Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы и средства измерений коэффициента распространения пучка м2 и параметров стокса и возможность их использования для диагностики сильно расходящегося лазерного излучения 13
1.1 1.1. Методы и средства измерений коэффициента распространения пучка М2 и параметров Стокса 13
1.2 Фотонные первичные преобразователи средней мощности лазерного излучения 16
1.3 Тепловые первичные измерительные преобразователи средней мощности лазерного излучения 18
1.3.1. Классификация тепловых измерительных преобразователей лазерного излучения 18
1.3.2. Основные параметры и характеристики одинарных тепловых ПИП 23
1.3.3. Предел допускаемой относительной погрешности одинарных тепловых ПИП 28
1.3.4. Многоэлементные тепловые ПИП 31
1.3.4.1. Многоэлементные термоэлектрические ПИП 31
1.3.4.2. Пироэлектрические многоэлементные ПИП 33
1.4 Актуальность разработки нового поколения отечественных тепловых ПИП для диагностики излучения среднего уровня мощности 35
1.5 Возможность создания средства измерения параметров лазерного излучения с планарным ПИП 36
1.6 Выводы по первой главе - 3
Глава 2. Методики контроля режима генерации лд на основной моде и измерения степени поляризации лазерного излучения с большой расходимостью 38
2.1 Методика определения модового состава лазерного излучения 38
2.2 Методика определения степени поляризации лазерного излучения 45
2.3 Выводы по второй главе 54
ГЛАВА 3. Особенности формирования выходных сигналов термоэлектрических и фотоэлектрических преобразователей лазерного излучения и конструирование средства измерений с их учетом 55
3.1 Формирование сигналов планарного первичного измерительного преобразователя лазерного излучения 55
3.2 Автономная калибровка планарного ПИП 62
3.3 Определение зонной и координатной характеристики планарного первичного измерительного преобразователя лазерного излучения 69
3.3.1 Определение зонной характеристики планарного первичного измерительного преобразователя лазерного излучения 69
3.3.2 Определение координатной характеристики планарного первичного измерительного преобразователя лазерного излучения 70
3.4 Особенность формирования сигналов используемых в разрабатываемом средстве измерений фотоэлектрических первичных преобразователей лазерного излучения 73
3.4.1 Определение неравномерности зонной характеристики - 4 планарного фотоэлектрического первичного преобразователя лазерного излучения 74
3.4.2 Расчет угловой зависимости относительной спектральной чувствительности планарного фотоэлектрического первичного преобразователя лазерного излучения 77
3.5 Конструкция средства контроля режима генерации на основной моде и измерения степени поляризации излучения одномодовых ЛД в свободное пространство 79
3.6 Выводы по третьей главе 83
ГЛАВА 4. Результаты измерений параметров сильно расходящегося лазерного излучения с использованием разработанного средства измерений и оценка их погрешности 85
4.1 Определение конструкционных параметров средства контроля режима генерации на основной моде и измерений степени поляризации ЛД в вертикальной плоскости 85
4.1.1. Определение оптимального угла между осью лазерного пучка и плоскостью его косого сечения 85
4.1.2 Результаты абсолютной калибровки фотодиода с помощью планарного первичного измерительного преобразователя 89
4.1.3 Измерение угловой зависимости спектральной чувствительности фотодиода 90
4.2 Определение режима генерации ЛД на основной моде 94
4.2.1 Измерения диаграммы направленности излучения ЛД в вертикальной и горизонтальной плоскости 94
4.2.2 Традиционно используемая методика определения параметра М2 сильно расходящегося излучения ЛД - 5
Измерение параметра — при различных уровнях мощности генерации ЛД 104
4.2.4 Сравнение значений параметра P и М 2 при различных уровнях мощности генерации ЛД 107
4.3 Измерение степени поляризации излучения ЛД в вертикальной плоскости 109
4.3.1 Результаты измерений параметров Стокса по классической методике для двух длин волн 0,635 и 0,980
4.3.2 Результаты измерений степени поляризации в вертикальной плоскости под разными углами 0 к оси лазерного пучка с использованием классической методики. 113
4.3.3 Результаты измерений степени поляризации излучения ЛД в вертикальной плоскости с помощью разработанного средства измерений 117
4.3.4 Временные зависимости степени поляризации и мощности излучения ЛД 119
4.4 Оценка погрешности измерений средства измерений 121
4.4.1 Погрешность измерений и контроля режима генерации излучения ЛД на основной моде 121
4.4.2 Погрешность средства измерений степени поляризации одномодового излучения ЛД в вертикальной плоскости 127
4.5 Выводы по четвёртой главе 128
Заключение 129
Библиографический список
- Тепловые первичные измерительные преобразователи средней мощности лазерного излучения
- Методика определения степени поляризации лазерного излучения
- Определение зонной и координатной характеристики планарного первичного измерительного преобразователя лазерного излучения
- Измерения диаграммы направленности излучения ЛД в вертикальной и горизонтальной плоскости
Введение к работе
Актуальность работы. Актуальность темы диссертации. За последние десять лет значительно расширился парк оптико-электронных приборов и комплексов с лазерными диодами, генерирующими излучение в непрерывном режиме (далее - ЛД). Широкое использование ЛД стало возможным благодаря прорывным достижениям в технологии производства приборов полупроводниковой квантовой электроники, обеспечившим не только существенное улучшение характеристик и параметров их излучения, но и резкое снижение себестоимости.
Однако эффективное использование ЛД невозможно без проведения регулярных с высокой точностью измерений таких параметров их излучения как мощность, пространственное распределение плотности мощности и степень поляризации. Комплексные измерения этих параметров позволяют не только осуществлять текущий контроль состояния ЛД, но и прогнозировать срок их службы.
Задача прогнозирования срока службы ЛД особенно остро стоит в тех случаях, когда они входят в состав оптико-электронных систем и комплексов, обеспечивающих в течение долгого времени функционирование промышленных объектов с замкнутым производственным циклом, а также удаленных объектов, работающих в автономном режиме.
Наиболее точную информацию о состоянии ЛД можно получить, анализируя параметры его излучения в свободное пространство, когда оно не трансформируется никакими оптическими элементами. Именно этим определяется большой интерес к разработкам методик определения срока службы ЛД, основанных на результатах измерений параметров их излучения в свободное пространство. В повседневной метрологической практике такие измерения осуществляются с помощью рабочих средств измерений (РСИ) средней мощности лазерного излучения.
В настоящее время фирмами Ophir и Coherent, занимающими более 80% мирового рынка средств измерений энергетических параметров лазерного излучения, налажено массовое производство лазерных ваттметров, обеспечивающих диагностику остронаправленного излучения. Практически все выпускаемые приборы удовлетворяют требованиям международных стандартов, предъявляемых к РСИ средней мощности лазерного излучения.
Для измерений средней мощности сильно расходящегося лазерного излучения эти фирмы предлагают несколько моделей ваттметров с интегрирующей сферой. Однако их погрешность варьируется от 5% до 10%, то есть, превышает верхнюю границу диапазона значений погрешности,
установленную стандартами для РСИ средней мощности остронаправленного лазерного излучения. Таким образом, разработанные к настоящему времени стандарты не позволяют классифицировать лазерные ваттметры с интегрирующей сферой как РСИ. Из-за отсутствия поверочных схем средств измерений основных параметров сильно расходящихся лазерных пучков невозможна метрологическая аттестация и разработанных к настоящему времени средств измерений модового состава и степени поляризации излучения ЛД.
Необходимость создания поверочных схем средств измерений энергетических, пространственно-энергетических и поляризационных параметров излучения ЛД, регламентирующих требования, предъявляемые к РСИ таких параметров, актуализирует задачу скорейшей разработки их высших звеньев -эталонов. Однако решение этой задачи под силу только ведущим мировым метрологическим центрам.
В отсутствие таких поверочных схем продолжаются работы по созданию средств измерений энергетических, пространственно-энергетических и поляризационных параметров сильно расходящегося излучения, обеспечивающих приемлемую для практических применений ЛД погрешность измерений. Особое место среди них занимают работы по созданию средств измерений параметров излучения ЛД, которые в дальнейшем могут быть использованы в качестве рабочих эталонов. Разработке одного из таких средств измерений посвящена данная работа, что и определяет ее актуальность.
Цель работы. Целью данной работы была разработка автономно калибруемого средства контроля режима генерации на основной моде и измерений степени поляризации излучения ЛД в свободное пространство. Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
Определить структуру средства измерений, обеспечивающую комплексные измерения энергетических, пространственно-энергетических и поляризационных параметров сильно расходящегося излучения ЛД в свободное пространство.
Разработать методику контроля режима генерации ЛД на основной моде и алгоритм ее реализации.
Разработать методику определения степени поляризации излучения одномодового ЛД в свободное пространство и алгоритм ее реализации.
Создать макет средства измерений, обеспечивающий реализацию разработанных методик контроля режима генерации ЛД на основной моде и определения степени поляризации его излучения в свободное пространство.
Провести с использованием этого макета натурные измерения модового состава и степени поляризации излучения ЛД в свободное пространство и оценить погрешность этих измерений.
Научная новизна работы
1. Разработаны методика контроля режима генерации ЛД на основной моде
и алгоритм ее реализации с использованием автономно калибруемого планарного
измерительного преобразователя средней мощности лазерного излучения,
отличающиеся тем, что они позволяют без измерений коэффициента
распространения пучка М2 определять верхнюю границу диапазона значений
мощности излучения лазера, при которых наблюдается одномодовая генерация.
2. Разработаны методика измерений степени поляризации излучения
одномодового ЛД в свободное пространство и алгоритм ее реализации,
отличающиеся тем, что они позволяют без использования четвертьволновой
пластины и анализатора, диагностировать нетрансформированный пучок
лазерного излучения и осуществлять непрерывные измерения без нарушения
режима нормального функционирования ЛД.
3. Использование методик контроля режима генерации ЛД на основной
моде и измерений степени поляризации излучения лазерных диодов в свободное
пространство позволяет при проведении автономной калибровки средства
измерений этих параметров строго учитывать экспериментально выявленное
отличие функции, описывающей диаграмму направленности излучения ЛД, от
гауссовой функции, и, тем самым, обеспечивать высокие метрологические
параметры средства измерений.
Практическая ценность работы
-
Разработанное средство контроля режима генерации ЛД на основной моде и измерений степени поляризации сильно расходящегося лазерного излучения может быть использовано для непрерывного контроля состояния структуры одномодового лазерного диода путем измерений степени поляризации его излучения в свободное пространство - параметра, по которому, согласно научным публикациям, можно судить о степени деградации лазера.
-
Разработанная математическая модель средства измерений параметров сильно расходящегося лазерного излучения использована для расчета степени его поляризации и позволяет предусмотреть трансформацию конструкции средства измерений, обеспечивающую диагностику лазерных пучков в широком диапазоне углов расходимости.
Основные положения, выносимые на защиту 1. Средство измерений с определенным образом расположенными относительно оси лазерного пучка автономно калибруемым планарным первичным измерительным преобразователем и планарными фотодиодами без входного окна и просветляющего покрытия обеспечивает контроль режима генерации ЛД на основной моде и измерения степени поляризации.
-
Относительная погрешность разработанного средства контроля режима генерации на основной моде и измерений степени поляризации сильно расходящегося лазерного излучения не превышает 10%.
-
Разработанное средство измерений степени поляризации излучения ЛД в свободное пространство позволяет непрерывно диагностировать состояние гетероструктуры ЛД без нарушения его нормального функционирования.
Достоверность полученных результатов
Достоверность научных положений проверена путем использования разработанного средства измерений для экспериментального определения степени поляризации излучения нескольких десятков одномодовых лазерных диодов, изготовленных в Физико-техническом институте имени А.Ф.Иоффе РАН и фирмой ФТИ-Оптроник (г. Санкт-Петербург).
Получено хорошее совпадение (с погрешностью, не превышающей 5%) результатов расчетов и экспериментальных измерений степени поляризации излучения ЛД.
Внедрение результатов диссертационной работы
Макетный образец средства измерений параметров сильно расходящегося излучения применяется в лаборатории ЗАО НИИ ЭСТО - исследовательском центре группы компаний «Лазеры и аппаратура» - для диагностики лазерных диодов, используемых для накачки твердотельных лазеров, входящих в состав функционально законченных комплексов (технологических машин и станков), что подтверждено Актом № 01/2014 от 15.01.2014.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на:
42-м, 43-м и 44-м Международном научно-методическом семинаре «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2011 г., 2012 г. и 2013 г.);
21-й, 22-й и 23-й Международной научно-технической конференции «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург, 2011 г., 2012 г. и 2013 г.);
XIX и XX Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2013 г. и 2014 г.);
XII Международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков - 2013» (Москва, 2013 г.).
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в 3 статьях в научных реферируемых журналах, в 19 статьях в сборниках материалов научно-технических конференций и семинаров.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 141 страницу текста, включая 28 рисунков, 15 таблиц и библиографический список из 80 наименований.
Тепловые первичные измерительные преобразователи средней мощности лазерного излучения
С целью упрощения этого процесса в средстве измерений параметров Стокса, разработанном в ФИАН РАН, вместо набора пластин используется одна калиброванная в спектральном диапазоне от 400 до 1300 нм четвертьволновая пластина [7]. Благодаря этому открывается возможность автоматизации процесса измерений. Однако калибровка такой пластины является достаточно сложной и прецизионной операцией. Необходимо отметить, что все средства измерений параметров Стокса предназначены для диагностики коллимированного излучения.
Классическая методика измерений параметров Стокса коллимированного излучения ЛД используется на предварительном этапе разработки средства измерений степени поляризации излучения ЛД в свободное пространство. Использование классической методики измерения параметров Стокса позволяет получить сведения о состоянии поляризации ЛД с различной гетероструктурой и разным механизмом формирования волновода. Диагностировалось излучение тридцати пяти ЛД с длиной волны 980, 635 и 530 нм. Установлено, что состояние поляризации излучения всех ЛД полностью описывается первым и вторым приведенным (нормированным на полную интенсивность пучка) параметром Стокса, а третий параметр практически равен нулю. При этом излучение представляет собой смесь ТЕ компоненты, линейно поляризованной в плоскости p-n-перехода, ТМ компоненты, линейно поляризованной в плоскости, перпендикулярной плоскости p-n-перехода, и естественного излучения.
Полученные результаты измерений параметров Стокса учитываются при создании средства измерений степени поляризации сильно расходящегося одномодового лазерного излучения на базе автономно калибруемого планарного ПИП.
Из обзора средств измерений параметров лазерного излучения следует, что в настоящее время для диагностики сильно расходящегося лазерного излучения имеется единственное стандартизованное средство измерений – интегрирующая сфера (ГОСТ Р ИСО 11554 – 2008), в котором в качестве первичного преобразователя средней мощности лазерного излучения (далее – ПП) используется фотодиод. В настоящее время наиболее широкое применение нашли выпускаемые фирмой Ophir интегрирующие сферы 3A-IS, 3A-IS-IRG с входной апертурой 12 мм и F100A-IS с входной апертурой 16 мм. Они перехватывают излучение, распространяющееся под углами ±40о к оси диаграммы направленности диагностируемого пучка. Погрешность измерения указанных интегрирующих сфер равна 5% [8]. Однако интегрирующая сфера обеспечивает измерения только мощности излучения.
Как показывает анализ публикаций, в средствах измерений параметров лазерного излучения наиболее широко используются фотонные и тепловые преобразователи лазерного излучения. Рассмотрим их классификационные признаки, а также преимущества и недостатки каждого типа преобразователей.
Фотонные первичные преобразователи средней мощности лазерного излучения Принцип действия фотонных ПП основан на поглощении полупроводниковым материалом кванта энергии, сопровождающемся переходом носителя заряда на более высокий энергетический уровень. Используется как внутренний, так и внешний фотоэффект.
На внутреннем фотоэффекте в полупроводниках и использовании свойств p-n-перехода, основан принцип действия фотодиодов. Полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется под действием излучения, классифицируют как фоторезисторы. При освещении фоторезистора происходит переход электронов в зону проводимости. Количество свободных электронно-дырочных пар возрастает, внутреннее сопротивление фоторезистора снижается, вследствие чего изменяется значение проходящего через него тока. Полупроводниковые структуры с p-n-p-переходами служат усилителями фототока и классифицируются как
- 17 фототранзисторы. Особое место среди фотонных ПП занимают матричные приемники, широко используемые в средствах измерений коэффициента распространения пучка М2.
Параметры и конструкции фотонных ПП, изготавливаемых в России и компанией Hamamatcu photonics K.K., подробно описаны в [9,10]. Параметры и конструкции фотодетекторов, изготавливаемых фирмами Ophir и Coherent, представлены в [2,8].
Внешний фотоэффект используется в вакуумных и ионных (газополных) фотоэлементах (вакуумных диодах) и фотоэлектронных умножителях (ФЭУ). Однако их применение в средствах измерений параметров лазерного излучения крайне ограничено, так как они имеют большие габариты, а функционирование ФЭУ связано с использованием высоковольтного питания.
Несомненными преимуществами фотодиодов, объясняющими их широкое использование в средствах измерений параметров лазерного излучения, являются высокая чувствительность и малая постоянная времени (высокое быстродействие). Однако фотодиодам присуща большая селективность, а широкоапертурным фотодиодам и большая неравномерность зонной характеристики, что значительно усложняет обработку их выходного сигнала.
Для обеспечения максимальной обнаружительной способности фотодиодов используется напряжение смещения. Параметры фотодиода сильно зависят от напряжения смещения, поэтому требуется особое внимание к системе его стабилизации. При смещении равном нулю имеет место режим короткого замыкания. В этом случае в выходном сигнале отсутствует компонента, обусловленная темновым током, что упрощает обработку выходного сигнала, особенно если учесть его большую величину в отечественных фотодиодах [9].
Методика определения степени поляризации лазерного излучения
В настоящее время зарубежные производители выпускают большое количество тепловых ПИП. При этом существуют модели, позволяющие определять мощность и распределение мощности излучения в поперечном сечении пучка [2, 8, 9]. Принципы действия ПИП различны и определяются спектральным составом диагностируемого излучения, уровнем его мощности и функциональными особенностями ПИП. Характерной особенностью современных средств измерений параметров лазерного излучения является наличие блока электронной обработки выходного сигнала ПИП, и зачастую именно этот блок обеспечивает высокие метрологические параметры средства измерений.
Производители лазерной измерительной техники, занимающие лидирующие позиции на рынке метрологии лазерного излучения, выпускают готовые комплексы для измерения основных параметров лазерного излучения. В разделе 1.1 описаны разработанные и производимые за рубежом средства измерений, позволяющие одновременно измерять мощность лазерного излучения и параметр М2 (BeamMaster [2]). Эти средства измерений удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним в [20], однако их стоимость достигает сотен тысяч рублей. Кроме того, технология производства и конструктивные особенности ПИП, используемых в средствах измерений параметров лазерного излучения, засекречены, что диктуется условиями рыночной экономики.
Все это указывает на актуальность разработки и создания нового поколения отечественных средств измерения параметров лазерного излучения. - 36 1.5. Возможность создания средства измерения параметров лазерного излучения с планарным ПИП Как показывает обзор публикаций, посвященных тепловым ПИП, самую большую апертуру имеют термоэлектрические ПИП [2, 8, 9, 10]. В настоящее время парк отечественных тепловых ПИП, используемых в практической метрологии, состоит из средств измерений, изготовленных по классической технологии. Такие ПИП состоят из нескольких автономно изготовленных функциональных узлов: коллектора энергии, чувствительных элементов и термостата, сборка которых требует высокой культуры и технологичности производства. В результате чего себестоимость ПИП высока, параметры невоспроизводимы, а сами преобразователи ненадежны.
В 2006 году во ВНИИОФИ созданы государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерения средней мощности лазерного излучения [19]. В эту схему входят и ПИП средней мощности лазерного излучения с высокими метрологическими параметрами. Однако используемый в повседневной метрологической практике парк отечественных ПИП и созданных на их базе РСИ средней мощности лазерного излучения устарел как физически, так и морально и не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ним в [19]. В связи с этим очевидна необходимость разработки нового поколения высокотехнологичных РСИ параметров лазерного излучения. При этом следует иметь в виду, что современного потребителя лазерных систем все в большей степени интересует не только мощность излучения, но и пространственно-энергетические параметры, модовый состав и состояние поляризации лазерного излучения. Особенно остро этот интерес проявляется в случае, когда источником излучения является ЛД, так как в настоящее время отсутствуют стандартизованные методики измерений этих параметров для широко расходящихся лазерных пучков.
Возникает вопрос, имеются ли предпосылки для разработки методик и - 37 создания на их базе РСИ параметров излучения ЛД, и в каком направлении следует вести работу. При решении этого вопроса необходимо учитывать, что термоэлектрические ПИП автономно калибруемы, но имеют малый коэффициент преобразования, что исключает возможность их использования для диагностики излучения малой интенсивности, а фотонные ПП не могут быть автономно калибруемыми, но обладают высокой чувствительностью. Поэтому, в данной работе рассматривается возможность создания средств измерений модового состава и степени поляризации излучения ЛД, в состав которых наряду с термоэлектрическими входят и фотонные ПИП.
1. Использование существующих методов и средств измерений параметра М2 и параметров Стокса не позволяет диагностировать сильно расходящееся лазерное излучение.
2. В качестве поляризационно чувствительного элемента можно использовать фотодиод с зеркально отражающей приемной поверхностью без входного окна и просветляющего покрытия.
3. Несмотря на низкую чувствительность тепловых ПИП и их большую постоянную времени, целесообразно использовать в средствах измерений параметров сильно расходящегося лазерного излучения автономно калибруемые планарные ПИП, обеспечивающие абсолютную калибровку используемых в этих средствах измерений высокочувствительных и малоинерционных фотодиодов.
Определение зонной и координатной характеристики планарного первичного измерительного преобразователя лазерного излучения
Формы линий теплового тока, полностью согласованных с термопарами (линии 2,5,8,11) и проходящих через горячие концы ветвей крайних термопар термоэлектрических батарей при идеальном тепловом контакте: а - всего периметра преобразовательного элемента; б - только холодных концов термопар. I - коллектор энергии; II - периметр коллектора энергии - линия, вдоль которой расположены горячие концы ветвей термопар; III - длинные стороны ветвей термопар; р - угол между линией теплового тока и длинной стороной ветви термопары. Пунктирные линии - боковые границы секторов, в которых расположены линии тепловых токов, входящие в термостат через прилегающие к сектору поперечное сечение преобразовательного элемента [69]
В этом случае температура горячего конца кремниевой ветви планарной термопары определяется длиной пути, по которому протекает тепловой поток от этого конца ветви до термостата.
Из рисунка видно, что при вхождении линий теплового тока в область планарной термобатареи длина пути, по которому протекает тепловой поток от горячего конца ветви до термостата, больше длины ветви термопары, а значит и длины элемента подложки, на котором сформированы ветви термопары. Поэтому термическое сопротивление участка подложки, по которому протекает тепловой поток, больше термического сопротивления - 61 элемента подложки (рис.3.2). Понятно, что разность этих сопротивлений возрастает по мере увеличения угла . В результате этого наряду с основной причиной неравномерности зонной характеристики планарного ПИП – распределенными тепловыми потерями с поверхности подложки – появляется еще одна, обусловленная изменением верхней границы диапазона значений угла при перемещении источника тепла.
Конструкция тепловых потерь на его зонную характеристику при характерном значении среднего коэффициента теплоотдачи T = 20 Вт/(м2 К). Поэтому единственной возможностью уменьшения неравномерности зонной характеристики является сужение диапазона изменения угла в области расположения горячих концов ветвей термопар. Казалось бы, что эта задача решается проще, если тепловой контакт подложки с термостатом имеет место только в той части периферийной планарного ПИП обеспечивает минимальное влияние распределенных области подложки, где находятся холодные концы ветвей планарных термопар (рис.3.3,б). Однако при этом не только нарушается однородность области теплового контакта подложки с термостатом, но и увеличивается перегрев преобразовательного элемента, а значит, уменьшается верхняя граница динамического диапазона средства измерений [70]. 3 видно, что верхняя граница диапазона значений углов уменьшается при удалении источника тепла от термобатареи. При неизменных габаритах подложки такая ситуация может быть реализована или за счет уменьшения длины ветвей термопар, а значит и уменьшения коэффициента преобразования, или за счет уменьшения смещения источника тепла от центра приемной поверхности коллектора энергии. Из этого следует, что вблизи центра коллектора энергии можно выделить область, при падении на которую лазерного излучения неравномерность зонной характеристики планарного ПИП становится меньше любого заданного значения. В данной работе критерием определения размеров такой области
Для количественной оценки результата автономной калибровки используется коэффициент эквивалентности замещения Кэкв. оптического нагрева электрическим. Для определения этого параметра по (1.3) были проведены измерения коэффициента преобразования ПИП как электрической мощности замещения оптического нагрева, так и оптической мощности при трех значениях этих мощностей - 10, 50 и 100 мВт.
Одним из важнейших элементов конструкции преобразовательного элемента планарного ПИП является резистор замещения мощности. Способы формирования и внешний вид резистора замещения подробно обсуждаются в [69, 71]. Изменяя ток, протекающий через резистор замещения, можно определить абсолютное значение коэффициента преобразования планарного ПИП электрической мощности S+ при разных ее уровнях. Принципиальная
К выходу источника постоянного тока 1 последовательно подключены магазин сопротивлений 3, резистор замещения мощности 5, вмонтированный в конструкцию планарного ПИП и катушка эталонного сопротивления 9. На коллектор ПИП воздействует электрическая мощность, выделяемая в резисторе замещения. При этом формируется выходной сигнал ПИП, который регистрируется вольтметром 8. Мощность, выделяемая в резисторе замещения, определяется с высокой точностью благодаря строгому контролю и точным измерениям с помощью вольтметра 11 напряжения Uз на резисторе замещения и силы протекающего по нему тока. Величина этого тока определяется путем измерения вольтметром 10 напряжения Ur на зажимах эталонного резистора замещения 9. Изменяя сопротивление магазина сопротивлений, можно плавно изменять силу тока, протекающего через резистор замещения, и таким образом варьировать значение электрической мощности, выделяющейся в резисторе.
Отношение выходного сигнала ПИП, сформированного под воздействием электрической мощности к значению этой мощности равно коэффициенту преобразования ПИП электрической мощности.
Для определения абсолютного значения коэффициента преобразования падающего на ПИП коллимированного излучения ЛД с длинами волн 530, 635 и 980 нм используется установка, блок-схема которой приведена на рис. 3.5.
Установка состоит из источников лазерного излучения 1 с длинами волн 980, 635 и 530 нм – лазерных диодов, коллимированное излучение которых стабилизировано по мощности. Стабилизация по мощности осуществляется с помощью системы стабилизации, в которую входят приемник излучения проходного типа 3, блок управления оптическим аттенюатором 4, работающий по принципу компаратора, и сам аттенюатор 2.
Выходной сигнал приемника 3 поступает на блок управления 4. Сигнал с блока управления подается на оптический аттенюатор 2 с регулируемым коэффициентом пропускания. Изменения мощности излучения компенсируются соответствующими вариациями коэффициента пропускания аттенюатора. Благодаря этому удается обеспечить нестабильность мощности излучения, поступающего в зону измерений, на уровне 0,15%.
Эталонный приемник излучения 6 с входной апертурой 3 мм через строго определенные промежутки времени (как правило, через 5 минут) устанавливается на пути стабилизированного излучения на 10 с. За этот промежуток времени определяется мощность излучения, падающего на коллектор энергии ПИП. Уровни этой мощности составляют 10, 50 и 100 мВт.
На установке, представленной на рисунке 3.5, проводились также измерения зонной и координатной характеристик планарного ПИП с коллектором энергии 1414 мм. Для этого на выходе системы стабилизации мощности лазерного излучения устанавливалась собирающая линза 5 с фокусным расстоянием 200 мм. Она обеспечивала формирование в плоскости коллектора энергии ПИП лазерного пучка мощностью 100 мВт и диаметром 2 мм, что было необходимо для снятия координатной характеристики ПИП. Выходные сигналы приемника ПП-1, а также каждой термобатареи исследуемых ПИП поступали на цифровой вольтметр Щ68003 через коммутатор измерительных сигналов повышенной точности Ф 799/1. Коммутатор Ф 799/1 позволил формировать как суммарный сигнал всех термобатарей, так и разностные сигналы противоположных термобатарей.
Корпус ПИП устанавливался на столике с микрометрической подачей по двум координатам, что позволило определить координатные зависимости его коэффициента преобразования к излучению по всей приемной поверхности коллектора энергии. При этом обеспечивалась точность позиционирования ПИП 10 мкм.
Результаты измерений коэффициентов преобразования электрической и оптической мощности излучения на трех длинах волн, а также расчета по (1.3) коэффициента эквивалентности замещения Kэкв. планарного ПИП с коллектором энергии 1414 приведены в таблицах 3.1-3.3.
Измерения диаграммы направленности излучения ЛД в вертикальной и горизонтальной плоскости
Диаграммы направленности излучения ЛД 1 измерялись также при других значениях его мощности – 10, 20, 100, 150 и 200 мВт. По этим диаграммам направленности определялись углы расходимости излучения в вертикальной и горизонтальной плоскости, а также отношение длинной к короткой оси эллиптического поперечного сечения лазерного пучка k при разных мощностях излучения. Аналогичные измерения проводились и при диагностике излучения ЛД
Результаты расчетов углов расходимости излучения в вертикальной и горизонтальной плоскости, а также отношения длинной к короткой оси эллиптического поперечного сечения лазерного пучка k при разных мощностях излучения полосковых ЛД 1 и ЛД 2 приведены в таблице 4.1.
Из таблицы видно, что расходимость излучения в вертикальной плоскости при увеличении мощности излучения от 10 до 200 мВт как ЛД 1, так и ЛД 2 возрастает монотонно и незначительно (не более чем на 4,2%). Зависимости от мощности излучения расходимости излучения ЛД 1 и ЛД 2 в горизонтальной плоскости имеют другой характер. Сначала при увеличении мощности излучения ЛД от 10 до 100 мВт их углы расходимости монотонно возрастают на 15 – 17%, а затем начинают стремительно увеличиваться ( более чем на 50 % для ЛД 1 и более чем на 80% по отношению к углу расходимости при мощности излучения 10 мВт). Это приводит к стремительному уменьшению коэффициента k. При практически неизменном размере длинной оси эллиптического поперечного сечения пучка излучения это означает, что резко увеличивается длина его малой оси. Если принять во внимание, что в горизонтальной плоскости волновод полоскового лазера слабый, то наблюдаемая трансформация поперечного сечения пучка излучения может свидетельствовать о нарушении режима генерации на одной моде.
Зависимости от мощности излучения угла расходимости излучения ЛД в вертикальной и горизонтальной плоскости и коэффициента k, равного отношению длинной и короткой оси эллиптического поперечного сечения лазерного пучка. Параметры ЛД 1 характеризуются символом 1-em, параметры ЛД 2 - символом 4-em.
Как отмечалось в главе 1, самую полную информацию о модовом составе излучения можно получить путем измерений коэффициента распространения лазерного пучка М2, используя для этого метод определения момента второго порядка, описанный в первой и второй части
Однако этот метод можно использовать только в пределах параксиальной аппроксимации, что исключает возможность использования метода и разработанных на его базе средств измерений параметра М2 для определения пространственно-энергетических параметров сильно расходящегося излучения.
Именно поэтому для определения параметра М2 сильно расходящегося излучения лазерных диодов с длиной волны излучения Я0 принято использовать методику, основанную на измерениях распределения плотности мощности излучения в вертикальной Fx(x) и горизонтальной Fy(y) плоскости на выходном зеркале лазера, а также функций, описывающих диаграмму направленности излучения Я6,0)и f(Q,—) в тех же плоскостях [4]. При этом параметр М2 рассчитывается по формуле:
На начальном этапе выполнения настоящей работы эта методика расчета параметра М2 использовалась для определения модового состава излучения десяти ЛД.
Распределение интенсивности излучения на выходном зеркале лазера, т.е. в ближней зоне, регистрировалось с помощью специальной оптической установки, практически с теми же параметрами, что и в [4]. Основным элементом этой установки был микрообъектив с числовой апертурой 0,65 и фокусным расстоянием 6,3 мм. Микрообъектив проецировал пятно излучения на выходном зеркале ЛД на ПЗС-матрицу. Размер матрицы равнялся 256х256 пикселей. Сигнал с матрицы обрабатывался с помощью стандартной системы и анализировался путем использования персонального компьютера. Установка обеспечивала 260-кратное увеличение пятна излучения, при этом линейному размеру 1 мкм в плоскости выходного зеркала лазера соответствовало 20 пикселей ПЗС-матрицы. Многочисленные измерения, выполненные как в настоящей работе, так и другими авторами [4], показывают, что распределения интенсивности излучения ЛД на их выходном зеркале с высокой точностью одинаковы для всех экземпляров лазеров, изготовленных в едином технологическом цикле.
Измерение полной мощности осуществляется с помощью интегрирующей сферы 5, а части мощности излучения, распространяющегося в телесном угле - с помощью планарного ПИП 8а с установленной перед его коллектором энергии круглой диафрагмой диаметром 3,5 мм. После измерения полной мощности излучения интегрирующая сфера выводится из области распространения излучения ЛД и сразу же (через 1 с) фиксируется выходной сигнал приемника-свидетеля 4, который используется в дальнейшем в качестве опорного сигнала для исключения зависимости результатов измерений модового состава излучения от нестабильности мощности излучения. зависимости параметра от мощности излучения может служить то, что при мощности излучения близкой к 200 мВт возникает генерация на первой моде. При этом появляются боковые лепестки в диаграмме направленности излучения. Угловое положение лепестков относительно оси диаграммы направленности таково, что вклад излучения на первой моде в общий поток излучения, прошедшего через диафрагму 3,5 мм, крайне не значителен из-за того, что большая его часть падает на непрозрачную часть диафрагмы. Из этого следует, что значение параметра P может служить
