Средства измерений оптических, энергетических и спектральных параметров полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Определения, обозначения и сокращения

VCSEL - лазер с вертикальным резонатором;

ГПЭ - государственный первичный эталон;

ИК - инфракрасный;

УФ - ультрафиолетовый;

ОЭИП - оптико-электрический измерительный преобразователь;

СИ - средство измерений;

ИФП - интерферометр Фабри-Перо;

ПИП - первичный измерительный преобразователь;

ЭОП - электронно-оптический преобразователь;

ЭИП - электрический измерительный преобразователь;

ИС - интегрирующая сфера.



Введение

Интенсивное развитие лазерных технологий привело к качественному прорыву в области полупроводниковых лазеров. Работы по физике двойных гетероструктур послужили мощным толчком для создания полупроводниковых лазеров на наногетероструктурах, а именно: на квантовых ямах и квантовых точках. С другой стороны эти достижения были бы невозможны без развития нанотехнологий образования таких структур.

В настоящее время в России метрологическое обеспечение измерений параметров полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур развито недостаточно. Отечественным производителям таких типов лазеров для измерений их параметров часто приходится использовать средства измерений зарубежных фирм. Поэтому проблема обеспечения единства измерений полупроводниковых лазеров и создание единой измерительной системы параметров лазерного излучения остается весьма актуальной. Также нужно отметить, что рынок полупроводниковых лазеров очень велик и составляет порядка 90% от всего рынка лазеров.

Целью работы является исследование методов и средств измерений оптических, энергетических и спектральных параметров полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур в интересах повышения их энергоэффективности.

Также можно отметить, несколько особенностей полупроводниковых лазеров, которые отличают их от других типов лазеров на основе наногетероструктур:

Компактность. Это дает возможность легко приспосабливать полупроводниковые лазеры в различных более сложных конструкциях.

Высокая эффективность (КПД), достигающая 50 %. Что позволяет создавать лазеры с малым потреблением электрической энергии в сравнении с другими типами лазеров.

Небольшие световые потери в активной области. Что позволяет функционировать при комнатных и более высоких температурах.

Но при всех достоинствах полупроводниковых лазеров у них имеется один существенный недостаток - большая расходимость светового пучка лазерного диода, которая заметна даже на небольших расстояниях. В связи с этим необходимо разрабатывать метрологическое обеспечение полупроводниковых лазеров для контроля параметров расходимости.

В рамках данной выпускной квалификационной работы была создана единая измерительная система, которая объединила в себе 3 различных средства измерений оптических, энергетических и спектральных параметров полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур и позволила измерять все необходимые характеристики одновременно.

Экспериментальные исследования производились на установке созданной во ФГУП «ВНИИОФИ» в научно-исследовательском отделении лазерной метрологии и радиометрии (Ф-2).



1. Обзор существующих методов измерений оптических, энергетических и спектральных параметров полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур

1.1 Обзор конструктивных особенностей и характеристик лазеров на основе наногетероструктур

Простейшей квантовой структурой, в которой перемещение электрона ограничено в одном направлении является тонкая пленка или довольно тонкий слой полупроводника. Для электронов, перемещающихся по узкозонному полупроводнику и обладающих энергией меньше E2c , граница будет являться потенциальным барьером. Два гетероперехода ограничивают перемещение электрона с двух сторон и как бы создают потенциальную яму рис. 1.

Рис. 1 - Энергетические зоны на между двумя полупроводниками

Таким способом образуются квантовые ямы, при помещении тонкого слоя полупроводника с узкой запрещенной зоной между двумя слоями материала с более широкой запрещенной зоной. В итоге электрон становится запертым в одном направлении это приводит к квантованию энергии поперечного движения.

Для создания аналогичных структур существует несколько совершенных технологических процессов, при этом самые лучшие результаты в изготовлении квантовых структур получены с использованием метода молекулярно-лучевой эпитаксии.

Энергетическая схема приготовленной квантовой ямы представлена на рис. 2. Ее глубина составляет несколько десятых долей электрон-вольта.

Рис. 2 - Квантовая яма, образованная в слое полупроводника с узкой запрещенной зоной, расположенном между двумя полупроводниками, с более широкой запрещенной зоной

В отличии от квантовых ям в квантовой точке перемещение электрона ограничено во всех трех направлениях, а энергетический спектр полностью дискретный, как в атоме. На рис. 3. приведены квантовые точки, образованные на границе раздела арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия. Во время роста в полупроводник AlGaAs добавляют дополнительные примесные атомы. Электроны от них уходят в полупроводник GaAs, обладающий меньшей энергией. Но из-за притяжения покинутым ими атомам примеси, которые получили положительный заряд они не могут перемещаться слишком далеко. Поэтому в основном все электроны располагаются у гетерограницы со стороны GaAs и образуют двумерный газ. Формирование квантовых точек происходит сразу после нанесения на поверхность AlGaAs ряда масок, которые имеет форму круга. Далее производится травление, с помощью которого полностью удаляется слой AlGaAs и частично слой GaAs. В итоге электроны получаются запертыми в образовавшихся цилиндрах, диаметр которых составляет порядка 500 нм.



Рис. 3 - Квантовые точки, образованные в двумерном электронном газе между двух полупроводников

Полупроводниковые лазеры можно разделить на лазеры на наноразмерных структурах, т.е., лазеры на полупроводниковых гетероструктурах, лазеры на полупроводниковых квантовых ямах, лазеры на квантовых точках, а также на лазерные диоды - мощные полупроводниковые лазерные диоды и их структуры.

Работа полупроводниковых лазерных устройств основана на том, что оптическое усиление в вырожденных полупроводниках можно получить в результате индуцированного излучения на переходах в GaAs при прямом смещении. Непрерывная работа лазера поддерживается за счет постоянной инжекцией носителей в переход при прямом смещении. В лазерах, основанных на р-п переходе из одного материала (GaAs), есть ряд недостатков, часть из них связана с недостаточной определенностью активной области излучения света, размеры которой составляют несколько микрометров. Также, нужно учитывать, что в таких системах достаточно большой пороговый ток, т. е. минимальный ток, необходимый для работы лазера.

Лазеры на двойных гетероструктурах, в которых обеспечивается и пространственная локализация носителей заряда и световых волн, намного опережают лазеры на гомопереходах по эффективности, а также имеют на порядок более низкое значение плотности порогового тока (~103 Асм-2). На рис. 4. для сравнения приведен общий вид структуры полупроводникового лазера на гомопереходах и двойных гетероструктурах.

Для увеличения эффективности лазеров на двойных гетероструктурах, во многих случаях используют конфигурацию с полосковой геометрией (см. рис. 5), в которой размеры активной области в поперечном или горизонтальном измерении (а значит, и величина порогового тока) намного меньше. Из-за особенностей формы активной зоны такие полосковые лазеры можно легко присоединять к различным устройствам, вроде волокон, волноводов и т. п.

Рис. 4 - Сравнение структуры и характеристик полупроводниковых лазеров на гомопереходах (а) и двойных гетероструктурах (б). Сверху вниз представлены: изображения полупроводниковых структур, формирующих лазер; энергетические диаграммы с указанием потенциальных ям для электронов и дырок; изменения показателей преломления в структурах; пространственная локализация оптических волн ограничения в активной зоне



Рис. 5 - Полосковый полупроводниковый лазер на двойной гетероструктуре

Для дальнейшего улучшения характеристик лазеров, в частности для получения узкого спектра излучения, в конце 70-х годов начался переход к созданию лазеров на квантовых ямах. Улучшения характеристик этих лазеров добились за счет особенностей функции плотности состояний в двумерных системах и параметров квантовых ям. Недостаток лазеров на двойных гетероструктурах заключается в том, что в них удержание носителей заряда вместе с волноводным распространением света происходят в одной и той же зоне полупроводника. На рис. 6. приведена часто применяемая структура, которая позволяет пространственно разделить эти области. Довольно часто, с целью усиления лазерного сигнала, вместо одной квантовой ямы применяются структуры, которые содержат множественные квантовые ямы (см. рис. 7).



Рис. 6 - Структуры с пространственно разделенными областями локализации с квантовыми ямами внутри оптических резонаторов: a -профиль зоны проводимости и коэффициента преломления; б - структура GRINSCH; в - гетероструктура с пространственно разделенными областями локализации с множественными квантовыми ямами

Рис. 7 - Зависимость коэффициентов усиления для двумерных систем (2D) на квантовых ямах и объемных (3D) полупроводников: а-- функция плотности состоянии; б -- коэффициенты вероятности заполнения состояний; в - коэффициенты усиления

В сравнении с лазерами на двойных гетеропереходах, лазеры на множественных квантовых ямах имеют высокую эффективностью и более низкие внутренние потери. Граница модуляции таких лазеров из-за инжекции токов может доходить до 30 ГГц.

Главная особенность поверхностных лазеров с вертикальным резонатором (VCSEL) состоит в том, что они испускают свет в направлении, перпендикулярном к гетеропереходу. Эта геометрия сразу дает несколько явных преимуществ для применения таких структур в практических устройствах, потому что она дает возможность легко проверять качество элементов на пластинах до компоновки, производить большие массивы светоизлучающих структур (до миллиона на одном чипе), соединять устройства с волоконными выводами и обеспечивать оптическую связь между чипами.

На рис. 8 изображена схема строения поверхностного лазера с вертикальным резонатором (VCSEL), состоящего из вертикального резонатора (размещенного вдоль направления протекания тока, а не перпендикулярно), в нем поверхность активной зоны имеет довольно небольшие размеры из-за этого свет излучается с торца резонатора, а не с его боковой поверхности. Сверху и снизу его активная часть закрыта диэлектрическими зеркалами, которые являются довольно эффективными отражателями. Они сделаны из чередующихся слоев с большим и маленьким значением коэффициента преломления (к примеру, слоев GaAs и AlGaAs) и имеют толщину в четверть длины волны. Эти зеркала состоят из распределенных брэгговских отражателей, которые имеют довольно большую селективную отражательную способность для волн с длиной л. При этом коэффициент отражения брэговских зеркал может достигать почти до 99% при применении достаточно значительного числа слоев (около 30).

Лазеры VCSEL часто называют микролазерами так как они имеют маленький размер резонатора.



Рис. 8 - Схема строения поверхностного лазера с вертикальным резонатором (VCSEL)

Лазеры с вертикальным резонатором сейчас имеют предельные характеристики не только полупроводниковых излучателей, но и всей лазерной техники. Они характеризуются низкими значениями порогового тока, высокой частотой токовой модуляции (десятки гигагерц) и сверхминиатюрностью. Лазеры с вертикальным резонатором отличаются устойчивой генерацией в одномодовом режиме и высоким значением внешней дифференциальной квантовой эффективности (60%), что обеспечивается высоким значением внутренней квантовой эффективности и имеют оптимальное соотношение коэффициентов отражения зеркал, близкое к единице.

Массивах VCSEL, как показано на рис. 9, может содержаться более миллиона инжекционных микролазеров всего на одном микрочипе, что дает возможность создавать мощные источники оптического излучения, которые можно использовать в вычислительной технике и устройствах связи.



Рис. 9 - Массив инжекционных микролазеров VCSEL

Одна из наиболее распространённых технологий получения микролазеров с вертикальным резонатором - это молекулярно-лучевая эпитаксия, которая заключается в последовательном осаждении на полупроводниковую подложку слоев материала атомной толщины в условиях сверхвысокого вакуума (давление остаточных газов менее 10~8 Па).

К наиболее перспективным применениям полупроводниковых квантовых точек можно отнести создание лазерных диодов. Было установлено, что увеличение степени локализации носителей заряда сильно повышает характеристики лазерных диодов по отношению к их аналогам в объемных материалах. Лазеры на квантовых точках имеют высокий коэффициент усиления при малых значениях порогового тока, высокую стабильность работы и довольно узкие низкие линии излучения, по сравнению с лазерами на двойных гетероструктурах или квантовых ямах. Но технология выращивания квантовых структур постоянно улучшается и эта область исследований все еще оставаться одной из наиболее интересных и перспективных.

На рис. 10 приведены значения плотности порогового тока для разных лазерных структур за последние десятилетия [1], из рисунка видно, что на лазерах с квантовыми точками уже получены самые низкие показатели порогового тока. В идеальном лазере на квантовых точках линия излучения должна быть достаточно острой и не зависеть от температуры, другими словами квантовые точки обеспечивают прекрасную температурную стабильность и не требуют охлаждения.

Рис. 10 - Плотность порогового тока для лазерных структур с различной локализацией, достигнутая за последние десятилетия

На рис. 11 схематически приведено устройство лазера с краевой эмиссией на самоорганизующихся квантовых точках. Этот лазер состоит из нескольких слоев материалов, составляющих pin-диод.

Рис. 11 - Схема устройства лазера с краевым излучением на самоорганизованных квантовых точках. На вставке показан зародышевый слой с пирамидальными квантовыми точками

Главной особенностью лазеров на основе полупроводниковых структур, позволившей им работать при комнатной температуре является маленький объем активной среды. Благодаря чему выходная мощность одиночного диода невелика. В настоящее время она не превышает 10 Вт. Для повышения выходной мощности необходимо задействовать одновременно большое количество лазерных диодов, которые формируются в одномерные (линейки) или двумерные (матрицы) структуры. Это направление по созданию мощных полупроводниковых лазерных систем начало развиваться относительно недавно, несмотря на это в последнее время оно бурно развивается.

В оптической связи требуется источник лазерного излучения с длиной волны, которой соответствуют минимальные оптические потери в среде распространения, здесь основное внимание уделяется лазерным диодам (лазеры на квантовых точках), излучающим в диапазоне длин волн 1530-1565 нм.

В оптических процессорах используются VCSEL лазеры, полупроводниковые структуры с квантовыми ямами (256*256).

Накачка твердотельных лазеров - полупроводниковые инжекционные лазеры на основе AlGaAs-диодов, у них эффективность накачки более 80%, имеют спектральную ширину порядка 1 нм и мощность от 1-10 Вт.

В настоящее время полупроводниковые лазеры широко представлены на рынке промышленных товаров в России. Их выпускают как российские, так и многие зарубежные фирмы. Среди российских производителей полупроводниковых лазеров следует отметить 4-и фирмы, выпускающие продукцию на основе собственных инновационных разработок. Это научно-исследовательский институт "Полюс", ГУНПП «Инжект» (Саратов), IBSG Company Ltd., ЗАО "ФТИ-Оптроник”. Последние две фирмы созданы на базе Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе в Санкт-Петербурге.

Анализ каталогов отечественных и зарубежных фирм показывает, что в настоящее время широкое коммерческое распространение получили полупроводниковые лазеры на квантовых ямах. Именно с помощью этой технологии получены мощные лазеры, работающие как в непрерывном, так и импульсном режимах. Лазеры на квантовых точках пока еще не освоены промышленностью.

Длины волн или частоты излучения являются основными параметрами лазеров. Их измерению и метрологии этих измерений всегда уделялось большое внимание. Уже в 1974 году во ВНИИМ им. Менделеева был разработан Государственный специальный эталон единицы длины для спектроскопии в диапазоне 0,186 - 30 мкм, который мог быть использован для определения длин волн одночастотных непрерывных лазеров. В основе эталона использован спектроинтерферометр на основе сканирующего эталона Фабри-Перо. С помощью разработанного эталона были аттестованы He-Ne лазеры, стабилизированные по провалу Лэмба, генерирующие на линии л = 0,633 мкм. Погрешность эталона была оценена в 2·10-8.

В 80-е годы в НПО «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева» и НПО «ВНИИФТРИ» был создан единый эталон единиц времени, частоты и длины, включающий в себя Государственный первичный эталон (ГПЭ) единиц времени и частоты, ГПЭ единиц длины и аппаратуру согласования воспроизводимых единиц. В НПО «Метрология» [2] был создан комплекс для измерения частот лазеров, состоящий из пяти лазеров, перекрывающих спектральный диапазон от ближнего инфракрасного до субмиллиметрового излучения, шести высокостабильных фотосинхронизированных СВЧ гетеродинов и аппаратуры для измерения и стабилизации частоты. Созданный комплекс позволяет проводить измерения частотных характеристик лазеров в диапазоне от 0,9 до 88 ТГц с точностью ~10-9. В этом объединении создан также ряд образцовых измерителей нестабильности частоты излучения лазеров на отдельных частотах. Данные устройства позволяют измерять относительную нестабильность частоты излучения в диапазоне 10-7 - 10-11 при интервалах времени от 10-4 до 10 с.

Для измерения частот оптического диапазона необходимо было осуществлять умножение известной частоты стандарта радиодиапазона в 10 4 - 10 5 раз или деление измеряемой частоты лазера в такое же число раз [3]. Длительное время абсолютные измерения частот лазеров проводились поэтапно. Сначала определялись частоты лазеров дальнего инфракрасного диапазона сравнением умноженного сигнала от микроволнового стандарта с частотой лазера. Затем известная частота лазера снова умножалась и сравнивалась с частотой нового лазера. Схема синтеза частоты на каждом этапе измерения выражается общей формулой:

,

где - синтезируемая частота, - известная частота, - измеряемая промежуточная частота. При известном коэффициенте умножения частоты получаем абсолютное значение . Создание оптических часов сделало возможным измерение абсолютных частот лазеров с предельной точностью.

Установки, осуществляющие такие измерения частот лазеров инфракрасного и видимого диапазонов [4] являются слишком сложными для широкого применения. Процесс измерения оптических частот может быть значительно упрощен, если использовать для этой цели высокостабильный лазер с точно измеренной частотой, которая посредством нелинейных средств преобразуется в область спектра, где проводятся частотные измерения.

Во ФГУП "ВНИИОФИ" также был разработан государственный первичный эталон единицы средней мощности лазерного излучения ГЭТ 28, который в 2013 г. прошел модернизацию после чего в его состав были введены полупроводниковые лазеры на наногетероструктурах при длинах волн 0,912; 1,053 мкм. ГЭТ 28 обеспечивает воспроизведение единицы средней мощности лазерного излучения в диапазоне от 5x10-3 до 2,0 Вт на длинах волн 0,532; 0,912; 1,053; 1,064 и 10,6 мкм. Спектральный диапазон воспроизведения единиц в нем составляет от 0,3 до 12 мкм. Угол расходимости лазерного излучения составляет от 0,9 мрад до 1,22 радиана.

В 2010 году во ФГУП "ВНИИОФИ" был разработан государственный первичный эталон (ГПЭ) единиц энергии, распределения плотности энергии, длительности импульса и длины волны лазерного излучения ГЭТ 187-2010. ГПЭ позволяет воспроизводить, хранить и передавать размеры единиц соответствующим рабочим эталонам. В его состав входят комплексы СИ для воспроизведения и передачи размеров единиц энергии, распределения плотности энергии, длительности импульса и длины волны лазерного излучения. Помимо этого комплексы СИ, входящие в состав ГПЭ имеют широкие функциональные возможности, в частности, имеют возможность проведения калибровки по оптической и электрической энергии в любой точке внутри динамического диапазона и наращивания спектрального диапазона за счет агрегатирования конструкции собственно эталона и лазерных модулей.

За последние годы системы оптической метрологии и высокочастотной спектроскопии превратились из технически сложных многоступенчатых комплексов в компактные настольные устройства, обеспечивающие беспрецедентно высокие точности оптических измерений [5 - 7].

Достижения в области оптической метрологии отмечены Нобелевской премией по физике за 2005 год.

Ключевая идея, лежащая в основе прорыва в области оптической метрологии, заключается в использовании частотных гребенок, формируемых фемтосекундными лазерами, работающими в режиме синхронизации мод, для измерения частотных интервалов. Фемтосекундные лазерные источники с синхронизированными модами обеспечивают генерацию последовательностей световых импульсов, разделенных временным интервалом Т, равным времени обхода импульсом лазерного генератора.



1.2 Параметры лазерного излучения

Основные параметры лазерного излучения [8-14] можно разделить на следующие группы (см. Табл. 1):

- Спектральные параметры лазерного излучения;

- Пространственно-энергетические параметры лазерного излучения;

- Энергетические параметры лазерного излучения.

Таблица 1 - Основные параметры лазерного излучения

№	Обозначение	Единица измерения	Название параметра
	1. Спектральные параметры и характеристики лазерного излучения
1	l	м	Длина волны
2	DlH	м	Ширина спектральной полосы
3	DlL	м	Ширина спектральной линии
	2. Пространственно-энергетические параметры и характеристики лазерного излучения
4	фH	с	Длительность импульса
5	dуx, dуy	м	Ширины пучка
6	иуx, иуy	Град.	Углы расходимости пучка
	3. Энергетические параметры и характеристики лазерного излучения
7	P	Вт	Средня мощность
8	Q	Дж	Энергия импульса

Одной из основных характеристик полупроводниковых лазеров является их энергоэффективность. Энергоэффективность определяется выходными параметрами полупроводниковых лазеров, такими как расходимость, выходная мощность (энергия), спектральный диапазон излучения, которые в свою очередь связаны с геометрическими параметрами наногетероструктур. Поэтому исследование методов и средств измерений параметров лазерного излучения: мощности, расходимости и спектральных характеристик позволит минимизировать оптические потери и тем самым повысить энергоэффективность полупроводниковых лазеров.

1.3 Методы и средства измерений характеристик лазерного излучения

При соотношении ‹ лазерное излучение может обладать хорошей, высокой или сверхвысокой степенью монохроматичности. Это означает, что чем выше степень монохроматичности, тем спектрально «чище» излучение, т.е. тем уже его спектральная ширина полосы. В таблице 2 [14] приведены четыре градации степени монохроматичности пучка в зависимости от диапазона отношений

Таблица 2 - Градации степени монохроматичности лазерного пучка

Диапазон значений	‹	‹‹	‹‹	‹
Степень монохроматичности	Сверхвысокая	Высокая	Хорошая	Низкая

Если лазерное излучение имеет низкую степень монохроматичности, то измерения можно выполнить дифракционным монохроматором средней величины с фокусным расстоянием порядка 30 см. Для любых типов лазеров и лазерных устройств пригоден одиночный прибор, но некоторые компоненты и вспомогательные устройства следует подбирать с учетом области спектра, в которой расположено измеряемое лазерное излучение. Обычно имеет место разбиение на две области спектра:

- «оптическую», охватывающую ближний инфракрасный (ИК), видимый и ультрафиолетовый (УФ) поддиапазоны (длины волн 0,2 ‹ ‹1,5 мкм);

- «инфракрасную» (длины волн 1,5 ‹ ‹15 мкм).

Основным элементом спектрометра служит монохроматор с вмонтированной в него дифракционной решеткой. Во всех случаях должна быть использована регулируемая по ширине входная щель. Расположенный за входной щелью прибора оптико-электрический измерительный преобразователь (ОЭИП) должен иметь спектральную характеристику преобразования, соответствующую области спектра. Для «оптической» области спектра предпочтителен многоканальный ОЭИП на основе ПЗС - линейки или матрицы. Эффективная спектральная ширина полосы спектрометра на полувысоте от максимума должна составлять:

- менее 0,2 нм в «оптической» области;

- менее 2 нм в «инфракрасной» области.

Качество спектральных измерений зависит от правильности выбора монохроматора. В свою очередь, выбор типа прибора диктуется задаваемыми точностью определения длины волны лазерного излучения и разрешающей способностью монохроматора, гарантирующей измерение спектральной ширины полосы. Погрешность определения длины волны имеет составляющие, порождаемые неточностями отсчетов по шкале длин волн и позиционирования решетки. Первая из этих составляющих минимизируется при калибровке монохроматора, а вторая обычно оценивается значением и зависит от практической разрешающей способности прибора. Для калибровки монохроматоров стандартом рекомендовано несколько эталонных излучателей.

После выбора и калибровки монохроматора можно приступать непосредственно к измерениям спектра лазерного излучения. Каждый из используемых при измерении оптических компонентов (линзы, зеркала, оптические волокна) должен быть либо неселективен в данном спектральном диапазоне, либо его спектральная характеристика должна быть достаточно точно сертифицирована. Соответственно, их возможная реакция на состояние поляризации пучка либо не должна зависеть от длины волны в диапазоне измерений, либо необходимо знать характеризующие эти элементы матрицы Мюллера. Более того, поскольку такие приборы, как дифракционные монохроматоры и многие типы ОЭИП поляризационно-чувствительны, весь оптический тракт измерительной установки следует подвергнуть калибровке перед каждым измерением, чтобы определить поляризационную зависимость спектральной чувствительности. Однако для узкополосных лазерных пучков этой зависимостью часто можно пренебречь, считая поляризационно-плоской характеристику преобразования монохроматора в весьма ограниченной полосе частот.

Методика выполнения измерений состоит в следующем. Измеряемый пучок лазерного излучения или часть его, ответвленная оптическим делителем, направляется оптической системой на входную щель монохроматора. Относительное отверстие объектива и светосила прибора должны быть выбраны с расчетом предельно достижимой облучаемой площади дифракционной решетки. Для этого обычно требуется фокусировка пучка.

Затем производится юстировка прибора и с помощью «узкополосного» лазера (например, гелий-неонового с длиной волны 632,8 нм) контролируется эффективная ширина полосы монохроматора.

В случае использования одноканального ОЭИП за щелью монохроматора спектр прошедшего сквозь него измеряемого пучка сканируется вращением основания, на котором закреплена дифракционная решетка. При этом через равные интервалы времени регистрируются значения выходных сигналов ОЭИП, а соответствующие интервалы («шаги») по шкале длин волн монохроматора не должны превышать . В случае применения ОЭИП на основе ПЗС - линейки или матрицы одновременно регистрируются значения выходных сигналов всех ее элементов.

Описанная методика выполнения измерений дифракционным монохроматором позволяет зарегистрировать спектральную плотность распределения мощности или энергии лазерного излучения. Далее проводится обработка полученных результатов в следующем порядке:

- в полученном распределении фиксируется точка, где , а затем по обе стороны от нее находятся точки, где спектральная плотность равна половине ее максимального значения, после чего определяется - ширина линии по полувысоте;

- вычисляются моменты первого и второго порядков измеренной функции распределения спектральной плотности;

- сравнивается полученное значение с шириной полосы пропускания спектрометра; если › , то на этом измерения можно прекратить; если ‹ ‹ , то вычисляется скорректированное значение спектральной ширины полосы измеряемого излучения или же эта величина получается путем выполнения операции деконволюции, т.е. обращения свертки; если же ‹ , то необходимо использовать СИ с более высокой разрешающей способностью, чем у дифракционного монохроматора.

Описанный выше дифракционный монохроматор может также использоваться для предварительных измерений спектральных характеристик исследуемого лазерного излучения с целью выбора конкретного спектрального интервала для проведения более точных измерений.

При хорошей, высокой и сверхвысокой степени монохроматичности лазерного излучения выбор надлежащего СИ рекомендуется проводить в соответствии с таблицей 3.



Таблица 3 - Рекомендации по выбору СИ

Степень моно-хроматичности	Хорошая	Высокая	Сверхвысокая
Измеряется л	Дифракционный спектрометр высокого разрешения для непрерывных и импульсных лазеров	Интерферометры Майкельсона, Маха-Цандера или Физо и калиброванный источник для непрерывных и импульсных лазеров (› 10)	Гетеродинная методика
Измеряется Дл	Дифракционный спектро-метр высокого разрешения для непрерывных и импульсных лазеров или сканирующий или твердотельный интрферометр Фабри-Перо для непрерывных и импульсных лазеров (› )	Сканирующий интерферометр Фабри-Перо для непрерывных и импульсных лазеров (› )	Гомодинная или гетеродинная методика

Здесь FSR - область дисперсии интерферометра Фабри-Перо в волновых числах; с - скорость света; L - разность оптических путей в двухлучевом интерферометре; - длительность лазерного импульса.

Как следует из таблиц 2 и 3 сверхвысокая степень монохроматичности подразумевает сверхточные измерения с использованием сложной и дорогостоящей аппаратуры.

В большинстве случаев задача измерений л и Дл успешно решается спектрометром высокого разрешения. Дифракционный спектрометр высокого разрешения имеет практическую разрешающую способность в пределах от 105 до 106. Несмотря на конструктивные отличия, принцип работы такого дифракционного спектрометра аналогичен описанному выше.

Конкуренцию дифракционному спектрометру высокого разрешения составляют интерферометры, которые обеспечивают еще большую точность измерений. В первую очередь к ним относятся сканирующий и твердотельный интерферометры Фабри-Перо (ИФП). Обе разновидности ИФП (вторая часто именуется эталоном Фабри-Перо) пригодны для измерения формы распределения спектральной плотности излучения непрерывных и импульсных лазеров с хорошей степенью монохроматичности, а сканирующий ИФП - и с высокой степенью монохроматичности. Рассмотрим ряд рекомендаций по выбору ИФП.

Основной характеристикой ИФП служит область дисперсии, выражаемая в волновых числах (см-1) и равная 1/2nD, где n - показатель преломления оптической среды, а D - расстояние в сантиметрах между зеркалами с высоким коэффициентом отражения. Пересчет из пространства волновых чисел у в пространство длин волн л (у = 1/л ) осуществляется по формулам

или .

В частности, для большинства практически важных случаев справедливо соотношение .

Вторым важным параметром ИФП является его острота настройки F, связанная с коэффициентом отражения зеркал R соотношением

.

Ширина резонансной кривой , а разрешающая способность ИФП равна:



.

Как область дисперсии, так и острота настройки ИФП должны обеспечить анализ профиля распределения спектральной плотности, т.е.

› 3Ду и Ду › .

Очевидно, что этим условиям могут удовлетворять только интерферометры с весьма высокой остротой настройки. Именно это обстоятельство является ограничением возможностей использования ИФП при спектральных измерениях излучения импульсных лазеров. Отсюда возникает условие

› .

Сканирование резонансов в ИФП может осуществляться либо пропусканием сухого воздуха или нейтрального газа в оптическом резонаторе интерферометра (сканирование показателя преломления n), либо смещением зеркал, т.е. изменением расстояния D с помощью, например, пьезоэлектрического актуатора.

Приведенные сведения позволяют сделать три вывода:

- при сверхкоротких длительностях измеряемого лазерного излучения можно пользоваться лишь спектрометром;

- использование сканирующего ИФП предпочтительно в режиме непрерывного излучения; коллимированный пучок пропускается сквозь ИФП, сканирование которого осуществляется одним из описанных выше способов; прошедшее сквозь ИФП излучение воспринимается ОЭИП; для регистрации усредненного спектрального профиля диапазон сканирования должен перекрывать не менее 10(FSR);

- использование твердотельного ИФП предпочтительно в режиме импульсного излучения; перед пропусканием пучка сквозь ИФП его необходимо оптической системой преобразовать из коллимированного в расходящийся, при этом на установленном за эталоном экране будет наблюдаться интерференционная картина из колец; измерения этого распределения осуществляются с помощью ПЗС-камеры, в поле зрения которой должна попадать центральная часть интерференционной картины; выбор параметров измерительной установки в целом должен обеспечить согласование размеров одного элемента ОЭИП с ожидаемой разрешающей способностью ИФП

Интерферометр Майкельсона эффективен при измерениях как , так и профиля спектрального распределения главным образом непрерывных лазеров. Хотя разрешающая способность этого интерферометра обратно пропорциональна перемещению подвижного зеркала, она может быть увеличена переходом на измерение дробной доли интерференционной полосы.

При измерениях длины волны лазерного излучения в интерферометр необходимо ввести как коллимированный пучок измеряемого лазера, так и пучок излучения «опорного» (референтного) лазера с известной л. Благодаря этому в двух плечах прибора распространяются два волновых фронта, формирующие на выходе интерференционную картину. Тогда длина волны измеряемого излучения определяется методом счета интерференционных полос в процессе перемещения подвижного зеркала:

,



где - длина волны референтного лазера, - число полос излучения с , - число полос излучения с . Точность измерений увеличивается по мере возрастания числа полос, т.е. при движении зеркала.

Для измерения профиля спектрального распределения интерферометром Майкельсона необходимо зарегистрировать всю интерферограмму, т.е. зависимость распределения интенсивности прошедшего в зону интерференции излучения от смещения подвижного зеркала, после чего компьютером выполнить ее Фурье-преобразование.

Методика измерений интерферометром Маха-Цандера аналогична только что описанной применительно к интерферометру Майкельсона.

Необходимо отметить, что при использовании интерферометров особое внимание следует обращать на минимизацию механических и тепловых воздействий окружающей среды.

В настоящее время в нашей стране разработчики и изготовители лазеров не регламентируют характеристики пространственного распределения энергии в поперечном сечении пучка лазерного излучения. Вместе с тем, в пучках излучения лазеров имеются значительные неоднородности, выбросы и глубокие провалы, резко отличающиеся от среднего уровня излучения и изменяющиеся как в течение одного импульса, так и от импульса к импульсу [15]. Для ряда практических применений лазеров измерение и постоянный контроль распределения энергии излучения является задачей первостепенной важности.

Существующая классификация [16] измерений распределения энергии и мощности лазерного излучения в пространстве и времени базируется на способах съема и обработки информации, количестве каналов аппаратуры и элементов первичных измерительных преобразователей (ПИП).

В связи с большой широтой охвата классифицируемых объектов, указанная классификация не отражает особенностей измерителей интегрального распределения энергии в поперечном сечении пучков импульсного лазерного излучения (в дальнейшем - измерителей распределения).

Предполагаемая классификация в большей мере отражает специфику методов и средств измерений распределения и основана на характеристиках ПИП, независимо от количества каналов аппаратуры и методов съема информации.

Методы и средства измерений распределения разбиты на две основные группы. Первая группа базируется на матричных ПИП, т.е. на ПИП с заранее конструктивно заданными геометрией приемной поверхности, числом элементов, их площадью и расстоянием между ними. К ПИП первой группы относятся: фотоэлектрические [17-19]; термоэлектрические [17, 20]; пироэлектрические; акустооптические; болометрические решетки [21].

Исследуемое лазерное излучение поступает на ПИП, претерпевает геометрическую селекцию поперечного сечения в соответствии с конструкцией ПИП, а затем количество энергии, поступившей на каждый участок (элемент) матричного ПИП, преобразуется в электрический сигнал, измеряемый соответствующей аппаратурой. Преобразование энергии излучения в электрический сигнал происходит с помощью промежуточных преобразований, характерных для того или иного ПИП. Несмотря на ряд серьезных проработок в области создания измерителей распределения на болометрических решетках, аппаратура на этом принципе пока не выпускается. Акустооптические ПИП также не используются в аппаратуре вследствие ряда технических трудностей, обусловленных сложностью выполнения, влиянием на результаты неоднородностей материалов, температуры окружающей среды и т.п. Наиболее перспективными из ПИП первой группы являются фото-, термо-, пироэлектрические и ПЗС-матрицы.

Вторая группа методов и средств измерений распределения основана на ПИП, представляющих различные непрерывные мишени, преобразующие распределение энергии в распределение других величин с последующим измерением преобразованного распределения соответствующей аппаратурой. К ПИП второй группы относятся: пирометрические [22-23]; телевизионные на видиконах, ЭОПах и т.п. [24]; на фоточувствительных материалах; на термочувствительных магнитных пленках [25]; жидких кристаллах [26]; термооптических и терморегистрирующих средах [27]; с запоминанием на пироэлектрических или полупроводниковых материалах; люминесцентные; интерферометрические [28], основанные на разрушении регистрирующей среды [29]. Существует достаточно обоснованное мнение, что в настоящее время измерители распределения на основе термочувствительных магнитных пленок, жидких кристаллов, термооптических и терморегистрирующих сред, пироэлектрических и полупроводниковых материалов, люминесцентных и разрушающихся ПИП пока что находятся в стадии исследования возможности аппаратурной реализации, т.к описанные в литературе эффекты позволяют создать не средства измерений, а скорее визуализаторы с небольшим динамическим диапазоном. Наиболее перспективными ПИП второй группы в настоящее время представляются фоточувствительные на видиконах и ЭОПах, интерферометрические и на пироэлектрических мишенях.

Важной особенностью методов и средств измерений распределения является необходимость запоминания информации о распределении на время ее обработки аппаратурой. В зависимости от типа ПИП и быстродействия аппаратуры запоминание может происходить либо за счет интегрирующих свойств ПИП (термоэлектрические, болометрические из первой группы и практически все ПИП второй группы), либо аппаратурно за счет запоминания на промежуточных устройствах (фотоэлектрические, ПЗС и акустооптические ПИП). При необходимости интегрирующие ПИП также могут снабжаться промежуточными запоминающими устройствами.

До относительно недавнего времени геометрическая разрешающая способность и общее число элементов измерителей первой группы определялись возможностями практически ручного изготовления элементов и сборки матричных ПИП и составляло единицы-десятки элементов на квадратной сантиметр при общем количестве элементов несколько десятков сотен для одного ПИП. С развитием микроэлектроники и появлением фотоэлектрических и ПЗС-матричных приемников геометрическая разрешающая способность возросла до нескольких сотен элементов на квадратный миллиметр и в перспективе может достигнуть нескольких десятков тысяч. Количество элементов в ПИП первой группы уже сейчас может превышать несколько десятков-сотен тысяч (для фотоэлектрических и ПЗС). Несомненно, что за счет совершенствования технологии геометрическая разрешающая способность и количество элементов, указанных ПИП должны возрасти.

По точности измерений термоэлектрические ПИП в настоящий момент времени превосходят все остальные [16], однако за счет низкой точности других звеньев аппаратуры и наличия тепловой связи между элементами общая точность измерителей распределения даже на термоэлектрических ПИП в настоящее время составляет 5 - 20 %. В то же время развитие математических методов обработки информации позволяет повысить точность измерений [30], но в известных средствах измерений применения пока что не получили.

По спектральному диапазону термоэлектрические, пироэлектрические и частично болометрические ПИП превосходят остальные ПИП первой группы, что делает их весьма универсальными средствами распределения [16]. Однако по чувствительности фотоэлектрические и ПЗС-матрицы находятся вне конкуренции [18, 31]. По быстродействию термоэлектрические и болометрические ПИП существенно уступают фотоэлектрическим.

Сравнительная оценка динамического диапазона показывает, что в матричных ПИП он определяется не характеристиками отдельных элементов, а коэффициентом связи между элементами как в ПИП, так и в аппаратуре. В связи с этим динамический диапазон даже фотоэлектрических ПИП, имеющий для дискретных элементов значение в несколько порядков, для матричных конструкций составляет в лучшем случае несколько десятков [18, 31].

На основе ПИП первой группы разработан ряд измерителей МКЦ-2, ИРЭ-100, измеритель на основе матрицы МФ-16, разработанный в ФИАН, и ряд других. Из этих измерителей следует отметить СИПХ-1, который метрологически аттестован, для остальных погрешность не оценена.

Количество элементов ПИП второй группы практически ограничивается размерами зерен структуры, составляющей обычно единицы микрометров, и площадью мишени. Для современного уровня развития методов и средств измерений распределения эта характеристика ПИП второй группы обеспечивает все требования. Минимальные размеры измеряемых пучков определяются лучевой стойкостью материалов мишеней и разрешающей способностью измерительной аппаратуры и в принципе могут достигать десятых долей миллиметра. Максимальные размеры мишеней ограничиваются только прочностью конструкции и могут достигать сотен миллиметров.

Точность измерения ПИП второй группы и измерителей на их основе в целом хуже, чем у ПИП первой группы и по ориентировочным оценкам их погрешность составляет 1--30% [25]. В то же время метод и средства измерений, основанные на применении светочувствительных материалов, при принятом ряде мер могут обеспечить погрешность порядка 5%, что позволяет надеяться на использование этого метода в высших звеньях поверочной схемы измерения распределения. Широкое распространение фотометодики обусловлено ее доступностью и кажущейся простотой получения информации при минимальных аппаратурных затратах, но в обычных условиях метрологические характеристики способа оценить трудно, что может привести к значительным погрешностям даже при использовании для калибровки эталонных излучателей, стандартизованного цикла проявления и фотометрической обработки, в связи с нелинейностью характеристик фотоматериалов.

Спектральный диапазон ПИП второй группы в целом охватывает область от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного излучения, но для конкретных типов существенно хуже. Наибольший спектральный диапазон имеют измерители на основе поглощающих пирометрических, пироэлектрических и термохромных мишеней, поглощающих измеряемое излучение и преобразующих распределение энергии в распределение температуры. Узкими спектральными диапазонами характеризуются телевизионные и люминесцентные ПИП, преобразователи с запоминанием на полупроводниковых пластинах и акустооптические. Для метода фоторегистрации в целом спектральный диапазон весьма широк и практически охватывает весь диапазон известных лазеров, но для каждого типа фотоматериалов участок рабочего спектра обычно достаточно узок. Для интерферометрических методов спектр определяется пропускающей способностью оптических элементов и свойствами регистрирующих сред (фотоматериалов; видиконов, ЭОПов, термооптических пленок и т.п.) и поэтому может варьироваться в широких пределах в зависимости от использованных материалов.

По быстродействию среди ПИП второй группы выделяются видиконы и ЭОПы, обеспечивающие съем информации о распределении за время до десятых долей пикосекунды. Близки к ним по быстродействию ПИП на интерферометрических принципах с использованием в качестве регистраторов, например, ЭОП, а также акустооптические измерители распределения. Наихудшим быстродействием среди ПИП второй группы отличаются пирометрические мишени и ПИП, основанные на визуализации разрушения материалов. В целом для ПИП второй группы характерно большое быстродействие преобразования распределения на самих мишенях и относительно медленное считывание с них информации электронной аппаратурой.

Наибольшую чувствительность имеют ЭОПы, обеспечивающие возможность регистрации вылета из фотокатодов отдельных электронов. Фотоэлектрические и телевизионные ПИП имеют по сравнению с ЭОПами чувствительность, меньшую на два-три порядка. Чувствительность интерферометрических ПИП в первую очередь определяется чувствительностью регистрирующей среды. Чувствительность остальных типов ПИП значительно меньше, например, ПИП с запоминанием информации на кремниевой мишени имеет значение энергетической чувствительности для режима свободной генерации порядка 2,510-3 Джсм-2.

Динамический диапазон измерителей второй группы в целом охватывает все известные в настоящее время значения распределения энергии лазерного излучения. Что касается отдельных типов измерителей и ПИП, то наибольший динамический диапазон имеют пирометрические, интерферометрические и фотографические методы, а у остальных динамический диапазон обычно редко превышает два порядка и его расширение возможно только при использовании ослабителей.

Для измерения мощности и энергии лазерного излучения используют различные методы, в частности и методы, применяемые для СВЧ-диапазона.

Для измерении импульсов лазерного излучения с энергией менее 10-3 Дж используют вакуумный микрокалориметр с поглотителем в виде конуса, созданного из медной фольги. Измеряемое излучение попадает в поглотитель при помощи короткофокусной линзы. Изменение температуры поглотителя регистрируется термопарой, один из спаев которой закреплен на вершине конуса, а другой присоединен к траверсе, выходящей наружу через ножку колбы. Чувствительность прибора достигает 0,8 мДж на деление шкалы при применении гальванометра.

Энергию лазерного излучения можно измерять и жидкостными калориметрами. Недостатком калориметров с датчиками температуры является длительное время для установления теплового равновесия. В следствии чего часть тепла уходит на излучение и конвекцию, что создает дополнительную погрешность при измерении.

Можно отметить, что для измерения мощности непрерывного лазерного излучения или энергии импульсного излучения можно воспользоваться практически любым фотоприемником, в котором выходной сигнал пропорционален падающему лазерному излучению. Например, среднюю мощность непрерывного лазерного излучения измеряют с помощью полупроводниковых фотоприемников с р-n-переходом, а в импульсном режиме энергию излучения лазеров, определяют интегрированием выходного сигнала фотоприемника.

Измерение импульсного излучения высокой мощности проводят с использованием различных эффектов в кристаллах, которые являются прозрачными для лазерного излучения. При поступлении излучения на сегнетоэлектрик на кристалле можно получить пироэлектрическое напряжение. В качестве сегнетоэлектриков используют титанат бария, моногидрат сульфата лития и др. Чтобы измерить силу пиротока на противоположные стороны кристалла наносят серебряные или золотые электроды.

Приемник используют в виде цилиндрического конденсатора с круглым или прямоугольным входным отверстием. Сфера состоит из двух полусфер, выполненных из пироактивной керамики и соединенных определенным образом. На поверхность полусфер наносят серебряные электроды, к которым присоединяются проводники. Для измерения большой интенсивностей излучения на внутреннюю сторону сферы наносят тугоплавкий слой с большой отражательной способностью.

Измеритель мощности с применением обратного электрооптического эффекта. Обратный электрооптический эффект заключается в том, что при попадании монохроматического излучения на определенные кристаллы в них происходит поляризация. При помещении данного кристалла в конденсатор определенной формы, мощность измеряемого излучения будет связана с напряжением и на зажимах конденсатора определенным соотношением. С его пластин снимается напряжение, пропорциональное пиковой мощности импульса лазера.

Наиболее эффективно можно применять полупроводники для измерении мощности лазерного излучения, работающего в инфракрасном диапазоне. При этом верхний граница измеряемой мощности ограничена оптической прочностью кристалла, которая для пьезокристаллов составляет (0,15 ..1) 1010 Вт/см2, это сравнимо с оптической прочностью оптических стекол лучших марок, применяемых в лазерах.

В настоящее время в структурных схемах эталонов средней мощности лазерного излучения реализованы два способа воспроизведения единицы средней мощности и передачи ее размера: “последовательный” и “параллельный”.

Временная диаграмма воспроизведения единицы средней мощности лазерного излучения и передачи ее размера при «последовательном» [32-33] варианте показана на рис. 12. Как видно из рис. 12, процесс воспроизведения и передачи заключается в последовательной подаче электрической мощности в обмотку замещения, затем оптической мощности в приемную полость рабочего приемника и вновь электрической мощности в обмотку замещения сначала на рабочий приемник ЭИП, а затем повторения этой же последовательности действий для поверяемого (калибруемого) средства измерений. При этом в момент проведения первой передачи электрической мощности в обмотку замещения рабочего приемника ЭИП производится аналогичная процедура с приемником - “свидетелем”. Далее приемник - “свидетель” измеряет изменение мощности лазерного излучения в течение всей процедуры воспроизведения единицы средней мощности и передачи ее размера и в конце процедуры одновременно с проведением последней электрической калибровки калибруемого средства измерений производится повторная электрическая калибровка приемника - “свидетеля”. В процессе воспроизведения единицы средней мощности лазерного излучения по измеренным выходным сигналам ЭИП и измеренной электрической мощности замещения определяется мощность лазерного излучения РОПТ из соотношения (1).