|
Органы кроветворения и иммунной защиты
Лазерное излучение характеризуется некоторыми особенностями :
1 - широкий спектральный (&=0.2..1 мкм) и динамический (120..200 дБ);
2 - малая длительность импульсов (до 0.1 нс);
3 - высокая плотность мощности (до 1e+9 Вт/см^2) энергии;
1. Измерение энергетических параметров и характеристик лазерного излучения
1.1 Измерение мощности и энергии лазерного излучения.
Энергия[Дж] - энергия,переносимая лазерным излучением - W Мощность [Вт] - энергия, переносимая лазерным излучением
в единицу времени - P
Средства измерения содержат :
1) ПИП - приемник (первичный) измерительный преобразователь
2) Измерительное устройство
3) Регулирующее или отсчетное устройство
В ПИП энергия преобразуется в тепловую или механическую или в электрический сигнал
ПИП делятся на два типа : поглощающего и проходного
В ПИП поглощающего типа, поступая на вход энергия лазерного излучения почти полностью поглощается и рассеивается в нем.
В ПИП проходящего типа рассеивается лишь поступившей на вход энергии излучения, а большая часть излучения проходит через преобразователь и может быть использована для требуемых целей.
Измерительное устройство включает преобразовательные элементы и измерительную цепь. Их назначение - преобразование выхходного сигнала ПИП в сигнал, подаваемый на отсчетное устройство.
Отсчетное или регистрирующее устройство служит для считывания или регистрации значения измеряемой величины.
1.1.1 Тепловой метод
Сущность метода состоит в том, что энергия излучения при взаимодействии с веществом ПИП превращается в тепловую энергию, которая впоследствии измеряется.
Для измерения тепловой энергии, выделяющейся в ПИП, обычно используют:
-термоэлектрический эффект Зеебека (возникновение тепловой ЭДС между нагретыми и холодными спаяными проводниками из двух разных металлов или проводников );
-боллометрический эффект (явлении изменения сопротивления металла или полупроводника при изменении температуры);
-фазовые переходы "твердое тело-жидкость" (лед-вода);
-эффект линейного или обьемного расширения веществ при нагревании ;
Необходимо отметить, что все тепловые ПИП в принципе являются калориметрами.
К достоинствам калориферов относятся :
-широкий спектральный и динамический диапазон работы;
-высокая линейность,точность,стабильность характеристик;
-простота конструкции ;
Тепловой поток : Ф=Gt (Tk -To ), где Gt - тепловая проводимость; Rt/1=1/Gt - тепловое сопротивление.
Уравнение теплового равновесия имеет вид: dT(t) T(t)
P(t)=C*----- + ----, где P(t) - мощность, рассеиваемая в dT Rt
калориметре; C - теплоемкость;
T=Tk-To
Если в ПИП чувствительным элементом является термометрическое сопротивление, которое непосредственно воспринимает оптическое излучение и в нем присутствует приемный элемент, то такой ПИП называется болометром.
Принцип работы пироэлектрических ПИП основан на использовании пироэлектрического эффекта, наблюдаемого у ряда нецентросимметричных кристаллов при их облучении и проявляющегося в возникновении зарядов на гранях кристалла перпендикулярных особенной полярной оси. Если изготовить небольшой конденсатор и между его обкладками поместить пироэлектрик, то изменения температуры, обусловленное поглощением излучения, будут проявляться в виде изменения заряда этого конденсатора и могут быть зарегестрированы.
Выходной сигнал пироэлектрических ПИП пропорционален скорости изменения среднего прироста температуры (d T/dt) чувствительного элемента. Следствием этого является высокое быстродействие пироприемников (до 1E- c), а также их чувствительность, большой динамический диапазон; широкий спектральный диапазон (0.4..10.6 мкм). Конструктивно чувствительный элемент пироприемника не отличается от калометрических ПИП, за исключение самого чувствительного элемента, выполненного из пироэлектрика.
В промышленности наибольшее распространение получили приемники на основе титана бария, на основе керамики цирконат - титанат бария.
1.1.2 Фотоэлектрический метод
Основан на переходе носителей заряда под действием фотонов измеряемого излучения на более высокие энергетические уровни.
В качестве ПИП используют фотоприемники (ФП), которые делятся на 2-е группы : с внешним и внутренним фотоэффектом. Внешний заключается в выбивании фотоном электрона из металла, находящегося в вакууме, внутренний - в переходе электронов из связывающего состояния под действием фотонов в свободное т.е. в возбужденное состояние внутри материалов. В обоих случаях переход происходит при поглощении веществом отдельных квантов излучения, поэтому ФП являются квантовыми преобразователями. Выходной электрический сигнал ФП зависит не от мощности падающего излучения, а от количества квантов излучения и энергии каждого кванта.
Общее выражение преобразования входного оптического сигнала в выходной электрический сигнал :
I-Iфп+Iт=S P+Iт
Где I - полный ток, протекающий через фотоприемник [A] Iфп - ток через фотоприемник, вызванный падающим по-
током излучения [A]
Iт - темновой ток [A]
S - абсолютная спектральная чувствительность [A/Вт] P - мощность падающего на ФП излучения [Вт]
Фотоприемники с внешним фотоэффектом
Энергия фото ЭДС, испущенных с поверхности катода под действием Э/М излучения :
W=hv-w
где w - постоянная, зависящая от природы материала фотокатода.
Испускание e происходит лишь при hv > w = hv, где v - пороговая частота, наже которой фотоэффект невозможен.
Длину волны &=C/v называют границей фотоэффекта.
К ФП на основе внешнего фотоэффекта относятся вакуумные приборы : фотоэлементы (ФЭ) и фотоумножители (ФЭУ).
S&=Qэф*&/1.24, где Qэф - эффективный квантовый выход. Шумы и шумовые токи ФЭ сравнительно невелики, однако
из-за низкой чувствительности ФЭ нецелесообразно применять их для измерения малых уровней сигналов.
ФЭУ обладают высокой чувствительностью благодаря наличию умножительной (динодной) системы.
m
Коэффициент усиления ФЭУ : M=П ,
i=1
Где - коэффициент вторичной эмиссии i-го динода
- коэффициент сбора электронов m - число каскадов усиления.
S = S * M, где S - абсолютная спектральная чувствительность фотокатода.
Чувствительность ФЭУ может достигать ~1E А/Вт в max спектральной характеристике.
Фотопреобразователи на основе внутреннего фотоэффекта
К ним относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Действие ФР основано на явлении фотопроводимости, заклю-
чающееся в возникновении свободных носителей заряда в некоторых п/п и диэлектриках при падении на них оптического излучения. Фотопроводимость приводит к уменьшению электрического сопротивления, и соответственно, к увеличению тока, протекающего через ф/р.
U &
S = e*V*Q --- * ----
e 1.24
где e - заряд электрона
V - объем освещенной части п/п
Q - квантовый выход внутреннего фотоэффекта
- подвижность носителей
U - напряжение, приложенное к ФР
Действие кремниевых и германиевых ФД: возникновение под действием излучения неосновных носителей, которые диффундируют через p-n переход и ослабляют электрическое поле последнего, что приводит к изменению электричекого тока в цепи. Фототок зависит от интенсивности падающего излучения. Для измерения энергетических параметров лазерного излучения обычно используют фотодиодный режим (с питанием).
S =т* *Q*&(1-p)/1.24 где т - коэффициент пропускания окна прибора; - коэффициент собирания носителей; Q - квантовый выход; & - длина волны излучения; p - коэффициент отражения.
Темновые токи у кремниевых фотодиодов примерно на порядок ниже, чем у германиевых и достигают 1E-5.. 1E-7 A.
Для измерения относительно больших уровней мощности и энергии целесообразно применять ПИП с невысокой чувствительностью, т.е. ФЭ. Для измерения средних уровней энергетических параметров лазерного излучения можно применять как вакуумные приборы так и п/п.
Фотодиоды уступают по чувствительности ФЭУ, однако ФД обладают низким уровнем шума.
Преимущества ФД по сравнению с ФЭУ:
- небольшие габариты
- низковольтное питание
- высокая надежность
- механическая прочность
- более высокая стабильность чувствительности
- низкий уровень шумов
Недостатки :
- меньшее быстродействие
- сильное влияние температуры на параметры и характеристики прибора.
1.1.3 Пондеромоторный метод
В пондеромоторных измерителях энергии и мощности лазерного используется эффект П.Н. Лебедева. Лазерное излучение падает на тонкую приемную пластинку и давит на нее. Давление (сила) измеряется чувствительным преобразователем.
Классический прибор для измерения малых сил - крутильные весы. При попадании оптического излучения на приемное крыло подвижная система отклоняется от положения равновесия на некоторый угол, по величине которого можно судить о значении мощности или энергии.
Значение угла __ при воздействии на нее непрерывного излучения мощностью P:
где p - коэффициент отражения пластины
т - коэффициент пропускания входного окна камера
- угол падения излучения на пластинку
C - скорость света
K - жесткость подвеса
где W - энергия излучения
J - момент инерции вращающейся системы
Для отсчета угла поворота крутильных весов часто используют емкостной преобразователь. В этом случае пластина противовеса является одной из пластин конденсатора, включаемого в резонансный контур генератора. При повороте подвижной системы емкость конденсатора изменяется, меняется частота генерации, что измеряется частотным детектором. Такая конструкция громоздка, хотя и очень чувствительна.
Другой способ реализации высокочувствительной системы отсчета является схема с 2-мя ф/р. При отклонении системы, освещенность ф/р меняется, мост разбалансируется и в его измерительной диагонали появляется ток, пропорционален углу отклонения, который регистрирует mA.
Помимо крутильных весов для измерения широко используется механотроны, которые представляют собой электровакуумный прибор с механически управляемой электродами. При воздействии внешнего механического сигнала в механотроне происходит перемещение подвижных электронов, что вызывает соответствующее изменение анодного тока.
Достоинства и недостатки методов:
Достоинства теплового метода:
1) широкий спектр и динамический диапазон измерений
2) простота и надежность измерительных средств
3) высокая точность
Недостатки:
1) малое быстродействие и чувствительность
Достоинства ф/э метода:
1) максимальная чувствительность и быстродействие
Недостатки:
1) сравнительно узкий спектральный диапазон
2) большая погрешность измерения (5..30%) по сравнению с тепловыми приборами.
Достоинства пондеромоторного метода:
1) высокий верхний предел измеряемой энергии и мощности
2) высокая точность измерений
Недостатки:
1) жесткие требования к условиям эксплуатации (вибрации)
1.2 Измерение основных параметров импульса лазерного излучения
Ряд активных сред работают в импульсных режимах генерации:
1) это лазеры на самоограниченных переходах - азотный лазер, генерирующий в УФ диапазоне, и лазер на парах Cu, дающий мощные импульсы зеленого цвета
2) рубиновые лазеры
В результате возникает задача: измерить основные параметры генерации импульсных лазеров. Разделяют измерение временных и энергетических параметров.
Измерение энергии импульса проводится обычно с помощью ф/э приемника с высоким временным разрешением.
1.2.1 Анализ параметров импульса с помощью осциллографа
Для измерения формы импульса и его временных параметров (длительности т, tнар и tспада) используют быстродействующие фотоприемники с высокой линейностью световой характеристики. Это коаксиальные ф/э серии ФЭК : их временное разрешение 1e-9..1e-10 с.
Для измерения формы импульса используют обычные универсальные осциллографы с половой пропускания до 1e7 Гц, и специальные сверхкороткие осциллографы.
1.2.2 Изучение формы сверхкоротких лазерных импульсов
Используют косвенные методы, основанные на применении временной развертки, используемой в оптико-электронных осциллографах. Использование оптико-механической развертки не позволяет сколь либо угодно улучшить временное разрешение, но позволяет осуществить набор двумерных или одномерных изображений.
ЭОПы с разверткой обычно используют для исследования только временных зависимостей интенсивности сфокусированного пучка излучения (т.к. частота смены кадров гораздо ниже, что затрудняет исследование динамики процесса генерации).
Однако сложность, высокая стоимость, громоздкость и необходимость высококвалифицированного обслуживания затрудняет использование камер с оптико-механической и электронной. Поэтому использую часто оптический метод измерения длительности импульса.
"Световая" развертка была предложена в 1967 г. Джордмейном при изучении длительности "nс" импульсов при распространении двух одинаковых световых пучков навстречу друг другу в растворе нелинейно люминесцирующего красителя.
В первом эксперименте "стоячая" волна образовывалась путем отражения основного пучка "nс" импульсов в зеркале кюветы с красителем. Возле зеркала (и далее с шагом l=TC/n) плотность энергии прямого и отраженного пучка будет max из-за совпадения i-го импульса. Левее зеркала на l будут совпадать (i-1)-й импульс в прямой волне и (i+1)-й импульс - в отраженной. При удалении от зеркала на 2l двуфотонная люминесценция красителя будет ярче из-за наложения (i-2) и (i+2)-го импульсов луча. Яркость фонового свечения 2-х фотонной люминесценции B~I^2 интенсивности, а max яркости возле зеркала : B~(2*I)^2=4*Ш^2, т.е. заметно выше.
1.3 Измерение пространственного распределения энергии в лазерном пучке
Наиболее полная пространственно-энергетическая характеристика лазерного излучения является диаграмма направленности, т.е. угловое распределение энергии или мощности в лазерном
пучке. Практичекий интерес представляет распределение поля излучения в дальней зоне, когда форма распределения перестает зависеть от расстояния, превышающее d^2/&, где d - диаметр излучающей апертуры лазера.
На практике используют два понятия расходимости, в первом случае имеют ввиду плоский или телесный угол Q или Qs определяющий ширину диаграмму направленности в дальней зоне по заданному уровню углового распределения энергии или мощности, отнесенного к его max значению. Чаще всего значение уровня принимается равным 0.5 и 1/e^2. Это определение характеризует излучение одномодового лазера, т.е. распределение, близкое к гауссовому. В случае многомодового режима диаграмма имеет многочисленные боковые лепестки, содержащие значительную часть энергии. Поэтому величина расходимости по заданному уровню энергии или мощности, т. е. по существу центрального max распределение не очень показательна. В таких случаях более удобной характеристикой является энергетическая расходимость лазерного излучения. (Qn,p или Qw,s), т.е. плоский или телесный угол, внутри которого распространяется заданная доля энергии излучения.
Лазерное излучение характеризуется значением диаметра пучка лазерного излучения, внутри которого происходит заданная доля энергии или мощности.
Для практического определения расходимости используют три основных метода:
1) Метод 2-х сечений
2) Метод регистрации диаграммы направленности
3) Метод фокального пятна
Наиболее распространенный метод измерения расходимости пучка - метод фокального пятна.
1.4 Измерение поляризации лазерного пучка.
В лазерах излучение должно обладать 100% поляризацией (линейной или круговой). Вид поляризации определяется особенностями используемой в лазере активной среды - поляризацией ее спонтанного излучения, и величиной коэффициента усиления для элементарных поляризаций.
Все "элементарные" состояния поляризации могут быть получены из 2-х линейно поляризованных во взаимно - плоскостях излучений с амплитудой Ax и Ay.
2. Измерение спектральных и корреляционных параметров и характеристик лазерного излучения.
Когерентность характеризуется двумя основными параметрами
- временной когерентностью
- степенью пространственной когерентности
2.1 Влияние параметров лазера на когерентность его излучения
Лазер - прибор, в котором частота генерации зависит от собственных (резонансных) частот резонатора. К вторичным эффектам, изменяющим частоту генерации лазера оказывают эффекты затягивания или отталкивания. Гораздо сильнее на частоту генерации лазера влияют параметры активной среды: центральная частота лазерного перехода, ширина спектральной линии.
Измерение лазерных характеристик может быть разделено на 3 группы:
1) Измерение спектра излучения многомодовых лазеров непрерывного действия и "nc" лазеров
2) Прецезионное измерение длины волны или чатоты генерации
3) Измерение ширины полосы генерации одночастотного лазера или разности частот генерации 2-х однотипных частотностабилизированных лазеров.
3. Измерение основных параметров главных компонентов лазера
Главные компоненты лазера: активная среда и оптический резонатор. Активная среда, преобразующая энергию накачки в когерентное излучение, определяет энергетические характеристики лазера и длину волны излучения, а от резонатора - частотные и пространственные.
Для измерения потерь или усиления лазерных компонентов используют компенсационный метод, для измерения ненасыщенного усиления - метод комбинированных потерь, прямой метод.
|
|
|
