Измерение характеристик лазеров

Оптические методы измерения характеристик лазеров

Одной из фундаментальных характеристик лазерного излучения является его мощность (для непрерывных лазеров) или энергия импульса (для импульсных лазеров). Для измерения этих параметров используются термические и фотонные детекторы.

Термические детекторы (болометры, калориметры, термопары) основаны на измерении температуры, вызванной поглощением лазерного излучения. Они хорошо подходят для мощных лазеров, но обладают относительно низким быстродействием.

Фотонные детекторы (фотодиоды, фотоприёмники, ПЗС-матрицы) преобразуют свет в электрический сигнал. Их преимущество — высокая чувствительность и быстродействие, что особенно важно при исследовании лазеров с короткими импульсами и высокой частотой повторения.

Методы калибровки включают использование эталонных источников и переходных фотометрических стандартов, что критично при прецизионных измерениях в метрологии и промышленности.

Длина волны и спектральные характеристики

Длина волны определяет тип лазера и его применимость в различных задачах (например, медицинская терапия, связь, спектроскопия). Для её измерения применяются:

Интерферометры (Фабри-Перо, Майкельсона) — позволяют точно определить длину волны через интерференционные картины. Особенно эффективны для узкополосных источников.
Монохроматоры и спектрометры — используются для получения спектра и анализа его ширины. Спектральное разрешение современных спектрометров позволяет точно измерять даже субнм-сдвиги.
Фурье-спектрометры — основаны на преобразовании Фурье интерференционного сигнала. Позволяют получить спектр с высокой точностью и в широком диапазоне длин волн.

Ширина спектральной линии (спектральная ширина) зависит от механизма генерации: для диодно-накачиваемых твердотельных лазеров она обычно составляет несколько десятков МГц, тогда как у свободно работающих газовых лазеров — может быть в пределах нескольких кГц.

Пространственная структура и профиль пучка

Измерение пространственных параметров лазерного пучка необходимо для задач фокусировки, направленной доставки энергии, оптических ловушек и др.

Профилом пучка называют распределение интенсивности излучения в поперечном сечении. Он может быть:

Гауссовым (TEM₀₀) — наиболее предпочтительный, обеспечивает минимальное расхождение и максимальную плотность энергии в фокусе;
Многомодовым — характерен для лазеров с большими апертурами и меньшей добротностью.

Методы измерения профиля пучка:

Сканирующие щелевые профилометры — проводят последовательное измерение интенсивности вдоль осей X и Y;
Камеры на ПЗС-матрице — позволяют визуализировать форму пучка в реальном времени;
Пластинки Бёрнса (burn paper) — дают представление о распределении интенсивности за счёт термоповреждений.

Также важным параметром является расходимость пучка, которая определяет, насколько пучок расширяется при распространении. Её измеряют, фиксируя диаметр пучка на различных расстояниях от источника и используя формулу:

$$ \theta = \frac{D_2 - D_1}{L_2 - L_1} $$

где D₁, D₂ — диаметры пучка, L₁, L₂ — соответствующие расстояния.

Поляризация

Поляризационные характеристики излучения критичны при нелинейных взаимодействиях, в оптических системах и волоконных линиях связи. Измерение поляризации проводят с использованием анализаторов, состоящих из:

Поляризатора (например, поляроид);
Вращающегося анализатора;
Детектора интенсивности.

Интенсивность лазерного излучения после прохождения анализатора под углом θ описывается законом Малюса:

I = I₀cos²(θ)

Полностью поляризованный свет даст контраст 100%, тогда как неполяризованный — постоянный сигнал без модуляции.

Временные характеристики: длительность и форма импульса

Импульсные лазеры характеризуются длительностью импульса, формой, временем нарастания и спада. Эти параметры критичны для применения в микробработке, спектроскопии, ЛИДАРах.

Методы измерения:

Осциллограф с быстрым фотодиодом — позволяет наблюдать форму импульса при длительности до наносекунд;
Метод автокорреляции — применяется для пикосекундных и фемтосекундных импульсов. Он основан на регистрации сигнала второй гармоники в нелинейном кристалле при изменении задержки между двумя частями импульса;
Стрики-камеры — обеспечивают временное разрешение до сотен фемтосекунд, регистрируя пространственно-временное распределение света.

Когерентность

Когерентность лазерного излучения — это мера упорядоченности фазы световой волны. Различают временную и пространственную когерентность.

Временная когерентность связана с длиной когерентности:

$$ L_c = \frac{c}{\Delta \nu} $$

где Δν — спектральная ширина, c — скорость света.

Измеряется с помощью интерферометров (например, Майкельсона) путём наблюдения устойчивости интерференционных полос при увеличении разности хода.

Пространственная когерентность определяется поперечными размерами источника. Её измеряют с использованием двухщелевого опыта Юнга, где видимость интерференционной картины указывает на степень когерентности.

Добротность резонатора

Добротность лазерного резонатора характеризует потери энергии за цикл и связана с шириной спектра и временем жизни фотонов в резонаторе:

$$ Q = \frac{\omega}{\Delta \omega} = 2 \pi \nu \tau $$

где τ — время затухания, Δω — ширина спектра.

Измеряется при помощи затухающих осцилляций в импульсном режиме или методом зондирования спектра в режиме затухания.

Стабильность параметров лазера

Для практических применений важна стабильность выходной мощности, длины волны, направления пучка. Она контролируется с помощью:

Долговременного мониторинга (в течение часов или дней);
Систем обратной связи;
Температурной стабилизации активного элемента и оптики.

Флуктуации интенсивности можно охарактеризовать через относительное отклонение:

$$ \sigma = \frac{\sqrt{\langle (I - \langle I \rangle)^2 \rangle}}{\langle I \rangle} $$

где ⟨I⟩ — средняя мощность, а σ — коэффициент нестабильности.

Метрологическая прослеживаемость

Для обеспечения воспроизводимости и сопоставимости результатов измерений характеристик лазеров требуется метрологическая прослеживаемость к национальным или международным эталонам. Это включает:

Калибровку детекторов по мощности;
Использование сертифицированных интерферометров и спектрометров;
Документирование процедур и условий измерений.

Заключительные замечания по точности

Каждое измерение сопровождается неопределённостью, связанной с инструментальными, методологическими и внешними факторами. Современные методы позволяют достичь:

относительной погрешности измерения мощности <1%;
точности длины волны до 10⁻⁶ нм;
временного разрешения до 10⁻¹⁵ с.

Определение характеристик лазера требует комплексного подхода, сочетающего различные методы измерения и анализа, позволяющего обеспечить точную настройку и контроль параметров в научных и промышленных задачах.