не обходимо проводить метрологический анализ. Из всего набора параметров и характеристик лазерного излучения рассмотрим фундаментальные — когерентность и поляризацию.
!0.2. КОГЕРБНТНОСТЬ Когерентность — согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Любой колебательный (волновой) процесс характеризуется амплитудой А, периодом Т (или частотой э =. 1/Т) н фазой м. Колебание (волна) называется монохроматическим или гармоническим, если оно описывается выраисением х = А соз (2пэИ+ и), причем его частота ч, амплитуда А, фаза и остаются постоянными во времени. При сложении диух монохроматических колебаний с одинаковой частотой, ио с разными амплитудами и фазами образуется монохроматическое колебание той же частоты. Ампли- 252 туда результирующего колебания А„зависит от амплитуд н разности фаз складываемых колебаний: А» = А~ + Аз +.
2А~ А ~ соз (а~ — аэ), причем Ар меняется в пределах от А, + А, до А, — А, в зависимости от разности фаз (а, — а,). Интенсивность результирующего колебания У„, пропорциональная квадрату его амплитуды ~1, А'), не обязательно равна сумме интенсивностей исходных колебайий„ она может быть. как меиыпе этой суммы, так и болыпе ее.
Изменение интенсивности результирующего колебания в зависимости от разности фаз исходных колебаний называется интерференцией. Если разность фаз двух колебаний остается постоянной во времени и прн их сложении имеет место интерференция, то такие колебания называются когерентными. Два идеально монохроматических колебания одной частоты всегда когереитны и интерферируют. В противоположность этому колебания, разность фаз которых меняется беспорядочно и достаточно быстро, называкпся некогереитнымн. Для них интерференция ие имеет места. Если разность фаз двух колебаний меняется достаточно медленно, то говорят, что колебания остаются когерентными в течение некоторого времени, пока разность их фаз не успела измениться на значение, сравнимое с и.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
