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 (6519 прочтено)