В статье описаны методы измерения мощности лазерного излучения. Подробно рассмотрены наиболее распространённые способы, существующие сегодня, принцип работы которых базируется на преобразовании энергии излучения лазера в электрический ток, а также в тепловую и механическую энергии.
Ключевые слова: лазерное излучение, мощность, энергия.
Лазерная промышленность неуклонно развивается, применяя новые длины волн, более высокие мощности. Базовая технология измерения мощности и энергии лазера не изменилась за последние десятилетия. Существует три основных способа измерения мощности и энергии лазера.
Первым типом лазерного измерительного устройства является тепловой детектор, который измеряет количество тепла, проходящего через детектор, путем его теплового воздействия на матрицу термопар. Этот тип детектора работает следующим образом: когда лазерный луч падает на центральную область диска датчика, то тепло распространяется радиально к охлажденной периферии, как показано на рисунке 1. Поскольку общее количество тепла, проходящего через кольцо термопар, не зависит от размера или положения луча, то до тех пор, пока лазерный луч находится в области термопар, показания будут полностью независимы от размера и положения луча.
Измеритель тепловой мощности измеряет не абсолютную температуру датчика, а перепад температуры по всему датчику. Поэтому показания прибора совершенно не зависят от температуры окружающей среды. Если температура охлажденной периферии повышается, то соответственно повышается и температура внутренней части датчика, и падение температуры — следовательно, показания — остаются тем же самыми.
Тепловой способ измерения лазерного излучения практически не зависит от длины волны, достаточно надежен, поэтому является основой измерения мощности и энергии лазера. Однако он не может измерять повторяющиеся импульсы или очень низкие мощности и энергии.
Второй тип измерительного устройства-фотодиодный детектор, преобразующий свет, падающий на фотодиод, в электрический ток. Эти детекторы фотодиода основаны на полупроводниковом p-n-переходе. Когда фотоны света с энергией, превышающей характеристическую энергию запрещенной зоны фотодиода, попадают в детектор, они создают электронно-дырочную пару, которая образует пропорциональный ток. Спектральная чувствительность такого детектора показана на рисунке 2.
Рис. 2. Спектральная чувствительность
Поскольку на каждый фотон образуется только один электрон, то чем короче длина волны, тем менее эффективен детектор (высокоэнергетичный фотон с короткой длиной волны образует столько же тока, сколько низкоэнергетичный фотон с большей длиной волны). На рисунке 2 видно, что с увеличением длинны волны эффективность резко падает.
Фотодиодные детекторы достаточно чувствительны, имеют широкий динамический диапазон и высокую линейность при низких мощностях. Однако они очень сильно зависят от длины волны, как показано на графике, что требует калибровки в полном диапазоне длин волн. Они также насыщаются при низких мощностях, становясь нелинейными. Поэтому этот тип измерителя мощности в основном предназначен для низких мощностей. Без дополнительных фильтров, они линейны до нескольких мВт и с фильтрами они могут измерять до 3 Вт.
Третий тип детектора – пироэлектрический детектор, состоящий из кристалла, который поляризуется при нагревании. Эти детекторы работают следующим образом. Когда импульс света попадает на поглощающую поверхность детектора, он нагревается и поляризует пироэлектрический кристалл, создавая таким образом равный и противоположный заряд на двух поверхностях детектора. Поверхность детектора металлизирована так, что заряд собирается на параллельном конденсаторе независимо от того, где лазерный луч попадает на поверхность. Заряд на конденсаторе, таким образом, пропорционален энергии импульса. После окончания импульса напряжение на конденсаторе считывается, и конденсатор разряжается электронным способом, чтобы быть готовым к следующему импульсу.
Пироэлектрические детекторы особенно могут быть применены для повторяющихся импульсов и могут измерять до тысячи импульсов в секунду. Они также довольно чувствительны, но не особенно долговечны и поэтому для более высоких энергий и мощности, Лазерный луч проходит через диафрагму, которая помещается перед кристаллом датчика, чтобы снизить энергию на пироэлектрическом кристалле.
Четвертый тип – это пондемоторные измерители мощности лазерного излучения. Излучение падает на тонкую приемную металлическую пластину и соответственно давит на нее. Давление измеряется чувствительным преобразователем. Самое широкое применение имеют крутильные весы — является классическим прибором для измерения сверхмалых сил.
Схема устройства приведена на рисунке 4.
Подвес 1, в нем находится коромысло 2 с приемником 3, противовес 4, зеркало 5 располагается в вакуумированной камере. Когда излучение попадает на приемное крыло, подвижная система отклоняется на некий угол, а именно величину, по которой уже можно судить о значении оптической мощности. Крюк 6 необходим для того, чтобы прикрепить груз при калибровке. С помощью такого метода есть возможность измерить мощность лазерного излучения, начиная с единицы миливатт, а энергию импульсов в десятые доли джоуля.
Лазеры и лазерные системы стали более точными, а системные требования к точной мощности или энергии стали более требовательными. Если раньше допустимой было измерение мощности ± 10 %, то сегодня во многих случаях широко требуется управлять лазерным устройством с абсолютной точностью ± 5 % и стабильностью ±1 % или выше. Сегодня существуют приложения, которые должны измерять стабильность пульса с точностью до 0,2 %.
Точность измерения мощности или энергии в настоящее время обычно оценивается как ±3 %, а в некоторых случаях и выше. Стабильность некоторых счетчиков энергии лучше, чем 0,2 %.
В заключение приведем плюсы и минусы рассмотренных методов.
К основным плюсам теплового метода относят весьма широкий спектральный диапазон измерения, надежность измерительных средств. В тепловых измерителях достигли самую высокую точность измерения мощности. К минусам относят очень малое быстродействие, чувствительность.
В приборах, которые основаны на фотоэлектрическом действии, достигаются максимальное быстродействие, чувствительность. Это позволяет использовать их вплоть до наносекундного диапазона. К недостатками этих приборов относится узкий спектральный диапазон, невысокий верхний предел измерения мощности и большая погрешность измерений, которая достигает 4–29 % по сравнению с тепловыми приборами.
К положительной стороне пондеромоторного метода относят высокий верхний предел измерения мощности излучения. Главный минус — весьма жесткие требования к условиям эксплуатации в особенности к вибрации
Литература:
- Неволин В. Н., Менушенков А. П., Петровский В. Н. Физические основы лазерной технологии. — НИЯУ МИФИ, 2010.
- Рассел Д. Волоконный лазер. — М.: Научная литература, 2012.
- Алексеев Ю., Орда-Жигулина М., Чередникова С. Исследование динамики модулируемых полупроводниковых лазеров. — М.: LAP Lambert Academic Publishing, 2013.
- Maiman T. The Laser Odyssey. Laser Pr.,2000.
- Басов Н. Ж., Зуев В. С., Кириллов Ж. Monoimpilˊsnyi fotodissotsionnyi lazer na energiyu — М.: Physics Institute Publ., 1992.
