Особенности конструирования и практического применения лазерных излучений

Страница: 1/3

Лазерное излучение характеризуется некоторыми особеннос-

тями :

1 - широкий спектральный (&=0.2..1 мкм) и динамический

(120..200 дБ);

2 - малая длительность импульсов (до 0.1 нс);

3 - высокая плотность мощности (до 1e+9 Вт/см^2) энергии;

1. Измерение энергетических параметров и характеристик

лазерного излучения

1.1 Измерение мощности и энергии лазерного излучения.

Энергия[Дж] - энергия,переносимая лазерным излучением - W

Мощность [Вт] - энергия, переносимая лазерным излучением

в единицу времени - P

Средства измерения содержат :

1) ПИП - приемник (первичный) измерительный преобразова-

тель

2) Измерительное устройство

3) Регулирующее или отсчетное устройство

В ПИП энергия преобразуется в тепловую или механическую

или в электрический сигнал

ПИП делятся на два типа : поглощающего и проходного

В ПИП поглощающего типа, поступая на вход энергия лазер-

ного излучения почти полностью поглощается и рассеивается в

нем.

В ПИП проходящего типа рассеивается лишь поступившей на

вход энергии излучения, а большая часть излучения проходит че-

рез преобразователь и может быть использована для требуемых

целей.

Измерительное устройство включает преобразовательные эле-

менты и измерительную цепь. Их назначение - преобразование вы-

хходного сигнала ПИП в сигнал, подаваемый на отсчетное уст-

ройство.

Отсчетное или регистрирующее устройство служит для считы-

вания или регистрации значения измеряемой величины.

1.1.1 Тепловой метод

Сущность метода состоит в том, что энергия излучения при

взаимодействии с веществом ПИП превращается в тепловую энер-

гию, которая впоследствии измеряется.

Для измерения тепловой энергии, выделяющейся в ПИП, обыч-

но используют:

-термоэлектрический эффект Зеебека (возникновение тепло-

вой ЭДС между нагретыми и холодными спаяными проводниками из

двух разных металлов или проводников );

-боллометрический эффект (явлении изменения сопротивления

металла или полупроводника при изменении температуры);

-фазовые переходы "твердое тело-жидкость" (лед-вода);

-эффект линейного или обьемного расширения веществ при

нагревании ;

Необходимо отметить, что все тепловые ПИП в принципе яв-

ляются калориметрами .

К достоинствам калориферов относятся :

-широкий спектральный и динамический диапазон работы;

-высокая линейность ,точность ,стабильность характеристик;

-простота конструкции ;

Тепловой поток : Ф=Gt (Tk -To ), где Gt - тепловая прово-

димость; Rt/1=1/Gt - тепловое сопротивление.

Уравнение теплового равновесия имеет вид:

dT(t) T(t)

P(t)=C*----- + ---- , где P(t) - мощность, рассеиваемая в

dT Rt

калориметре; C - теплоемкость;

T=Tk-To

Если в ПИП чувствительным элементом является термометри-

ческое сопротивление, которое непосредственно воспринимает оп-

тическое излучение и в нем присутствует приемный элемент, то

такой ПИП называется болометром.

Принцип работы пироэлектрических ПИП основан на использо-

вании пироэлектрического эффекта, наблюдаемого у ряда нецент-

росимметричных кристаллов при их облучении и проявляющегося в

возникновении зарядов на гранях кристалла перпендикулярных

особенной полярной оси. Если изготовить небольшой конденсатор

и между его обкладками поместить пироэлектрик, то изменения

температуры, обусловленное поглощением излучения, будут прояв-

ляться в виде изменения заряда этого конденсатора и могут быть

зарегестрированы.

Выходной сигнал пироэлектрических ПИП пропорционален ско-

рости изменения среднего прироста температуры (d T/dt) чувс-

твительного элемента. Следствием этого является высокое быст-

родействие пироприемников (до 1E- c), а также их

чувствительность, большой динамический диапазон; широкий

спектральный диапазон (0.4..10.6 мкм). Конструктивно чувстви-

тельный элемент пироприемника не отличается от калометрических

ПИП, за исключение самого чувствительного элемента, выполнен-

ного из пироэлектрика.

В промышленности наибольшее распространение получили при-

емники на основе титана бария, на основе керамики цирконат -

титанат бария.

1.1.2 Фотоэлектрический метод

Основан на переходе носителей заряда под действием фото-

нов измеряемого излучения на более высокие энергетические

уровни.

В качестве ПИП используют фотоприемники (ФП), которые де-

лятся на 2-е группы : с внешним и внутренним фотоэффектом.

Внешний заключается в выбивании фотоном электрона из металла,

находящегося в вакууме, внутренний - в переходе электронов из

связывающего состояния под действием фотонов в свободное т.е.

в возбужденное состояние внутри материалов. В обоих случаях

переход происходит при поглощении веществом отдельных квантов

излучения, поэтому ФП являются квантовыми преобразователями.

Выходной электрический сигнал ФП зависит не от мощности падаю-

щего излучения, а от количества квантов излучения и энергии

каждого кванта.

Общее выражение преобразования входного оптического сиг-

нала в выходной электрический сигнал :

I-Iфп+Iт=S P+Iт

Где I - полный ток, протекающий через фотоприемник [A]

Iфп - ток через фотоприемник, вызванный падающим по-

током излучения [A]

Iт - темновой ток [A]

S - абсолютная спектральная чувствительность [A/Вт]

P - мощность падающего на ФП излучения [Вт]

Фотоприемники с внешним фотоэффектом

Энергия фото ЭДС, испущенных с поверхности катода под

действием Э/М излучения :

W=hv-w

где w - постоянная, зависящая от природы материала фото-

катода.

Испускание e происходит лишь при hv > w = hv , где v -

пороговая частота, наже которой фотоэффект невозможен.

Длину волны &=C/v называют границей фотоэффекта.

К ФП на основе внешнего фотоэффекта относятся вакуумные

приборы : фотоэлементы (ФЭ) и фотоумножители (ФЭУ).

S&=Qэф*&/1.24, где Qэф - эффективный квантовый выход.

Шумы и шумовые токи ФЭ сравнительно невелики, однако

из-за низкой чувствительности ФЭ нецелесообразно применять их

для измерения малых уровней сигналов.

ФЭУ обладают высокой чувствительностью благодаря наличию

умножительной (динодной) системы.

m

Коэффициент усиления ФЭУ : M=П ,

i=1

Где - коэффициент вторичной эмиссии i-го динода

- коэффициент сбора электронов

m - число каскадов усиления.

S = S * M , где S - абсолютная спектральная чувствитель-

ность фотокатода.

Чувствительность ФЭУ может достигать ~1E А/Вт в max

спектральной характеристике.

Фотопреобразователи на основе внутреннего фотоэффекта

К ним относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы.

Действие ФР основано на явлении фотопроводимости, заклю-

чающееся в возникновении свободных носителей заряда в некото-

рых п/п и диэлектриках при падении на них оптического излуче-

ния. Фотопроводимость приводит к уменьшению электрического

сопротивления, и соответственно, к увеличению тока, протекаю-

щего через ф/р.

U &

S = e*V*Q --- * ----

e 1.24

где e - заряд электрона

V - объем освещенной части п/п

Q - квантовый выход внутреннего фотоэффекта

- подвижность носителей

U - напряжение, приложенное к ФР

Действие кремниевых и германиевых ФД: возникновение под

действием излучения неосновных носителей, которые диффундируют

через p-n переход и ослабляют электрическое поле последнего,

что приводит к изменению электричекого тока в цепи. Фототок

зависит от интенсивности падающего излучения. Для измерения

энергетических параметров лазерного излучения обычно использу-

ют фотодиодный режим (с питанием).

S =т* *Q*&(1-p)/1.24 где т - коэффициент пропускания окна

прибора; - коэффициент собирания носителей; Q - квантовый вы-

ход; & - длина волны излучения; p - коэффициент отражения.

Темновые токи у кремниевых фотодиодов примерно на порядок

ниже, чем у германиевых и достигают 1E-5 .. 1E-7 A.

Для измерения относительно больших уровней мощности и

энергии целесообразно применять ПИП с невысокой чувствитель-

ностью, т.е. ФЭ. Для измерения средних уровней энергетических

параметров лазерного излучения можно применять как вакуумные

приборы так и п/п.

Фотодиоды уступают по чувствительности ФЭУ, однако ФД об-

ладают низким уровнем шума.

Преимущества ФД по сравнению с ФЭУ:

- небольшие габариты

- низковольтное питание

- высокая надежность

- механическая прочность

- более высокая стабильность чувствительности

- низкий уровень шумов

Недостатки :

- меньшее быстродействие

- сильное влияние температуры на параметры и характерис-

тики прибора.

1.1.3 Пондеромоторный метод

В пондеромоторных измерителях энергии и мощности лазерно-

го используется эффект П.Н. Лебедева. Лазерное излучение

падает на тонкую приемную пластинку и давит на нее. Давление

Реферат опубликован: 1/06/2005 (4407 прочтено)