Методы измерения параметров и характеристик лазеров. Исследование когерентности излучения лазеров. Измерение монохроматичности лазерного излучения. Измерение угла расходимости и распределения энергии в пучке. Измерение поляризации. Измерение длины волны.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРОВ К параметрам лазера, опре­деляющим свойства прибора и выходного излучения, отно­сятся: - пороговое значение энергии накачки; - добротность резонатора, коэффициент полезного действия; - монохрома­тичность; - угол расходимости пучка; - длина волны излуче­ния. К характеристикам лазера относят зависимости параметров друг от друга и от внешних условий. Знание параметров и характеристик лазеров очень важно для правильного понимания физических процессов, проис­ходящих в лазере, для проектирования приборов с исполь­зованием лазеров и для правильного их применения. Можно сказать, что дальнейший прогресс в области использования достижений квантовой электроники в определенной степени будет зависеть от раз­работки методов и средств для измерения параметров п характеристик оптических квантовых генераторов. Поэтому для измерения спектральной ширины одной линии излучения лазера необходима разработка специальной аппаратуры. ИССЛЕДОВАНИЕ КОГЕРЕНТНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРОВ Когерентность является важнейшим свойством излучения лазера. Можно даже ска­зать, что с точки зрения практического использования именно когерентность определяет основные возможности лазеров. С точки зрения физической сущности процесса излучения все свойства лазерного излучения тесно связаны между собой. Следует различать временную и пространственную когерентность излучения лазера. Эле­ментарным определением этих понятий является постоян­ство разности фаз колебаний, рассматриваемых через определенные промежутки времени в одной и той же точке пространства или в одно и то же время в разных точках пространства. Пространственная когерентность не пред­полагает обязательно монохроматичности источника (или источников), так как можно представить себе два немоно­хроматических колебания с постоянной разностью фаз. Временная когерентность невозможна без монохроматич­ности, идеально монохроматическое излучение всегда пол­ностью когерентно. Поскольку не существует строго монохроматичес­ких колебаний, постольку нет и строго когерентных колебаний. Речь идет лишь о степени когерентности. В этой связи большое значение приобретает понятие вре­мени когерентности, т. е. времени, в течение которого колебания можно считать когерентными. Известно, что время когерентности лазеров гораздо больше времени когерентности обычных источни­ков. Соответствующая длина когерентности равна ∆L = ∆tког с. Определение времени когерентности основано на получе­нии интерференционной картины от двух частей одного пучка или от двух независимых пучков с разным временем задержки. Луч расщепляется на две части, ширина каждой щели равна 0,04 мм, расстояние между ними 2 мм. Получающаяся интерференционная кар­тина фиксируется на фотоприемнике, который распола­гается от щелей на расстоянии, равном 3 м. Изменяя рас­стояние задержки до того момента, когда изменения в интерференционной картине перестают реги­стрироваться, можно оценить время когерентности. Пространственная когерентность рубинового лазера оце­нивалась по интерференционной картине от двух щелей, расположенных на торце стержня активного элемента. В результате эксперимента показано, что пространственная когерентность рубинового лазера сохраняется в преде­лах 0,5 мм. При использовании кристалла, обладающего лучшей однородностью, интерференционные полосы были получены при расстоянии между щелями, равном 0,32 см. Степень пространственной когерентности излучения газового лазера можно определить по дифракционной кар­тине, полученной от двух отверстий при различных рас­стояниях между ними, так называемая схема интерферометра Юнга. Источником излучения в ней является газовый лазер, излучение которого фокусируется с помощью линзы в точку Р, которая является вторичным источником излучения. Изображение точки Р на экране получается с помощью второй линзы. Между второй линзой и экраном для наблюдения интерференционной картины расположен непрозрачный экран, на котором имеются два отверстия. Дифракционная картина от пучков, полученных на этих отверстиях, наблюдается на экране. В плоскости этого экрана помещается щель, за которой расположен фотоумножитель. Перемещение щели связано с потенциометром, сигнал с кото­рого, пропорциональный перемещению щели, подается на регистрирующее устройство, сигнал с которого позволяет судить о степени пространственной когерентности излучения. ИЗМЕРЕНИЕ МОНОХРОМАТИЧНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Как известно, излучение лазера неоднородно по своему спектральному составу. Оно представляет собой ряд чрез­вычайно узких спектральных линий продольных мод резо­натора, отстоящих друг от друга на определенном расстоя­нии. Возможен и одночастотный режим работы, когда генерируется только одна спектральная линия. Таким обра­зом, монохроматичность лазера оценивается или по спек­тральному диапазону между крайними резонансными частотами или полушириной спектральной линии в случае одночастотного режима. Так как для многих применений, а также для правильного понимания процессов, происхо­дящих в активной среде и в резонаторе лазера, требуется знать не только общую спектральную ширину излучения, но и его спектральный состав, то определение монохрома­тичности, по существу, заключается в анализе мод резо­натора. Одновременно обычно определяется распределение мощности выходного излучения по типам колебаний. Исследование видов колебаний газовых лазеров произво­дится чаще всего с помощью интерферометров Фабри - Перо с плоскими или сферическими зеркалами. Интер­ферометр должен обладать максимальной разрешаю­щей способностью, причем расстояние между зеркалами удобно выбирать так, чтобы частотное расстояние между модами интерферометра было больше спектрального диа­пазона, занятого модами контролируемого лазера. Частотное расстояние типов колебаний определяется диаметрами интерференционных колец на фотографиях, полученных с помощью интерфе­рометра. Для определения закона распределения мощности по различным видам колебаний удобен фотоэлектрический метод. Чтобы обнаружить все частоты, достаточно изме­нить расстояние между зеркалами на половину длины волны, соответствующей самому низкому виду колебаний. Центр дифракционной картины должен быть сфокусиро­ван на точечном отверстии, за которым расположен фото­умножитель. Сигнал на выходе фотоумножителя обычно реги­стрируется с помощью самописца. Высота пиков пропорциональна мощности излучения на данной частоте. При больших мощностях накачки одновременно могут генерировать несколько типов колебаний и ширина спек­трального диапазона может оказаться значительной. В этом случае обеспечить высокое разрешение и перекры­тие всего диапазона с помощью одного интерферометра невозможно. Как известно, разрешающая способность интерферометра Фабри - Перо прямо про­порциональна расстоянию между зеркалами, в то время как дисперсионная область обратно пропорциональна ему. Возможная измерительная схема с использованием пассивного резонатора с качающимся сферическим зерка­лом. Выходная интенсивность лазера изображается как функция частоты, если колебания пассивного резонатора будут только собственного основного типа. Видимая ширина резонансных ли­ний обусловлена потерями в резонаторе, поэтому описан­ное измерительное устройство может быть использовано для определения малых оптических потерь в пассивном резонаторе. Помимо методов физической оптики для исследования спектрального состава излучения лазера применяются радио­технические методы, основанные на гетеродинировании сигна­лов. Так, для определения числа продольных мод, генери­руемых газовым непрерывным лазером, можно воспользо­ваться эффектом затягивания типов колебаний и связанным с ним расщеплением линий биений мод. В результате явления затягивания моды расположены не эквидистантно по шкале частот, т. е. их частоты отличаются не точно на величину c/2L (в резонаторе с плоскими зеркалами). Вследствие этого биения на частотах c/2L, 2 (c/2L) и т. д. будут иметь несколько пиков, число которых соответствует числу одновременно генерируемых мод. Так, например, при воз­буждении двух мод биение на частоте 2 (c/2L) будет отсут­ствовать, а биение вблизи частоты c!2L будет иметь один пик. Таким образом, наблю­дая на экране анализатора спектра картину биений, можно по числу пиков вблизи основной частоты биений c/2L или вблизи частоты 2 (c/2L) определить число возбужденных мод. При эквидис­тантном расположении типов колебаний число их можно было бы определить по биениям на соответствующих частотах. Однако для этого потребовались бы очень широкополосные приемник излучения и анализатор спектра. Ширина отдельной линии излучения газового лазера на много порядков меньше предела разрешения лучших спектрометров и интерферометров. Она может быть измере­на лишь радиотехническими методами с помощью измерения спектра биений мод. Спектр биений можно получить непосредственно с выхода фотоэлектронного приемника излучения. Например, стабильность частоты и ширина линии газовых лазеров определялись путем наблюдения биений, которые получаются при смешении выходных сигналов двух независимо работающих лазеров. В работе [122] описывается метод измерения ширины линии излучения газового ОКГ с помощью эффекта Доп­плера. При анализе биений между частотами продольных мод трудно получить высокое разрешение, так как обычно эти частоты равны десяткам мегагерц и измерительная аппаратура в этом диапазоне не обеспечивает нужного разрешения. Использование эффекта Допплера, получен­ного с помощью движущегося зеркала, позволяет проводить измерения в звуковом диапазоне, что повышает разрешаю­щую способность прибора. ИЗМЕРЕНИЕ УГЛА РАСХОДИМОСТИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ В ПУЧКЕ Как уже говорилось, высокую направленность излуче­ния и возможность фокусировки излучения в пятно чрез­вычайно малых размеров обусловливает пространственная когерентность пучка лазера. Направленность излучения характеризуется телесным углом, в котором распростра­няется большая часть излучения. Чем меньше телесный угол, тем больше направленность излучения. Часто в ка­честве параметра лазера применяется не телесный, а пло­ский угол расхождения пучка. Если расходящийся пучок представляет собой конус, то между плоским и телесным углом существует простая связь. Напомним, что телесный угол ω, соответствующий плоскому углу θ, вычисляется по формуле ω = 2π (1 – cos θ/2). Для углов θ < 6° с достаточной для практики точностью применима формула ω = π θ2/4). Теоретически плоский угол расхождения пучка лазера с плоскопараллельным резонатором можно определить как угол дифракции на выходном отверстии. Как известно, угловое расстояние первого дифракционного минимума от центра дифракционной картины в случае дифракции плоской волны на круглом отверстии диаметром D равно θ = 1,22 λ / D. Ширина дифракционного максимума на уровне половин­ной интенсивности для основной моды резонатора с пло­скими зеркалами дается выражением 2θ ≈ 1,22 λ / D. Это значение является предельно достижимым углом рас­ходимости пучка лазера. Практически этот дифракционный предел еще не до­стигнут, особенно в твердотельных и полупроводниковых лазерах. Объясняется это наличием многих поперечных мод резонатора, а главным образом неоднородностью активного вещества. Расхождение теоретических данных с фактиче­скими результатами объясняется еще и тем, что часто за диаметр излучающего пятна берется диаметр всего пятна, между тем как излучение иногда происходит в виде отдельных каналов. Особенно это касается рубиновых стержней. Как показали эксперименты, диаметр этих каналов составляет около 100 мкм. Если вычислить угол рас­ходимости исходя из этой величины, то получаются резуль­таты, близкие к действительным данным. Для λ = 0,69 мкм 2θ ≈ 25ꞌ, что примерно совпадает с углом расходимости пучка руби­новых лазеров. Даже когда излучение происходит через весь торец, теоретическая формула дает несколько заниженный угол расхо­ждения, так как практически когерентность имеет место не на всей площади излучающего торца. Очевидно, что по мере улучшения однородности активных веществ, раз­работки способов подавления нежелательных типов коле­баний и других мер угол расхождения пучка лазера будет приближаться к теоретическому дифракционному пределу. Естественно, что чем меньше угловая расходимость луча, тем точнее она должна быть измерена. В связи с небольшим значением угла θ точность измерений сильно зависит от точности измерений диаметров. Обыч­но они берутся на уровне половинной интенсивности. При визуальной оценке этот уровень определяется при­ближенно. Для повышения точности желательно увели­чивать расстояние L. Измерение диаметров может быть произведено и фотоэлектрическими способами. Если излучение происходит в невидимой области спек­тра, то измерение диаметров производится с помощью индикатора, чувствительного к излучению. Перед чувстви­тельной площадкой индикатора помещается небольшая диафрагма или щель для увеличения точности отсчетов на уровне половинной интенсивности. Если приемник и следующая за ним схема усиления и регистрации сигна­ла работает в линейной области, то можно найти положе­ния в пучке, соответствующие половинной интенсивно­сти. Для измерения диаметра сечения пучка в плоскости экрана можно использовать электронно-оптический пре­образователь. Зная электронно-оптическое увеличение пре­образователя и определив диаметр изображения сечения пучка, можно вычислить диаметр сечения в плоскости входного зрачка. Конечно, при этом сечение пучка в пло­скости экрана должно быть меньше входного зрачка пре­образователя. Определение угла расхождения пучка импульсного лазера можно осуще­ствить, если частота повторения импульсов достаточна для того, чтобы глаз воспринимал их как непрерывное излучение. Если же частота повторения импульсов мала, то следует применить метод последовательных прибли­жений, при этом точность определения падает. Более удобным и чаще используемым является измерение угла расходимости методом фокального пятна. Сущность метода заключается в измерении размера изображения, полученного в фокальной плоскости линзы с известным фокусным рас­стоянием. Пучок почти параллельных лучей от генератора дает изображение в виде кружка рассеяния в фокальной плоскости линзы. Диаметр кружка равен dкр = 2 θ f ', где θ - угол расхождения пучка; f ' — фокусное расстоя­ние линзы. Отсюда угол расходимости равен θ = dкр / 2 f '. Диаметр кружка, соответствующий уровню половин­ной интенсивности, определяется с помощью микрофотометра. При этом необходимо работать в области нормальных почернений пятна на фотопластинке. Фокусное расстояние линзы должно быть известным для той длины волны, для которой производятся измерения. Микрофотометрирование пятна используется также для изучения распределения интенсивности лазерного излучения по направлениям (определение картины дальнего поля). Метод применим лишь в видимой и ближней инфракрасной областях спек­тра, так как в средней инфракрасной области отсутствуют фотоматериалы, чувствительные к излучению. Недостатком метода является необходимость измерять очень малые диаметры кружка на фотопластинке или фотопленке. Сейчас эта проблема решена с помощью высокоточных позиционно чувствительных фотоприемников. Большим препятствием при измерении угла расходимости пучка и распределения интенсивности в пучке импуль­сных лазеров таким методом является отсутствие ослаби­телей, которые не изменяли бы структуру пучка и позво­ляли бы создавать в плоскости анализа необходимую плотность. Из ослабителей излучения лазеров, естественно, можно исполь­зовать светофильтры, но они искажают характери­стики пучка. Применение зеркал затруднено из-за выхода из строя отражающей поверхности при воздействии мощ­ного излучения, а также из-за наличия двойного изображе­ния от задней поверхности. ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ Поляризация излучения лазера зависит от конструкции прибора и свойств активного вещества. В газовых лазерах с окнами, расположенными под углами Брюстера к оси резонатора, излучение полностью поляризовано в плоско­сти падения на них. В лазерах, где зеркала соединяют­ся с газоразрядной трубкой с помощью сильфонов, излу­чение почти не поляризовано, но имеется некоторое пре­имущественное направление вектора электрического (маг­нитного) поля. В рубиновых лазерах излучение почти полностью поляризовано, причем направление поляриза­ции зависит от ориентации оптической оси рубина относи­тельно оси стержня. Рассмотрим методы определения поляризации излуче­ния лазера. Обычно лазеры дают линейно-поляризованное излучение. Для определения азимута поляризации можно воспользоваться обычным методом, применяя анализатор. Однако большинство оптических анализаторов (полярои­ды, бикварцевые пластинки и различные компенсаторы) могут быть использованы только для анализа непрерыв­ного излучения, так как они имеют подвижные детали, которые необходимо ориентировать во время измерений. Анализатор может быть использован при исследовании поляризации импульсного излучения, если во время изме­рений допускается при каждом импульсе производить ориен­тацию, пока не будут получены необходимые результаты. На рис. показана схема экспериментальной уста­новки для исследования поляризации излучения импульс­ного рубинового лазера. Излучение генератора 1 разде­лялось на два пучка полупрозрачным зеркалом 2, один из которых после диффузного рассеяния попадал на фото­умножитель 5 и наблюдался на экране двухлучевого осцил­лографа 6. Второй пучок проходил через анализатор 3, а затем аналогично первому наблюдался на экране осцил­лографа. Путем сравнения сигналов, соответствующих различным положениям анализатора, можно судить об ази­муте и степени поляризации излучения. Диффузные рас­сеиватели 4 применяются для того, чтобы смешать излу­чение, идущее от разных участков торца рубина. Для исключения влияния разделяющей стеклянной пластины ее ось устанавливается параллельно оптической оси рубина. Излучение кристалла, ориентированного под углами 90° и 60°, почти полностью линейно поляризовано. Однако часть света проходит через призму Николя даже при ее скрещенном с рубином положении. Вероятно, это объяс­няется некоторым отклонением оси кристалла для разных участков стержня. Закон изменения излучения, прошедшего через стеклянную пластинку, соответствует закону изме­рения отраженного излучения; это доказывает, что излу­чение всех областей кристалла поляризовано одинаково. Для анализа поляризации импульсного излучения при­меняются также сканирующие системы. Приме­нение электрооптических сканирующих систем ограни­чивается максимально достижимой частотой сканирования. При длительностях импульса до наносекунд получить необходимые частоты сканирования невозможно. Для определения направления вращения вектора излу­чения с круговой поляризацией перед поляризатором устанавливается четвертьволновая пластинка. Этот метод имеет такие преимущества, как нечувстви­тельность к неоднородности пучка и неодинаковой чув­ствительности по площадке приемника. Точность метода зависит от качества диффузной поверхности. Хорошей диффузной поверхностью обладает экран, покрытый сер­нокислым барием BaS04. Спектральное отражение экрана, покрытого сернокислым барием, прак­тически неселективно в пределах видимой области спектра. Диффузная поверхность создается нанесением слоя BaS04 толщиной 2 мм на стеклянную подложку. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОРМЫ ФРОНТА ВОЛНЫ Напомним, что фронтом волны называется поверхность равной фазы. Как уже говорилось, когерентность излуче­ния лазера означает, что фронт волны имеет обычно простую форму - плоскость или сферу большого радиуса. Из теории оптических резонаторов следует, что при плоских зерка­лах резонатора поверхность фронта волны не совпадает с отражающей поверхностью зеркала, т. е. не является плоской. Однако, так как сдвиг фазы на краю зеркала составляет примерно 1 / 8 длины волны по сравнению с центром, а на диаметре зеркала резонатора укладывается большое число длин волн, то искривление фронта является незначительным. В случае конфокального резонатора фаза по всей поверхности зеркала одинакова, таким образом волновой фронт совпадает с поверхностью зеркала. Знание формы фронта волны необходимо для проектиро­вания внешних оптических систем, видоизменяющих пучок. Так, например, ясно, что для того чтобы уменьшить угол расходимости генерируемых лучей, нужно использовать телескопическую систему. Если же имеется точечный излуча­тель, дающий сферический фронт, то, применив одну лин­зу с фокусным расстоянием, равным радиусу кривизны фронта в месте установки линзы, мы получим на выходе параллельный пучок. Для определения формы волнового фронта недостаточ­но знания когерентности пучка. В общем случае когерент­ность может быть при различных формах фронта. Для оп­ределения вида последнего из эксперимента необходимо сравнить какое-то опорное известное фазовое распределение с исследуемым. В качестве опорного берется рассеянное излучение на прозрачной неоднородности, размеры которой значительно меньше ширины пучка, но больше длины волны. На расстояниях L >> а2/ λ от неоднородности рассеян­ное излучение будет сферической волной. В результате наложения ее на основной фронт образуется интерферен­ционная картина, по которой судят о фронте волны. В ка­честве неоднородности может быть взята неоднородность на диэлектрическом покрытии зеркала. Таким методом была доказана сферичность волнового фронта от рубино­вого лазера. ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ Хотя при характеристике излучения лазера часто гово­рится о модах резонатора (и действительно, знание гене­рируемых мод очень важно для многих применений лазе­ров), прежде всего в спектральном отношении излучение характеризуется длиной волны. В принципе, нет смысла говорить, излучение какой моды мы принимаем во вни­мание при определении длины волны излучения лазера. В оптическом диапазоне спектра изменению длины волны на 0,1 нм соответствует частотный диапазон примерно 150 000 Мгц. Поэтому если выразить длину волны с точ­ностью даже до сотых долей нм, то всем модам можно приписать одну и ту же длину волны. Длина волны характеризует излучение с таких важных точек зрения, как видимо оно или нет, как оно пройдет через внешнюю среду, какие приемники могут быть при­менены для обнаружения излучения, а также определяет, наряду с другими величинами, угол расхождения пучка, минимальный размер сфокусированного пятна и многое другое. В настоящее время лазерное излучение происходит на многих длинах волн, перекрывая диапазон от 0,2313 мкм до 0,5 мм. Кроме обна­ружения новых материалов, излучающих на других дли­нах волн, новые линии будут получаться с помощью нане­сения селективно отражающих слоев на зеркале резонатора, применения фильтров, диспергирующих призм и газа внутри резонатора, получения оптических гармоник, изме­нения рабочей температуры активного вещества и т. д. Длина волны излучения ОКГ задается уровнями энер­гии рабочих переходов и обычно бывает точно известна из спектроскопических исследований. Измерение длины волны излучения лазера производится обычными способами с помощью спектральных приборов. Следует заме­тить, что для решения вопросов, связанных с прохожде­нием излучения через атмосферу, необходимо определять λ с точностью до тысячных долей нм. Что касается измерений характеристик лазерного излучения, то они заключаются в измерении соответствующих параметров лазеров при определенных условиях работы прибора.