Измерение параметров лазерного излучения

Физические параметры лазерного излучения и методы их измерения

Одним из базовых параметров лазера является оптическая мощность, измеряемая в ваттах (Вт). Для импульсных лазеров важной характеристикой становится энергия импульса (в джоулях, Дж), определяемая произведением пиковой мощности на длительность импульса.

Методы измерения мощности:

  • Термические измерители (болометры, калориметры): поглощают лазерное излучение, измеряя повышение температуры чувствительного элемента.
  • Фотонные измерители (фотодиоды, фототранзисторы): преобразуют свет в электрический сигнал.
  • Пироэлектрические датчики: эффективны для импульсных лазеров, особенно в диапазоне наносекунд.

Для калибровки измерительных систем применяются эталонные источники излучения с известной мощностью и стабильными характеристиками.

Длина волны и спектральные характеристики

Длина волны (λ) определяет цвет лазерного излучения и его взаимодействие с веществом. Точная длина волны важна для спектроскопии, медицины, телекоммуникаций.

Спектральная ширина характеризует чистоту спектра. У идеального лазера — это линия минимальной ширины (монохроматичность).

Методы измерения длины волны:

  • Интерферометры Фабри-Перо — обеспечивают высокое спектральное разрешение.
  • Монохроматоры и спектрометры — используются для измерения как длины волны, так и спектральной ширины.
  • Дифракционные решётки в сочетании с ПЗС-матрицами позволяют регистрировать спектры с высокой точностью.

Особое значение имеет измерение стабильности длины волны — параметра, критичного для лазеров, используемых в метрологии.

Пространственные характеристики пучка

Поперечный профиль пучка определяет распределение интенсивности излучения в сечении. Распределение может быть гауссовым, топ-спек, многомодовым и т.д.

Методы измерения профиля пучка:

  • Камеры Бьювиса (beam profilers) — ПЗС или CMOS-матрицы для визуализации профиля в реальном времени.
  • Сканирующие ножи или щели — метод прямого сканирования по двум координатам.
  • Термочувствительные экраны — дают качественное изображение распределения энергии.

Размер пучка обычно характеризуется через параметры полуширины на уровне 1/e² от максимума интенсивности.

Расходимость и фокусировка

Расходимость пучка (θ) — угол, под которым расширяется лазерный пучок при удалении от источника. Малорасходимые пучки характерны для качественно сфокусированных или хорошо коллимированных лазеров.

Методы определения расходимости:

  • Метод переменного расстояния: измеряется диаметр пучка на разных расстояниях от источника.
  • Интерферометрические методы — позволяют получить точные данные, особенно для малых углов расходимости.

Расходимость напрямую связана с качестом моды — параметром M²:

  • M² = 1 для идеального гауссова пучка,
  • M² > 1 — для многомодовых или искажённых пучков.

Измерение M² проводится по стандарту ISO 11146 с помощью серии измерений размеров пучка при фокусировке линзой.

Поляризация лазерного излучения

Поляризация определяет векторное направление колебаний электрического поля. Лазеры могут излучать:

  • линейно полярованный свет,
  • круговую или эллиптическую поляризацию,
  • неполяризованный или смешанный режим.

Методы измерения поляризации:

  • Поляризаторы (анализаторы) в комбинации с фотоприёмником.
  • Поляроидные фильтры, вращаемые на определённый угол, с регистрацией интенсивности.
  • Эллипсометры — для точного анализа эллиптической поляризации.

Коэффициент степени поляризации выражается отношением разности максимумов и минимумов интенсивности при вращении анализатора.

Частота повторения и длительность импульсов

Частота повторения импульсов (в герцах, Гц) указывает, как часто излучаются импульсы. Для фемтосекундных и пикосекундных лазеров важна точность до единиц килогерц и ниже.

Методы измерения:

  • Осциллографы с быстрыми фотодиодами.
  • Счётчики частоты — для стабильных и повторяющихся импульсов.

Длительность импульса (τ) может варьироваться от миллисекунд до фемтосекунд. Её измерение требует специализированных систем:

  • Осциллографы — для импульсов в диапазоне наносекунд.
  • Автокорреляторы — для пикосекундных и фемтосекундных импульсов.
  • Стрики камеры — для точного измерения временного профиля с разрешением до пикосекунд.

Коэрентность и временная стабильность

Коэрентность лазерного излучения включает временную (связанную с длиной когерентности) и пространственную (фазовая взаимосвязь в поперечном сечении пучка) составляющие.

Методы измерения временной когерентности:

  • Интерферометры Майкельсона — позволяют определить длину когерентности через интерференционные полосы.
  • Спектрометрические методы — оценка спектральной ширины, обратно пропорциональной длине когерентности.

Пространственная когерентность исследуется с помощью:

  • Двухщелевых экспериментов (Юнга),
  • Визуализации интерференционных картин от различных препятствий.

Направление распространения и юстировка

Для точных применений лазера необходимо строгое направление пучка и его стабильность во времени. Малейшие отклонения приводят к потере эффективности в оптических системах.

Методы контроля направления:

  • Оптические визиры и системы обратной связи (active beam alignment).
  • Регистрация координат пучка на удалённых экранах или датчиках.
  • Автоматизированные следящие системы — особенно важны в высокоточных лазерных установках.

Модуляция и характеристики спектра модуляции

Модуляция интенсивности и частоты лазерного излучения используется в связи, метрологии и управлении излучением.

Методы анализа модуляции:

  • Фурье-анализ сигналов — для выделения частотных составляющих модулированного пучка.
  • Спектроанализаторы в сочетании с высокочастотными фотоприёмниками.
  • Интерферометры и гетеродинные схемы — для измерения частотных девиаций.

Безопасность при измерениях

Измерения лазерных параметров требуют соблюдения строгих мер безопасности. Работа с высокоэнергетическими пучками, особенно в УФ и ИК-диапазонах, проводится с применением:

  • защитных экранов,
  • лазерных очков с соответствующим оптическим плотностям (OD),
  • интерблокирующих систем и сигнализаций.

Все измерительные системы должны быть проверены на стойкость к повреждению излучением и калиброваны в соответствии с международными стандартами (ISO, IEC, ГОСТ).

Измерение параметров лазерного излучения является фундаментом для точного управления, стандартизации и эффективного применения лазеров в научных, промышленных и медицинских задачах. Каждая методика требует понимания физики процесса и учёта специфики используемой системы.

Оглавление