Методика дослідження

Для вимірювання енергії використовували оптичний генератор на склі ГОС-301 призначений для отримання потужних світлових імпульсів монохроматичного когерентного випромінювання.[2]

Технічні дані лазеру ГОС-301

· Довжина хвилі випромінювання – 1,06 мкм;

· Номінальне значення енергії випромінювання – 300 Дж;

· Довжина активного елемента – 320 мм;

· Діаметр активного елемента – 30 мм;

· Лампи накачки (імпульсні ксенонові ИФП-5000);

· Максимальна робоча напруга на виході блоку живлення – 4,5 кв;

· Максимальна енергія накачки – 20000 Дж;

· Середня напруга – 900 Вт;

· Живлення пристрою здійснюється від мережі змінного струму 220 В, 50 Гц;

· Режими роботи - імпульсний режим вільної генерації.

У нашому випадку вимірювання енергії здійснювалось в імпульсному режимі, під час якого генерувались поодинокі імпульси лазерного випромінювання. В режим вільної генерації забезпечуються найбільш високі

рівні енергії імпульсів випромінювання.У цьому режимі під дією імпульсу накачування Рн випромінюєтьсяпослідовність відносно коротких імпульсів. Їх тривалістьстановить десяті частки мікросекунди.[1]

Принцип дії генератора базується на використанні явища впорядкованого випромінювання фотонів.

Активним елементом в генераторі є циліндричний стрижень зі скла, активованого іонами неодиму.

В результаті поглинання активним елементом інтенсивного світла імпульсних ламп створюється надлишок збуджених іонів неодиму на метастабільному рівні. Цей процес має назву оптичної накачки.

Умови для генерації вузько напрямленого монохроматичного когерентного випромінювання створюються завдяки тому, що активний елемент розміщено в резонатор. Резонатор створений двома плоско-паралельними дзеркалами. Коефіцієнт відбиття одного дзеркала ̴ 100%, другого ̴ 40 – 50%.

Збуджені іони неодиму, переходячи з метастабільного рівня на проміжний, випромінюють фотони. Оскільки дзеркала і торці активного елемента встановлюються паралельно один одному, то в резонаторі буде збільшуватись кількість тих фотонів, напрям поширення яких співпадає з віссю резонатора. При цьому, в результаті багаторазових відбиттів від дзеркал резонатора кількість фотонів буде збільшуватись лавиноподібно.

Далі наведена схема експерементальної установки для визначення енергії лазерного випромінювання (Рис.1).

Рисунок 1 – Схема експериментальної установки

Імпульсний ОКГ (оптичний квантовий генератор) включає: 1 – юстирувальний лазер (приціл); 2 – твердотільний випромінювач; 3 – блок живлення; 4 – призма; 5 – оптична система(лінза); 6 – зразок;7,8– система світлорозподільчих пластинок;9 - твердотільний калориметр (ИКТ-1Н); 10 – дзеркало; 11 - напівпрозоре дзеркало;.

Для вимірювання енергетичних параметрів лазерного випромінювання можуть використовуватися найрізноманітніші методи, засновані на різних фізичних і хімічних ефектах взаємодії лазерного випромінювання з речовиною. Використаний нами метод, заснований на перетворенні енергії лазерного випромінювання у теплову енергію (тепловий метод). Для цього, як видно зі схеми (Рис.1, «9») був використаний твердотільний вимірювач енергії (калориметр) ИКТ-1Н.

Калориметрична система (Рис.2) містить внутрішнє калориметричне тіло К (приймальний елемент), в якому протікає процес виділення (або поглинання) тепла, і зовнішню оболонку О, з якої відбувається теплообмін калориметричного тіла шляхом теплопровідності, конвекції і випромінювання.

Рисунок 2 - Принципова схема калориметра

Тепловий потік Ф від калориметричного тіла на оболонку залежить головним чином від різниці температур поверхонь Ф=G_T(T_к-T_o), де G_T - параметр, що характеризує теплову провідність середовища між калориметричним тілом і оболонкою.

Часто теплообмін між K та O характеризують також зворотною величиною R_T=1/G_T, яка має сенс теплового опору середовища.

У калориметрі розсіюється енергія одиночного прямокутного імпульсу. Температура калориметричного тіла в цьому випадку змінюється в часі наступним чином:

при 0£t£t_u,

при t_u£t<¥

(1)

,

де P_O, t_u - імпульсна потужність, тривалість

Максимальне значення Т(t) досягається при t=t_u.

У приладі ИКТ є конічний елемент, який володіє більш високою стійкістю до лазерного випромінювання в внаслідок того, що на його конічний приймальний елемент діє лазерне випромінювання, що пройшло розсіюючий матований сапфіровий елемент. У результаті цього випромінювання розподіляється по всій приймальній поверхні і щільність його знижується.

В якості чутливого елемента тут використовується термометр опору, вихідною величиною якого є зміна електричного опору ПВП (приймаючийвимірюючий перетворювач) під дією зміни температури приймального елемента, що виникає при поглинанні падаючого випромінювання. Тому до складу таких ПВП має входити джерело живлення. Вимірювальна головка ИКТмістить два однакових ПВП з термометрами опору, включених в плечі моста постійного струму.

Технічні характеристики ИКТ-1Н:

§ Робочий діапазон довжин хвиль, мкм - 0.4 - 4.0

§ Діапазон вимірювання потужності енергії, Дж - 5×10^-2 - 10³

§ Діапазон тривалості вимірюваних імпульсів, с - 10^-8 - 10^-3

§ Мінімальний інтервал часу між вимірами, хв. - 3

§ Час безперервної роботи, год - 8

§ Межа допустимої основної похибки, % - 10

§ Вид індикації – Стрілочний

Рисунок 3 – вимірювач калориметричний твердотільний ИКТ-1Н