книги из ГПНТБ / Зубов В.А. Методы измерения характеристик лазерного излучения

постъ приемника, его способность работать с сигналами, модулированными с определенными частотами. Если амплитудно-частотная характеристика приемника описы­ вается выражением

S ( f ) ~ ____ ?!____

W (1 + 4к2/2-2)'/3 ’

то постоянная времени приемника т будет

Будем рассматривать четыре варианта методов изме­ рения энергетических характеристик: с тепловыми при­ емниками, с фотоэлектрическими приемниками, пондермоторный метод и, наконец, фотографический метод.

§ 1. Измерения с тепловыми приемниками

Сущность этого метода измерения заключается в сле­ дующем: излучение поглощается приемным элементом, световая энергия переводится в тепловую, которая тем или иным способом измеряется [И, 12].

Преимущества методов измерения энергетических ха­ рактеристик с помощью тепловых приемников заклю­ чаются в следующем.

1. Тепловые приемники могут применяться практи­ чески в любой области спектра, для любых длин волн. Это обусловлено тем, что поглощающие поверхности могут быть сделаны черными для всей оптической об­ ласти спектра. Однако в области спектра с длинами волн меньше 1 мкм чувствительность тепловых приемников значительно меньше, чем фотоэлектрических или фото­ графических, поэтому для длин волн короче 1 мкм они используются относительно редко. В области спектра с длинами волн больше 5—10 мкм чаще применяются тепловые приемники.

2. Тепловые приемники неселективны, т. е. их чувст­ вительность не меняется по спектру. Это обусловлено тем, что излучение любой длины волны может быть пере­ ведено в тепловую энергию с коэффициентом преобразо-

10

вапия, достаточно близким к 100%. Это свойство тепло­ вых приемников позволяет производить сравнение энер­ гетических характеристик излучений в различных об­ ластях спектра.

3.Тепловые приемники позволяют проводить абсо­ лютные измерения энергетических характеристик, так как возможна их абсолютная градуировка.

4.Световые характеристики тепловых приемников ха­ рактеризуются высокой линейностью, поскольку, как будет показано ниже, тепловой эффект (измеиеиие тем­ пературы приемного элемента АТ) пропорционален мощ­ ности поглощенного излучения для непрерывного излу­ чения и полной энергии поглощенного излучения для импульсного излучения.

Кнедостаткам такого типа приемников относятся низкая чувствительность по сравнению с фотоэлектриче­ скими и фотографическими приемниками и большая инер­ ционность, что обусловлено малой скоростью процессов распространения и передачи тепла.

Для измерения тепловой энергии, выделившейся в при­ емнике, чаще других используются три эффекта: термо­ электрический эффект (возникновение термоэлектродви­

жущей силы), эффект изменения сопротивления при изменении температуры (болометрический эффект) и пиро­ электрический эффект (изменение поляризации пироактивного кристалла при изменении его температуры х)).

Тепловые приемники, работающие на основе термо­ электрического эффекта. Если замкнутую цепь, состоя­ щую из двух различных металлов, поместить в такие условия, при которых температура спаев будет неодина­ кова, то в ней возникнет электродвижущая сила из-за зависимости внутренней контактной разности потенциа­ лов. от температуры [13, 14]. Этот эффект используется для измерения мощности или энергии излучения, так как под действием поглощенного излучения возрастает температура одного из спаев.

Если оба спая изготовить по возможности одинаковыми и поместить в одинаковые условия, то разница темпера­ тур между ними будет обусловлена главным образом поглощением лучистой энергии в результате облучения одного из спаев [14].

г) Пироэлектрические приемники будут рассмотрены в следую­

щем параграфе в связи с изложением специфики их работы.

11

Термоэлектродвижущая сила &, возникающая в термо­ элементе, определяется при фиксированной исходной температуре только разностью температур спаев АТ:

<§ = А(Т)-АТ.

Функция А (Т) характеризует чувствительность термо­ элемента при температуре Т, однако, ввиду малости изменения температуры в процессе измерений, А (Т) можно считать постоянной. Для получения большей чувствительности необходимо уменьшать как массу, так и теплоемкость материала приемника. Требование умень­ шения массы приводит к тому, что размер термоэлемента также значительно уменьшается, поэтому не всегда удается достаточно хорошо сфокусировать на него все излучение. Для устранения этой трудности в качестве приемной площадки элемента используют тонкую пла­ стинку, размеры которой выбираются в соответствии с условиями измерений. Между этой пластинкой и термо­ элементом должен быть обеспечен хороший тепловой контакт. Для лучшего поглощения энергии излучения пластинка чернится. Холодный спай также снабжается аналогичной пластинкой.

Электродвижущая сила, возникающая при измере­ нии излучений таким методом, может быть увеличена последовательным соединением нескольких термоэле­ ментов. Такая конструкция называется термостолбиком. При этом следует иметь в виду, что с числом термоэле­ ментов возрастает и сопротивление.

Для термоэлектрических приемников шум склады­ вается из нескольких составляющих [8, 15].

Фотонный шум обусловлен случайными флуктуациями потока фотонов, которые дают на выходе приемника

шумовое напряжение ^ Температурный шум обусловлен случайными флуктуациями температуры при­ емного элемента, которые приводят к появлению на выходе приемника соответствующего напряжения шума

V иіиХшт щ. Джонсоновский шум, называемый также шумом сопротивления, или шумом Найквиста, вызы­ вается тепловыми флуктуациями концентрации и тепло­ выми флуктуациями движения носителей тока — элек­ тронов. Этот шум присущ сопротивлениям любого рода.

На выходе приемника имеем V ЩЫІ ш.

12

Преобладающим для термоэлектрических приемников является джонсоновский шум. Подробнее характеристики шумов будут рассмотрены далее.

Типичные параметры термоэлектрических приемни­ ков таковы: приемным элементом является полоска тон­ кой черненой золотой фольги, так как золото имеет не­ большую теплоемкость и дает хорошую чернь; размеры приемной поверхности (1—5) X(0,1—2) мм2; постоянная времени т ~ (1—5)-ІО-2 сек; детектирующая способность D* — (ІО8—ІО9) см-гц'^Івт [8, 14].

Тепловые приемники, работающие на основе боло­ метрического эффекта. Действие этих приемников (боло­ метров) основано на изменении сопротивления приемного элемента при нагревании его лучистым потоком. Через приемный элемент пропускают ток, изменение тока обуславливается изменением сопротивления боло­ метра [14, 16]. Приемники такого типа обычно вклю­ чаются в мостовую схему, два плеча которой являются идентичными болометрическими приемниками: одно — активным элементом, другое — компенсационным. Как и в случае термоэлектрических приемников, для увели­ чения чувствительности необходимо стремиться к умень­ шению массы приемного элемента. В практике находят применение болометры различных типов.

Металлический болометр. Сопротивление металла ли­ нейно меняется с температурой

Д = і?г„(1 + Т^Т),

где R T0— сопротивление при температуре Г„, у — тем­ пературный коэффициент сопротивления [17]. Для ме­ таллов температурный коэффициент сопротивления не зависит от температуры и положителен. Его величина приблизительно 0,3—0,5% на 1 градус. Шумы металли­ ческого болометра в основном идентичны шумам, при­ сущим термоэлектрическим приемникам излучения [8, 15], и содержат составляющие: фотонный шум, вызываемый флуктуациями потока фотонов; температурный шум, вы­ зываемый флуктуациями температуры приемного эле­ мента; джонсоновский шум, вызываемый флуктуациями движения электронов в цепи приемника.

Кроме этого играет роль так называемый «1//-шум». Это название отражает характерную частотную зависи­ мость шума. Хотя окончательная природа этого шума не выяснена, но предполагается, что в какой-то мере

13

шум связан с явлениями в приповерхностных областях, с наличием барьеров, через которые течет ток. Вклад этой составляющей шума зависит от технологии изго­ товления приемника.

Типичные металлические болометры имеют следующие характеристики. Размеры приемного элемента состав­ ляют —10 лшХІ ммХ 1 мкм. Для лучшего поглощения лучистой энергии поверхность приемного элемента по­ крывается чернью. Сопротивление полоски болометра — от нескольких ом до нескольких сотен ом, постоянная времени т ~ ІО-1—ІО-3 сек, детектирующая способность D* — ІО8—10э см-гц'Ь/вт [8, 14].

Полупроводниковый болометр. Сопротивление полу­ проводника экспоненциально падает с ростом темпера­

и растет по абсолютной величине при понижении темпе­ ратуры.

Однако в реальных условиях работы изменения тем­ пературы приемного элемента очень незначительны, по­ этому можно пользоваться приближенной формулой, по­ лучаемой при разложении в ряд выражения для R, считая у не зависящим от температуры:

і? = і?Го(1 -уД Г ).

Таким образом, практически имеет место линейная зави­ симость сопротивления полупроводника от температуры. Температурный коэффициент сопротивления —10% на 1 градус.

Для полупроводникового болометра, кроме рассмо­ тренных ранее составляющих шума (фононный шум, температурный шум, джонсоновский шум, «1//-шум»),

циями скоростей генерации и рекомбинации носителей тока. Эта составляющая шума является преобладающей для полупроводниковых болометров. Она сильно зави­ сит от величины питающего напряжения. На низких частотах основную роль играет «1//-шум».

14

Для типичных полупроводниковых болометров полу­ чены следующие характеристики. Размеры приемного

Сверхпроводящий болометр. Действие болометра осно­ вано на резком изменении сопротивления металла при переходе его в сверхпроводящее состояние [19, 20].

Система соединяется с дном гелиевого криостата 4. Рабо­ чая температура болометра 3,7 °К. Она поддерживается с точностью +5-10_5°К при кольцевом нагревателе, состоящем из Константиновой спирали 5, или + 8 -ІО-6 °К при нагревателе, состоящем из излучающих полупровод­ никовых диодов. Приемник такого типа имеет сверх­ проводящую полоску размером 10 л.ліХІ мм х 1 мкм с сопротивлением при комнатной температуре R зоо °к —20 — 200 ом. Постоянная времени болометра т ~ 10-1—10“2 сек, чувствительность S — 1000 вівт.

Сверхпроводящие болометры представлены пока только в виде лабораторных экземпляров. Детектирующая спо­ собность приемников D* — 1012 см -гц'б/вт.

Методы измерения с тепловыми приемниками. Баланс тепловой энергии для приемника в некоторый момент времени описывается уравнением *) [1 ]

(?ия.т + Qпзл. ср+ (?ппт = <?пр + Qконо*

г) Не учитывается конечная теплопроводность приемного эле­

мента. Для большинства случаев практических измерений это справедливо.

15

Здесь QUSJI—aP (t)— тепловой поток, получаемый при­ емным элементом за счет поглощеиия измеряемого излу­ чения мощностью Р (t), а — коэффициент поглощения;

<?иал.ср=аРср — тепловой поток па приемную площадку приемника от излучения окружающих деталей и предме­ тов мощностью Рср; Qnin, — приток тепла, связанный с условиями работы приемника (за счет тока питания

СІП ^JT ' + аТѴ) = аР Ѵ) + aPcv+ <?ппт-

Рассмотрим поведение приемника без действия излуче­ ния. Уравнение теплового баланса запишем в виде

c m ^ - + aT (t)= Q 0,

Эта величина дает начальную температуру приемного элемента перед измерениями светового сигнала.

В дальнейшем нас будет интересовать изменение тем­ пературы приемного элемента АТ (t) под действием из­ лучения Р (t). Уравнение теплового баланса для этой величины

16

первым членом:

t

Из этого выражения видно (рис. 2), что за время дейст­ вия импульса излучения \ происходит увеличение тем­ пературы, после прекращения действия излучения тем-

Рассмотрим действие на тепловой приемник периоди­ ческого импульсного излучения, принимая во внимание, что длительность импульса тп и период следования им­ пульсов Т много меньше постоянной времени приемника

Т„Р’ т. е.

< Т < тмр.

Интеграл в решении разобьем на части длительностью T —tln и из-под знака интеграла вынесем экспоненту, так как за время Т подынтегральное выражение отли­ чается от нуля в течение малого времени тп, за которое

ехрГ^-іЛ практически не меняется. Тогда

18

Вычисление суммы геометрической прогрессии с учетом

Будем интересоваться стационарным режимом, соответ­ ствующим переходу к t ->оо. Полупим

т

ЬТ(<х>) = ^ \ Р { і ) М = ^ Р .

и

Таким образом, при действии па приемник периодиче­ ского импульсного излучения изменение температуры пропорционально средней мощности излучения Р.

Тепловые приемники могут быть использованы для проведения абсолютных измерений, как это уже отмеча­ лось [1]. В простейшем варианте для случая полного поглощения импульса излучения (а = 1) по известным величинам теплоемкости с материала приемного элемента и массы m приемного элемента можно определить коэф­ фициент пропорциональности между полной энергией импульса излучения Wu и изменением температуры ДТылка. Однако этот метод дает ошибки из-за неполного погло­ щения энергии, из-за тепловых потерь и т. п. и для слу­ чая измерения мощности излучения не подходит, так как сколько-нибудь точно определить параметр о не пред­ ставляется возможным.

Приемный элемент прибора может быть проградуиро­ ван путем сравнения его нагрева за счет излучения с на­ гревом за счет известного количества тепловой энергии, подводимой к приемному элементу [1, 22]. Для случая непрерывного излучения это может быть нагрев электри­ ческим током, пропускаемым через подогреватель. Для случая измерения энергии импульса излучения нагрев может осуществляться за счет использования в подогре­ вателе электрической энергии, запасенной в конденса­ торе.

Указанные методы калибровки приемного элемента не учитывают того обстоятельства, что падающее излу­ чение не полностью поглощается приемным элементом из-за отличия от единицы коэффициента поглощения а, из-за наличия защитных окошек и т. п. Учет этих фак­ торов должен проводиться особо при калибровке прибора.

2* 19