1.2. Оптические параметры мдз и способы их измерения

1.2.1. Энергетические параметры

В литературе, посвященной лазерам, зеркала характеризуются, как правило, одним параметром - коэффициентом отражения на рабочей длине волны. Однако, как будет показано далее, для наиболее высоко-отражающих зеркал этот коэффициент не может быть измерен с удовлетворительной точностью, а количество параметров, которые необходимо принимать во внимание при создании наиболее сложных приборов, может достигать четырех-шести. При этом только для измерения спектральной характеристики используются серийно выпускаемые приборы, для измерения же таких параметров, как коэффициент отражения или рассеяния «назад» в настоящее время существуют лишь отдельные лабораторные установки.

Для пояснения трудностей, возникающих при измерении параметров МДЗ, рассмотрим баланс энергии падающего на зеркало излучения (рис. 1.3).

Рис. 1.3

Так как мощность падающего излучения Р_S, делится на отраженную Р_R , проходящую Р_T. , рассеянную Р_G и поглощенную Р_A компоненты, имеет место равенство

(1.7)

При этом поглощение падающего на зеркало излучения вызывает его нагрев, что используется в приборах калориметрического типа для непосредственного измерения потерь на поглощение.

Коэффициент поглощения, определяемый как

(1.8)

для МДЗ составляет сотые доли процента и в большинстве расчетов принимается равным нулю. Однако отклонения от оптимальных режимов в процессе изготовления могут привести к резкому увеличению коэффициента поглощения во всей партии изготовляемых зеркал. Поэтому одно зеркало из партии проверяют на «технологическом» лазере. Если потери на поглощение пренебрежимо малы, пороговый ток (минимальный, при котором возникает генерация в лазере) не будет превышать определенного значения, характерного для конкретного прибора. В противном случае зеркало имеет повышенный коэффициент поглощения или пропускания.

Коэффициент пропускания, определяемый как

(1.9)

можно измерить следующим образом (рис. 1.4: 1 - лазер; 2 - нейтральный светофильтр; 3 - зеркало; 4 - фотоприемник; 5 - измерительный прибор; б - пластинка; 7 - поляризатор).

Р ис. 1.4

Сначала на пути луча устанавливают нейтральный светофильтр с известным коэффициентом пропускания _nl . При этом показания измерительного прибора

(1.10)

где P_laz ~ мощность излучения лазера; S_PD - чувствительность фотоприемника.

Затем на пути луча устанавливают исследуемое зеркало и убирают нейтральный светофильтр. Показания измерительного прибора

(1.11)

где  - коэффициент пропускания зеркала. Из (1.10) и (1.11) находим

(1.12)

при условии, что за время измерения мощность лазера и чувствительность фотоприемника не изменялись.

Если зеркало предназначено для работы под углами падения, отличными от 0⁰, необходимо учитывать что его коэффициент пропускания зависит от поляризации падающего излучения. Поляризация, при которой, вектор расположен перпендикулярно плоскости падения луча (совпадающей с плоскостью рисунка), условно называют S-поляризацией, а при расположении его в плоскости падения луча – P-поляризацией (рис. 1.5).

Р ис. 1.5

Для установки нужного вида поляризации на пути луча помещают поляризатор, ориентированный соответствующим образом. Однако, так как излучение лазера уже является линейно поляризованным, при некоторых положениях поляризатора будет происходить гашение луча. Во избежание этого между лазером и поляризатором помещают четвертьволновую пластинку, которая изменяет линейную поляризацию лазера на круговую (циркулярную).

Согласно определению коэффициент отражения

(1.13)

Прибор для измерения R- рефлексометр, его принцип работы заключается в измерении мощности отраженного P_R и падающего P_S лучей (рис. I.6. 1 - лазер; 2 - зеркало; 3 - фотоприемник; 4 - измерительный прибор). Затем по формуле (1.13) вычисляется R.

Р ис. 1.6

Оценим необходимую для практических целей точность измерений. Для создания, например, высокодобротного резонатора лазера, необходимы зеркала с коэффициентом отражения 99,90...99,95%. Для измерения приращения R= 0,05% с относительной погрешностью 20% абсолютная погрешность должна соответствовать 0,05%  0,2 = 0,01%.

При выполнении измерений по описанной методике имеет место два основных источника погрешностей: нестабильность мощности лазера за время перевода фотоприемника из позиции b в позицию a, и смещение светового пятна на фотоприемнике в сочетании с неравномерностью чувствительности его по площадке. Влияние первого дестабилизирующего фактора может быть снижено применением стабилизированного по мощности лазера, второго - использованием фотоприемника с интегрирующей сферой.

Тем не менее, достижение погрешности 0,01% при оптических измерениях представляет собой трудную задачу даже для уникальных приборов. Этим и объясняется тот факт, что для МДЗ измерения возможны, но точность их будет неудовлетворительной, хотя для значений R  80 … 97% такие приборы широко применяются.

Коэффициент рассеяния

(1.14)

измеряют следующим образом. МДЗ помещают в интегрирующую сферу под тем углом, под которым должно рботать зеркало. Для вывода прошедшего и отраженного лучей в ней имеются небольшие отверстия. Мощность P_C измеряется фотоприемником, площадка которого обращена внутрь сферы (рис. 1.7).

Рис. 1.7

Затем луч направляют через соседнее отверстие, при этом измеряется P_S.

Конструкция реального прибора, работающего по рассмотренному принципу, достаточно сложна, так как коммутация луча достигается за счет применения специального оптикомеханического модулятора. Результаты измерения обрабатываются автоматически.

На практике применяется более простая схема, имеющая один принципиальный недостаток, рассмотренный далее (рис.1.8: 1 - нейтральный светофильтр; 2 - интегрирующая сфера; 3 - эталон диффузного отражения; 4 - фотоприемник; 5 - держатель с исследуемым зеркалом; 6 - измерительный прибор).

Рис. 1.8

Измерения производятся следующим образом. На пути луча устанавливают нейтральный светофильтр, а в сферу - эталон диффузного отражения. При этом показания измерительного прибора

(1.15)

где R_et - коэффициент диффузного отражения эталона, R_et  0,90...О,95. После этого вместо эталона 3 устанавливают исследуемое зеркало 5 и убирают фильтр 1. Показания измерительного прибора

(1.16)

Из (1.15) и (I.I6) находим

Недостаток данной схемы состоит в том, что МДЗ, рассчитанным на ненулевой угол падения света, приходится измерять при угле падения луча 0⁰. При этом МДЗ может пропускать значительно больше света, чем если бы оно было установлено под рабочим углом, и при наличии за зеркалом любых дополнительных поверхностей показания будут завышены.

Назначение фильтра 1 заключается в том, чтобы сделать отсчеты a и b величинами одного порядка. Если в качестве фотоприемника 4 использовать кремниевый фотодиод, характеризующийся линейной зависимостью выходного тока от освещенности в широком динамическом диапазоне, фильтр 1 можно исключить. Для лучших МДЗ с  0,02% a:b = 5000:1. Во всех рассмотренных схемах приходится иметь дело со слабыми электрическими сигналами, поэтому в качестве измерительного прибора используют селективные измерительные усилители, а световой пучок модулируют с частотой порядка 0,2 … 2,0 кГц.

Описанная методика обеспечивает измерение интегрального коэффициента рассеяния. Для некоторых применений МДЗ существенную роль играет относительная величина рассеянного излучения в направлении к источнику излучения, называемая рассеиванием «назад». Эта величина является составной частью интегрального коэффициента рассеяния и может быть в принципе измерена по схеме рис. 1.9, где 1 – лазер; 2 – светоделитель; 3 – исследуемое зеркало; 4 – фотоприемник; 5 – измерительный прибор; 6 – ловушка света.

Р ис. 1.9

Ввиду крайней малости измеряемой величины всевозможные паразитные засветки вносят значительные погрешности в подобные измерения. Из-за невозможности обеспечить полное поглощение света ловушки 6 заставляют периодически колебаться, поскольку основной сигнал измеряется в узкой полосе частот, влияние засветок ослабляется.