книги / Оптическое материаловедение. Лазерные и регистрирующие среды
.pdf
|
|
|
|
|
|
|
|
При отсутствии измеряемого потока Ф проз- |
|
|
|
В этом случае световой |
|
|
рачные освещаемые лампой 7 через конденсор 6 |
|
|
|
поток не попадает в фото- |
|
|
штрихи верхней части растра 5 проектируются |
|
|
|
электронный умножитель 8, |
|
|
объективом и мембраной 4 на непрозрачные |
|
|
|
и в нем не возникает элек- |
|
|
штрихи нижней части растра в положение 9. |
|
|
|
трический сигнал. |
|
|
|
|
|
|
|
|
При наличии измеряемого потока Ф в результате изгиба мембраны часть лучей, отразившись от нее, попадает на прозрачные участки нижней части растра 5 и зеркалом направляется на фотоэлектронный умножитель 8.
В цепи фотоэлектронного умножителя появляется ток, пропорциональный потоку излучения лампы, отраженному от мембраны и прошедшему через нижнюю часть растра 5.
Этот поток пропорционален прогибу мембраны 4, величина которого определяется величиной измеряемого потока Ф.
Канал 3 с отводом служит для изменения внутреннего давления камеры 10 при изменении температуры окружающей среды.
Вкамере 11 обычно используют ксенон, так как этот газ обладает максимальной чувствительностью на частоте модуляции 10 Гц.
9.1.4.Пироэлектрические приемники излучения
Впироэлектрических приемниках излучения чувствительными элементами
являются пироэлектрические кристаллы (титанат бария BaTiO3 с примесями, триглицинсульфата (NH2CH2COOH)3H2SO4, ниобат лития LiNbO3 и некоторые другие).
При отсутствии внешних электрических полей пироэлектрические кристаллы обладают спонтанной поляризацией и при постоянной температуре эта поляризация не обнаруживается, так как поверхностные заряды компенсируются объемной и поверхностной проводимостью кристалла.
При изменении температуры пироэлектрического кристалла на его гранях, перпендикулярных к полярной оси, могут быть обнаружены заряды.
111
Пироэлектрические свойства характерны также для сегнетоэлектриков с обратимой спонтанной поляризацией.
Внешнее электрическое поле может изменить направление поляризации сегнетоэлектрика.
В зависимости от направления вектора поляризации Рс относительно направления потока излучения различают пироэлектрические приемники продольного и поперечного типов.
Приемники продольного типа обладают большей чувствительностью по сравнению с приемниками поперечного типа, но постоянная времени приемников
поперечного типа τпоп меньше постоянной времени приемников продольного типа
τпр (τпр =10–5…10–6 с; τпоп
1 – монокристалл триглицинсульфата;
2 – поглощающее покрытие;
3 – электроды; 4 – опорное кольцо;
5 – мейларовая пленка.
Чувствительный элемент пироэлектрического приемника на основе монокристалла триглицинсульфата изготовливают из пластинки площадью 1–5 мм2 и толщиной 50–150 мкм.
Пороговая величина потока излучения
для такого приемника равна ~ 10–9 Вт/Гц1/2 и мало зависит от час-
тоты, а граничная частота модуляции составляет 18 кГц.
Кроме монокристаллов для изготовления чувствительных элементов пироэлектрических приемников излучения часто используют керамику на основе титаната бария.
Чувствительный элемент из керамики титаната бария представляет собой пластинку толщиной 40–100 мкм с размером приемной площадки 1–20 мм2.
Керамические чувствительные элементы гораздо дешевле монокристаллических, но менее чувствительны.
Изготовленные из пьезокерамики чувствительные элементы в виде тел конусообразной или сферической формы используются в пироэлектрических приемниках полного поглощения (коэффициент поглощения может достигать 0,999).
112
Такие приемники неселективны в широком спектральном интервале, что является их определяющим преимуществом.
9.1.5. Приемники излучения на основе термоупругого эффекта
Приемники на основе термоупругого эффекта используются для регистрации излучения мощных источников излученияилазеров.
Принцип действия таких приемников основан на возникновении разности потенциалов из-за термоупругих механических напряжений, вызванных нестационарным тепловым полем в пьезокристалле при облучении его световым потоком.
Нестационарное во времени и пространстве тепловое поле вызывает в пьезокристалле нестационарные механические напряжения.
Нестационарные механические напряжения кристаллической решетки приводят к изменению вектора поляризации пьезокристалла и к появлению разности потенциалов на его поверхностях.
Конструкция чувствительного элемента приемника излучения на основе термоупругого эффекта
1 – поглощающее покрытие;
2 – токопроводящее покрытие; 3 – пластинка кристаллического кварца; 4 – теплоотводящий демпфер
113
Конструкция приемника излучения на основе термоупругого эффекта представляет собой конденсатор, в котором обкладки – металлический демпфер и токопроводящее покрытие – разделены диэлектриком(пластинка кристаллического кварца).
В равновесном состоянии (отсутствие механических нагрузок и градиента температуры) напряжение на этом конденсаторе равно нулю.
Импульсное или периодическое облучение поглощающего покрытия лучистым потоком приводит к формированию в кварцевой пластинке нестационарного теплового поля с градиентом температуры от поглощающего покрытия к теплоотводящему демпферу.
Градиент температуры приводит к возникновению в кварце напряженного состояния (термоупругий эффект), вызывающего изменение вектора поляризации и появление на поверхностях кварцевой пластинки наведенных зарядов.
Образующаяся разность потенциалов на поверхностях кварцевой пластинки может быть зарегистрирована с помощью усилителя с высокоомным входом.
Так как в основе работы приемника на основе термоупругого эффекта лежит реакция пьезокристалла на нестационарное тепловое поле, это полностью исключает возможность работы с постоянными потоками излучения.
Величина наведенных зарядов, а следовательно, и разность потенциалов зависят от ориентации кристаллографических осей в кварцевой пластинке.
Разность потенциалов в кварцевой пластинке возникает в основном из-за термоупругих механических напряжений, направленных вдоль оси Х (прямой продольный пьезоэффект) и оси Y (прямой поперечный пьезоэффект).
Механические напряжения вдоль оптической оси Z разности потенциалов не вызывают.
Поэтому для чувствительного элемента приемника на термоупругом эффекте пластинку вырезают так, чтобы пара плоскостей была перпендикулярна к полярной оси Х, а ребро d – параллельно этой оси.
114
|
|
|
|
|
|
|
|
Термоупругий элемент из квар- |
|
|
|
Спектральный диапазон работы приемников |
|
|
ца обладает высоким постоянст- |
|
|
|
излучения на основе термоупругого эффек- |
|
|
вом пьезокоэффициентов в ши- |
|
|
|
та – 0,4–20 мкм, динамический диапазон при |
|
|
роком интервале температур |
|
|
|
непрерывном модулированном лучистом |
|
|
(–192–200 ºС) и давлений (до |
|
|
|
потоке – от 10–6 до 102 Вт/см2, постоянная |
|
|
350 МПа). |
|
|
|
времени – до 10–6 с. |
|
|
|
|
|
|
|
|
9.1.6. Пондеромоторные приемники излучения
Чувствительным элементом в пондеромоторных (механических) приемниках излучения является устройство, реагирующее на давление света.
Для измерения давления света можно использовать различные типы преобразователей – емкостные, пьезоэлектрические крутильные весы, механотроны.
Емкостные и пьезоэлектрические преобразователи используются очень редко из-за малого значения коэффициента преобразования, высокой чувствительности к помехам и сложностисистемыотсчетаирегистрации.
Чаще всего для измерения давления света применяется классический прибор для измерения малых сил – крутильные весы на механическом или магнитном подвесе.
Значение оптической мощности пропорционально углу отклонения от положения равновесия подвижной системы при попадании оптического излучения на приемную пластину.
Угол поворота α приемной пластины при воздействии на нее непрерывного излучения мощностью P определяется выражением:
α = (1+ R) τ l cosφ P, c k
где R – коэффициент отражения пластины; τ – коэффициент пропускания входного окна камеры; l – расстояние от оси пучка излучения до оси вращения; ϕ – угол падения излучения на пластину; c – скорость света; k – жесткость подвеса.
115
Для отсчета угла поворота крутильных весов возможно использование емкостного преобразователя.
В этой конструкции пластина противовеса является одной из пластин конденсатора, включаемого в резонансный контур генератора.
При повороте подвижной системы изменяется емкость конденсатора, что приводит к изменению частоты генератора, которая измеряется частотомером.
Такая система обладает очень высокой чувствительностью, но отличается большими габаритами и сложностью в настройке и управлении.
Вместо емкостной схемы возможно использование схемы с двумя фоторезисторами, которые включены вместе с двумя постоянными резисторами в мостовую схему, что позволяет измерять минимальный угол отклонения порядка нескольких угловых секунд.
Использование бесконтактного подвеса в магнитном поле позволяет увеличить чувствительность пондеромоторных измерителей оптической мощности, а также уменьшить влияние толчков и вибраций на подвижную систему.
В промышленных измерителях оптической мощности вместо крутильных весов используются механотроны, которые представляют собой электровакуумный прибор с механически управляемыми электродами.
Перемещение приемной пластины при воздействии падающего излучения в механотроне происходит при перемещении одного или нескольких подвижных электродов, что вызывает соответствующее изменение анодного тока.
1 – гибкая металлическая диафрагма; 2 – стержень; 3 – подвижный анод; 4 – сетка; 5 – катод; 6 – металлическая оболочка, соединенная с анодом.
116
В обычных измерениях применение пондеромоторных приемников ограничено, так как они очень чувствительны к вибрациям и тепловому излучению окружающей среды.
Преимущество пондеромоторных приемников – высокий верхний предел измерения энергии и мощности излучения при достаточно высокой точности абсолютных измерений.
Эти приемники обычно применяют для измерения больших уровней мощности и энергии импульсов лазерного излучения (например, непрерывного излучения мощных СО2 -лазеров и импульсного излучения на стекле с неодимом).
117
Лекция 10. ФОТОННЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
В фотонных приемниках происходит прямое взаимодействие между падающими на чувствительный элемент фотонами и электронами материала.
Все фотонные приемники оптического излучения подразделяются на две группы в соответствии с реакцией электронов вещества.
Фотоприемники с внешним фотоэффектом.
Фотоприемники с внутренним фотоэффектом.
В фотоприемниках с внешним фотоэффектом поток фотоэлектронов, эмиттируемых под действием падающего излучения фотокатодом в вакуум (или газ), ускоряется за счет постоянного внешнего напряжения и улавливается анодом, образуя во внешней цепи электрический ток – фототок.
В фотоприемниках с внутренним фотоэффектом энергия квантов излучения передается электронам вещества, изменяющим в нем свое энергетическое состояние.
10.1. Фотоприемники с внешним фотоэффектом
|
|
|
|
|
Фотоэлементы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В настоящее время используются два типа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
приемников с внешним фотоэффектом: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фотоэлектронные умножители. |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
118
10.1.1. Фотоэлементы
Электровакуумные фотоэлементы (вакуумные или ионные диоды) представляют собой фотоприемники с наиболее простой конструкцией.
Под действием светового потока, падающего на фотокатод, возникает фотоэлектронная эмиссия с поверхности фотокатода, а при замыкании цепи фотоэлемента в ней протекает фототок, пропорциональный световому потоку.
В газонаполненных фотоэлементах фотоэлектроны вызывают ионизацию газа, а возникающий несамостоятельный лавинный разряд усиливает фототок.
Спектральная чувствительность фотоэлемента определяется в основном материалами фотокатода и входного окна колбы.
Фотокатод |
Область спектральной |
чувствительности, нм |
|
Ag-O-Cs |
400–1200 |
Cs3Sb |
160–700 |
BiAgOCs |
300–800 |
Na2KSb |
300–850 |
Mg |
200–320 |
Cs2Te |
200–340 |
Газонаполненные фотоэлементы применяются редко из-за их недостаточной стабильности и нелинейности световой характеристики – зависимости фототока от падающего светового потока.
119
10.1.2. Фотоэлектронные умножители
Фотоэлектронный умножитель – электровакуумный прибор, в котором поток электронов, эмитируемый фотокатодом под действием оптического излучения, усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии.
Усиление электронного потока в фотоэлектронных умножителях достигается при помощи системы дискретных электродов (динодов), обладающих коэффициентом вторичной эмиссии σ > 1.
Фотокатод фотоэлектронного умножителя выполняют из полупрозрачной полупроводниковой пленки
(Cs3Sb, GaAs и др.).
Для изготовления динодов используют слой Cs3Sb на металлической подложке, сплавы CuBe, CuAlMg; эпитаксиальные слои GaP на Mo, обработанные O2.
Спектральная чувствительность фотоэлектронных умножителей обычно приходится на диапазон 105–1200 нм.
Чувствительность в УФ-области спектра определяется характеристиками входного окна ФЭУ, а в ближней ИК-области – красной границей фотоэффекта.
120