Лазерне випромінювання характеризується деякими особливостями:
       1 - широкий спектральний (& = 0.2 .. 1 мкм) і динамічний (120 .. 200 дБ);
2 - мала тривалість імпульсів (до 0.1 нс);
3 - висока щільність потужності (до 1e +9 Вт/см ^ 2) енергії;
1. Вимірювання енергетичних параметрів і характеристик лазерного випромінювання
1.1 Вимірювання потужності та енергії лазерного випромінювання.
Енергія [Дж] - енергія, що переноситься лазерним випромінюванням - W Потужність [Вт] - енергія, що переноситься лазерним випромінюванням
в одиницю часу - P
Засоби вимірювання містять:
       1) Піп - приймач (первинний) вимірювальний перетворювач
2) Вимірювальний пристрій
3) регулює або відліковий пристрій
       У Піп енергія перетворюється на теплову чи механічну або в електричний сигнал
Піп діляться на два типи: що поглинає і прохідного
       У Піп поглинаючого типу, вступаючи на вхід енергія лазерного випромінювання майже повністю поглинається і розсіюється в ньому.
       У Піп проходить типу розсіюється лише надійшла на вхід енергії випромінювання, а більша частина випромінювання проходить через перетворювач і може бути використана для необхідних цілей.
       Вимірювальний пристрій включає перетворюючі елементи і вимірювальну ланцюг. Їх призначення - перетворення вихходного сигналу Піп в сигнал, що подається на відліковий пристрій.
       Відліковий або реєструючий пристрій служить для зчитування або реєстрації значення вимірюваної величини.
1.1.1 Тепловий метод
       Суть методу полягає в тому, що енергія випромінювання при взаємодії з речовиною Піп перетворюється на теплову енергію, яка згодом вимірюється.
       Для вимірювання теплової енергії, що виділяється в піп, зазвичай використовують:
       -термоелектричний ефект Зеєбека (виникнення теплової ЕРС між нагрітими і холодними спаянимі провідниками з двох різних металів або провідників);
       -боллометріческій ефект (явище зміни опору металу або напівпровідника при зміні температури);
-фазові переходи "тверде тіло-рідина" (лід-вода);
       -ефект лінійного або об'ємно розширення речовин при нагріванні;
       Необхідно відзначити, що всі теплові Піп в принципі є калориметрії.
Позитивні калориферів відносяться:
-широкий спектральний і динамічний діапазон роботи;
-висока лінійність, точність, стабільність характеристик;
-простота конструкції;
       Тепловий потік: Ф = Gt (Tk-To), де Gt - теплова провідність; Rt/1 = 1/Gt - тепловий опір.
Рівняння теплового рівноваги має вигляд: dT (t) T (t)
P (t) = C *----- + ----, де P (t) - потужність, розсіює в dT Rt
калориметр; C - теплоємність;
T = Tk-To
       Якщо в Піп чутливим елементом є термометричні опір, який безпосередньо сприймає оптичне випромінювання і в ньому присутній приймальний елемент, то такий Піп називається болометром.
       Принцип роботи піроелектричні Піп заснований на використанні піроелектричні ефекту, що спостерігається в ряду нецентросімметрічних кристалів при їх опроміненні і проявляється у виникненні зарядів на гранях кристала перпендикулярних особливою полярної осі. Якщо виготовити невеликий конденсатор і між його обкладками помістити Піроелектрики, то зміни температури, зумовлене поглинанням випромінювання, будуть проявлятися у вигляді зміни заряду цього конденсатора і можуть бути зареєстровані.
       Вихідний сигнал піроелектричні Піп пропорційний швидкості зміни середнього приросту температури (d T/dt) чутливого елемента. Наслідком цього є висока швидкодія піропріемніков (до 1E-c), а також їх чутливість, великий динамічний діапазон; широкий спектральний діапазон (0.4 .. 10.6 мкм). Конструктивно чутливий елемент піропріемніка не відрізняється від калометріческіх піп, за виключення самого чутливого елемента, виконаного з Піроелектрики.
       У промисловості найбільшого поширення набули приймачі на основі титану барію, на основі кераміки цирконату - титанат барію.
1.1.2 Фотоелектричний метод
       Заснований на переході носіїв заряду під дією фотонів вимірюваного випромінювання на більш високі енергетичні рівні.
       Як Піп використовують фотоприймачі (ФП), які поділяються на 2-е групи: з зовнішнім і внутрішнім фотоефектів. Зовнішній полягає в вибиванні фотоном електрона з металу, що перебуває у вакуумі, внутрішній - у переході електронів з зв'язує стану під дією фотонів у вільний тобто в збуджений стан усередині матеріалів. В обох випадках перехід відбувається при поглинанні речовиною окремих квантів випромінювання, тому ФП є квантовими перетворювачами. Вихідний електричний сигнал ФП залежить не від потужності падаючого випромінювання, а від кількості квантів випромінювання та енергії кожного кванта.
       Загальна вираз перетворення вхідного оптичного сигналу у вихідний електричний сигнал:
I-Iфп + IТ = S P + IТ
Де I - повний струм, що протікає через фотоприймач [A] Iфп - струм через фотоприймач, викликаний падаючим по-
струмом випромінювання [A]
IТ - темнової ток [A]
S - абсолютна спектральна чутливість [A/Вт] P - потужність падаючого на ФП випромінювання [Вт]
Фотоприймачі з зовнішнім фотоефектів
       Енергія фото EDS, іспущенних з поверхні катода під дією Е/М випромінювання:
W = hv-w
       де w - постійна, що залежить від природи матеріалу фотокатода.
       Випускання e відбувається лише при hv> w = hv, де v - гранична частота, наже якої фотоефект неможливий.
Довжину хвилі & = C/v називають кордоном фотоефекту.
       До ФП на основі зовнішнього фотоефекту відносяться вакуумні прилади: фотоелементи (ФЭ) і фотопомножувач (ФЕУ).
S & = Qеф * &/1.24, де Qеф - ефективний квантовий вихід. Шуми та шумові струми ФЭ порівняно невеликі, проте
з-за низької чутливості ФЭ недоцільно застосовувати їх для вимірювання малих рівнів сигналів.
       ФЕУ володіють високою чутливістю завдяки наявності помножувальні (дінодной) системи.
m
Коефіцієнт посилення ФЕУ: M = П,
i = 1
Де - коефіцієнт вторинної емісії i-го дінода
   - Коефіцієнт збору електронів m - число каскадів підсилення.
       S = S * M, де S - абсолютна спектральна чутливість фотокатода.
       Чутливість ФЕУ може досягати ~ 1E А/Вт в max спектральної характеристики.
Фотоперетворювачів на основі внутрішнього фотоефекту
До них відносяться фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори. Дія ФР засновано на явищі фотопровідності, заклю-
чающееся у виникненні вільних носіїв заряду в деяких п/п і діелектриках при падінні на них оптичного випромінювання. Фотопровідність призводить до зменшення електричного опору, і відповідно, до збільшення струму, що протікає через ф/р.
U &
S = e * V * Q --- * ----< br /> e 1.24
де e - заряд електрона
V - обсяг освітленій частині п/п
Q - квантовий вихід внутрішнього фотоефекту
- Рухливість носіїв
U - напруга, прикладена до ФР
       Дія кремнієвих і германієвих ФД: виникнення під дією випромінювання неосновних носіїв, які дифундують через pn перехід і послаблюють електричне поле останнього, що призводить до зміни електричок струму в ланцюзі. Фотоструму залежить від інтенсивності падаючого випромінювання. Для вимірювання енергетичних параметрів лазерного випромінювання зазвичай використовують фотодіодний режим (з харчуванням).
       S = т * * Q * & (1-p)/1.24 де т - коефіцієнт пропускання вікна приладу; - коефіцієнт збирання носіїв; Q - квантовий вихід; & - довжина хвилі випромінювання; p - коефіцієнт відбиття.
       Темнова струми у кремнієвих фотодіодів приблизно на порядок нижче, ніж у германієвих і досягають 1E-5 .. 1E-7 A.
       Для вимірювання відносно великих рівнів потужності та енергії доцільно застосовувати Піп з невисокою чутливістю, тобто ФЭ. Для вимірювання середніх рівнів енергетичних параметрів лазерного випромінювання можна застосовувати як вакуумні прилади так і п/п.
       Фотодіоди поступаються по чутливості ФЕУ, однак ФД володіють низьким рівнем шуму.
Переваги ФД порівняно з ФЕУ:
- Невеликі габарити
- Низьковольтне харчування
- Висока надійність
- Механічна міцність
- Більш висока стабільність чутливості
- Низький рівень шумів
Недоліки:
- Менша швидкодія
       - Сильний вплив температури на параметри і характеристики приладу.
1.1.3 Пондеромоторний метод
       У пондеромоторних вимірниках енергії та потужності лазерного використовується ефект П.М. Лебедєва. Лазерне випромінювання падає на тонку приймальню платівку і тисне на неї. Тиск (сила) вимірюється чутливим перетворювачем.
       Класичний прилад для вимірювання малих сил - крутильні ваги. При попаданні оптичного випромінювання на приймальний крило рухома система відхиляється від положення рівноваги на деякий кут, за величиною якої можна судити про значення потужності або енергії.
       Значення кута __ при впливі на неї безперервного випромінювання потужністю P:
де p - коефіцієнт відбиття пластини
т - коефіцієнт пропускання вхідного вікна камера
- Кут падіння випромінювання на платівку
C - швидкість світла
K - жорсткість підвісу
де W - енергія випромінювання
J - момент інерції обертається системи
       Для відліку кута повороту крутильних ваг часто використовують ємнісний перетворювач. У цьому випадку пластина противаги є однієї із пластин конденсатора, що включається до резонансний контур генератора. При повороті рухомої системи ємність конденсатора змінюється, змінюється частота генерації, що вимірюється частотним детектором. Така конструкція громіздка, хоча і дуже чутлива.
       Інший спосіб реалізації високочутливої системи відліку є схема з 2-ма ф/р. При відхиленні системи, освітленість ф/р міняється, міст розбалансує і в його вимірювальної діагоналі з'являється струм, пропорційний куту відхилення, який реєструє mA.
       Крім крутильних ваги для вимірювання широко використовується Mehanotron, які являють собою електровакуумний прилад з механічно керованої електродами. При дії зовнішнього механічного сигналу в Механотрон відбувається переміщення рухомих електронів, що викликає відповідну зміну анодного струму.
Переваги і недоліки методів:
Переваги теплового методу:
1) широкий спектр і динамічний діапазон вимірювань
2) простота і надійність вимірювальних засобів
3) висока точність
Недоліки:
1) мале швидкодію і чутливість
Переваги ф/е методу:
1) максимальна чутливість і швидкодію
Недоліки:
1) порівняно вузьке спектральний діапазон
       2) велика похибка вимірювання (5 .. 30%) у порівнянні з тепловими приладами.
Переваги пондеромоторного методу:
1) високий верхню межу вимірюваної енергії та потужності
2) висока точність вимірів
Недоліки:
1) жорсткі вимоги до умов експлуатації (вібрації)
1.2 Вимірювання основних параметрів імпульсу лазерного випромінювання
Ряд активних середовищ працюють в імпульсних режимах створення:
       1) це лазери на самообмеження переходах - азотний лазер, що генерує в УФ діапазоні, і лазер на парах Cu, що дає потужні імпульси зеленого кольору
2) рубінові лазери
       В результаті виникає завдання: виміряти основні параметри генерації імпульсних лазерів. Розділяють вимірювання часових і енергетичних параметрів.
       Вимірювання енергії імпульсу проводиться зазвичай за допомогою ф/е приймача з високим тимчасовим дозволом.
1.2.1 Аналіз параметрів імпульсу з допомогою осцилографа
       Для вимірювання форми імпульсу і його часових параметрів (тривалості т, tнар і tспада) використовують швидкодіючі фотоприймачі з високою лінійністю світлової характеристики. Це коаксіальні ф/е серії ФЕК: їх тимчасовий дозвіл 1e-9 .. 1e-10 с.
       Для вимірювання форми імпульсу використовують звичайні універсальні осцилографи з статевої пропускання до 1e7 Гц, і спеціальні надкороткі осцилографи.
1.2.2 Вивчення форми надкоротких лазерних імпульсів
       Використовують непрямі методи, засновані на застосуванні тимчасової розгорнення, що використовується в оптико-електронних осцилографах. Використання оптико-механічного розгорнення не дозволяє наскільки або завгодно поліпшити тимчасовий дозвіл, але дозволяє здійснити набір двовимірних або одновимірних зображень.
       ЕОПи з розгорткою зазвичай використовують для дослідження тільки тимчасових залежностей інтенсивності сфокусованого пучка випромінювання (тому що частота зміни кадрів набагато нижче, що ускладнює дослідження динаміки процесу генерації).
       Однак складність, висока вартість, громіздкість і необхідність висококваліфікованого обслуговування ускладнює використання камер з оптико-механічного та електронної. Тому використовую часто оптичний метод вимірювання тривалості імпульсу.
       "Світлова" розгортка була запропонована в 1967 р. Джордмейном при вивченні тривалості "nс" імпульсів при поширенні двох однакових світлових пучків назустріч один одному в розчині нелінійно люмінесцирує барвника.
       У першому експерименті "стояча" хвиля утворювалася шляхом відображення основного пучка "nс" імпульсів у дзеркалі кювети з барвником. Біля дзеркала (і далі з кроком l = TC/n) щільність енергії прямого і відбитого пучка буде max через збіг i-го імпульсу. Ліворуч від дзеркала на l будуть збігатися (i-1)-й імпульс у прямій хвилі і (i +1)-й імпульс - в відбитої. При видаленні від дзеркала на 2l двуфотонная люмінесценція барвника буде яскравішим через накладення (i-2) та (i +2)-го імпульсів променя. Яскравість фонового світіння 2-х фотонній люмінесценції B ~ I ^ 2 інтенсивності, а max яскравості біля дзеркала: B ~ (2 * I) ^ 2 = 4 * Ш ^ 2, тобто помітно вище.
1.3 Вимірювання просторового розподілу енергії в лазерному пучку
       Найбільш повна просторово-енергетична характеристика лазерного випромінювання є діаграма спрямованості, тобто кутове розподіл енергії або потужності в лазерному
пучку. Практічекій інтерес представляє розподіл поля випромінювання в дальній зоні, коли форма розподілу перестає залежати від відстані, що перевищує d ^ 2/&, де d - діаметр випромінюючої апертури лазера.
       На практиці використовують два поняття розбіжність, у першому випадку мають на увазі плоский або тілесний кут Q або Qs визначає ширину діаграми спрямованості в далекій зоні за заданим рівнем кутового розподілу енергії або потужності, віднесених до його max значенням. Найчастіше значення рівня приймається рівним 0.5 і 1/e ^ 2. Це визначення характеризує випромінювання одномодового лазера, тобто розподіл, близьке до гауссових. У разі багатомодового режиму діаграма має численні бічні пелюстки, що містять значну частину енергії. Тому величина розбіжність за заданим рівнем енергії чи потужності, тобто по суті центрального max розподіл не дуже показова. У таких випадках більш зручною характеристикою є енергетична розбіжність лазерного випромінювання. (Qn, p або Qw, s), тобто плоский або тілесний кут, усередині якого поширюється задана частка енергії випромінювання.
       Лазерне випромінювання характеризується значенням діаметра пучка лазерного випромінювання, усередині якого відбувається задана частка енергії або потужності.
       Для практичного визначення розбіжність використовують три основні методи:
1) Метод 2-х перетинів
2) Метод реєстрації діаграми спрямованості
3) Метод фокальної плями
       Найбільш поширений метод вимірювання розбіжність пучка - метод фокальної плями.
1.4 Вимір поляризації лазерного пучка.
       У лазерах випромінювання повинно мати 100% поляризацією (лінійної або кругової). Вид поляризації визначається особливостями використовуваної в лазері активною середовища - поляризацією її спонтанного випромінювання, і величиною коефіцієнта підсилення для елементарних поляризацій.
       Все "елементарні" стану поляризації можуть бути отримані з 2-х лінійно поляризованих у взаємно - площинах випромінювань за амплітудою Ax та Ay.
2. Вимірювання спектральних і кореляційних параметрів і характеристик лазерного випромінювання.
Когерентність характеризується двома основними параметрами
- Тимчасової когерентністю
- Ступенем просторової когерентності
2.1 Вплив параметрів лазера на когерентність його випромінювання
       Лазер - прилад, в якому частота генерації залежить від власних (резонансних) частот резонутора. До вторинних ефектів, що змінює частоту генерації лазера роблять ефекти затягування або відштовхування. Набагато сильніше на частоту генерації лазера впливають параметри активного середовища: центральна частота лазерного переходу, ширина спектральної лінії.
       Вимірювання лазерних характеристик може бути розділено на 3 групи:
       1) Вимірювання спектру випромінювання багатомодових лазерів безперервної дії і "nc" лазерів
       2) Прецезіонное вимірювання довжини хвилі або чатоти генерації
       3) Вимірювання ширини смуги генерації одночастотне лазера або різниці частот генерації 2-х однотипних частотностабілізірованних лазерів.
3. Вимірювання основних параметрів головних компонентів лазера
       Головні компоненти лазера: активне середовище і оптичний резонатор. Активна середу, перетворює енергію накачування в когерентне випромінювання, визначає енергетичні характеристики лазера і довжину хвилі випромінювання, а від резонатора - частотні і просторові.
       Для вимірювання втрат або посилення лазерних компонентів використовують компенсаційний метод, для вимірювання ненасиченого підсилення - метод комбінованих втрат, прямий метод.