При описании работы лазера в непрерывном или импульсно-периодическом режимах средняя мощность излучения является, как правило, первым указываемым параметром, характеризующим масштаб изделия. Наши специалисты имеют опыт создания средств измерений, перекрывающих диапазон по средней мощности в 13 порядков (от 1 мкВт до 10МВт). Выбор первичных преобразователей на основе имеющихся технических решений или разработка новых осуществляется на этапе эскизного проекта создаваемого контрольно-измерительного комплекса. Регистрация выходных сигналов преобразователей обычно осуществляется с помощью Регистратора РИЦ822, что позволяет параллельно контролировать изменение мощности или плотности мощности в нескольких точках схемы эксперимента.
Характерным свойством мощности лазерного излучения является ее неотрицательность. В связи с этим у приемника, адекватно преобразующего падающую мощность в электрический сигнал, этот сигнал является однополярным. Временное разрешение канала измерения мощности определяется в основном быстродействием приемника и периодом оцифровки его выходного сигнала. Быстродействие приемника, как правило, может быть оценено с помощью его импульсной характеристики (реакции приемника на дельта – функцию), которая для большинства приемников имеет вид, приведенный на рисунке справа вверху. Она может быть достаточно хорошо аналитически записана в виде разности двух экспонент:
Соотношение между постоянными времени определяет основные параметры импульсной характеристики- время выхода сигнала на максимальное значение и время релаксации, т.е. время возвращения к исходному состоянию. Эти времена сильно различаются в зависимости от типа приемника, составляя, например, единицы нс для лавинных фотодиодов и десятки секунд для массивных тепловых преобразователей.
Измерение постоянной или медленно меняющейся мощности излучения не составляет проблемы – для этого выпускается большое количество прямо показывающих приборов (ваттметров, включающих как приемник, так и индикатор). В случае же быстрого (по сравнению со временем человеческой реакции) изменения сигнала приемника, необходима полная его регистрация в течение пуска лазерной установки, с последующим отображением временной зависимости мощности (формы импульса).
На рисунке приведены зависимости, используемые в стандарте ISO11554 при определении основных параметров формы импульса. К этим параметрам (физический смысл их ясен из рисунка) относятся:
- пиковая мощность импульса ;
- длительность импульса ;
- 10%-я длительность импульса ;
- время нарастания;
Текущее значение мощности Р(t) (в том числе и пиковое) согласно стандарту ISO11554 возможно определять по зарегистрированному выходному сигналу приемника U(t). даже в том случае, если он не калиброван (но линеен!). При этом следует использовать полученное в данном эксперименте значение энергии импульса излучения Q и формулу:
Измерение мощности с использованием Регистратора РИЦ822
Измерение мощности излучения и контроль ее изменений в ходе эксперимента наиболее целесообразно осуществлять с помощью Регистратора сигналов РИЦ822. В отличие от осциллографа регистрация и отображение показаний производится в натуральных единицах (Вт, кВт и т.д.). На рисунке слева представлены результаты регистрации импульса твердотельного лазера в режиме свободной генерации. В течение импульса сделано 150 тысяч отсчетов мощности. Импульс имеет характерную пичковую структуру. Растяжение изображения (средний график) позволяет отобразить структуру импульса, в частности оценить интервал между отдельными пичками. Еще большее растяжение изображения (нижний график) позволяет оценить длительность отдельных пичков (в приведенном примере длительность пичка с максимальной мощностью 10 МВт составляет 234 нс).
Сглаживание формы импульса
Регистратор РИЦ822 при отображении информации дает возможность сглаживания формы импульса за счет скользящего усреднения отдельных отсчетов мощности (т.е. применения свертки с прямоугольной функцией). На рисунке слева представлены графики исходного импульса и сглаженного с параметром усреднения 1200 (в каждой точке отложено среднее значение 1200 отсчетов мощности, сделанных в окружающей данную точку области: 600 отсчетов до и 600 отсчетов после этой точки). Фактически сглаженный график представляет собой временное изменение средней мощности и позволяет оценить длительность импульса излучения по уровню 0,5 максимального значения (в данном случае длительность равна 785 мкс). Обращает внимание изменение вертикального масштаба в этих графиках. Если в исходном импульсе максимальная мощность отдельных пичков достигает 20 МВт, то в сглаженном импульсе средняя мощность в максимуме составляет порядка 1,5 МВт.
Возможности параллельной регистрации в Измерителе СИЭПХ-2
Регистратор РИЦ822 предоставляет уникальные возможности при проведении параллельной регистрации мощности излучения в различных точках схемы эксперимента. На верхнем рисунке слева приведены временные зависимости мощности лазерного излучения, зарегистрированные в 7-ми участках оптического спектра в ходе восьмисекундного пуска. На нижнем рисунке в двух временных масштабах изображены показания приемников, регистрирующих временной ход излучения 5-ти одновременно работающих импульсных каналов сложной лазерной установки.
Преобразователи, измеряющие мощность лазерного излучения в составе СИЭПХ-2
В состав измерителя СИЭПХ-2 входят на опциональной основе 9 преобразователей излучения, которые, при работе совместно с регистратором РИЦ822, могут использоваться для измерения мощности лазерного излучения. Для них характерны большая входная апертура и сравнительно высокое временное разрешение, необходимое при анализе изменения мощности в ходе коротких пусков генерации. Подробная информация о каждом преобразователе приведена в его паспорте.
