Увеличение чувствительности в пондеромоторных измерителях и улучшение
развязки подвижной системы от толчков и вибраций достигнуты при помощи
бесконтактного подвеса в магнитном поле (рис. 1.5). Подвижная система 1 с
приемной пластиной 2, противовесом 3 и ферромагнитным якорем 4 подвешена в
магнитном поле соленоида 5 внутри камеры. Ток соленоида регулируется
специальной автоматической системой, состоящей из датчика 6, линейного 7 и
дифференциального устройства 9. При изменении вертикального положения
системы в ответ на сигнал датчика вырабатывается сигнал обратной связи,
усиливающий или ослабляющий ток через соленоид и стабилизирующий положение
системы. Поперечная устойчивость обеспечивается радиальным градиентом
напряженности поля соленоида.
Помимо крутильных весов для измерения используются механотроны,
которые представляют собой электровакуумный прибор с механически
управляемыми электродами. При воздействии внешнего механического сигнала в
механотроне происходит перемещение одного или нескольких подвижных
электродов, что вызывает соответствующее изменение анодного тока.
Рисунок 1.6Схема устройства диодного механотрона
Отечественная промышленность выпускает ряд механотронных
преобразователей, оформленных в виде обычных электронных ламп с октальным
цоколем (6MXIБ, 6MXЗС и др.) и в миниатюрном оформлении с гибкими выводами
(6MXIБ и т.п.). Конструкция этих механотронов показана на рис. 1.6. Сам
механотрон представляет собой диод с плоскопараллельными электродами. В
стеклянном баллоне 1 находятся неподвижный катод 2 с подогревателем 3 и
подвижный анод 4, жестко соединенный со стержнем 5, который впаян в гибкую
мембрану 6. Входной механический сигнал (сила F) подается на внешний конец
стержня. При этом подвижный анод перемещается относительно неподвижного
катода, что приводит к изменению анодного тока и выходного сигнала
преобразователя, который для измерения включают в мостовые схемы.
Чувствительность механотронов не превышает 10 мА/г (или по мощности 10-
9 А/Вт). Такое значение чувствительности при величине флуктуаций тока 0.1
мкА, вызываемых температурным дрейфом, толчками и вибрациями, дает
возможность уверенно измерять давление непрерывного излучения более 1кВт.
Если излучение промодули ровать так, чтобы подвижная система механотрона
вошла в резонанс, нижний предел измерения может достичь 100 Вт. Поэтому
механотронный преобразователь обычно применяют для измерения больших
уровней мощности и энергии импульсов лазерного излучения, например
непрерывного излучения мощных СО2-лазеров и импульсного на стекле с
неодимом.
Опыт, накопленный при разработке и эксплуатации различных типов
измерителей энергии и мощности лазерного излучения, позволяет сделать
заключение об областях применения, достоинствах и недостатках различных
методов.
К достоинствам теплового метода измерения энергетических параметров
лазерного излучения относятся широкие спектральный и динамический диапазоны
измерения, простота и надежность измерительных средств. В настоящее время в
некоторых калориметрических измерителях достигнута наиболее высокая
точность измерения, а при использовании пироэлектрических приемников
излучения и быстродействующих термоэлементов и болометров удалось получить
быстродействие до единиц наносекунд.
К недостаткам теплового метода можно отнести малое быстродействие и
чувствительность как раз тех тепловых приборов, которые обеспечивают
наиболее высокую точность измерения.
В приборах, основанных на фотоэлектрическом действии излучения,
достигаются максимальная чувствительность и быстродействие; это позволяет
использовать их в качестве измерителей формы импульсов и импульсной
мощности вплоть до субнаносекундного диапазона. Недостатками таких приборов
является сравнительно узкий спектральный диапазон и обычно невысокий
верхний предел измерения мощности (энергии), а также большая погрешность
измерений (5…30%) по сравнению с тепловыми приборами.
Преимущество пондеромоторного метода — высокий верхний предел
измерения энергии и мощности излучения при достаточно высокой точности
абсолютных измерений. Основной недостаток — жесткие требования к условиям
эксплуатации (особенно к вибрации) и, вследствие этого, ограничения к
применению в полевых условиях.
Измерение основных параметров импульса лазерного излучения
Как известно ряд активных сред в силу принципиальных или технических
ограничений обычно работают в импульсном режиме генерации, Сюда в первую
очередь относятся лазеры на самоограниченных переходах — азотный лазер,
генерирующий в УФ диапазоне ((=337,1 нм), и лазер на парах меди, дающий
мощные импульсы зеленого излучения ((=510,5 нм), Еще более широко
распространены рубиновые лазеры и лазеры на неодимовом стекле, импульсный
характер генерации которых обусловлен прежде всего особенностями системы
накачки и охлаждения активной среды. И наконец, в некоторых наиболее
ответственных случаях для повышения пиковой мощности излучения некоторые
лазеры переводятся в режим управляемой генерации; при этом наиболее часто
используются методы управления добротностью резонатора для получения так
называемого гигантского импульса и синхронизации продольных мод с целью
получения пикосекундных (правильнее — сверхкоротких) импульсов.
В результате возникает задача измерения основных параметров
генерируемого лазером импульса излучения. Очевидно, что наиболее простым
было бы построение измерений по схеме получения абсолютной зависимости
мощности излучения от времени P(t) с последующим извлечением из нее всех
интересующих величин — обычно это пиковая мощность Pu,max=P(t*), энергия
импульса
[pic] и его длительность (t. Однако точность таких измерений
обычно невелика. Поэтому, как правило, разделяют измерение временных (Рmax
и (u) и энергетических (W) параметров, что кроме повышения точности
получаемых результатов позволяет упростить сами измерения. При этом
измерение энергии импульса проводится обычно с помощью калориметрического
измерителя (см.1.1), обеспечивающего наибольшую точность, или фотодиода с
последующим интегрированием фототока, а измерение зависимости Р(t) — с
помощью фотоэлектронного приемника с высоким временным разрешением. Именно
по такой схеме построены серийные приборы марок ФН и ФУ, рассчитанные на
работу в диапазоне 0.4…1.1 мкм при энергии в импульсе 10-3…10 Дж и пиковой
мощности 104 …108 Вт; при длительности импульса (u =2.5…5(10-9 с и частотой
повторения F < 1 кГц погрешность измерения энергии (E(20%, а мощность около
25%.
Анализ параметров импульса с помощью осциллографа.
Для измерения формы импульса и его временных параметров (в частности,
длительность импульса (u, времен нарастания и спада и т.п.) используют
быстродействующие фотоприемники с высокой линейностью световой
характеристики. К ним, в первую очередь, относятся специально разработанныt
во ВНИИОФИ коаксиальные фотоэлементы серии ФЭК, рассчитанные на нагрузку 75
Ом и напряжение питания 1000 В; их временное разрешение (собственная
постоянная времени) колеблется в пределах от 10-9 до 10-10 с, и
максимальный фототок от 1 до 7 А у разных марок, отличающихся конструкцией
и типом фотокатода.
Таким образом, вопрос об эффективном преобразовании светового импульса
в электрический в первом приближении (по крайней мере для лазеров с
"гигантским" импульсом) можно считать решенным. Для исследования формы
полученного электрического импульса используются как обычные универсальные
осциллографы с полосой пропускания до 107 Гц, так и специальные скоростные
осциллографы с полосой пропускания 1...5 ГГц и чувствительностью (1 мм/В.
Последние обычно не имеют усилителя (вертикального входа), и сигнал в них
подается непосредственно на верительные отклоняющие пластины, что и
обеспечивает широкую полосу пропускания, но при низкой чувствительности к
входному сигналу. Дальнейший анализ осциллограммы проводится по ее
фотоснимку, а также при использовании ЭЛТ с длительным свечением люминофора
или с накоплением заряда и последующим его многократным считывании.
Ввиду плохой воспроизводимости параметров лазерных импульсов
использование стробоскопических методов исследования не обеспечивает
необходимой точности измерений и потому обычно не практикуется.
Изучение формы сверхкоротких лазерных импульсов
Как указывалось в 1.1.2, наиболее быстродействующие фотоэлектрические
приемники излучения имеют постоянную времени 10-10 …10-9 с, т.е. с их
помощью можно надежно исследовать только "гигантские" импульсы, типичная
длительность которых составляет 10-8 с, а времена нарастания и спада могут
быть значительно короче. Поэтому при исследовании временных зависимостей в
случае наиболее коротких гигантских импульсов и, особенно, пикосекундных
импульсов используют косвенные методы, основанные на применении временной
развертки, используемой в электронных и оптических осциллографах. В
настоящее время принцип сверхскоростной временной развертки реализован как
на базе оптико-механической развертки с растрами (кинокамера типа "лупа
времени"), Что позволяет зарегистрировать Набор малоинформативных двумерных
изображений с частотой съемки 105…108 кадр/с, так и на базе непрерывной
одномерной (щелевой) оптико-механической развертки (щелевые
фоторегистраторы) с временным разрешением от 10-7 до 3(10-9 с. Таким
образом, использование оптико-механической развертки не позволяет сколько-
нибудь существенно улучшить временное разрешение, обеспечиваемое
малоинерционными фотоприемниками, но позволяет получить набор двумерных
(например, распределение по поперечному сечению пучка) или одномерных
(одномерное сечение пучка, спектр и т.п.) изображений, правда, только для
излучения лазеров УФ, видимого и ближнего ИК диапазонов, что определяется
ограниченным спектральным диапазоном используемых фотопленок.
Поэтому в некоторых случаях применяют электронную развертку одно- или
двумерных электронных "изображений", поступающих с фотокатода (сурьмяно-
цезиевого, многощелочного или кислородно-цезиевого, что оговаривается при
заказе конкретного прибора) ЭОПа. В случае использования кислородно-
цезиевого фотокатода "красная" граница достигает 1.3 мкм. Однако более
существенным преимуществом используемых для высокоскоростной регистрации
ОЭПов является значительное усиление яркости регистрируемого изображения —
до (103…108 )х в многокаскадных (2…6) приборах; это важно при регистрации
маломощных пикосекундных импульсов. В зависимости от электронной системы
развертки можно получить 9…12 отдельных кадров (двумерных изображений) с
временем экспонирования до 10-9…5(10-13с, что обеспечивается отдельным
электронным затвором, расположенным обычно у фотокатода. Частота смены
кадров, обеспечиваемая за счет синхронной работы двух взаимно
перпендикулярных систем электростатического отклонения (всего пучка
фотоэлектронов), гораздо ниже, что затрудняет исследование динамики
процесса генерации.
По этой причине ЭОПы с разверткой обычно используют для исследования
только временных зависимостей интенсивности сфокусированногованного
(монохроматическим объективом) пучка излучения пикосекундного лазера.
Применяемая при этом одномерная (обычно линейная) развертка может иметь
скорость до 1010 см/с, что обеспечивает получение на выходном
люминесцентном экране ((40 мм) с разрешением от 5…10 лин/мм (в 5-6-
каскадных ЭОПах) до 50 лин/мм (в однокаскадных) временной разрешающей
способности 10-11 с. Рекордная скорость одномерной (спиральной) развертки
(6(1010 см/с) достигнута в ЭОПе "Пикохрон-1" за счет использования на
отклоняющих пластинах СВЧ-напряжения (( = 3 см);
соответственно при разрешающей способности (не экране) 5 лин/мм
временное разрешение моют достигать 5(10-13 с, что соответствует временным
разбросам пролета электронов в пучке, и поэтому не может быть улучшено
повышением скорости развертки. Характерно, что для обеспечения
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11
|