Меню

Измерение мощности лазерного диода

9.4. Измерение мощности лазерного излучения

9.4. Измерение мощности лазерного излучения

Мощность и энергия излучения лазеров — это различные, хотя и тесно связанные друг с другом величины. Мощность и энергию лазерного излучения обычно называют энергетическими параметрами.Лазерное излучение принято характеризовать следующими параметрами:

• мощностью излучения Р при работе лазера в непрерывном режиме;

• энергией излучения одиночных импульсов

W=p(t)dt, (9.9)

где τи — длительность импульса излучения;

• средней мощностью в импульсе

Р ср и = W / τи (9.10)

• средней мощностью импульсно-модулированного излучения

Рср = p(t)dt (9.11)

Здесь Т— период следования импульсов.

Измерения энергии и мощности лазерного излучения не отличаются достаточно высокой точностью (ошибки измерения около 2,5 % и редко понижаются до 0,5 %).

Мощность и энергию излучения лазеров измеряют различными методами , в том числе и методами, применяемыми для СВЧ-диапазона. Однако реализация для волн оптического диапазона имеет некоторые отличия.

Для измерения импульсов лазерного излучения с энергией менее 10-3 Дж применяют вакуумный микрокалориметр с поглотителем в виде миниатюрного конуса, изготовленного из медной фольги и имеющего массу около 0,1г. Измеряемое излучение направляют в поглотитель с помощью короткофокусной линзы. Изменение температуры поглотителя регистрируется дифференциальной медно-константановой термопарой. Один из спаев термопары укреплен на вершине конуса, а другой (холодный) присоединен к траверсе, выходящей наружу через ножку колбы. Конус вклеен в слюдяную пластину, закрепленную в специальных держателях. При использовании гальванометра чувствительность прибора составляет 0,8 мДж на деление шкалы.

Измеряют энергию лазера и жидкостными калориметрами, подобным рассмотренным в разд. 9.2. Основной недостаток калориметров с датчиками температуры — большое время установления теплового равновесия (единицы минут). За это время часть тепла теряется на излучение и конвекцию, что является причиной дополнительных погрешностей измерения уровня поглощаемой энергии. Этого недостатка лишены жидкостные калориметры для измерения больших энергий излучения, работающие подобно термометрам. Примером такого калориметра может служить специальный сосуд, наполненный раствором нитрата меди в ацетонитриле. Концентрацию нитрата меди подбирают так, чтобы коэффициент пропускания ячейки длиной 75 мм составлял 10-4 для падающей энергии излучения на длине волны рубинового лазера. Сосуд связан с тонким капилляром диаметром 0,1 мм, в который мо-жет выходить жидкость при расширении. Обычно уровень жидкости уста-навливается так, что ее подъему на 25 мм соответствует увеличение изме-ряемой энергии на 2,5 Дж.

Фотоэлектрические измерители лазерного излучения

Фактически любой фотоприемник, выходной сигнал которого пропорционален падающему лучистому потоку, позволяет измерять мощность непрерывного излучения лазеров или энергию их импульсного излучения. Для измерения средней мощности излучения лазеров непрерывного действия применяют полупроводниковые фотоприемники ср-п -переходом. Энергию излучения лазеров, работающих в импульсном режиме, измеряют интегриро- ванием выходного сигнала фотоприемника.

Измерители больших импульсных мощностей лазерного излучения

Большие импульсные мощности часто измеряют с помощью различных эффектов в кристаллах, прозрачных для лазерного излучения.

Сегнетоэлектрический измеритель мощности. При падении излучения на сегнетоэлектрик (пироэлектрик) на кристалле или на последовательно соединенном с ним резисторе удается получить пироэлектрическое напряже­ние, которое можно измерить.

В качестве сегнетоэлектриков применяют титанат бария, титанат свинца, моногидрат сульфата лития и др. Для измерения силы пиротока на противо­положные стороны кристалла напыляют серебряные или золотые электроды (рис. 9.9, а).

Приемник обычно выполняют в виде цилиндрического конденсатора с круглым или прямоугольным входным отверстием. Сфера состоит из двух полусфер, изготовленных из пироактивной керамики титаната бария и соединенных специальным образом. На внешнюю и внутреннюю noверхности полусфер наносят серебряные электроды, к которым присоединяются тонкие проводники. Для измерения высоких интенсивностей излучения внутреннюю поверхность сферы покрывают тугоплавким слоем с большой отражательной способностью— например, слоем платины толщиной 0,1 мм.

Рис. 9.9. Схемы измерителей больших импульсных мощностей:

а — на сегнетоэлектрике б — на обратном электрооптическом эффекте;

1 — измеритель; 2 — электроды, 3 — пластины конденсатора

Читайте также:  Можно ли увеличить мощность двигателя форд фокус 2

Измеритель мощности излучения с использованием обратного электрооптического эффекта. Данный эффект состоит в том, что при падении монохроматического излучения на некоторые кристаллы в них возникает поляризация. Если такой кристалл поместить в конденсатор специальной формы (рис. 9.9,6), то измеряемая мощность излучения будет связана с напряжением и на зажимах конденсатора определенным соотношением.

Наиболее эффективно использовать полупроводники при измерении мощности лазеров, работающих в инфракрасном диапазоне (например, лазеров на СО2). Верхний уровень измеряемой мощности определяется оптической прочностью кристалла, которая для пьезокристаллов находится в пределах (0,15…1)1010 Вт/см2, что сравнимо с оптической прочностью оптических стекол лучших марок, используемых в лазерах.

Измеритель мощности с использованием обратного электрооптического эффекта содержит прозрачный для измеряемого излучения кристалл; конденсатор с помещенным в него кристаллом, с пластин которого снимается напряжение, пропорциональное пиковой мощности импульса лазера; электронную схему для измерения наведенной ЭДС (как правило, вольтметра амплитудного значения). Для регистрации длительности лазерного импульса при измерении энергии излучения к измерителю мощности может подключаться осциллограф.

Пондеромоторный ваттметр. Действие пондеромоторного (механического) измерителя основано на использовании светового давления. Давление электромагнитных волн на отражающую поверхность пропорционально значению вектора Умова-Пойнтинга, который определяет плотность потока энергии, проходящей ежесекундно через единичную площадь. Такие при­боры применяют для измерения энергии и мощности излучения лазеров, работающих как в импульсном, так и непрерывном режимах. Верхний пре­дел измеряемых величин мощности или энергии практически не ограни­чен. Пондеромоторные измерители мощности обладают высокой точно­стью измерений, потребляют незначительную мощность, малоинерционны и не боятся перегрузок. Их недостатком является низкая виброустойчи­вость и необходимость тщательного согласования и изготовления деталей по высшему классу точности.

Источник

Как измерить мощность высокомощного лазера?

Как измерить мощность высокомощного лазера?

В процессе работы лазера во многих приложениях зачастую требуется контроль энергетических параметров излучения. Компания Thorlabs предлагает универсальный измеритель мощности лазерного излучения S 322 C на основе термодатчика, способный регистрировать сигналы мощностью от 100 мВт до 200 Вт в широком диапазоне длин волн от 250 нм до 11 мкм. Такой измеритель является подходящим средством для контроля мощности как непрерывного излучения, так и импульсного излучения с длинными импульсами таких лазеров, как диодные лазеры, ArIo лазеры, KrIo лазеры, лазеры на красителях, CO 2 лазеры, HeCd лазеры, Nd : YAG лазеры. Датчик работает от УФ до ИК диапазона с «плоским» откликом и низким обратным отражением от широкополосного покрытия, обладающего высоким порогом повреждения. Еще одно преимущество этих датчиков заключается в том, что они позволяют измерять среднюю мощность импульсных лазерных источников, пиковая мощность которых выше максимальной номинальной мощности, в том случае, если она не превышает порог повреждения покрытия чувствительного элемента. При измерении мощности, превышающей 50 Вт, встроенный в измеритель вентилятор необходимо подключить к источнику питания (12 В постоянного тока) для обеспечения стабильных измерений. Датчик имеет встроенный терморезистор для контроля перегрева. Измеритель S322C совместим со всеми доступными консолями для измерения мощности Thorlabs. К примеру, Вы можете использовать консоль PM 100 D с графическим дисплеем 320 х 240 пикселей для отслеживания энергетических параметров лазерного излучения в реальном времени. Подключение датчика к консоли осуществляется через разъем C-серии. Консоль обладает встроенной картой памяти объемом 2 Гб для сохранения измерений и возможностью подключения к ПК через разъем USB 2.0. Интерактивные подсказки помогают управлять устройством, предоставляя пользователю пошаговые инструкции по эксплуатации, отображая следующий шаг на экране.

рис1

Рисунок 1. Термический датчик мощности S 322 C и измерительная консоль PM 100 D компании Thorlabs

Принцип работы термического датчика

Датчики тепловой мощности включают в себя термопары и основаны на принципах термоэлектрического эффекте (эффекта Зеебека), согласно которому любой проводник, подверженный тепловому градиенту, генерирует напряжение. Следовательно, если между двумя поверхностями присутствует разность температур, градиент температуры будет генерировать разность напряжений между этими двумя поверхностями. Этот процесс можно рассматривать как инверсию эффекта Пельтье.

Читайте также:  Двигатель не развивает полной мощности фольксваген

В термическом датчике мощность падающего лазерного пучка поглощается верхней поверхностью термопары и преобразуется в тепло. Другая поверхность термопары остается холодной, так как она термически связана с радиатором. Градиент температуры между двумя поверхностями зависит от падающей оптической мощности. Следовательно, генерируемое напряжение между горячей и холодной поверхностями пропорционально падающей мощности.

Преобразование оптической мощности в измеряемое напряжение зависит от способности поверхности датчика поглощать оптическое излучение и преобразовывать его в тепло. Для увеличения поглощения на чувствительную поверхность датчика S 322 C нанесено широкополосное покрытие с эффективностью поглощения, не зависящей от длины волны, и высоким порогом повреждения (то есть оно способностью выдерживать высокие плотности оптической мощности).

Радиальная конфигурация термопар

Датчик мощности S 322 C является радиальным (рис. 2, вид сверху). При такой конструкции поглотитель света размещается в центре. Он окружен концентрическим кольцом термопар, соединенных последовательно, которые в свою очередь окружены концентрическим радиатором. Свет, падающий на поглотитель, генерирует тепло, которое распространяется в радиальном направлении через термопары к радиатору. Радиатор сконструирован таким образом, чтобы находиться в хорошем механическом контакте с внешним кольцом термопары, без теплового контакта с поглотителем света или внутренним кольцом термопары. Область за поглотителем изолирована от теплового контакта с чем-либо, что может отклонить тепловой поток от радиального направления. Преимущество радиальной конструкции датчиков состоит в том, что они могут использоваться для измерений высокомощного лазерного излучения.

Рисунок 2. Схема термодатчика с радиально сконфигурированными термопарами (свет падает на поглощающий слой в центре, тепло проходит через термопары к радиатору)

Основные технические характеристики датчика S 322 C

  • Диапазон измерения мощности непрерывного излучения 100 мВт – 200 Вт
  • Диапазон длин волн 250 нм – 11 мкм
  • Диаметр активной области 25 мм
  • Разрешение по мощности при использовании с консолью PM 100 D 5 мВт
  • Линейность +/- 10%
  • Максимальная средняя плотность мощности 4 кВт/см 2 для излучения CO 2 лазера
  • Максимальная плотность энергии в импульсе 0.5 Дж/см 2 при длительности импульса 1 нс, 10 Дж/см 2 при длительности импульса 1 мс

рис3

Рисунок 3. График зависимости поглощения от длины волны

рис4

Рисунок 4. Уровень плотности энергии в импульсе и порога повреждения

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ

Источник



Измерение мощности лазерного излучения

Мощность и энергия излучения лазеров — это различные, хотя и тесно связанные друг с другом величины. Мощность и энергию лазерного излуче­ния обычно называют энергетическими параметрами. Лазерное излучение принято характеризовать следующими параметрами:

• мощностью излучения Р при работе лазера в непрерывном режиме;

• энергией излучения одиночных импульсов

где τи — длительность импульса излучения;

• средней мощностью в импульсе

• средней мощностью импульсно-модулированного излучения

Здесь Т— период следования импульсов.

Измерения энергии и мощности лазерного излучения не отличаются дос­таточно высокой точностью (ошибки измерения около 2,5 % и редко пони­жаются до 0,5 %).

Мощность и энергию излучения лазеров измеряют различными метода­ми, в том числе и методами, применяемыми для СВЧ-диапазона. Однако их реализация для волн оптического диапазона имеет некоторые отличия.

Для измерения импульсов лазерного излучения с энергией менее 10 -3 Дж применяют вакуумный микрокалориметр с поглотителем в виде миниатюр­ного конуса, изготовленного из медной фольги и имеющего массу около 0,1 г. Измеряемое излучение направляют в поглотитель с помощью короткофокус­ной линзы. Изменение температуры поглотителя регистрируется дифферен­циальной медно-константановой термопарой. Один из спаев термопары ук­реплен на вершине конуса, а другой (холодный) присоединен к траверсе, выходящей наружу через ножку колбы. Конус вклеен в слюдяную пластину, за­крепленную в специальных держателях. При использовании гальванометра чувствительность прибора составляет 0,8 мДж на деление шкалы.

Измеряют энергию лазера и жидкостными калориметрами, подобным рассмотренным выше. Основной недостаток калориметров с датчиками температуры — большое время установления теплового равновесия (едини­цы минут). За это время часть тепла теряется на излучение и конвекцию, что является причиной дополнительных погрешностей измерения уровня погло­щаемой энергии. Этого недостатка лишены жидкостные калориметры для измерения больших энергий излучения, работающие подобно термометрам.

Читайте также:  Ввод мощностей за 20 лет

Примером такого калориметра может служить специальный сосуд, на­полненный раствором нитрата меди в ацетонитриле. Концентрацию нитрата меди подбирают так, чтобы коэффициент пропускания ячейки длиной 75 мм составлял 10 -4 для падающей энергии излучения на длине волны рубинового лазера. Сосуд связан с тонким капилляром диаметром 0,1 мм, в который мо­жет выходить жидкость при расширении. Обычно уровень жидкости уста­навливается так, что ее подъему на 25 мм соответствует увеличение изме­ряемой энергии на 2,5 Дж.

Фотоэлектрические измерители лазерного излучения. Фактически любой фотоприемник, выходной сигнал которого пропор­ционален падающему лучистому потоку, позволяет измерять мощность не­прерывного излучения лазеров или энергию их импульсного излучения. Для измерения средней мощности излучения лазеров непрерывного действия применяют полупроводниковые фотоприемники с р-n-переходом. Энергию излучения лазеров, работающих в импульсном режиме, измеряют интегриро­ванием выходного сигнала фотоприемника.

Измерители больших импульсных мощностей лазерного излучения. Большие импульсные мощности часто измеряют с помощью различных эффектов в кристаллах, прозрачных для лазерного излучения.

Сегнетоэлектрический измеритель мощности. При падении излучения на сегнетоэлектрик (пироэлектрик) на кристалле или на последовательно соединенном с ним резисторе удается получить пироэлектрическое напряже­ние, которое можно измерить.

В качестве сегнетоэлектриков применяют титанат бария, титанат свинца, моногидрат сульфата лития и др. Для измерения силы пиротока на противо­положные стороны кристалла напыляют серебряные или золотые электроды (рис. 11.18).

Приемник обычно выполняют в виде цилиндрического конденсатора с круглым или прямоугольным входным отверстием. Сфера состоит из двух полусфер, изготовленных из пироактивной керамики титаната бария и соединенных специальным образом. На внешнюю и внутреннюю поверхности полусфер наносят серебряные электроды, к которым присоединяются тонкие проводники. Для измерения высоких интенсивностей излучения внутреннюю поверхность сферы покрывают тугоплавким слоем с большой отражательной способностью — например, слоем платины толщиной 0,1 мм.

Измеритель мощности излучения с использованием обратного электро­оптического эффекта. Данный эффект состоит в том, что при падении мо­нохроматического излучения на некоторые кристаллы в них возникает поля­ризация. Если такой кристалл поместить в конденсатор специальной формы (рис. 11.19), то измеряемая мощность излучения будет связана с напряже­нием и на зажимах конденсатора определенным соотношением.

Наиболее эффективно использовать полупроводники при измерении мощности лазеров, работающих в инфракрасном диапазоне (например, лазе­ров на СО2). Верхний уровень измеряемой мощности определяется оптиче­ской прочностью кристалла, которая для пьезокристаллов находится в пре­делах (0,15 ..1) 1010 Вт/см2, что сравнимо с оптической прочностью оптиче­ских стекол лучших марок, используемых в лазерах

Измеритель мощности с использованием обратного электрооптического эффекта содержит прозрачный для измеряемого излучения кристалл; кон­денсатор с помещенным в него кристаллом, с пластин которого снимается напряжение, пропорциональное пиковой мощности импульса лазера, элек­тронную схему для измерения наведенной ЭДС (как правило, вольтметра амплитудного значения). Для регистрации длительности лазерного импульса при измерении энергии излучения к измерителю мощности может подклю­чаться осциллограф.

Пондеромоторный ваттметр. Действие пондеромоторного (механиче­ского) измерителя основано на использовании светового давления. Давление электромагнитных волн на отражающую поверхность пропорционально значению вектора Умова-Пойнтинга, который определяет плотность потока энергии, проходящей ежесекундно через единичную площадь. Такие при­боры применяют для измерения энергии и мощности излучения лазеров, работающих как в импульсном, так и непрерывном режимах. Верхний пре­дел измеряемых величин мощности или энергии практически не ограни­чен. Пондеромоторные измерители мощности обладают высокой точно­стью измерений, потребляют незначительную мощность, малоинерционны и не боятся перегрузок. Их недостатком является низкая виброустойчи­вость и необходимость тщательного согласования и изготовления деталей по высшему классу точности.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник