2014-02-09
3083
Как и в радиотехнике, основными параметрами, характеризующими форму оптических импульсов, является длительность импульсов, а также длительность фронта и среза. Длительность импульса – это время, в течении которого мгновенная мощность источника излучения превышает значение, соответствующее уровню 0,5. Стандарт допускает здание и другого уровня отчета длительности, например, на уровне 0,9. В ряде случаев применения источников излучения оказывается удобным использовать понятие энергетической длительности импульса оптического излучения, под которым понимают длительность прямоугольного импульса с той же энергией W или максимальной мощностью Рмах, что и у измеряемого импульса.
Длительность фронта и среза импульса источника излучения определяется как интервал времени, в течении которого мгновенная мощность источника излучения изменяется в пределах уровней 0,1÷0,9 от максимального значения.
В соответствии с приведенными выше определениями измерению подлежит форма φ(t) импульса лазерного излучения, определяемая из соотношения
Φ(t)=p(t)/Pmax (11.11.1)
где: р(t) – мгновенное значение формы импульса;
Рmax – её максимальное значение, выраженное в абсолютных единицах.
Таким образом, определение формы оптического импульса заключается в регистрации процесса изменения мощности импульса, выраженной в относительных (нормированных) единицах, во времени. Практически во многих случаях эта процедура сводится к экспериментальному определению временной зависимости относительных значений мощности импульса и последующей аппроксимации подходящей функцией.
Так, например, форма импульса твердотельного лазера достаточно хорошо аппроксимируется в наносекундном диапазоне длительностей колоколообразной функцией
φ(t)=0,5[1(t) – 1(t - 2π)](1 – cos ω t) (11.11.2)
и в пикосекундном диапазоне – функцией
φ(t)=(e-αt - eβt)1(t) (11.11.3)
где α и β – показатели степени, характеризующие крутизну среза и фронта экспоненциального импульса.
Результат измерений может быть представлен как в аналоговой (аналитической, графической, и др.), так и в дискретной (в виде последовательности выборок, кодовых групп, таблицы и др.) форме, но должен обеспечить с заданной степенью точности определение мгновенного относительного значения сигнала в любой момент времени. Такая выходная измерительная информация, полностью характеризующая и определяющая импульсный оптический процесс во времени, в ряде практических случаев (в зависимости от конкретного применения того или иного СИ) является избыточной. Достаточным является представление выходной информации в виде отдельных характеристик или параметров.
Аналогично используемым в радиотехнике, оптические импульсы характеризуются следующими основными энергетическими и временными параметрами: энергия импульса Еи (Дж); максимальная мощность импульса Ри мах (Вт); средняя мощность импульса Ри ср (Вт); длительность импульса τи(с); длительность фронта импульса τф(с); длительность среза импульса τср(с).
Кроме того, для характеристики форм оптического импульса могут использоваться, также аналогично используемым в радиотехнике, дополнительные параметры, такие как выброс на плоской вершине δв (%) и спад плоской вершины δсп (%). Амплитудно-временные соотношения, определяющее перечисленные выше параметры оптического импульса приведены на рисунке 11.2.
В практике измерений определение рассмотренных выше параметров оптического импульса в большинстве случаев предусматривает регистрацию тем или иным способом формы измеряемого импульса. Как известно, наиболее универсальным по возможности технической реализации является способ, основанный на преобразовании оптического измеряемого оптического сигнала в электрический сигнал и дальнейшей его обработки с помощью известных радиотехнических средств. Этот способ позволяет регистрировать и измерять либо всю совокупность значений мощности (в относительных или абсолютных единицах), либо отдельные значения параметров оптического импульса.
При этом одним из важнейших условий, определяющих точность измерений, является требование минимальных искажений формы измеряемого сигнала. Отсюда вытекает требование использования ПИП в пределах линейного участка линейной характеристики их преобразования, т.е. преобразователей, работающих в линейном режиме, когда с заданной степенью точности соблюдается условие φ(t)=Kр(t), где φ(t) – выходной сигнал преобразователя; р(t) – входное оптическое воздействие; К – постоянный коэффициент преобразования ПИП. При несоблюдении данного условия при обработки результатов измерений требуется вводить дополнительную коррекцию, что значительно усложняет этот процесс.
Всё многообразие установок, приборов, аппаратурных комплексов, выпускаемых серийно или комплектуемых из отдельно имеющихся узлов, устройств и т. п., предназначенных для измерения отдельных параметров оптических импульсов или определения их формы в целом, с трудом поддается классификации или обобщению в силу отсутствия единых критериев перехода как к структуре подобных СИ, так и к назначению входящих в них узлов. Ниже сделана попытка классифицировать такие СИ, основанная на рассмотрении последних в качестве СИ формы оптических импульсов – источников наиболее полной информации об импульсном лазерном излучении как о физическом прочесе.
Определение отдельных параметров импульса может рассматриваться как использовании части полного объема измерительной информации, приводящее обычно к упрощению рассматриваемой общей структуре СИ.
В общем случае СИ (измеритель) формы оптических импульсов (ИФОИ) как средство получения измерительной информации может быть функционально представлено в виде измерительной системы (рисунок 11.3), состоящей из ряда ниже перечисленных устройств.
Входное устройство предназначено для преобразования оптического сигнала р(t) в форму, удобную для дальнейшей обработки.
Регистрирующие устройство (РУ) предназначено для записи промежуточной информации, поступающей от входного устройства, и её воспроизведения для дальнейшей обработки. РУ может рассматриваться как запоминающее устройство (ЗУ), время записи и воспроизведения которого определяется принципами действия и типом как самого РУ, так и всей измерительной системы в целом.
Устройство преобразования предназначено для преобразования записанной в РУ информации при её считывании в форму, определяемую необходимостью и методами дальнейшей обработки.
Устройство обработки и выдачи информации предназначено для обработки и выдачи информации, поступающих от предыдущих устройств, в соответствии с конкретным назначением измерительной системы и для представления выходной измерительной информации в форме, удобной для её восприятия или использования. При физической реализации рассмотренной измерительной системы функции отдельных её устройств могут быть совмещены в одном и том же узле или приборе или частично выполняется оператором.
ИФОИ в соответствии со структурной схемой рис.11.3 можно следующим образом квалифицировать по методу соответствующих преобразований.
1. По методу преобразования во входном устройстве:
· преобразование изменения мощности во времени р(t) в изменение мощности (интенсивности) в пространстве вдоль одной из координат р(х), т. е. преобразование оптического сигнала в оптический. Возможны два типа такого преобразования: с оптико-механической развёрткой (скоростные фотокамеры) с электронно-оптической разверткой (фотоэлектронные регистраторы – ФЭР и др.).
· преобразование изменение мощности оптического сигнала во времени р(t) в электрический сигнал u(t). Такое преобразование может осуществляться с помощью фотоэлектронных, малоинерционных тепловых и других фотоприемников и устройств.
2. По методу регистрации:
· непосредственная регистрация мощности излучения на фотоплёнку, характерна для систем, использующих во входных устройствах преобразование р(t) в p(x);
· регистрация мощности излучения р(t) на матричных фотоприёмниках или передающих телевизионных трубках;
· осциллографическая регистрация, характерная для систем, использующих во входном устройстве, преобразование р(t) в u(t).
· стробоскопическая регистрация.
3. По методу обработки промежуточной информации в устройстве преобразования:
· фотометрирование негатива, характерное для систем с входным преобразованием р(t) в р(х);
· регистрация на фотоплёнку изображения с экрана осциллографа (осциллограмма);
· масштабно-временное преобразование при использовании электронно-лучевых осциллографических трубок с памятью, матричных фотоприемников или передающих телевизионных трубок;
· аналоговое или цифровое преобразование при использовании стробоскопических регистраторов.
4. По методу обработки и формы представления выходной измерительной информации:
· ручное или автоматическое построение диаграммы, соответствующей φ(t), или представление негатива калиброванной осциллограммы;
· преобразование последовательности значений φ(ti) в цифровой код и его запись в ЗУ (на перфоленте, магнитофоне, магнитном барабане, регистрах памяти и т. п.), что позволяет многократно воспроизводить полученную измерительную информацию;
· ручное или автоматическое составление таблицы последовательных значений φ(ti);
· предоставление возможности визуального наблюдения сигнала u(t) на экране осциллографа и измерение его характеристик и параметров с использованием шкал и калибрационных меток на экране или индикация этих параметров на табло.
Как указывалось выше, форма оптического импульса обладает большой информативностью, что позволяет при дальнейшей обработки выходной информации ИФОИ получать не только параметры, но и характеристики, разносторонне определяющие весь физический процесс. Получение таких характеристик неразрывно связанно с математической обработкой выходной информации ИФОИ, что накладывает определённые требования на форму её представления. Измерительные системы визуального отсчёта или с аналоговым документированным выходом не позволяет непосредственно проводить математическую обработку информации. Возможность непосредственной стыковки с различными вычислительными устройствами, а также совместной работы с другими системами в составе современных измерительных комплексов обеспечивают лишь ИФОИ с дискретным представлением выходной измерительной информации. Такие системы, естественно, являются значительно более сложными и дорогостоящими. Однако такое усложнение измерительной аппаратуры приводит к упрощению процедуры измерений, их автоматизации, увеличению быстродействия системы и в большинстве случаев к повышению точности измерений.
