автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Автономно калибруемое средство измерений пространсвтенно-энергетических и поляризационных характеристик излучения лазерных диодов

На правах рукописи

Крайнов Иван Владиславович

АВТОНОМНО КАЛИБРУЕМОЕ СРЕДСТВО ИЗМЕРЕНИЙ ПРОСТРАНСТВЕННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ

Специальность 05.11.07 Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005550272

Москва-2014

005550272

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательн учреждении высшего профессионального образования «Национальнь исследовательский университет «МЭИ» (ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»), г. Москв

Научный руководитель: Близнюк Владимир Васильевич,

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

Официальные оппоненты: Денисов Лев Константинович,

доктор технических наук, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана

Тюхов Игорь Иванович, кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «МГМУ (МАМИ)»

Ведущая организация: Открытое Акционерное Общество

«Научно-исследовательский институт «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха», г. Москва

Защита состоится « 19 » июня 2014 г. в 13 часов в аудитории Е511 на заседай диссертационного совета Д 212.157.12 при «НИУ «МЭИ»: 111250, Мои Красноказарменная ул., д. 13.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направля по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13. Ученый совет «Н «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «_» апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.12, к.т.н., доцент

Т.В.Ремизев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Актуальность темы диссертации. За последние десять лет значительно расширился парк оптико-электронных приборов и комплексов с лазерными диодами, генерирующими излучение в непрерывном режиме (далее -ЛД). Широкое использование ЛД стало возможным благодаря прорывным достижениям в технологии производства приборов полупроводниковой квантовой электроники, обеспечившим не только существенное улучшение характеристик и параметров их излучения, но и резкое снижение себестоимости.

Однако эффективное использование ЛД невозможно без проведения регулярных с высокой точностью измерений таких параметров их излучения как мощность, пространственное распределение плотности мощности и степень поляризации. Комплексные измерения этих параметров позволяют не только осуществлять текущий контроль состояния ЛД, но и прогнозировать срок их службы.

Задача прогнозирования срока службы ЛД особенно остро стоит в тех случаях, когда они входят в состав оптико-электронных систем и комплексов, обеспечивающих в течение долгого времени функционирование промышленных объектов с замкнутым производственным циклом, а также удаленных объектов, работающих в автономном режиме.

Наиболее точную информацию о состоянии ЛД можно получить, анализируя параметры его излучения в свободное пространство, когда оно не трансформируется никакими оптическими элементами. Именно этим определяется большой интерес к разработкам методик определения срока службы ЛД, основанных на результатах измерений параметров их излучения в свободное пространство. В повседневной метрологической практике такие измерения осуществляются с помощью рабочих средств измерений (РСИ) средней мощности лазерного излучения.

В настоящее время фирмами Ophir и Coherent, занимающими более 80% мирового рынка средств измерений энергетических параметров лазерного излучения, налажено массовое производство лазерных ваттметров, обеспечивающих диагностику остронаправленного излучения. Практически все выпускаемые приборы удовлетворяют требованиям международных стандартов, предъявляемых к РСИ средней мощности лазерного излучения.

Для измерений средней мощности сильно расходящегося лазерного излучения эти фирмы предлагают несколько моделей ваттметров с интегрирующей сферой. Однако их погрешность варьируется от 5% до 10%, то есть, превышает верхнюю границу диапазона значений погрешности, установленную стандартами для РСИ средней мощности остронаправленного лазерного излучения. Таким образом, разработанные к настоящему времени стандарты не позволяют классифицировать

лазерные ваттметры с интегрирующей сферой как РСИ. Из-за отсутствия поверочных схем средств измерений основных параметров сильно расходящихся лазерных пучков невозможна метрологическая аттестация и разработанных к настоящему времени средств измерений модового состава и степени поляризации излучения ЛД.

Необходимость создания поверочных схем средств измерений энергетических, пространственно-энергетических и поляризационных параметров излучения ЛД, регламентирующих требования, предъявляемые к РСИ таких параметров, актуализирует задачу скорейшей разработки их высших звеньев - эталонов. Однако решение этой задачи под силу только ведущим мировым метрологическим центрам.

В отсутствие таких поверочных схем продолжаются работы по созданию средств измерений энергетических, пространственно-энергетических и поляризационных параметров сильно расходящегося излучения, обеспечивающих приемлемую для практических применений ЛД погрешность измерений. Особое место среди них занимают работы по созданию средств измерений параметров излучения ЛД, которые в дальнейшем могут быть использованы в качестве рабочих эталонов. Разработке одного из таких средств измерений посвящена данная работа, что и определяет ее актуальность.

Цель работы. Целью данной работы была разработка автономно калибруемого средства контроля режима генерации на основной моде и измерений степени поляризации излучения ЛД в свободное пространство. Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

• Определить структуру средства измерений, обеспечивающую комплексные измерения энергетических, пространственно-энергетических и поляризационных параметров сильно расходящегося излучения ЛД в свободное пространство.

• Разработать методику контроля режима генерации ЛД на основной моде и алгоритм ее реализации.

• Разработать методику определения степени поляризации излучения одномодового ЛД в свободное пространство и алгоритм ее реализации.

• Создать макет средства измерений, обеспечивающий реализацию разработанных методик контроля режима генерации ЛД на основной моде и определения степени поляризации его излучения в свободное пространство.

• Провести с использованием этого макета натурные измерения модового состава и степени поляризации излучения ЛД в свободное пространство и оценить погрешность этих измерений.

Научная новизна работы

1. Разработаны методика контроля режима генерации ЛД на основной моде и алгоритм ее реализации с использованием автономно калибруемого пленарного

измерительного преобразователя средней мощности лазерного излучения, отличающиеся тем, что они позволяют без измерений коэффициента распространения пучка М2 определять верхнюю границу диапазона значений мощности излучения лазера, при которых наблюдается одномодовая генерация.

2. Разработаны методика измерений степени поляризации излучения одномодового ЛД в свободное пространство и алгоритм ее реализации, отличающиеся тем, что они позволяют без использования четвертьволновой пластины и анализатора, диагностировать нетрансформированный пучок лазерного излучения и осуществлять непрерывные измерения без нарушения режима нормального функционирования ЛД.

3. Использование методик контроля режима генерации ЛД на основной моде и измерений степени поляризации излучения лазерных диодов в свободное пространство позволяет при проведении автономной калибровки средства измерений этих параметров строго учитывать экспериментально выявленное отличие функции, описывающей диаграмму направленности излучения ЛД, от гауссовой функции, и, тем самым, обеспечивать высокие метрологические параметры средства измерений.

Практическая ценность работы

1. Разработанное средство контроля режима генерации ЛД на основной моде и измерений степени поляризации сильно расходящегося лазерного излучения может быть использовано для непрерывного контроля состояния структуры одномодового лазерного диода путем измерений степени поляризации его излучения в свободное пространство - параметра, по которому, согласно научным публикациям, можно судить о степени деградации лазера.

2. Разработанная математическая модель средства измерений параметров сильно расходящегося лазерного излучения использована для расчета степени его поляризации и позволяет предусмотреть трансформацию конструкции средства измерений, обеспечивающую диагностику лазерных пучков в широком диапазоне углов расходимости.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Средство измерений с определенным образом расположенными относительно оси лазерного пучка автономно калибруемым планарным первичным измерительным преобразователем и планарными фотодиодами без входного окна и просветляющего покрытия обеспечивает контроль режима генерации ЛД на основной моде и измерения степени поляризации.

2. Относительная погрешность разработанного средства контроля режима генерации на основной моде и измерений степени поляризации сильно расходящегося лазерного излучения не превышает 10%.

3. Разработанное средство измерений степени поляризации излучения ЛД в свободное пространство позволяет непрерывно диагностировать состояние гетероструктуры ЛД без нарушения его нормального функционирования.

Достоверность полученных результатов

Достоверность научных положений проверена путем использования разработанного средства измерений для экспериментального определения степени поляризации излучения нескольких десятков одномодовых лазерных диодов, изготовленных в Физико-техническом институте имени А.Ф.Иоффе РАН и фирмой ФТИ-Оптроник (г. Санкт-Петербург).

Получено хорошее совпадение (с погрешностью, не превышающей 5%) результатов расчетов и экспериментальных измерений степени поляризации излучения ЛД.

Внедрение результатов диссертационной работы

Макетный образец средства измерений параметров сильно расходящегося излучения применяется в лаборатории ЗАО НИИ ЭСТО - исследовательском центре группы компаний «Лазеры и аппаратура» - для диагностики лазерных диодов, используемых для накачки твердотельных лазеров, входящих в состав функционально законченных комплексов (технологических машин и станков), что подтверждено Актом № 01/2014 от 15.01.2014.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на:

42-м, 43-м и 44-м Международном научно-методическом семинаре

«Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых

приборах» (Москва, 2011 г., 2012 г. и 2013 г.);

21-й, 22-й и 23-й Международной научно-технической конференции «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург, 2011 г., 2012 г. и 2013 г.);

XIX и XX Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2013 г. и 2014 г.);

XII Международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков - 2013» (Москва, 2013 г.).

Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в 3 статьях в научных реферируемых журналах, в 19 статьях в сборниках материалов научно-технических конференций и семинаров.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 141 страницу текста, включая 28 рисунков, 15 таблиц и библиографический список из 80 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор научного направления и актуальность работы. Определены цель и основные задачи диссертации. Сформулированы научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе подробно рассмотрены широко используемые в средствах измерений параметров лазерного излучения тепловые и фотонные первичные измерительные преобразователи (ПИП) средней мощности такого излучения. Рассмотрены требования, предъявляемые ГОСТ 8.275-2007 и МЭК 61040:1990 к параметрам и характеристикам ПИП лазерных ваттметров, и в первую очередь - к пределу допускаемой относительной погрешности. С учетом этих требований дана оценка уровня разработок таких ПИП и определена степень их пригодности для использования в средствах измерений параметров сильно расходящегося лазерного излучения.

Установлено, что в настоящее время для диагностики сильно расходящегося лазерного излучения имеется единственное стандартизованное средство измерений - интегрирующая сфера (ГОСТ Р ИСО 11554 - 2008). Однако она обеспечивает измерения только мощности излучения.

Подробно рассмотрены методы и средства измерений модового состава и состояния поляризации лазерного излучения.

Самую полную информацию о модовом составе излучения можно получить путем измерений коэффициента распространения лазерного пучка М2, используя для этого метод определения момента второго порядка, описанный в первой и второй части ГОСТ Р ИСО/ТР 11146 - 2008. В настоящее время фирмами Ophir и Coherent выпускаются средства измерений параметра М2, основанные на методе определения момента второго порядка. Однако этот метод можно использовать только в пределах параксиальной аппроксимации, что исключает возможность использования разработанных средств измерений параметра М2 для определения пространственно-энергетических параметров сильно расходящегося излучения.

Состояние поляризации лазерного излучения полностью описывается четырьмя параметрами Стокса. Для измерений этих параметров на определенной длине волны и в очень узком спектральном диапазоне вблизи ее используется классическая методика, основанная на использовании четвертьволновой пластины и анализатора, расположенного за ней по ходу коллимированного лазерного пучка. Обзор литературных источников, в которых описываются средства измерений параметров Стокса с использованием классической методики, позволяет заключить, что наиболее значимые неисключенные систематические составляющие основной относительной погрешности измерений этих параметров обусловлены принципиальной необходимостью вращения четвертьволновой пластины и

анализатора и, как следствие этого, сложностью воспроизведения их пространственного положения. Длины волн генерации лазерных диодов, используемых в оптико-электронных приборах и системах, лежат в широком спектральном диапазоне. Поэтому при измерениях параметров Стокса излучения лазерных диодов по классической методике приходится использовать большой набор четвертьволновых пластин, что усложняет процесс измерений. С целью упрощения этого процесса в средстве измерений параметров Стокса, разработанном в ФИАН РАН, вместо набора пластин используется одна калиброванная в широком спектральном диапазоне четвертьволновая пластина. Благодаря этому открывается возможность автоматизации процесса измерений. Однако калибровка такой пластины является достаточно сложной и прецизионной операцией.

Именно поэтому для определения параметра М2 сильно расходящегося излучения лазерных диодов с длиной волны излучения ^ используется методика, основанная на измерениях распределения плотности мощности излучения в вертикальной Г„(х) и горизонтальной Ру(у) плоскости на выходном зеркале лазера, а также углового распределения плотности мощности излучения 1г (и) и / (и) в тех же плоскостях:

М^М^М,,, где М, =2кап; М=2Ао\,<т • 2к =

4А„

¥2

У2

¡РУШУ

ф

|/;(и)5т2 ис^ши

/г/2 О

уг

Л0 - длина волны излучения в вакууме;

у. - индекс, означающий х или у.

На начальном этапе разработки средства измерений степени поляризации излучения ЛД в свободное пространство были определены параметры Стокса колимированного излучения ЛД с использованием классической методики их измерений. Диагностировалось излучение тридцати пяти одномодовых ЛД с длиной волны 980 нм. Установлено, что состояние поляризации излучения всех ЛД полностью описывается первым и вторым приведенным (нормированным на полную интенсивность пучка) параметром Стокса, а третий параметр равен нулю. При этом излучение представляет собой смесь ТЕ компоненты, линейно поляризованной в плоскости р-п-перехода, ТМ компоненты, линейно поляризованной в плоскости, перпендикулярной плоскости р-п-перехода, и естественного излучения.

С учетом результатов измерений параметров Стокса рассмотрена возможность создания средства измерений степени поляризации сильно расходящегося одномодового лазерного излучения на базе автономно калибруемого калориметрического планарного ПИП.

Во второй главе рассмотрены методики определения модового состава и измерений степени поляризации излучения ЛД в свободное пространство и алгоритм их реализации.

Одной из основных задач, которые было необходимо решить на начальной стадии разработки этих методик, было определение вида функции /(и,б), описывающей в аналитической форме диаграмму направленности лазерного излучения в дальней зоне. Эта задача решалась в два этапа.

На первом этапе измерялись распределения интенсивности излучения F(x,0) на выходной грани лазерного диода вдоль оси х, расположенной в плоскости, перпендикулярной р-и-переходу (далее — вертикальной плоскости), F(0,y) вдоль оси у, расположенной в плоскости р-и-перехода (далее — горизонтальной плоскости), а также F(x,y) вдоль осей, проходящих через центр пятна излучения под разными углами а к вертикальной плоскости. Затем использовалась классическая методика определения угловой зависимости интенсивности лазерного излучения в дальней зоне путем Фурье преобразования функций F{x,0), F(0,y)n F(x,y). Вид этих функций зависит от модового состава излучения. В случае одномодового режима генерации они должны быть гауссовыми. В результате Фурье преобразования функций F(x,0), F(0,jO и F(x,y) была рассчитана диаграмма направленности лазерного излучения в дальней зоне /расч(и,б).

На втором этапе проводились экспериментальные измерения диаграммы направленности излучения ЛД в дальней зоне в вертикальной и горизонтальной плоскости, а также в плоскостях, проходящих через ось лазерного пучка и расположенных под разными углами а к вертикальной плоскости.

Для описания диаграммы направленности излучения ЛД в настоящей работе использована сферическая система координат, начало которой находится в центре пятна излучения на выходном зеркале ЛД. Положение оси диаграммы направленности задается полярным углом и равным нулю, а положение вертикальной плоскости - широтой а равной нулю. Показано, что при любой широте а при значениях экспериментально определенной нормированной функции /экот(и,б) равных или больших 1А она практически не отличается от гауссовой функции <р(и,б). Значение полярного угла hV2, при котором функция /эксп(и,б) равна зависит от широты а. В выбранной системе координат

где и и а - полярный угол и широта; и^ - угол, равный половине полного

угла расходимости излучения в вертикальной плоскости на уровне Уг от максимального значения функции /ЭШ1(и,б); к - коэффициент, численно равный отношению длинной и короткой оси эллиптического поперечного сечения лазерного пучка, Ди^' (и) - зависимость от угла и разности аргументов экспериментально определенной функции /эксп(и,б) и гауссовой функции р(и,б) при одинаковых значениях этих функций в плоскости с широтой а.

Далее показано, что при известном виде функции /экс„(и,б) для определения модового состава излучения ЛД достаточно измерить с помощью интегрирующей сферы полную мощность излучения Рх и мощность части излучения Рп, распространяющегося в телесном угле О, под которым из центра пятна излучения ЛД видна часть приемной площадки первичного измерительного преобразователя, расположенная за круглой диафрагмой. При этом значение телесного угла О выбирается из условия угловой селекции боковых лепестков диаграммы направленности Излучения, обусловленных возникновением генерации мод более высокого порядка.

Так как функция /зксп (и, б) характеризует диаграмму направленности одномодового излучения, то мощность излучения, распространяющегося в телесном угле О, границей которого при любой широте а является плоский угол иа, можно определить из следующего соотношения:

Ищ2тг

Рп = КО) | _[/эксп(и,б)с1бзтисЗи (2)

о о

где и и а - полярный угол и широта; 1(0) - осевая сила излучения.

Полная мощность одномодового излучения ЛД может быть рассчитана из следующего соотношения:

= /(0) | ]/эксл(и,б)с1б5ти<1и (3)

о о

Измерения параметра Ра обеспечиваются с помощью автономно калибруемого планарного первичного измерительного преобразователя, центр приемной площадки которого расположен на оси диаграммы направленности, а сама площадка перпендикулярна к этой оси.

и

Для измерений полной мощности Р? используется интегрирующая сфера. Согласно техническим характеристикам интегрирующей сферы, в нее попадают только те лучи, которые распространяются относительно оси лазерного пучка под углом не более 40°, т.е. 0,7 радиана. Однако из анализа экспериментально измеренных диаграмм направленности излучения ЛД следует, что даже в вертикальной плоскости интенсивность лазерного пучка под углом 40° к его оси не превышает 0,2% от максимального значения. И поэтому мощность излучения, не попадающего в интегрирующую сферу, не превышает 0,1%. Эта величина определяет методическую погрешность измерений полной мощности излучения ЛД.

Путем подстановки экспериментально определенных значений Рп и Ръ в (2) и (3) и последующего деления (2) на (3), получаем следующее уравнение:

где смысл указанных в правой части параметров тот же, что и в (1).

В том случае, когда (4) обращается в тождество, имеет место одномодовый режим генерации.

Далее рассматривается методика определения степени поляризации одномодового излучения ЛД, где также используется результат моделирования в сферической системе координат функции, описывающей диаграмму направленности лазерного излучения и имеющей вид, представленный соотношением (1). Методика основана на том, что излучение ЛД является частично поляризованным -представляет собой смесь двух линейно поляризованных в ортогональных плоскостях и неполяризованного излучений. Электрический вектор волны излучения параллелен р-и-переходу, а значит, перпендикулярен вертикальной плоскости. Благодаря этому появляется возможность контроля состояния ЛД путем достаточно простых и точных измерений степени поляризации его прямого излучения в этой плоскости.

Установлено, что, задавая предельно допустимое значение мощности излучения, используемой для проведения измерений степени поляризации, и зная вид функции /(и,б), можно найти угол и'. Этот угол определяет границу телесного угла, при распространении в котором излучение выходит в свободное пространство без искажения траектории лазерных лучей.

Р£ о

] ]ехр|--!^^[1 + (А2-1)8т2б}82[и-Ди^)(и) ёб5тис1и

} }ехр|--[1 + {к2 -1)бш2 б¡1ё2[и- Ли£' (и)] аб5тис!и

(4)

Рис.1. Схематическое изображение фотонной части средства измерений: 1 - ЛД; 2 -фотодиодный блок; А - смещение плоскости косого сечения относительно центра пятна излучения на выходном зеркале ЛД; - угол между осью пучка и плоскостью его косого сечения; СБ -отрезок линии длиной г', определяемый конструкцией средства измерений

Из рисунка видно, что

^и' — н -—— . (5)

г совв

Оптимизация параметров средства измерений степени поляризации, заключается в определении угла падения излучения / на приемную площадку фотодиода, при котором обеспечивается высокая чувствительность к изменению степени поляризации излучения ЛД в вертикальной плоскости при сохранении требуемого отношения сигнала к шуму. Показано, что в том случае, когда излучение представляет собой смесь линейно поляризованных компонент ТЕ и ТМ, а также естественного излучения, его степень поляризации

^ (А (0+4 (0 - 2АФД (¿))(РпадфД1 (о+

-^падфдц (0)

~ (4, (0 - А, (г))(РпаДфд± (о - ^МФД1| (0) ' ( }

где А±(0, А, (¡) и Афд(0 - поглощательные способности приемного элемента при падении на него под углом г излучения с известными мощностями -РГ1МфД1 (0 и •^падфдцСО линейно поляризованного в плоскости, перпендикулярной плоскости

падения, и поляризованного в плоскости падения.

Для характеристики отклика средства измерений степени поляризации на ее

изменение введен параметр

*(<■) = • (7)

АО)

Экспериментально установлено, что отражательная способность приемного элемента фотонного ПИП без входного окна и просветляющего покрытия может быть рассчитана по формулам Френеля. Тогда в случае полного поглощения изучения в фоточувствительном слое

A±(i) cos (/ — /')

где i' - угол преломления лучей на границе раздела двух сред: воздух -кремний.

Показано, что из (6) - (8) вытекает условие высокой чувствительности средства измерений к изменению степени поляризации излучения: tg(i—Г) ^ л/2 . Это условие используется при конструировании средства измерений.

В третьей главе рассмотрены конструкция средства измерения, разработанного с учетом изложенных во второй главе методик, требования, предъявляемые к используемым в этом средстве изменений первичным измерительным преобразователям — автономно калибруемому термоэлектрическому калориметру и планарным фотодиодам, и условия выполнения этих требований.

Установлено, что для определения модового состава излучения ЛД необходимо располагать центр приемной площадки автономно калибруемого планарного измерительного преобразователя на оси лазерного пучка и обеспечивать независимость его выходного сигнала от положения осей эллиптического поперечного сечения лазерного пучка.

Для определения степени поляризации приемные площадки фотодиодов должны быть расположены в косом сечении лазерного пучка на достаточно большом удалении от центра пятна излучения на выходном зеркале лазера, что позволяет считать угол падения излучения на все элементы приемной площадки каждого фотодиода одинаковым и равным углу падения на центр площадки. Установлено, что угол между осью пучка и его косым сечением при измерениях степени поляризации сильно расходящегося излучения является определяющим параметром, позволяющим реализовать предложенную во второй главе методику таких измерений.

Для экспериментального определения вида функции (1), знание которого необходимо для реализации предложенных в работе методик определения модового состава и степени поляризации ЛД, используется средство измерения, схематическое изображение конструкции которого приведено на рисунке 2. Исследуемый лазер жестко фиксируется на поворотном столике таким образом, что ось вращения этого столика расположена перпендикулярно оптической оси лазерного пучка в плоскости выходного зеркала ЛД.

Показано, что основными требованиями, предъявляемыми к планарному измерительному преобразователю, являются равномерность зонной характеристики и отсутствие зависимости выходного сигнала от состояния поляризации излучения, а также эквивалентность замещения оптического нагрева электрическим. Независимость выходного сигнала преобразователя от состояния поляризации

излучения, согласно формулам Френеля, практически полностью обеспечивается при углах падения излучения на коллектор энергии не превышающих 4°.

I 8а

;:гв'

Рис,2. Схематическое изображение средства измерений модового состава и степени поляризации излучения ЛД в вертикальной плоскости: 1 - лазерный диод, 2 - поворотный столик, 3 - делительная пластина, 4 - приемник-свидетель, 5 - интегрирующая сфера, 6 -поляризационная призма, 7 - диафрагма с квадратным отверстием, 7а - диафрагма с круглым отверстием, 8 - фотодиод, 8а - автономно калибруемый планарный ПИП средней мощности лазерного излучения, 9 - АЦП, 10 - компьютер, 11 и 12 - водяные уровни для совмещения базовой оптической плиты с горизонтальной плоскостью, 13 - фотодиодные блоки

При фиксированном расстоянии от ЛД до коллектора энергии из этого условия определяется максимально допустимая входная апертура преобразователя. Как показали проведенные в данной работе исследования, более строгое ограничение на апертуру накладывает требование равномерности зонной характеристики преобразователя - неравномерность этой характеристики в зоне облучения не должна превышать 0,5%, а также условие пространственной фильтрации первой моды излучения в горизонтальной плоскости.

В работе показано, что все указанные выше требования, предъявляемые к планарному измерительному преобразователю, выполняются при условии, что облучаемая часть коллектора энергии имеет форму круга диаметром 3,5 мм, центр которого расположен на оси лазерного пучка на расстоянии 100 мм от ЛД. Показано, что для выполнения требований, предъявляемых к фотодиодам, необходимо ограничить их облучаемую поверхность прямоугольной диафрагмой с размерами 4x1 мм. При этом длинная ось симметрии диафрагмы должна лежать в вертикальной плоскости, а приемная площадка фотодиода — з плоскости косого сечения лазерного пучка. Определены значения углов между осью лазерного пучка

и плоскостью косого сечения, при которых не нарушается линейность фотодиодов даже в том случае, когда мощность излучения диагностируемого лазера равна 300 мВт. Установлено, что определение угловых зависимостей абсолютной спектральной чувствительности фотодиодов возможно только в том случае, когда отсутствует входное окно и просветляющее покрытие.

Экспериментально установлено, что неравномерность зонной характеристики не превышает 0,5%, а ее нелинейность не превышает 0,1%, что удовлетворяет требованиям конструирования разрабатываемого средства измерений. Кроме этого, конструкция фотодиодов должна позволять проводить высокоточные измерения угловых зависимостей их абсолютной спектральной чувствительности в случае падения на них излучения, линейно поляризованного в плоскости падения, и в плоскости, перпендикулярной ей.

В четвертой главе представлены результаты измерений зонной и координатной характеристики планарного ПИП, а также угловой зависимости абсолютной спектральной чувствительности фотодиодов без входного окна и просветляющего покрытия, модового состава и степени поляризации ЛД. Проведен сравнительный анализ результатов измерений этих параметров с использованием разработанного средства измерений и классических. Определена погрешность средства измерений модового состава и степени поляризации ЛД.

В работе приведены результаты измерений основных параметров излучения при разных уровнях мощности генерации десяти ЛД со временем наработки ЛД от 500 до 3100 часов. Наблюдения за тремя из них проводились с первых часов работы, еще до создания разработанных в диссертации средств измерений модового состава и степени поляризации излучения ЛД. С использованием классической методики измерений параметров Стокса было установлено, что степень поляризации излучения в первые 8 часов работы ЛД1 равнялась 99,8%, ЛД2 96,1% и они не зависели от мощности генерации вплоть до 200 мВт, а степень поляризации излучения ЛД6 зависела от мощности генерации - при А = 20 мВт она равнялась 90%, при 100 мВт - 82%, при 200 мВт - 84%. Модовый состав излучения определялся также по классической методике — путем аппроксимации угловой зависимости плотности мощности излучения ЛД гауссовой функцией. В дальнейшем измерения степени поляризации и модового состава излучения этих ЛД при тех же значениях его мощности проводились через определенные интервалы времени до момента, когда их наработка достигла 3000 часов. Начиная с наработки 2500 часов, сначала наряду с классическими методами и средствами измерений параметров Стокса и модового состава излучения ЛД использовались разработанные в диссертации средства измерений этих параметров, а еще через 200 часов — только последние. Результаты этих измерений для трех ЛД с наработкой

более 3000 часов при различных уровнях мощности генерации представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры излучения лазерных диодов с наработкой более 3000 часов

' Параметр 20 мВт 150 мВт V ■:.};. 200 мВт

ДД 1 ЛД2 ЛД 6 ТПТ 1 лдз ; ЛД 6 ЛД 1 ЛД2 "ЛДб

(^/Рг)х1о6о 7,79 9,94 14,77 6,90 8,04 13,46 5,22 5,48 11,82

44,5 44,5 45,7 44,5 44,5 46,0 44,5 44,5 47,5

9,6 9,6 9,8 9,6 9,6 9,9 9,6 9,6 12,2

1,10 1,10 1,10 1,25 1,20 1,35 1,80 1,60 1,60

0,955 0,845 0,795 0,915 0,806 0,795 0,906 0,814 0,796

0,098 0,092 0,089 0,096 0,006 0,089 0,085 0,099 0,080

0 0 0 0 0 0 0 0 0

. V Ррасч '■ { 0,96 0,85 0,80 0,92 0,81 0,80 0,91 0,82 0,80

0,95 0,84 0,82 0,94 0,84 0,82 0,93 0,84 0,82

Из таблицы видно, что при уменьшении значения отношения Рп/Рг увеличивается параметр М2. Установлено, что такая зависимость наблюдается при диагностике и остальных ЛД. Определено, что параметр М2 начинает резко увеличиваться для ЛД1 и ЛД2 при значениях отношения Рп ¡Ръ меньших 0,006, а для ЛД6 - меньших 0,014. Это позволяет по результатам измерений отношения Рп/Ръ косвенно определять, в какой степени диагностируемый пучок излучения ЛД отличается от дифракционно ограниченного. Установлено, что угловая расходимость одномодового лазерного пучка, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости (соответственно и^ и ине зависит от мощности

излучения. В то же время угловая расходимость излучения в горизонтальной плоскости иуказанных выше ЛД с соответствующими значениями отношения

Рп/Р^ начинает резко увеличиваться. Это является признаком возникновения генерации на первой моде.

На рисунке 3 представлены экспериментально измеренные временные зависимости степени поляризации лазерного излучения и мощности ЛД5.

,. (Г, ч)

1,0 1,5 2,0 2,5 ЗА 3,5

Рисунок 3. Временные зависимости степени поляризации и мощности излучения ЛД5 при той же степени его поляризации.

Видно, что на более ранней стадии (примерно через 100 часов) степень поляризации излучения начинает уменьшаться, в то время как резкое падение полной мощности излучения начинается через 1000 часов наработки. Отсюда следует, что степень поляризации излучения является более чувствительным к деградации ДЦ параметром. Характерно, что поведение этих зависимостей напрямую связано со значением степени поляризации в первые часы его работы -деградация лазера начинает проявляться тем раньше, чем меньше это значение.

Определено, что погрешность средства измерений при контроле режима генерации ЛД на основной моде не превышает 5%, а степени поляризации - 10%.

В заключении кратко сформулированы основные результаты данной работы:

1. Установлено, что разработанные методики контроля режима генерации на основной моде и измерения степени поляризации сильно расходящегося одномодового лазерного излучения могут быть реализованы в средстве измерений, обеспечивающем диагностику широко расходящихся лазерных пучков, без нарушения режима их нормального функционирования

2. Показано, что конструкция такого средства измерений позволяет осуществлять непрерывные измерения, в том числе и в автономных оптико-электронных системах

3. Разработана математическая модель средства контроля режима генерации на основной моде и измерения степени поляризации лазерного излучения, основанная на представлении в аналитическом виде диаграммы направленности сильно расходящегося одномодового излучения

4. Показано, что контроль режима генерации ЛД на основной моде может быть осуществлен без измерения параметра распространения пучка излучения М2

5. Показано, что отношение мощности излучения, направленного вдоль оси его пучка в телесном угле, размеры которого определяются облучаемой частью коллектора энергии автономно калибруемого планарного ПИП, ко всей мощности излучения является параметром, по которому можно определить верхнюю границу диапазона одномодового режима генерации ЛД.

6. Показано, что для измерений степени поляризации излучения в качестве поляризационно чувствительного элемента может быть использован фотодиод без входного окна и просветляющего покрытия приемной площадки, расположенной в плоскости косого сечения лазерного пучка.

7. Определены диапазоны оптимальных с точки зрения высокой чувствительности к изменению степени поляризации значений угла падения излучения ЛД на фотодиод - от 67° до 71° - с длиной волны 530 нм, 635 нм и 980 нм.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Близнюк В.В., Крайнев И.В. Метод непрерывного контроля состояния гетероструктуры лазерного диода // Перспективы науки, 2013, №10(49). С. 148-151.

2. Крайнев И.В., Близнюк В.В. Модернизация лазерного ваттметра ИМО-4, позволяющая создать на его базе рабочее средство измерений средней мощности лазерного излучения // Глобальный научный потенциал, 2013, №11(32). С. 70-72.

3. Близнюк В.В., Брит М.А., Ефремов B.C., Костина О.О., Крайнов И.В., Степанова H.H. Определение модового состава излучения лазерного диода в открытое пространство // Метрология, 2013, №12. С.16-26.

4. Близнюк В.В., Брит М.А., Ефремов B.C., Костина О.О., Крайнов И.В., Степанова H.H. Метод и средство измерений, позволяющие осуществлять непрерывный контроль состояния гетероструктуры лазерного диода // Труды 23-й международной научно-технической конференции «Лазеры. Измерения. Информация-2013». — СПб: Изд-во Политехнического университета, 2013, Т. 2. С.97-101.

5. Близнюк В.В., Брит М.А., Ефремов B.C., Костина О.О., Крайнов И.В., Степанова H.H. Измерения мощности одномодового лазерного диода без использования интегрирующей сферы // Труды 23-й международной научно-технической конференции «Лазеры. Измерения. Информация-2013». - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2013, Т. 2. С.102-106.

6. Близнюк В.В., Брит М.А., Ефремов B.C., Костина О.О., Крайнов И.В., Степанова H.H. Методика определения модового состава излучения лазерного диода в открытое пространство. // Труды 23-й международной научно-технической конференции «Лазеры. Измерения. Информация-2013». - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2013, Т. 2, С. 107-111.

7. Близнюк В.В., Ефремов B.C., Костина О.О., Крайнов И.В., Мороз Е.А., Степанова H.H. О возможности непрерывного контроля процесса деградации мощных одномодовых лазерных диодов, встроенных в системы, работающие по замкнутому циклу // Материалы 43-его международного научно-методического семинара «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах». -М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, МЭИ, 2013. С. 67-74.

8. Близнюк В.В., Ефремов B.C., Костина О.О., Крайнов И.В., Мороз Е.А., Степанова H.H. Методика и средства измерений степени поляризации прямого излучения лазерных диодов // Материалы 43-его международного научно-методического семинара «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах». - М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, МЭИ, 2013. С. 74-82.

9. Близнюк В.В., Крайнов И.В., Костина О.О., Ефремов B.C. Определение степени поляризации излучения лазерных диодов в измерительных системах с непрерывным режимом работы \\ Оптические методы исследования потоков: XII Межд. науч-технич. конференция [Электронный ресурс]: труды конференции. -Электрон.дан. - М.: НИУ «МЭИ, 2013. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM)». -Доклад № 10-5 - ISBN 978-5-91940-663-1 - № гос. Регистрации 0321302584.

10. Близнюк В.В., Костина О.О., Крайнов И.В., Степанова H.H. Определение модового состава и степени поляризации излучения лазерных диодов на основе гетероструктур разделенного ограничения // Труды 22-й Международной научно-технической конференции «Лазеры. Измерения. Информация-2012». - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2012. С. 104.

11. Близнюк В.В., Костина О.О., Крайнов И.В., Степанова H.H. Определение модового состава и степени поляризации излучения лазерных диодов на основе гетероструктур разделенного ограничения // Труды 22-й Международной научно-технической конференции «Лазеры. Измерения. Информация-2012». - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2012. Т. 1 С.175-179.

12. Близнюк В.В., Крайнов И.В. Термофотоэлектрический координатно-чувствительный лазерный ваттметр-джоульметр // Труды 22-й Международной научно-технической конференции «Лазеры. Измерения. Информация-2012». - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2012.Т. 1 С.180-184.

13. Близнюк В.В., Костина О.О., Крайнов И.В., Мороз Е.А., Панов Ю.В., Степанова H.H. Диагностика широких лазерных пучков с использованием крестообразного фотоприемного устройства // Труды 22-й Международной научно-технической конференции «Лазеры. Измерения. Информация-2012». - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2012. Т. 2 С. 99-110.

14. Близнюк В.В., Крайнов И.В., Панов Ю.В., Мороз Е.А. Метрологическое обеспечение измерения состояния поляризации излучения полупроводникового лазера в процессе его деградации // Материалы 42-ого международного научно-методического семинара «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах». - М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, МЭИ, 2012. С. 67-75.

15. Крайнов И.В. Деградация кремниевого термоэлектрического

преобразователя широкоапертурных лазерных пучков // Материалы 42-ого международного научно-методического семинара «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах». - М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, МЭИ, 2012. С. 75-80.

16. Близнюк В.В., Еремин А.Н., Крайнов И.В. Метрологическое обеспечение измерений энергетических параметров лазеров на квантоворазмерных гетероструктурах в процессе их деградации // Материалы 41-ого международного научно-методического семинара «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах». -М.: Изд-воМЭИ, 2011. С. 100-104.

17. Близнюк В.В., Еремин А.Н., Крайнов И.В. Методика измерений степени деградации лазеров на квантоворазмерных гетероструктурах на базе анализа их поляризационных характеристик // Материалы 41-ого международного научно-методического семинара «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах». -М.: Изд-во МЭИ, 2011. С. 105-110.

18. Близнюк В.В., Беляева Е.В., Еремин А.Н., Крайнов И.В., Тинаев A.A. Измерения поляризационных характеристик прямого излучения лазерных диодов на квантоворазмерных гетероструктурах // Труды 20-й Международной научно-технической конференции «Лазеры. Измерения. Информация-2010». - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2010. Т.1 С. 161-169.

19. Близнюк В.В., Беляева Е.В., Еремин А.Н., Крайнов И.В., Оганов В.А. Контроль процесса деградации квантоворазмерных гетеролазеров путем измерений степени поляризации их прямого излучения // Материалы международного научно-методического семинара «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах». - М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, МЭИ, 2010. С. 123-127.

Подписано в печать!6,0Ц> МЗак. МУ Тир. !00 п.л. Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д.13