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

, (1)

где: - коэффициент эквивалентности замещения оптической мощности электрической ЭИП; - значение электрической мощности, выделяемой в обмотке замещения; - выходной сигнал измерительного преобразователя при подаче в него оптической мощности; - выходной сигнал измерительного преобразователя при подаче в его обмотку замещения электрической мощности; - коэффициент, характеризующий скорость дрейфа эталонного измерительного преобразователя и системы измерений; - коэффициент преобразования измерительного преобразователя при подаче в его обмотку замещения электрической мощности; - момент времени, в который осуществляется подача оптической мощности; - момент времени, в который осуществляется подача электрической мощности замещения; - начальное значение выходного сигнала измерительного преобразователя.

Рис. 12 - Временная диаграмма “последовательного” способа воспроизведения единицы средней мощности лазерного излучения и передачи ее размера



При применении “последовательного” способа воспроизведения единицы средней мощности лазерного излучения оптическая мощности на выходе калибруемого средства измерений рассчитывается из соотношения (2).

. (2)

Значения величин, входящих в соотношения (1) и (2), определяются в результате обработки большого количества информативных данных с использованием в схеме эталонной установки контрольного канала для относительных измерений нестабильности мощности излучения лазера.

“Параллельный” [33-35] способ с использованием делителя оптической мощности предусматривает одновременную подачу электрической и оптической мощностей в эталонный и калибруемый измерительные преобразователи.

Временная диаграмма воспроизведения единицы средней мощности лазерного излучения и передачи ее размера показана на рис. 13.

Рис. 13 - Временная диаграмма “параллельного” способа воспроизведения единицы средней мощности лазерного излучения и передачи ее размера

В соответствии с временной диаграммой (рис. 13) на начальном этапе измеряются значения и выходных сигналов нулевого уровня ЭИП и измерительного преобразователя калибруемого средства измерений. На втором этапе подается известная электрическая мощность и в рабочий и компенсационный приемники ЭИП, соответственно, и в измерительный преобразователь поверяемого (калибруемого) средства измерений в его рабочий и компенсационный приемники, соответственно. На третьем этапе в рабочий приемник ЭИП подается оптическая мощность , при этом в компенсационном приемнике сохраняется электрическая мощность , а в измерительный преобразователь поверяемого (калибруемого) средства измерений подается оптическая мощность, равная , где - значение коэффициента деления оптического делителя мощности, приписанное ему на стадии его калибровки, при этом в компенсационном приемнике сохраняется электрическая мощность .

По полученным на втором этапе значениям выходных сигналов и рабочего и компенсационного приемников ЭИП, соответственно, и вычисляются коэффициенты отличия для ЭИП и для измерительного преобразователя поверяемого (калибруемого) средства измерений.

По полученным на третьем этапе значениям выходных сигналов и рабочего и компенсационного приемников ЭИП, соответственно, и определяется воспроизводимая единица по формуле (3).

, (3)



где - коэффициент эквивалентности замещения оптической мощности электрической в ЭИП, а - коэффициент эквивалентности замещения оптической мощности электрической в измерительном преобразователе поверяемого (калибруемого) средства измерений, определяемый по формуле (4).

. (4)

Значения этих величин фиксируются как результат передачи размера единицы средней мощности лазерного излучения от эталонного средства измерений поверяемому (калибруемому).

Проведенный обзор существующих типов лазеров на основе наногетероструктур позволил обобщить и выделить типичные энергетические, спектральные и пространственные характеристики этих лазеров и правильно выбрать направление в исследовании средств измерений этих характеристик.

В результате проведенного обзора методов измерений было установлено, что:

- для измерений мощности лазерного излучения следует использовать метод, основанный на использовании интегрирующей сферы со встроенным на ее внутренней поверхности фотоэлектрическим приёмником. Эта сфера позволит полностью охватить лазерное излучение, расходимость которого в лазерах на основе наногетероструктур составляет 40є и более.

- для измерений угла расходимости следует использовать метод, основанный на проецировании с помощью объектива изображения пучка лазерного излучения на матовом экране;

- измерение длины волны лазерного излучения следует проводить спектрометром на основе метода прямых измерений.



2. Исследование методов измерений оптических, энергетических и спектральных параметров полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур

2.1 Исследование метода измерений средней мощности лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур

Рассмотренный метод измерений, основан на использовании интегрирующей сферы для измерения мощности лазерного излучения.

Метод измерения средней мощности лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур заключается в следующем:

Входная мощность лазерного излучения Pвх сначала преобразуется оптической системой в выходную мощность Pвых; связь между ними устанавливается с помощью оператора L:

Pвых=L*Pвх, (5)

далее мощность Pвых преобразуется в пропорциональный ему электрический сигнал. Структурная схема процесса измерительного преобразования приведена на рис. 14. Оператор L является характеристикой устройства, преобразующей Pвх в Pвых.

При использовании интегрирующей сферы (ИС) входная мощность Pвх попадает на её внутреннюю поверхность и в результате многократного переотражения и диффузного рассеяния создает на внутренней поверхности в любой её точке одинаковую освещенность. Это предположение справедливо только в том случае, если коэффициент отражения внутренней поверхности имеет значение =1 и одинаков во всех её точках, характер отражения диффузный и ИС не имеет отверстий на её поверхности.

Реальные системы отличаются от идеальных, и их отличия характеризуются параметрами, входящими в формулу (5), как

L = L'+ДL; Pвх=P'0+ДP0,

где ДL - отклонение параметров устройства от идеальных; ДP0 - нестабильность входного потока излучения; P'0 - входная мощность.

Таким образом связь Pвх и Pвых для реальной системы представляется в виде:

Pвых + Д Pвых = L' ·P'0+ ДP0· L'+ ДL· P'0+ ДL· ДP0.

где ДPвых - отклонение параметров выходного потока излучения, вносимое совокупно ДL и ДP0.

Так как погрешности ДL и ДP0 не коррелированны и Pвых = L' ·P'0, то окончательно для ДPвых выражение выглядит следующим образом (6)

Д Pвых = ДP0· L'+ ДL· P'0 (6)

Формула (6) является универсальной и показывает влияние совокупности ДL и ДP0 на погрешность преобразования Pвх в Pвых и при дальнейшем рассмотрении будет использована для определения составляющих погрешности ДPi, характеризующих суммарную погрешность каждой из рассматриваемых систем.

При измерении падающей мощности лазерного излучения, поток лазерного излучения попадает на локальный участок внутренней поверхности сферы и покрывает круг, площадь которого равна (рис. 14):



Рис. 14 - Измерение падающей мощности

,

лазер наногетероструктур излечение измерение

где D1=2R1 - диаметр пучка лазерного излучения, а отразившись от него, попадает на площадь внутренней поверхности сферы Aсф и приемника Aпр. Для идеальной ИС система уравнений, определяющая отраженные от соответствующих поверхностей потоки излучения, согласно [36] имеет вид уравнения (7).

;

; (7)

,

где - мощность излучения с поверхности Aсф;

- мощность излучения с поверхности Aпр;

- мощность излучения с поверхности A1;

- индикатриса отражения j-го участка поверхности (j=1, iсф);

- коэффициент отражения j-го участка поверхности;

- угловой коэффициент между площадками Ai и Aj;

- коэффициент отражения поверхности приёмника излучения.

Углы и , а также расстояния показаны на рис. 14. Из рис. 14. видно, что , и поэтому коэффициент в случае использования ИС равен:

.

Мощность излучения на входе ИС (выходная мощность лазера) определяется как

. (8)

Формула (8) преобразуется в конечную формулу (9) для измерения мощности лазерного излучения:

, (9)

при этом L определяется по формуле (10).

. (10)

где V - сигнал, снимаемый с приемника излучения, Rсф - внутренний радиус сферы, - общая площадь отверстий на поверхности сферы, Rпр - радиус приемной поверхности приёмника излучения, - коэффициент отражения внутренней поверхности ИС.

Отклонение характеристик реальной сферы от идеальной связаны с геометрическими факторами и определяется выражением (11).

, (11)

а отклонение реальных от идеальных, связанных с фотометрическими свойствами сферы и приёмника, определяются выражением (12).

, (12)

тогда

. (13)

Для реализации описанного метода проводятся следующие измерения:

а) Измерение диаметров отверстий на внутренней поверхности сферы;

б) Вычисление площади отверстий на внутренней поверхности сферы;

в) Измерение диаметра приёмного элемента фотодиода;

г) Вычисление площади приёмного элемента фотодиода Aпр;

д) Вычисление значения отклонения параметров, связанных с геометрическими факторами L' по формуле (11);

е) Измерение коэффициента отражения внутренней поверхности ИС ;

ж) Снятие относительной характеристики спектральной чувствительности используемого фотодиода;

и) Абсолютизирование спектральной чувствительности фотодиода в любой точке внутри спектрального диапазона;

к) Снятие спектрального распределения плотности мощности исследуемого лазера, с помощью средства измерений спектральных характеристик;

л) Вычисление значения отклонения параметров, связанных с фотометрическими факторами L'' по формуле (12) с учетом спектральной чувствительности фотодиода в спектральном диапазоне излучения исследуемого лазера;

м) Вычисление отклонения реальной системы от идеальной по формуле (13).

Методика измерений средней мощности лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур разработанная при проведении исследования приведена в приложении 1.

2.2 Исследование метода измерений длины волны лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур

Рассмотренный метод измерений, основан на использовании интегрирующей сферы для измерения длины волны лазерного излучения.

Метод измерения длины волны лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур заключается в следующем:

Рассеянное на внутренней поверхности интегрирующей сферы лазерное излучения попадает во входное окно оптического световода, второй конец которого соединен с входным окном спектрометра. В спектрометре это излучение попадает на вогнутое зеркало, которое создает параллельный пучок внутри спектрометра. Этот параллельный пучок попадает на вогнутую дифракционную решетку, в фокусе которой установлен линейный матричный ПЗС детектор. Вогнутая дифракционная решетка одновременно разлагает попавшее на её поверхность излучение в спектр и фокусирует его. Таким образом создается спектральное распределение по ширине линейки ПЗС детектора. Поэтому, каждый пиксель этой линейки соответствует строго определенной длине волны. Калибровка линейки производится с помощью одночастотных лазеров на трех длинах волн, 0,532. 0,6329, 1,064 мкм. Таким образом, известны реперные точки, что позволяет с высокой точностью (0,01 нм) измерять спектральное распределение плотности мощности по длине линейки.

Среднее значение длины волны лазерного излучения m в соответствии с ИСО 13695-2007 «Оптика и фотоника - лазеры и лазерные установки (системы) - методы испытаний и измерений спектральных характеристик лазеров» вычисляется при помощи формулы (14).

, (14)

т.е. отношение скорости света с к средней частоте fm оптического излучения.

Методика измерений длины волны лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур разработанная при проведении исследования приведена в приложении 1.

2.3 Исследование метода измерений углов расходимости лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур

Рассмотренный метод измерений, основан на использовании интегрирующей сферы для измерения углов расходимости пучка лазерного излучения.

Метод измерения углов расходимости пучка лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур заключается в следующем:

Для определения ширин пучка или его диаметра в плоскости х-у сечения с координатой z в нем измеряется распределение плотности мощности. По результатам измерений распределения плотности мощности в сечении пучка вычисляются моменты первого порядка и центрированные моменты второго порядка, а с помощью центрированных моментов второго порядка определяются ширины пучка (dx, dy).

Определение углов расходимости осуществляется путем использования результатов измерений ширин пучка или его диаметра в фокальной плоскости фокусирующего оптического элемента. Сначала пучок лазерного излучения попадает в интегрирующую сферу, далее пропускается сквозь безаберрационный фокусирующий оптический элемент. Ширины пучков dxf, dyf измеряются в плоскости, расположенной на одном фокусном расстоянии f от задней главной плоскости фокусирующего оптического элемента.

Метод измерения ширин, углов расходимости - косвенный метод, основанный на измерении плотности распределения мощности лазерного излучения и определении по полученным данным ширин пучка (dx, dy), углов расходимости (иx, иy).

Ширины пучка (dx, dy) - протяженность распределения плотности мощности в поперечном сечении пучка с продольной координатой z вдоль главной оси, ближайшей к х- или у-осям лабораторной системы координат, соответственно, базирующимся на центрированных моментах второго порядка распределения плотности мощности:

; ,

где x2, y2, xy2 - центрированные моменты второго порядка распределения плотности мощности, описываются нормированными взвешенными интегралами:

; ;

Углы расходимости пучка (иx, иy) - параметр, характеризующий увеличение ширины или диаметра пучка по мере возрастания расстояния от местоположения перетяжки:

; . (15)

Формула 15 регламентирует те измерения, которые проводятся при использовании описанного метода, а именно:

Измерения углов расходимости определялись косвенным методом и осуществлялись путем использования результатов измерений ширины пучка или его диаметра в фокальной плоскости линзы по формуле 15.

а) Определялся диаметр пучка по уровню энергии E, при этом задавались четыре уровня энергии:

- 0.9Е;

- 0.865Е, (что соответствует уровню (1-1/е2)Wmax);

- 0.632Е (что соответствует уровню (1-1/е)Wmax);

- 0.5Е,

где Wmax - уровень интенсивности.

б) По экспериментально определенному распределению интенсивности w(x,y) определяется эквивалентное распределение в полярных координатах w(с, ц) с центром в центре пучка с координатами X0 и Y0 .

в) Строилась кривая нарастания доли энергии Е(r), содержащейся в пределах круга радиусом r с центром в центре пучка с координатами X0 и Y0 от величины радиуса r. На рис. 15. показан типичный вид этой кривой.

Рис. 15 - Зависимость нарастания доли энергии Е(r)

г) По этой зависимости находились значения радиуса rk, при котором кривая нарастания достигает заданного уровня k.

д) По считанному значению радиуса rk определялось значение диаметра пучка по заданному уровню dk=2 rk.

Координаты центра пучка X0 и Y0 определялись как координаты точки, для которой выполняются следующие условия:

при этом интегрирование производится в пределах всего кадра, но значения интенсивности w(x,y) под интегралом.

е) По полученным значениям координат X0 и Y0 определялись:

1) второй момент, характеризующий распределение вдоль оси Х, равен:



2) второй момент, характеризующий распределение вдоль оси Y, равен:

3) второй момент, характеризующий корреляцию распределения для осей Х и Y равен:

ж) По полученным значениям вторых моментов определялись диаметр и ширина сечения пучка:

-диаметр пучка ,

-ширина пучка по оси Х,

-ширина пучка по оси Y .

и) Значение угла расходимости определялось по формуле 15.

Методика измерений углов расходимости лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур разработанная при проведении исследования приведена в приложении 1.



3. Анализ средств измерений оптических, энергетических и спектральных параметров полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур

3.1 Анализ средства измерений пространственных характеристик лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур

Было исследовано созданное во ФГУП «ВНИИОФИ» средство измерений пространственных характеристик лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур.

Основными элементами этого средства измерений пространственных характеристик являются двумерная матрица и интегрирующая сфера.

В средстве измерений пространственных характеристик был использован цифровой регистратор РИЦ-822.

В качестве двумерной матрицы в средстве измерений используется анализатор профиля пучка BEAMSTAR FX Firewire FX 33 HD фирмы OPHIR-SPIRICON, который входит в состав РИЦ-822.

Общий вид двумерной матрицы представлен на рис. 16. Интегрирующей сферы на рис. 17. Технические характеристики двумерной матрицы представлены в Таблице 4.

Рис. 16 - Общий вид анализатора профиля пучка BEAMSTAR FX Firewire FX 33 HD



Рис. 17 - Общий вид интегрирующей сферы

Таблица 4 - Технические характеристики двумерной матрицы

Параметр	Характеристика
Спектральная характеристика:	190 - 1100 нм
Максимальный размер луча (ширина х высота):	4,8 x 3,6 мм
Шаг пикселей:	4,65 x 4,65 мкм
Число эффективных пикселей	1024 x 768
Минимальный динамический диапазон системы	60 дБ = 1000:1
Пространственная однородность	± 0.5%

Анализатор распределения интенсивности излучения в поперечном сечении лазерного пучка BEAMSTAR FX Firewire FX 33 HD предназначен для анализа измерений лазерного пучка на длинах волн от 190 до 1100 нм, позволяет регистрировать распределение интенсивности излучения в поперечном сечении пучка как непрерывных, так и импульсных лазеров со средней мощностью излучения от единиц мкВт до нескольких Ватт.

В BEAMSTAR FX Firewire FX 33 HD в качестве приемной матрицы применены кремниевые CCD (ПЗС) матрицы. При использовании дополнительных ослабителей излучения анализируются пучки лазеров мощностью до нескольких сотен Ватт. Время экспозиции камеры и коэффициент усиления регулируются автоматически, что упрощает применение прибора и повышает точность измерения.

ПЗС-матрица -- специализированная аналоговая интегральная микросхема, которая состоит из светочувствительных фотодиодов, выполнена на основе кремния и использует технологию ПЗС -- устройств с зарядовой связью. ПЗС-матрица сделана из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при поступлении напряжения через поликремневые затворы изменяется электрический потенциал вблизи электродов. Перед экспонированием, с помощью подачи нужной комбинации напряжений на электроды, осуществляется сброс всех ранее образованных зарядов и приведение всех элементов в исходное состояние. Затем комбинация напряжений на электродах образует потенциальную яму. В ней могут накапливаться электроны, созданные в данном пикселе матрицы в следствии воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток при экспозиции, тем больше собирается электронов в потенциальной яме, следовательно тем выше итоговый заряд этого пикселя. После экспонирования последовательное изменение напряжения на электродах формирует в каждом пикселе и возле них распределение потенциалов, которое приводит к перемещению заряда в нужном направлении, к выходным элементам матрицы.

Очень важным моментом для правильной работы матрицы является равномерность значения коэффициента преобразования каждого пикселя. Поэтому перед применением матрицы каждый ее канал откалиброван по значению коэффициента преобразования.

Вторым важным элементом средства измерений пространственных характеристик является интегрирующая сфера (компаратор), на внутренней поверхности которой расположено входное окно для двумерной матрицы.

Интегрирующая сфера выполнена из молочного стекла МС-20. Ее характеристики приведены в таблице 5.



Таблица 5 - Характеристики интегрирующей сферы

Коэффициент отражения внутренней поверхности интегрирующей сферы в спектральном диапазоне 0,4…1,1 мкм, не менее, отн. ед.	0,96
Отступление от диффузности, не более, %	0,2
Внутренний диаметр интегрирующей сферы, мм	80

Для калибровки данного средства измерений была разработана Методика калибровки средств измерений средней мощности лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур приведенная в приложении 2.

Результаты, полученные на экране монитора персонального компьютера измерений углов расходимостей пучка лазерного излучения приведены на рис. 18.

Рис. 18 - Результаты измерений параметров качества пучка полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур

В ходе работы было проведено метрологическое исследование средства измерений пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения, результаты которого приведены в протоколах №1-2:



ПРОТОКОЛ № 1

1. Объект исследований: Средство измерений пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур (СИПЭХ), матричный преобразователь (ПЗС матрица).

2. Цель проведения исследований: Определение коэффициентов преобразования каждого измерительного макроканала ПЗС матрицы.

3. Дата проведения исследований: 01.02.16 г.

4. Место проведения исследований: ФГУП «ВНИИОФИ».

5. Условия проведения исследований:

температура окружающего воздуха (20 ± 2) С;

относительная влажность воздуха (65 ± 15) %;

атмосферное давление (100 ± 4) кПа.

6. Результаты исследований: Значения коэффициента преобразования в каждом макроканале приведено в таблице 6.

Таблица 6 - Значения коэффициента преобразования

Коэфф. преобразования	Коэфф. преобразования	Коэфф. преобразования	Коэфф. преобразования	Коэфф. преобразования	Коэфф. преобразования
40,5	40,6	40,7	40,6	40,9	41,1
40,5	41,2	40,7	41,1	41	40,9
40,9	40,2	40,7	40,3	40,6	40,4
40,4	40,8	40,3	41,2	40,2	40,5
40,8	41,1	40,7	41	40,4	41,2
41,1	40,3	40,9	40,9	40,8	40,4
40,3	41,2	40,5	40,9	40,9	40,9
40,2	41,1	41,2	40,7	40,6	40,6



7. Заключение: среднее значение коэффициента преобразования измерительных каналов : 40,73 Вт-1, СКО определения коэффициентов преобразования ум, %: 3,1.

ПРОТОКОЛ № 2

1. Объект исследований: Средство измерений пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур (СИПЭХ), матричный преобразователь (ПЗС матрица).

2. Цель проведения исследований: Определение углов расходимостей пучка лазерного излучения ибx и ибy.

3. Дата проведения исследований: 01.02.16 г.

4. Место проведения исследований: ФГУП «ВНИИОФИ».

5. Условия проведения исследований:

температура окружающего воздуха (20 ± 2) С;

относительная влажность воздуха (65 ± 15) %;

атмосферное давление (100 ± 4) кПа.

6. Результаты исследований: Значения углов расходимостей ибx и ибy пучка лазерного излучения приведено в таблицах 7 и 8.

Таблица 7 - Значения углов расходимостей ибx пучка лазерного излучения

№	ибxє	ибx срє	Qбx, %
1	43,5	43,4	1,1
2	43,6
3	43,3
4	43,4
5	43,5



Таблица 8 - Значения углов расходимостей ибy пучка лазерного излучения

№	ибyє	ибy срє	Qбy, %
1	5,66	5,65	1,0
2	5,66
3	5,64
4	5,64
5	5,65

7. Заключение: средние значения углов расходимостей: ибx = 43,4є и ибy = 5,65є, СКО определения углов расходимостей Qбx = 1,1% и Qбy = 1,0%.

В ходе проведения метрологического исследования данного средства измерений было выполнено:

В процессе проведения измерений углов расходимости пучка лазерного излучения полупроводниковых лазеров определялись значения углов расходимости иx, иy пучка лазерного излучения по формуле 15.

Погрешность измерений угла расходимости определяется уравнением (16).

, (16)

где погрешность, обусловленная изменением углов расходимостей при подведении лазерного излучения к ПЗС-матрице;

ум - среднее квадратическое отклонение при измерении коэффициентов преобразования каждого измерительного макроканала ПЗС матрицы.

Бюджет составляющих погрешностей при измерении углов расходимостей пучка лазерного излучения приведен в табл. 9.



Таблица 9 - Бюджет составляющих погрешностей при измерении углов расходимостей пучка лазерного излучения

№№	Наименование составляющей погрешности	Обозначение	Значение, %
1	погрешность, обусловленная изменением угла расходимости при подведении лазерного излучения к ПЗС-матрице	Qбx	1,1
2	погрешность, обусловленная изменением угла расходимости при подведении лазерного излучения к ПЗС-матрице	Qбy	1,0
3	среднее квадратическое отклонение при измерении коэффициентов преобразования каждого измерительного макроканала ПЗС матрицы	ум	3,1

Результаты метрологического исследования показали, что фактические характеристики погрешности измерений углов расходимостей пучка лазерного излучения () не превышают значений 2 %.

3.2 Анализ средства измерений средней мощности лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур

Было исследовано созданное во ФГУП «ВНИИОФИ» средство измерений средней мощности лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур.

В основе средства измерений мощности лазерного излучения лежит использование интегрирующей сферы, которая описана в разделе 3.1. Внешний вид ее показан на рис. 17, а вид в разрезе на рис. 19. В качестве приемника, установленного на внутренней поверхности интегрирующей сферы, используется фотодиод S1087-01. Его характеристики приведены в таблице 10, а спектральная чувствительность на графике (см. рис. 20.).



Рис. 19 - Расположение матового экрана во внутреннем объеме интегрирующей сферы

Таблица 10 - Характеристики фотодиода

Размер активной области, мм	1.3х1.3
Спектральный диапазон, нм	320…1100
Пиковая длина волны, нм	960
Чувствительность на пиковой длине волны, А/Вт	0,58
Темновой ток, нА	0,01
Постоянная времени, мкС	0,5
Тепловая емкость, пФ	200
Сопротивление шунта, ГОм	250
Диапазон рабочих температур,°С	-10…+60
Диапазон температур,°С	-20…+70

Рис. 20 - Спектральная чувствительность фотодиода



В качестве источника лазерного излучения, характеристики которого подлежат контролю в процессе проведения измерений в средстве измерений используются два полупроводниковых лазера на наногетероструктурах моделей ЕМНО-910-3СS и EMS-1060-50CS с блоками питания. Их характеристики приведены в таблицах 11 и 12.

Таблица 11 - Технические характеристики лазерного излучателя модели EMHО-910-3СS

Параметр	Символ	Значение	Единица измерения
Лазерный диод
Рабочая выходная оптическая мощность	Рраб	3	Вт
Рабочий ток накачки	Iраб	<5	А
Рабочее напряжение	Uраб	<2	В
Пороговый ток	Iпор	<0.7	А
Центральная длина волны на рабочей мощности излучения	лраб	9105	нм
Расходимость излучения в вертикальной плоскости (FWHM) на Pраб	бx	2	Град.
Расходимость излучения в горизонтальной плоскости (FWHM) на Pраб	бy	12	Град.
Режим работы	CW	непрерывный	CW
Рабочая температура	Траб	25	oC
Тип корпуса	Стандарт HHL с открытым окном сверху
Фотодиод обратной связи
Ток ФД обр.связи на рабочей мощности	Iphd oper	20-200	µA
Обратное напряжение	Uphd	9	В
Термохолодильник
Максимальный ток	Imax	5	A
Максимальное рабочее напряжение	Umax	3,8	В
Терморезистор
Сопротивление	R	10	кОм



Таблица 12 - Технические характеристики лазерного излучателя модели EMS-1060-50CS

Параметр	Символ	Значение	Единица измерения
		Миним.	Типичное	Максим.
Лазерный излучатель
Выходная оптическая мощность	Рраб		50		мВт
Рабочий ток накачки	Iраб	80	100	120	мА
Рабочее напряжение	Uраб	1,7		2	В
Пороговый ток	Iпор	30	35	40	мА
Расходимость излучения в вертикальной плоскости (FWHM) на Pраб	бx	7	7,5	8	Град.
Расходимость излучения в горизонтальной плоскости (FWHM) на Pраб	бy	40	43	43	Град.
Длина волны излучения ны излучения	л	1050	1060	1070	нм
Ширина спектра излучения на полувысоте	Драб	3	4	5	нм
Температурный сдвиг спектра	/T	0,3	0,4	0,5	нм/10С
Размер излучающей области	W·d	3·1	4·1	5·1	мкммкм
Режим работы			CW
Рабочая температура			25		0С
Фотодиод обратной связи
Ток фотодиода обратной связи	Iфд	10		1000	мкА
Напряжение фотодиода обратной связи	UФД		<5		В

Для калибровки данного средства измерений была разработана Методика калибровки средств измерений средней мощности лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур приведенная в приложении 2.

В ходе работы было проведено метрологическое исследование средства измерений средней мощности лазерного излучения, результаты которого приведены в протоколах №3-7:

ПРОТОКОЛ № 3

1. Объект исследований: Средство измерений средней мощности лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур (СИМЛИ), фотодиод.

2. Цель проведения исследований: проверка значения составляющей погрешности QР, обусловленной зависимостью коэффициента преобразования от уровня измеряемой средней мощности в диапазоне ±0.1 Вт.

3. Дата проведения исследований: 01.02.16 г.

4. Место проведения исследований: ФГУП «ВНИИОФИ».

5. Условия проведения исследований:

температура окружающего воздуха (20 ± 2) С;

относительная влажность воздуха (65 ± 15) %;

атмосферное давление (100 ± 4) кПа.

6. Результаты исследований: результаты определения значения составляющей погрешности Qр, обусловленной зависимостью коэффициента преобразования от уровня измеряемой средней мощности в диапазоне 0.1 Вт приведены в таблице 13.

Таблица 13 - Результаты определения значения составляющей погрешности Qр

№	UК В	IК мА	Pк мВт	Uэ,мВ	Aэлi мВ/Вт	Aэл мВ/Вт	Qр %
				U0,мкВ	Uмах'	Uэ
1	5,5336 5,5336 5,5336	55,766 55,766 55,766	308,59 308,59 308,59	-0,0126 -0,0128 -0,0125	1,5723 1,5746 1,5736	1,5849 1,5874 1,5861	5,136 5,144 5,140	5,140	0,04
2	3,2362 3,2362 3,2362	32,613 32,613 32,613	105,54 105,54 105,54	-0,0124 -0,0127 -0,0123	0,5301 0,5296 0,5297	0,5425 0,5423 0,5420	5,140 5,138 5,136	5,138

7. Заключение: оценки значения составляющей погрешности Qр, обусловленной изменением коэффициента преобразования от уровня измеряемой средней мощности в диапазоне 0.1 Вт, не выходят за пределы допуска.

ПРОТОКОЛ № 4

1. Объект исследований: Средство измерений средней мощности лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур (СИМЛИ), фотодиод.

2. Цель проведения исследований: проверка значения составляющей погрешности Qд, обусловленной дрейфом установившегося значения выходного сигнала фотодиода при подведении на его вход постоянной мощности.

3. Дата проведения исследований: 01.02.16 г.

4. Место проведения исследований: ФГУП «ВНИИОФИ».

5. Условия проведения исследований:

температура окружающего воздуха (20 ± 2) С;

относительная влажность воздуха (65 ± 15) %;

атмосферное давление (100 ± 4) кПа.

6. Результаты исследований: результаты определения значения составляющей погрешности Qд, обусловленной дрейфом установившегося значения выходного сигнала преобразователя при подведении на его вход постоянной мощности приведены в таблице 14.



Таблица 14 - Результаты определения значения составляющей погрешности Qд

№№ п/п	t мин	T C	Uэi, мВ	DUэi мВ	DUэ мВ	Qд %
			U0,мкВ	U'махi	Uэi
P=0,1 Вт
1 2 3 4 5 6 7	30 35 40 45 50 55 60	20,6 20,6 20,6 20,6 20,6 20,6 20,6		-0,0127 -0,0127 -0,0127 -0,0127 -0,0127 -0,0127 -0,0127	0,5014 0,5015 0,5016 0,5013 0,5012 0,5013 0,5014	0,5141 0,5142 0,5143 0,5140 0,5139 0,5140 0,5141	0,0001 0,0002 0,0003 -0,0001 -0,0001	0,00016	0,01
P=2,0 Вт
1 2 3 4 5 6 7	30 35 40 45 50 55 60	20,6 20,6 20,6 20,6 20,6 20,6 20,6		-0,0127 -0,0127 -0,0127 -0,0127 -0,0127 -0,0127 -0,0127	10,2693 10,2691 10,2690 10,2694 10,2695 10,2693 10,2692	10,2820 10,2818 10,2817 10,2821 10,2822 10,2820 10,2819	-0,0002 -0,0003 -0,0001 -0,0002 -0,0001	0,00018	0,01

7. Заключение: оценки значений составляющей погрешности Qд, обусловленной дрейфом установившихся значений выходных сигналов при подведении на вход постоянной мощности, не выходят за пределы допуска.

ПРОТОКОЛ № 5

1. Объект исследований: Средство измерений средней мощности лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур (СИМЛИ), фотодиод.

2. Цель проведения исследований: проверка значения составляющей погрешности Qxy, обусловленной изменением коэффициента преобразования при подведении мощности к различным участкам поверхности приемного элемента фотодиода.

3. Дата проведения исследований: 01.02.16 г.

4. Место проведения исследований: ФГУП «ВНИИОФИ».

5. Условия проведения исследований:

температура окружающего воздуха (20 ± 2) С;

относительная влажность воздуха (65 ± 15) %;

атмосферное давление (100 ± 4) кПа.

6. Результаты исследований: результаты определения значения составляющей погрешности Qxy, обусловленной изменением коэффициента преобразования при подведении мощности к различным участкам поверхности приемного элемента фотодиода приведены в таблице 15.

Таблица 15 - Результаты определения значения составляющей погрешности Qxy

№ секций	Uк В	Iк мА	Pк мВт	Uэ,мВ	Aэлi мВ/Вт	Aэл мВ/Вт	Qxy %
				U0,мкВ	Uмах	Uэ
1	4,8722 4,8722 4,8722	48,847 48,847 48,847	237,99 237,99 237,99	-0,0125 -0,0125 -0,0125	1,2108 1,2112 1,2110	1,2253 1,2237 1,2235	5,140 5,142 5,141	5,141	0,02
2	4,8722 4,8722 4,8722	48,847 48,847 48,847	237,99 237,99 237,99	-0,0127 -0,0127 -0,0127	1,2108 1,2110 1,2112	1,2235 1,2237 1,2239	5,141 5,142 5,143	5,142

7. Заключение: оценки значений составляющей погрешности Qxy, обусловленной изменением коэффициента преобразования при подведении мощности к различным участкам поверхности приемного элемента фотодиода, не выходят за пределы допуска.

ПРОТОКОЛ № 6

1. Объект исследований: Средство измерений средней мощности лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур (СИМЛИ), фотодиод.

2. Цель проведения исследований: проверка значения составляющей погрешности QЛ, обусловленной линейностью значения выходного сигнала фотодиода при подведении на его вход постоянной мощности.

3. Дата проведения исследований: 01.02.16 г.

4. Место проведения исследований: ФГУП «ВНИИОФИ».

5. Условия проведения исследований:

температура окружающего воздуха (20 ± 2) С;

относительная влажность воздуха (65 ± 15) %;

атмосферное давление (100 ± 4) кПа.

6. Результаты исследований: результаты определения значения составляющей погрешности QЛ, обусловленной линейностью значения выходного сигнала фотодиода при подведении на его вход постоянной мощности приведены в таблице 16.

Таблица 16 - Результаты определения значения составляющей погрешности QЛ

Калибровка линейность
P мВт	1	2	3
10-4	ноль [мВ] 0,0304 эл.мощн.-5%[мВт] 1,6819 сигнал [мВ] 0,4827 эл.мощн.±0%[мВт] 1,7905 сигнал [мВ] 0,5149 эл.мощн.+5%[мВт] 1,8795 сигнал [мВ] 0,5417 ноль [мВ] 0,0319 Линейность %: 0,5024	ноль [мВ] 0,0301 эл.мощн.-5%[мВт] 1,6823 сигнал [мВ] 0,4864 эл.мощн.±0%[мВт] 1,7908 сигнал [мВ] 0,5233 эл.мощн.+5%[мВт] 1,8797 сигнал [мВ] 0,5535 ноль [мВ] 0,0499 Линейность %: 0,3841	ноль [мВ] 0,0578 эл.мощн.-5%[мВт] 1,6826 сигнал [мВ] 0,5161 эл.мощн.±0%[мВт] 1,7906 сигнал [мВ] 0,5518 эл.мощн.+5%[мВт] 1,8796 сигнал [мВ] 0,5790 ноль [мВ] 0,0693 Линейность %: 0,3547
10-3	ноль [мВ] 0,0559 эл.мощн.-5%[мВт] 4,4518 сигнал [мВ] 1,2631 эл.мощн.±0%[мВт] 4,6982 сигнал [мВ] 1,3400 эл.мощн.+5%[мВт] 4,9147 сигнал [мВ] 1,4015 ноль [мВ] 0,0626 Линейность %: 0,3476	ноль [мВ] 0,1673 эл.мощн.-5%[мВт] 4,4513 сигнал [мВ] 1,3627 эл.мощн.±0%[мВт] 4,6980 сигнал [мВ] 1,4309 эл.мощн.+5%[мВт] 4,9146 сигнал [мВ] 1,4878 ноль [мВ] 0,1443 Линейность %: 0,4751	ноль [мВ] 0,1233 эл.мощн.-5%[мВт] 4,4508 сигнал [мВ] 1,3252 эл.мощн.±0%[мВт] 4,6974 сигнал [мВ] 1,3981 эл.мощн.+5%[мВт] 4,9139 сигнал [мВ] 1,4562 ноль [мВ] 0,1139 Линейность %: 0,4056
10-2	ноль [мВ] 0,0631 эл.мощн.-5%[мВт] 9,1354 сигнал [мВ] 2,5433 эл.мощн.±0%[мВт] 9,6388 сигнал [мВ] 2,7000 эл.мощн.+5%[мВт] 10,103 сигнал [мВ] 2,8322 ноль [мВ] 0,0786 Линейность %: 0,3296	ноль [мВ] 0,0646 эл.мощн.-5%[мВт] 9,1357 сигнал [мВ] 2,5432 эл.мощн.±0%[мВт] 9,6382 сигнал [мВ] 2,6981 эл.мощн.+5%[мВт] 10,103 сигнал [мВ] 2,8289 ноль [мВ] 0,0748 Линейность %: 0,3276	ноль [мВ] 0,0538 эл.мощн.-5%[мВт] 9,1350 сигнал [мВ] 2,5294 эл.мощн.±0%[мВт] 9,6378 сигнал [мВ] 2,6756 эл.мощн.+5%[мВт] 10,102 сигнал [мВ] 2,7988 ноль [мВ] 0,0382 Линейность %: 0,2816
10-1	ноль [мВ] 0,4734 эл.мощн.-5%[мВт] 95,209 сигнал [мВ] 26,380 эл.мощн.±0%[мВт] 100,24 сигнал [мВ] 27,918 эл.мощн.+5%[мВт] 105,24 сигнал [мВ] 29,332 ноль [мВ] 0,5184 Линейность %: 0,3467	ноль [мВ] 0,4049 эл.мощн.-5%[мВт] 95,213 сигнал [мВ] 26,351 эл.мощн.±0%[мВт] 100,25 сигнал [мВ] 27,918 эл.мощн.+5%[мВт] 105,24 сигнал [мВ] 29,343 ноль [мВ] 0,5328 Линейность %: 0,3336	ноль [мВ] 0,4039 эл.мощн.-5%[мВт] 95,214 сигнал [мВ] 26,349 эл.мощн.±0%[мВт] 100,24 сигнал [мВ] 27,913 эл.мощн.+5%[мВт] 105,24 сигнал [мВ] 29,333 ноль [мВ] 0,5208 Линейность %: 0,3325
1	ноль [мВ] 1,3654 эл.мощн.-5%[мВт] 480,51 сигнал [мВ] 132,56 эл.мощн.±0%[мВт] 506,02 сигнал [мВ] 140,63 эл.мощн.+5%[мВт] 531,44 сигнал [мВ] 147,96 ноль [мВ] 2,1994 Линейность %: 0,3618	ноль [мВ] 1,5644 эл.мощн.-5%[мВт] 480,52 сигнал [мВ] 132,78 эл.мощн.±0%[мВт] 506,02 сигнал [мВ] 140,78 эл.мощн.+5%[мВт] 531,44 сигнал [мВ] 148,08 ноль [мВ] 2,2358 Линейность %: 0,3562	ноль [мВ] 1,4925 эл.мощн.-5%[мВт] 480,51 сигнал [мВ] 132,78 эл.мощн.±0%[мВт] 506,02 сигнал [мВ] 140,82 эл.мощн.+5%[мВт] 531,45 сигнал [мВ] 148,13 ноль [мВ] 2,2552 Линейность %: 0,3565

7. Заключение: оценки значений составляющей погрешности QЛ, обусловленной линейностью значения выходного сигнала фотодиода при подведении на его вход постоянной мощности, не выходят за пределы допуска.

QЛ = 0,50% при мощности Р=10-4 мВт

QЛ = 0,47% при мощности Р=10-3 мВт

ПРОТОКОЛ № 7

1. Объект исследований: Средство измерений средней мощности лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур (СИМЛИ), интегрирующая сфера (ИС).

2. Цель проведения исследований: измерение интегрального коэффициента отражения интегральной сферы и составляющей погрешности, вносимой неравномерностью зонной характеристики ИС.

3. Дата проведения исследований: 01.02.16 г.

4. Место проведения исследований: ФГУП «ВНИИОФИ».

5. Условия проведения исследований:

температура окружающего воздуха (20 ± 2) С;

относительная влажность воздуха (65 ± 15) %;

атмосферное давление (100 ± 4) кПа.

6. Результаты исследований: результаты определения значения интегрального коэффициента отражения интегральной сферы приведены в таблице 17.

Таблица 17 - Результаты определения значения интегрального коэффициента отражения

№	сф	сф, ср	Qсф, %
1	0,982	0,9826	0,15
2	0,982
3	0,985
4	0,981
5	0,983

7. Заключение: среднее значение значения интегрального коэффициента отражения ИС сфср: 0,9826, составляющая погрешности, вносимая неравномерностью зонной характеристики ИС, %: 0,15.

В ходе проведения метрологического исследования данного средства измерений было выполнено:

В процессе проведения измерений средней мощности лазерного излучения полупроводниковых лазеров определяются значения средней мощности P по формуле (9).

Погрешность измерений мощности лазерного излучения будет определяться уравнением (17).

; (17)

где QР - погрешность, обусловленная зависимостью коэффициента преобразования от уровня измеряемой средней мощности в диапазоне ±0.1 Вт;

Qд - погрешность, обусловленная дрейфом установившегося значения выходного сигнала фотодиода при подведении на его вход постоянной мощности;

Qxy - погрешность, обусловленная изменением коэффициента преобразования при подведении мощности к различным участкам поверхности приемного элемента фотодиода;

QЛ - погрешность, обусловленная линейностью значения выходного сигнала фотодиода при подведении на его вход постоянной мощности;

Qсф - погрешность, обусловленная вносимой неравномерностью зонной характеристики интегрирующей сферы.

Бюджет составляющих погрешностей при измерении углов расходимостей пучка лазерного излучения приведен в табл. 18.

Таблица 18 - Бюджет составляющих погрешностей при измерении мощности лазерного излучения

№№	Наименование составляющей погрешности	Обозначение	Значение, %
1	2	3	4
1	погрешность, обусловленная зависимостью коэффициента преобразования от уровня измеряемой средней мощности в диапазоне ±0.1 Вт	QР	0,04
2	погрешность, обусловленная дрейфом установившегося значения выходного сигнала фотодиода при подведении на его вход постоянной мощности	Qд	0,01
3	погрешность, обусловленная изменением коэффициента преобразования при подведении мощности к различным участкам поверхности приемного элемента фотодиода	Qxy	0,02
4	погрешность, обусловленная линейностью значения выходного сигнала фотодиода при подведении на его вход постоянной мощности	QЛ	0,5
5	погрешность, обусловленная вносимой неравномерностью зонной характеристики интегрирующей сферы	Qсф	0,15

Результаты метрологического исследования показали, что фактические характеристики погрешности измерений мощности лазерного излучения () не превышают значений 1 %.

3.3 Анализ средства измерений спектральных характеристик лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур

Было исследовано созданное во ФГУП «ВНИИОФИ» средство измерений спектральных характеристик лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур.

Основными элементами данного средства измерений спектральных характеристик являются спектрометр и интегрирующая сфера.

В этом средстве измерений спектральных характеристик был использован ПЗС-спектрометр фирмы «OPHIR» модели WAVESTAR-VIS-HEAD на спектральный диапазон 570,0ч1070,0 нм.

Среднее значение разрешающей способности составляет ~0,015 нм.

ПЗС-спектрометр предназначен для измерений длины волны и спектра излучения в реальном масштабе времени и может работать как с импульсным, так и непрерывным излучением. Оптическая схема спектрометра представлена на рис. 21.

Излучение от исследуемого источника лазерного излучения проходит через входную щель прибора и попадает на первое сферическое зеркало, которое создает параллельный пучок. Отраженный от дифракционной решетки диспергированный поток излучения попадает на второе сферическое зеркало, которое фокусирует его на линейном матричном ПЗС детекторе.

Программное обеспечение позволяет:

а) Автоматически регистрировать среднее взвешенное значение длины волны (момент первого порядка) и ширину спектральной полосы (момент второго порядка) .

Рис. 21 - Оптическая схема спектрометра WAVESTAR-VIS-HEAD

б) спектральное распределение мощности для непрерывного и энергии для импульсного излучения.

Общий вид спектрометра показан на рисунке 22.

Рис. 22 - Общий вид спектрометра WAVESTAR-VIS-HEAD



Для калибровки данного средства измерений была разработана Методика калибровки средств измерений спектральных характеристик лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур приведенная в приложении 2.

Отображение результатов на экране монитора персонального компьютера измерений длины волны лазерного излучения приведено на рис. 23.

Рис. 23 - Измерения длины волны лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур

В ходе работы было проведено метрологическое исследование средства измерений спектральных характеристик лазерного излучения, результаты которого приведены в протоколе №8:

ПРОТОКОЛ № 8

1. Объект исследований: Средство измерений спектральных характеристик лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур (СИСХЛИ), спектрометр.

2. Цель проведения исследований: оценка погрешности дискретизации спектрометра OPHIR Wavestar-V идисOPH.

3. Дата проведения исследований: 01.02.16 г.

4. Место проведения исследований: ФГУП «ВНИИОФИ».

5. Условия проведения исследований:

температура окружающего воздуха (20 ± 2) С;

относительная влажность воздуха (65 ± 15) %;

атмосферное давление (100 ± 4) кПа.

6. Результаты исследований:

Погрешность дискретизации спектрометра OPHIR Wavestar-V идисOPH определяется из свидетельства о калибровке и составляет 8,3·10-5.

7. Заключение: в результате проведения исследований погрешность дискретизации спектрометра OPHIR Wavestar-V и OPHIR Wavestar-U идисOPH составляет 8,3·10-5.

В ходе проведения метрологического исследования данного средства измерений было выполнено:

Рассчитана погрешность измерений длины волны лазерного излучения, которая определяется погрешностью дискретизации спектрометра.

3.4 Использование исследованных средств измерений в виде единой измерительной системы

Исследованные выше средства измерений можно использовать в виде единой измерительной системы, позволяющей измерять все три рассмотренные характеристики одновременно, при этом основное предназначение каждого из исследуемых средства измерений не изменяется, другими словами, каждое средство измерений отвечает за измерения той оптической характеристики, которая ему приписана.

Как показано на рис. 24, основой этой единой системы является интегрирующая сфера 2 (компаратор), на внутренней поверхности которой расположены входные окна двух средств измерений, входящих в состав системы:

- средство измерений спектральных характеристик 7, на вход которого подается лазерное излучение с помощью стекловолоконного жгута 6;

- средство измерений пространственных характеристик лазерного излучения 9, на входе которого с помощью оптической системы 4 строится изображение, создаваемое исследуемым полупроводниковым лазером 1 на матовом экране 3.

Сама интегрирующая сфера со встроенным на ее внутреннюю поверхность фотодиодом 5 и защитным экраном 8 образует, как было показано в разделе 3.2, средство измерений мощности лазерного излучения, которое калибруется на вторичном эталоне единиц средней мощности и энергии лазерного излучения. Выходной сигнал со средства измерений мощности лазерного излучения измеряется мультиметром 11.

На внутренней поверхности интегрирующей сферы предусмотрено посадочное отверстие для установки полупроводникового лазера на наногетероструктуре 1, который подлежит исследованию. Лазер запитывается от своего блока питания 10.

Рис. 24 - Структурная схема единой измерительной системы для измерения оптических, энергетических и спектральных параметров полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур. 1. Полупроводниковый лазер на основе наногетероструктур; 2. Интегрирующая сфера; 3. Матовый экран; 4. Фокусирующая оптика; 5. Фотодиод; 6. Оптоволоконный жгут; 7. Спектрометр; 8. Защитный экран; 9. Средство измерений пространственных характеристик лазерного излучения; 10. Источник питания полупроводникового лазера. 11. Мультиметр. 12. Персональный компьютер

Вся измерительная информация поступает, обрабатывается и регистрируется персональным компьютером 12.

На рис. 25 представлен общий вид измерительной системы.

Рис. 25 - Общий вид единой измерительной системы

Принцип действия единой измерительной системы, как уже указывалось выше, основан на одновременном измерении трех основных характеристик полупроводниковых лазеров на наногетероструктурах, а именно, мощности, спектрального и пространственного ее распределения.

Использование единой измерительной системы дает возможность проводить измерение этих параметров с высокой точностью, что позволяет повысить энергоэффективность (дифференциальную квантовую эффективность или коэффициент полезного действия) этого типа лазеров и минимизировать их оптические потери.



Заключение

Проведенный обзор существующих типов лазеров на основе наногетероструктур позволил обобщить и выделить типичные энергетические, спектральные и пространственные характеристики лазеров. Среди всех параметров лазеров на основе наногетероструктур были определены три наиболее востребованных, что позволило правильно выбрать направление в исследовании средств измерений этих характеристик.

В результате проведенного обзора методов измерений было установлено:

- в качестве метода измерений мощности лазерного излучения наиболее приемлемым из-за большой расходимости излучения лазеров на основе наногетероструктур (40є и более) является метод, основанный на использовании интегрирующей сферы со встроенным на ее внутренней поверхности фотоэлектрическим приёмником, т.к. сфера позволяет полностью охватить излучение в таком угле и исключить влияние на результат измерений потерь излучений;

- в качестве метода измерений углов расходимости наиболее приемлемым является метод, основанный на проецировании с помощью объектива изображения, создаваемого излучением лазеров на основе наногетероструктур пучка лазерного излучения на матовом экране;

- в качестве метода измерений длины волны излучения лазеров на основе наногетероструктур наиболее приемлемым является метод прямых измерений, при котором часть излучения отводится на стекловолоконный вход спектрометра, предназначенного для измерения спектральных характеристик лазерного излучения.

Были выбраны и исследованы средства измерений оптических, энергетических и спектральных параметров полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур. Было принято участие в разработке методик калибровки для этих средств измерений. Результаты метрологического исследования мощности лазерного излучения показали, что фактические характеристики погрешности измерений этих параметров не превышают 1 %, а для и углов расходимости лазерного излучения не превышают 2 %. А погрешность измерений длины волны лазерного излучения определяется погрешностью дискретизации спектрометра OPHIR Wavestar-V и равна 8,3•10-5.

Было принято участие в разработке методик измерений:

- средней мощности лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур;

- длины волны лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур;

- углов расходимости лазерного излучения полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур.

В процессе исследования средств измерений оптических, энергетических и спектральных параметров полупроводниковых лазеров на основе наногетероструктур была проработана возможность обеднения всех описанных средств измерений в единую измерительную систему, которая значительно облегчит и ускорит процесс контроля за качеством продукции на производстве полупроводниковых лазеров. Также было принято участие в разработке макета этой системы. Использование средств измерений на производстве в виде единой измерительной системы позволит оценивать и корректировать технологию изготовления полупроводниковых лазеров на наногетероструктурах и проводить их сертификацию после их изготовления.



Список используемой литературы

1. Asada M., Miyamoto Y., Suematsu Y. Gain and the threshold of three-dimensional quantum-box lasers // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1986. V. 22, I. 9, P. 1915.

2. 2 Методы и средства метрологического обеспечения измерения частотных характеристик лазеров // Сборник научных трудов. НПО «ВНИИ им. Д.И.Менделеева» / под ред. Соловьева В.С. Ленинград.: НПО «ВНИИМ», 1987. С. 114.

3. 3 Багаев С.Н., Чеботарев В.П. Лазерные стандарты частоты // УФН. 1986. T.148, №1, С. 143-178.

4. 4 Udem Th., Holzwarth R., Hansch T. W. Review article Optical frequency metrology // Nature. 2002. V. 416, P. 233.

5. 5 Diddams S.A., Jones D.J., Jun Ye, Cundiff S.T., Hall J.L. etc. Direct Link between Microwave and Optical Frequencies with a 300 THz Femtosecond Laser Comb // Physical Review Letters. 2000. V.84, N. 22, P.5102.

6. 6 Желтиков А.М. Да будет белый свет: генерация суперконтинуума сверх короткими лазерными импульсами // УФН. 2006. T.176, №6, С. 623-649.

7. 7 Иванов В.С., Котюк А.Ф., Либерман А.А., Овсик Я., Улановский М.В. Фотометрия и радиометрия оптического излучения. Книга 3 Измерения спектральных, корреляционно-фазовых и поляризационных параметров и характеристик лазерного излучения (спектрально-частотная, корреляционно-фазовая и поляризационная лазерометрия). М.: Полиграф сервис, 2001. С. 216.