Измерение энергетических параметров источников излучения

Энергетические параметры источников излучения составляют важную группу в системе параметров. В большинстве случаев именно они определяют целесообразность и эффективность использования источников излучения в системах передачи различного назначения. У непрерывных источников излучения энергетическим параметром, который нормируется при выпуске из производства, является мощность Р. У источников, работающих в режиме модуляции добротности резонатора и в режиме синхронизации мод, обычно характеризуют значением W_и и дополнительно значением максимальной Р_{и мах} или средней Р_{и ср.} мощности импульса. Импульсно-периодические источники излучения характеризуют значением средней мощности Р_ср, со временим усреднения, значительно превышающим период следования импульсов.

Все методы измерения энергетических параметров сводятся к преобразованию энергии излучения в другой вид энергии, удобный для последующей регистрации. Широко распространены методы, основанные на преобразовании оптической энергии в тепловую (тепловой метод) и в энергию электрического тока (фотоэлектрический и пироэлектрический методы).

Методы измерения средней мощности энергии источников, а также основные сведения о методах, средствах и погрешностях измерения приведены в главе 3 настоящего учебного пособия.

В настоящее время распространены два основных метода измерений максимальной мощности импульса излучения источников излучения. В первом используется аттестованный по абсолютной чувствительности фото-преобразователь (или СИ на его основе) и определяются непосредственно мощность падающего на него излучения измерением амплитуды входного сигнала. Второй метод позволяет косвенно определить мощность излучения. При этом для однократных импульсов одновременно измеряется полная энергия импульса и временные параметры формы (обычно осциллографированием). Определение максимальной мощности периодических импульсов излучения косвенным методом по измеренным значениям средней мощности импульсов, их временных параметров и частоты повторения.

В случае применения первого метода используется следующая схема. Излучение источника излучения через оптическую систему попадает на фотоприемник, выходной сигнал которого измеряется импульсным вольтметром или осциллографом. Оптическая система, включающая аттенюатор, интегратор и другие элементы необходимые для согласования динамических диапазонов и геометрических параметров используемого фотоприемника и излучаемого излучения. При использовании данного метода необходимо знать абсолютное значение выходного сигнала фото-преобразователя, его коэффициент преобразования (чувствительность), ослабление аттенюатора. Тогда измеряемая мощность Р(t) определяется по формуле

Р(t)=(А/S)U(t-∆),[Вт], (11.2.1)

где: U(t) – выходное напряжение, В;

S – абсолютная чувствительность фото-преобразователя для данной длинны волны излучения, В/Вт;

А – коэффициент ослабления используемой оптической системы, включающей аттенюатор и другие элементы на данной длине волны;

∆ - задержка сигнала во времени.

При косвенном методе измерения максимальной мощности используется раздельное определение формы (обычно осциллографированием сигнала от линейного малоинерционного фотопреобразователя) и энергии импульса. Если отклонение угла на экране осциллографа y=αP(t), где α – постоянный коэффициент, определяемый чувствительностями используемых фотоприёмника и осциллографа, то площадь, занимаемая осциллограммой,

, (11.2.2)

где: t – время интегрирования превышающее длительность импульса;

Е – энергия импульса

Отсюда можно получить выражение для зависимости мощности во времени

(11.2.3)

Таким образом, осциллографирование формы импульса и измерение его энергии позволяет определить абсолютное значение мощности в любой момент времени, в том числе и максимальное значение. При этом операцию определение площади, занимаемой осциллограммой, можно произвести с помощью дополнительной интегрирующей цепочки выходного сигнала фотоприёмника. Тогда по измеренным одновременно относительным величинам максимального значения сигнала до и после интегрирования можно рассчитать максимальную мощность.

Для импульсной последовательности при наличии хорошей воспроизводимости временных параметров излучения можно косвенным методом определить максимальную мощность:

Р_мах=[P_cр(1+γ)]/τ_иf (11.2.4)

где: Р_ср – средняя мощность импульсов излучения;

τ_и – длительность импульса по уровню 0,5 от максимального значения;

f – частота повторения импульсов;

γ – поправка коэффициента формы, связанная с аппроксимацией реального импульса прямоугольным с амплитудой и длительностью, равными реальному. Длительность импульса излучения и поправку коэффициента формы определяют с помощью контрольного быстродействующего фотоприёмника.