УДК 535.2; 535.3; 535.8
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРЕЦИЗИОННОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ
Сборник научных трудов. - М. Изд. ВНИИФТРИ, 1987, с.133
УДК 535.825
Е. И. ИВЛЕВ, В.М. НЕСТЕРЕНКО, В.Д. ПОПОВ
Развитие лазерной и физической оптики в последнее десятилетие возбудило интерес к точным измерениям спектральных коэффициентов отражения R высокоотражающих ( R » 0,98 - 1) лазерных зеркал (ВОЛЗ). В частности, предельно высокие значения R » 1 требуются при разработке лазеров с малыми коффициентами усиления активных сред, высокочувствительных лазерных приемников гравитационных волн, при исследованиях нелинейных явлений при малой мощности накачки [1- 3].
Исходя из закона сохранении энергии, значение R можно найти из| 1 = R + T + S + A | (1) |
где R , Т, S, А - коэффициенты зеркального отражения, npопускания, рассеяния и поглощения. Наряду с R для описания ВОЛЗ удобно использовать коэффициент потерь L:
| L = 1 - R = T + S + A | (2). |
Типичные значения для ВОЛЗ, используемых в гелий-неоновых лазерах, составляют R » 0,998; T» 0,001; S< 5.10 - 4; A < 5.10 - 4 [3]. Таким образом, современный уровень производства ВОЛЗ указывает на необходимость определения R с погрешностью » 10 - 4 и меньшей. Отсюда следующие специфические требования к измерительной аппаратуре ВОЛЗ: низкие значения изменений зональной чувствительности, высокая линейность приемников излучения, стабильность источников излучения и малый уровень шумов регистрирующей аппаратуры.
Разработан ряд методов и средств измерения, в той или иной степени отвечающих отмеченным требованиям [4-14].
На рис.1 изображена классификация методов измерения. Погрешность простейших однолучевых фотометров сравнительно велика и в основном определяется нестабильностью мощности источника излучения, нелинейностью фотоприемного устройства и погрешностью выходного прибора. Обычно она достигает 1 - 0,5 % [13]. Вклад нестабильности мощности излучения может быть существенно уменьшен при использовании двухлучевых и двухканальных схем. Так, например, двухлучевой спектрофотометр фирмы Beckman модели 5270 имеет погрешность 0,1%; такую же погрешность имеет однолучевой прибор DU - 8B той же фирмы, имеющий обратные связи по мощности излучения и чувствительности фотоприемника.
Некоторые методы, например [4], чрезмерно сложны: требуют зеркал большого диаметра, выполнения 6 последовательных операций, сопряженных с тщательной (до ± 12 мкм) юстировкой и непригодны для оперативных измерений, а сами измерения (указываемая авторами погрешность 3.10 - 3%) представляются мало надежными из-за жестких требований к стабильности мощности на протяжении 6 операций, дительность которых можно оценить в несколько минут, и к зонной чувствительности кремниевого фотодиода (8. 10 - 2 % на расстояниях ± 0,4 мм).
 |
| Рис. 2. |
Во многих отношениях перспективен рефлектометр [5], схема которого представлена на рис. 2. Излучение лазера 1 падает на высокоотражающий секторный диск 2, отражается или проходит сквозь него. При одном измерении на фотоприемник 4(6) приходит излучение, oтраженное от зеркалького диска 2 и измеряемого зеркала 3(5), a при втором - отразившись от диска и зеркала 5(6), либо прошедшее через диск. По результатам измерений суммы и разности сигналов на приемнике определяется R зеркала. Сообщается, что погрешность не превышает 5.10-3 % и в основном обусловлена дрейфом электронной системы регистрации. Реальная погрешность измерения также ограничивается изменением отражательной способности вдоль поверхности диска.
Для измерения R используются также многопроходные линии задержки [6, 7]. При диаметре зеркала 15 см и R » 0, 985 реализовано N = 200 отражений пучка. Оценивая в этом случае погрешность измерения по формуле
где Кn - относительное изменение мощности излучении после N отражений, получим bR= 5. 10-2 %, bL = 10 %. Основным недостатком метода является требование большой поверхности зеркала.
Значительное число методов основано на свойствах оптических резонаторов. В работе [8] описан метод, основанный на измерении ширины резонансной кривой интерферометра, образованного измеряемыми зеркалами. Достоинство метода состоит в том, что иэмерения проводятся в условиях, близких к реальным, в резонаторе разрабатывае мого прибора. Погрешность измерения высока ( » 0, 1 % ), на результаты измерений сильно влияют вибрации. Другой метод основан на измерении времени затухания колебаний, возбуждённых в резонаторе импульсами 0.1 нс. Погрешность измерений составила 0, 05 % [9].
Наиболее близкие к реальным условиям удается реализовать во внутрирезонаторном методе внесения калиброванных потерь [9-12, 14]. Разработанный в [12] вариант метода обладает суммарной погрешностью 0, 03 %, случайная погрешность в условиях лаборатории 0, 01%. В эаводских условиях эти погрешности соответственно равны 0, 1 и 0, 04 %. На лабораторном рефлектометре достигнута рекордная чувствительность к изменению R равная 6. 10-6. Для проверки погрешности установки были контрольно измерены R для пяти зеркал другим независимым двухканальным методом. При этом было устранено изменение зонной характеристики приемника, возникающее из-за поворота изображени пучка в результате зеркального отражения [15, 16].
В качестве источника использовался одночастотный одномодовый гелий-неоновый лазер с автоматической подстройкой частоты типа ЛГН-302, который питался от стабилизатора переменного тока (стабильность не хуже 0,1 % ). Стабильность мощности излучения за время измерения (1 мин) составляла 0, 01 %. В качестве приемника использовался кремниевый фотодиод ФД-7К. В качестве выходного прибора применялся цифровой вольтметр Щ-302. Юстировка излучения на площадку приемника осуществлялась с погрешностью 1 мм. Расходимость результатов не превышала 0, 08%.
