книги / Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров

Рис.4.4. Зависимость диэлектрической проницаемости £ (2) и проводи­ мостио (2) сегнетоэлектрических пленок от температуры

'Рис.4.5. Зависимость диэлектрической проницаемости (2), пироэлектричес­ кого коэффициента (2) и сопротивления пленки (5) от напряжения поля смещения

высокие энергетические уровни. В качестве первичных преобразователей применяют приемники с внутренним и внешним фотоэффектами. Сигнал, полученный на выходе в результате облучения фотоприемника, зависит от количества падающих квантов и их энергии.

Основными характеристиками фотоприемников, использующих фотоэлект­ рический принцип, являются спектральный диапазон, чувствительность, дина­ мический диапазон, быстродействие, шумовые свойства, стабильность чувст­ вительности, зависимость чувствительности от угла падения и так далее.

В фотоприемниках с внешним фотоэффектом электроны, испускаются с <атода под действием излучения в вакууме. К фотоприемникам этого типа вносятся фотоэлементы (ФЭ) и фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Спект- )альный диапазон ФЭ, ФЭУ зависит от материала фотокатода и в настоящее |ремя довольно широк: от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного.

Перспективными фотоприемниками для регистрации и измерения параютров нано- и субнаносекундных импульсов видимого и ближнего ИК-диапаэонов вляются малогабаритные ФЭУ с микроканальными пластинами (например, ЭУ-МКП.06) и ФЭУ с полупроводниковыми структурами и эффектом катодосиления (ФЭК-50) [101]. В приборе ФЭУ-МКП.06 используется планарная умноительная система на осйове одной микроканальной системы (МКП). Увеличение юла МКП приводит к повышению усиления фототока до 107 при ухудшении )еменного* расширения до 0,8 нс. В ФЭУ типа ФЭК-50 применена кремниевая ишень, имеющая планарную структуру с коэффициентом усиления до 10э.

191

Примечание: коэффициент вторично-электронногоусиления фотокатода Кф=104-Ю 5 для фотоумножителя СНФ-1 и Кф= 105-10б для СНФ-6.

Одной из метрологических характеристик ФЭУ является абсолютная спектральная чувствительность

S \ - т\эк / " \ £ А ,

где т ц - эффективный квантовый выход; X - длина волны излучения. Абсолютная чувствительность находится в пределах 10“3 - 10-* мА/Вт. Динамический диапазон изменения выходного сигнала довольно широк и определяется шумами, темновым током, влиянием пространственного заряда, продольным сопро­ тивлением фотокатода и находится в пределах 10 ~14 - 10-* а в импульсном режиме предел линейности составляет несколько ампер. Быстродействие ФЭ определяется в основном разбросом времен пролета фотоэлектронов от катода к аноду и переходными процессами в контуре фотоэлемент-нагрузка составляет около 10*“10с.

Основные характеристики измерителей импульсного излучения ПКГ,

Внутренний фотоэффект заключается в переходе электронов в свободное состояние под действием излучения (фотонов). К фотоприемникам данного типа

где q - заряд электрона; т| - квантовый выход; V - объем освещеннЬй части

полупроводника; ц - подвижнрсть фотоносителей; тф - время жизни фотоно­ сителей; / - расстояние между контактами; V - напряжение, приложенное к

фоторезистору. Для фотодиодов sx = (1 - p ) F 0nX/1,24I

где р - коэффициент отражения;F0коэффициент пропускания окна; л - квантовый выход; к - длина волны излучения. Основные характеристики фотодиодов и

фототранзисторов приведены в табл. 4.8.

П а н д е м о т о р н ы й принцип.Суть этого принципа измерения параметров лазерного излучения заключается в том, что, попадая в измерительный приемник, выполненный в виде тонкой металлической или диэлектрической пластинки, излучение оказывает на нее давление [123]. Величину давления легко учесть,

Пандемоторный измеритель мощности представляет собой пластину из иатериала с коэффициентом отражения (зеркальным) р и коэффициентом про­ пускания Г. Пусть число фотонов, падающих в 1 с, равно п, импульс фотонов,

195

падающих на пластину р х = nhv/с, а отраженных р2 - p p t и прошедших через^ пластину р3 = (1-р) Tpv Общий импульс р определим из закона сохранения

энергии импульса P I = P 2 + P 3 + P и л и с учетом направления векторов

р «<ЬА^сЛ (1 + р) - ( 1 - р) Я ;

nh v имеет физический смысл мощности излучения р, F • р - сила, дейст­

вующая на пластинку, тогда

Измерители мощности, использующие давление света, разделяют на емкостные, пьезоэлектрические, а также измерители с крутильными весами на механических или магнитных подвесах и механотроны.

В пандемоторных преобразователях' достигается точность до единиц милливатт при измерении мощности и десятых долей джоуля - при измерении энергии оптического излучения. Принцип устройства крутильных весов показан на рис. 4.6. Функциональные крутильные весы состоят из подвеса - 1, коро­ мысла - 2, приемного крыла - 3, противовеса - 4 и зеркала - б.Крючок (6) предназначен для калибровки весов, 7 - направление поля, 8 - шкала Угол

поворота отсчитывается в различных системах по-разному. Если это емкостный преобразователь, то пластина противовеса является одной из обкладок кон­ денсатора, включенного в резонансный контур генератора, и при повороте изменяется соответственно частота генарации, которую замеряют с помощью частотного детектора Система обладает очень высокой чувствительностью, но сложна в настройке.

ляемыми электродами (рис. 4.7). При механическом воздействии на подвижные электроды происходит изменение анодного тока [124]. Механотрон состоит из стеклянного баллона (1), неподвижного катода(3) с подогревателем и подвижного анода (4), жестко соединенного со стержнем (5), впаянным в гибкую мембрану (б), и среды заполнения (2).

42. ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ

К числу важнейших и часто измеряемых параметров лазерного импульсного излучения относятся временные характеристики: длительность, фронт, срез, частота повторения и т.д. Для таких измерений необходимы малоинерционные преобразователи. При регистрации характеристик импульсов в наносекундном и пикосекундном диапазонах длительностей используют, как правило, фото­ электрические приемники, рассмотренные ранее.

198

Для регистрации одинаковых или редко повторяющихся импульсов наиболее часто применяют фотохронографический метод измерения формы оптического импульса. В этом методе используются а основном электронно-оптические преобразователи (ЭОП), в которых оптический импульс преобразуется в поток электронов, возбуждающий свечение люминофора Основные характеристики некоторых электронно-оптических преобразователей приведены в табл. 4.9. На их основе созданы электронно-оптическая камера ”АГАТ-СФЗ*Л”, ”АГАТ-СФ5”, фотохронограф ФЭР-7, хронограф зеркальный высокоскоростной ЗСХ-1м и т.д. Так, электронно-оптические камеры ”АГАТ-СФЗМ” и "АГАТ-СФ5” имеют сле­ дующие характеристики:

временной щелью, с помощью двух идентичных объективов, между которыми могут быть установлены нейтральные и цветные светофильтры, переносится на фотокатод времяанализирующего ЭОП. Фокусирующая система ЭОП образует на выходном экране преобразователя электронное изображение, которое с

199

Электронная фокусирующая система усилителя образует электронное изображение развернутого во времени процесса на микроканальной пластине (МКП) усилителя яркости. Выход МКП и выходной экран усилителя яркости представляют собой бипланарный ЭОП, в котором происходит перенос электрон­ ного изображения в параллельном электрическом поле. Световое излучение с экрана через волоконно-оптический диск непосредственно попадает на эмульсию плотно прижатой к диску фотопленки, на которой и регистрируется исследуемый процесс.

Существует также группа методов измерения длительности световых импульсов на основе нелинейных оптических эффектов. Исходное излучение делят на две составляющие со строго определенной разностью хода. Полученное излучение направляется в нелинейную среду, и анализируются параметры отклика [126]. * '

4Л . ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

При измерении спектральных характеристик наиболее широко используется интерференционный принцип. Здесь преобразователями являются дисперсионные элементы (призма, дифракционная решетка или интерферометры различных типов). Призменные и дифракционные приборы обладают невысокой разрешающей способностью (до З-ТО5), что значительно сужает область их применения. Наибольшее распространение для измерения спектральных характеристик лазерного излучения получили интерферометры. Методами регистрации спектра, получившими наибольшее распространение, являются фотографический и фотоэлектрический [1*26].

Рассмотрим метод фотографической регистрации. Для измерения длин волн в каком-нибудь спектре этим методом на фотопластинку снимают иссле­ дуемый и стандартный спектры. Особенно важно, чтобы спектры не были смещены относительно друг друга по частотам и длинам волн, иначе произойдет неправильная расшифровка. Чтобы избежать этого, приходится принимать ряд предосторожностей. Так, кассету с фотопластинкой не двигают. Для съемок используют диафрагму Гартмана, позволяющую получить изображение двух рядом расположенных спектров. Диафрагма должна легко передвигаться перед дифракционной щелью, чтобы не сдвинуть ее, так как это приведет к смещению спектра На снимках, полученных с помощью этой диафрагмы, спектры заходят друг за друга, что удобно при промера

Особо следует обратить внимание на то, чтобы источники излучения были расположены как можно более одинаково относительно оси спектрального прибора Смещение спектров может быть обусловлено и изменением темпе­ ратуры, давления и т.д., что может происходить при длительном экспонировании, а также при различных механических воздействиях (толчках, ударах, вибрациях, смещениях кассеты, щели), единственной защитой от этого может быть лишь предельная аккуратность и осторожность.

Высокая направленность и когерентность лазерного излучения требует использования конденсорных систем, так как недостаточное заполнение струк­ туры спектрального прибора приводит к уменьшению разрешающей способности. После проявления фотопластинки производится промер спектров, чаще всего с помощью компараторов, разрешающая способность которых достигает 1 мкм.

200