Электрорадиоизмерения (В. И. Винокуров) (554136), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Измерение мощности лазерного излучения Мощность н энергию лазерного излучения обычно называют энергетическими параметрами, которые характеризуются: мощностью нэпу~ения Р при работе лазера в непрерывном режиме; энергией излучения одиночных импульсов ги (7=~ Р(1) и, (10.29) 'а ровать либо непосредственно по изменению его температуры, либо косвенно как изменение объема, давления или других характеристик. Изменение в фазовом состоянии можно измерить путем контроля относительных количеств вещества в каждой фазе в двухфазной системе.
Надежные калоримстрические способы отличаются обратимостью в том смысле„что с поглотителем не происходит никаких необратимых изменений и все калориметры возвращаются в свое первоначальное состояние за время установления равновесия. Калорйметрический измеритель с твердым поглотителем показан на х рлг рнс. 10.18. Он выполнен в виде полого угольного конуса 2 массой '1а г. Измеряемое излучение направляется на г внутреннюю поверхность конуса и там поглощается. Повышение температуры конуса измеряется термисторами 3, включенными в мостовую схему.
Для уменьшения влияния изменения темпе- ' С ратуры окружающего пространства в мостовую схему включен вспомогательный конус !. Калориметр калибруют .л путем разряда конденсатора через по- верхность рабочего конуса. Рис. 10.15. Схема калориметра Количество рассеянной в конусе чесиого измерители с твердым энергии определяют по напряжению на 1 — вспоиотатскькима кОнус; 2 — сс- Зажиыах кондЕНСатора и СоПротивленоввса косте; а — тсимкстовм нию в цепи разряда Открытый конец конуса закрывают слюдой для предотвращения потерь теплоты конвекцией.
Калибровочная характеристика калориметрического измерителя энергии излучения имеет внд почти прямой линии. Некоторая нелинейность характеристики объясняется нелинейностью термисторов. Чувствительность калориметра составляет 80 мВ/Дж, диапазон измеряемых энергий 10-У— 10 ' Дж. Для регистрации импульсов излучения с энергией менее 10-а Дж применяют вакуумный микрокалориметр с поглотителем в виде мийиатюрного конуса, изготовленного из медной фольги и имеющего массу 100 мг. Измеряемое излучение направляют в по. глотитель с помощью короткофокусной линзы.
Изменение температуры поглотителя регистрируют дифференциальной медно-константановой термопарой. Один из спаев термопары укреплен на вершине конуса, а другой (холодный) присоединен к траверсе, выходящей наружу через ножку колбы. Конус вклеен в' слюдяную пластину, закрепленную в держателях. При использовании гальвапометра чувствительность прибора составляет 0,8 мДж на деление шкалы. Для измерений энергии лазера применяют жидкостные калориметры, подобные рассмотренным в 5 10.3. Основной недостаток жидкостных калориметров с датчиками температуры — большое 218 Рис, !О.!6, Схема фотоэлектрического иамерители с интегриру1онгим контуром: à — входное окно: у — корпус; а— Фотоэлемент 2!9 время установления теплового равновесия (единицы минут). За зто время часть теплоты теряется на излучение и конвекцию,,что является причиной дополнительных погрешностей измерения величины поглощаемой энергии.
Этого недостатка лишены жидкостные калориметры для измерения больших энергий излучения, работающие подобно термометрам. Мерой поглощенной энергии В'„, в таких калариметрах служит изменение объема поглотителя гу)г. Между величинами В' и Л)г существует связь йу'=мрак ~, (10.32) где А — коэффициент пропорциональности; Р— плотность поглотителя; с, †удельн теплоемкость поглотителЯ; Р— коэффициент объ- ! ! ! д„!лула!ар емного расширения. лулроаиаг Примером такого калориметра может служить сосуд, наполненный раствором нитрата меди в ацстонитриле, Концентрация нитрата меди подобрана так, чтобы коэффициент д пропускания ячейки длиной 75 мм .3.
составлял 10-' для падающей энергии излучения на длине волны рубинового лазера. Сосуд связан с капилляром диаметром 0,1 мм, в который может выходить жидкость прн расширении, Подъему уровня жидкости на 25 мм соответствует увеличение измеряемой энергии ка 2,5 Дж. Фотоэлектрические измерители. Любой фотоприемник, выходной сигнал которого пропорционален падающему лучистому потоку, дает возможность иЪмерять мощность непрерывного излучения лазеров илн энергию излучения в импульсе. Для измерения средней мощности излучения лазеров непрерывного действия применяют полупроводниковые фотоприемники с Р-лмпереходвм.
Энергию излучения лазеров, работающих в импульсном режиме, измеряют интегрированием выходного сигнала фотоприемника (рис.- 10.16) . При замыкании ключа 3 конденсатор емкостью С заряжается до напряжения и. Перед измерением ключ размыкается. Под действием лучистого потока, падающего на катод фотоэлемента, возникает фототок гф. ' При этом конденсатор теряет заряд сн н (,) = 1г ) (!)гц=-уг г) Р(!)ЙЙ. (10.33) "с 'е Измеряемое электростатическим вольтметром напряжение пропорционально заряду: и= — = — Р (р')с(р'= — )р'. О га с с~ с (10.34> Таким образом, пока фототок линейно меняется с изменением мощности излучения, напряжение и пропорционально энергии импульса. Фотоэлемент помещен в металлический кожух с затвором, предотврашающим попадание на фотокатод случайных лучей.
Затвор открывается только на время действия импульса лазера. Прибор рассчитан на измелаааюиее рение малых значений энергий, не превышающих 10-з Дж. селам Для измерения больших а, значений энергий фотоэлектрическим способом необходнб у 1 мо применять группу нейтральных фильтров или диффузный р .е е *рческий прибор находится на расстоянии 1 от диффузного отРис. !0.17. Виемз фотозлеитричесио"о ражателя, то лучистый поток, измерителя со сферой Ульбрихта„ падаюший на поверхность фот — сфера ульбрелта; у — отражатель; 3— иорпус измерителя; а — фотоалемеит ТОКатвда ПЛОШадьЮ Чп ранам нз р о Р ао 2и (з (10.35) 220 Для диапазона видимых лучей диффузная поверхность получается нанесением слоя Ва80а толщиной 2 мм на плоскую пластину. В качестве связуюшего материала используют карбоксилметилцеллюлозу.
Коэффициент отражения такой поверхности 98 — 997о. В качестве устройства для ослабления интенсивности излучения применяют также сферу Ульбрехта (рис. 10.17). Луч лазера, попадающий в сферу через отверстие, отражается рассеивающим зеркалом на внутреннюю поверхность сферы. Отраженный от этой поверхности свет рассеивается. Коэффициент ослабления излучения с достаточным приближением определяют отношением площади отверстия диаметром с(, через которое свет попадает на фотоэлемент, к полной поверхности сферы.
Пондеромоториые измерители. Действие пондеромоторного измерителя основано на использовании светового давления. Такие приборы применяют для измерения энергии и мощности излучения лазеров, работающих в импульсном и непрерывном режимах. Верх- : иий предел измеряемых величин практически не ограничен. Конст:- .рукции измерителей аналогичны рассмотренным в Э 10.4.
Измерители больших импульсных мощностей. Для измерении ' больших импульсных мощностей часто используют различные ' эффекты в кристаллах, прозрачных для лазерного излучения. При падении излучения на -ссгнетоэлектрик (пироэлектрик) можно - получить на кристалле или на последовательно соединенном с ним резисторе пироэлектрическое напряжение, которое можно изме'. рить„Ток через резистор, называемый пиротоком, определяется : следующим выражением: гг гггл ггг (10.36у Хрнс,гт йгй где /са — клотность излучения; г/ — рабочая площадь пироэлектрика; и — пиропостоянная кристалла; с( — толщина кри- 1У сталла; Х вЂ” механический эк- ю вивалент теплоты; р с,— плотность и теплоемкость и а кристалла; г/Т/Н вЂ” скорость изменения температуры об-, ~ъ, разца.
-„и,Н В качестве пироэлектри- а/ ф ков применяют титанат бария, титанат свинца, моно- Рис. 1018 Принципиальные схемы икмеригидрат сульфата лития и др. гелей больших импульсных мощностей: ДЛя рЕГИСтрацИИ СИЛЫ ПИро- а — н мернтель на сегнетоэлентрннег б — нэмерн- 'гель на сора'гном электрооотннеском эффекгег Тока На ПРОТИВОПОЛОЖНЬШ г — намернтельг 2 — электроды; х — еластнны констороны кристалла напыля- денсатора ют серебряные или золотые электроды (рис.
10.18, а). Приемник может представлять собой сферический конденсатор с круглым или прямоугольным входным отверстием. Сфера состоит из двух половин, изготовленных из пироактивиой керамики титаната бария и склеенных эпоксидной смолой. На внешнюю и внутреннюю поверхности полусфер наносят серебряные электроды, к которым проводящим клеем присоединяются тонкие проводники. Сфера поляризуется электрическим полем напряженностью 10 кВ/см.
Если диаметр сферы превышает радиус входного отвер. стяя в 10 раз и более, то коэффициент поглощения приемника в ди апазоне длин волн до 150 мкм равен 0,997, порог чувствительности 5.10-х Вт/Гц, постоянная времени 60 мкс. Линейность амплитудной характеристики сохраняется с точностью до 2% в пределах плот. ности лучистого потока 10 †-з Вт/см'. Для измерения интенсив ных излучений внутреннюю поверхность сферы покрывают туго плавким слоем с большой отражательной способностью (например„ слоем платины тОлщинОЙ 0,1 мм). Измеритель, основанный на использовании обратного электро- оптического эффекта.
Эффект состоит в том, что при падении мо. нохроматического излучения в некоторых кристаллах возникает поляризация. Если один из таких кристаллов поместить в конденсатор специальной формы (рис. 10.18, б) то измеряемая мощность излучения будет связана с напряжением и на зажимах конденсатора соотношением. Использовать полупроводники наиболее выгодно при измерении мощности лазеров, работающих в инфракрасном диапазоне (на. пример, лазеров на СОа).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
