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

Конструкции тепловых измерителей. Энергия излуче­ ния направляется в некоторый приемный элемент, кото­ рый по своим характеристикам должен приближаться к модели абсолютно черного тела, т. е. поглощение падаю­ щего излучения должно происходить наиболее полным образом. Простейшими примерами являются полый по­ глощающий конус и сфера с отверстием. В практике находят применение и более сложные конструкции, не­ которые из них схематически представлены на рис. 3 [1].

Болометрические приемные элементы также пред­ ставляют собой модели абсолютно черного тела, по эти

Рпс. 3. Схемы приемных элементов термоэлектрических прием­ ников.

модели изготовляются из проволоки, являющейся боло­ метрическим элементом.

В приемниках, предназначенных для измерения ма­ лых мощностей и энергий, для уменьшения массы прием­ ного элемента приемная площадка может изготовляться в виде диска или прямоугольника небольшого раз­ мера [23]. В калориметрических приемниках приемная площадка выполняется из тонкой черненой фольги ме­ талла с малой теплоемкостью, для болометров приемная площадка изготовляется в виде системы болометрических полосок, расположенных на тонкой подложке и покры­ тых' чернью.

Перспективными приемными элементами являются жидкостные поглотители. Преимущество их заключается в том, что они обладают не поверхностным, а объемным поглощением. Это позволяет работать со значительно большими энергиями и мощностями излучения. Поглощаю­ щее вещество подбирается в зависимости от рабочего диапазона длин волн (например, CuS04, CuCI2 и т. п.) [1].

Для уменьшения тепловых потерь приемник поме­ щается в вакуум, окружается металлическим экраном, надежно термостатируется. Для компенсации влияния изменений температуры окружающей среды в общий бал­ лон помещают также компенсационный элемент.

20

Изменение температуры приемника контролируется термоэлементом или болометром с соответствующим ре­ гистрирующим устройством. В случаеиспользования термоэлемента регистрация осуществляется гальваномет­ ром с малым внутренним сопротивлением, поскольку указанные приемники дают изменение электродвижущей

термоэлемента и гальванометра). Параметры некоторых типов приборов, пригодных для измерений такого рода,

Зеркальные гальванометры имеют еще одно преиму­ щество перед другими измерительными приборами. Дело

втом, что при большом плече измерения отсчетную шкалу можно сделать достаточно длинной, например, при плече измерения 2 м длина шкалы может достигать 1 м. Это означает, что диапазон прибора достигает трех по­ рядков.

Вслучае болометрических приемников требуется до­ полнительная схема питания измерительного моста. Со­ противление регистрирующего прибора следует выбирать

взависимости от внутреннего сопротивления боло­

метра.

21

С целью повышения чувствительности измерительной системы обычно используются усилители, при этом необ­ ходимо согласование выходного сопротивления приемника и входного сопротивления усилителя. Некоторые ва­ рианты блок-схем усилителей будут рассмотрены дальше в связи с использованием фотоэлектрических приемников.

Следует отметить вариант измерительной системы, работающей при постоянной температуре. В основу работы положено явление изменения объема рабочего вещества при фазовом переходе, который совершается при поглощении энергии излучения. В такой системе отсутствуют потери тепла, так как окружающая среда и рабочее тело находятся при одной и той же темпера­

В системах такого рода достигаются значительно большие точности измерения. Изменение объема рабочего тела ДИ связано с количеством тепла AQ, подведенным к по­ глощающему элементу, соотношением

ДИ = рИДQ,

где И — объем рабочего тела, (3 — коэффициент объем­ ного расширения при фазовом переходе.

Имеется еще вариант приемника, работающего на основе эффекта линейного расширения. За счет линей­ ного расширения приемного элемента меняется емкость конденсатора, образованного подвижной и неподвижной пластинами. Включение конденсатора в контур при ра­ боте на крутом участке резонансной кривой обеспечи­ вает довольно высокую чувствительность такого прием­ ника [2 ].

22

Т а б л и ц а 2

В табл. 2 приведены данные некоторых отечественных тепловых измерителей энергетических характери­ стик [1, 25].

§ 2. Измерения с пироэлектрическими приемниками

Сущность пироэлектрического эффекта заключается в изменении поляризации пироактивного кристалла при изменении его температуры. Плотность тока, возни­ кающего при изменении температуры пироактивного

23

кристалла, определяется соотношением [26, 27]

нение температуры приемника. В отличие от тепловых приемников, рассмотренных ранее, сигнал этого прием­ ника определяется не величиной АТ, а величиной d (АT)/dt [28-30].

Принцип работы пироэлектрического приемника. При рассмотрении характера работы этого приемника будем исходить из общего соотношения, полученного раньше:

1

о

Напомним, что это соотношение получено без учета эф­ фектов, связанных с конечной теплопроводностью прием­ ного элемента [30, 31]. Для тока приемника получаем выражение

Пусть на приемник действует непрерывное излучение Р (t)=P0. В этом случае имеем

Включение светового сигнала вызывает быстрый отклик приемника, экспоненциально затухающий с характер-

Чтобы иметь возможность производить измерения, сле-

24

дует непрерывное излучение промодулировать. Пусть на входе будем иметь косинусоидальный световой сиг­ нал Р (t)=PQ(cos Qi+1), Q=2it/2,M— частота модуляции, Тм — период модуляции. Тогда

где tp=arctg (Ö/OTIQ). Первый член дает затухающий отклик приемника на включение сигнала Р (t) в момент £=0. Второй член дает отклик приемника на косинусо­ идальный сигнал. При больших временах t -> со вклад начального момента (первый член) не существен, и поэ­ тому имеем

Иллюстрация приведена на рис. 5, а. Мы получили от­ клик, пропорциональный мощности действующего све­ тового сигнала с некоторым фазовым сдвигом и без учета постоянной составляющей. Величина фазового сдвига уменьшается с ростом частоты модуляции. При доста­

Отметим, что для пироэлектрического приемника можно лишь очень условно говорить о характерном времени приемника тпр, поскольку приемник следит за производ­ ной температуры, поэтому мы говорим о тепловой по­ стоянной времени \ еял.

В рамках проведенного рассмотрения отсутствует ограничение со стороны высоких частот. Это обусловлено тем, что не учитывалась конечность времени распростра­ нения тепла внутри приемника. Учет этого обстоятельства

25

cm а о ü

Граничная частота £2М1Ш, для которой в области малых частот имеет место уменьшение амплитуды отклика в два раза по сравнению с ампли­ тудой при больших частотах, определяется соотношением

ЫШ| ~ 2ст •

Таково ограничение со сто­ роны малых уастот.

Пусть на приемник дейст­ вует периодическое импульс­

6)

Д Г ( « ) =

= т -^ (/>(*)-А)-

Таким образом, в рассматриваемом случае имеем отклик приемника, пропорциональный мощности действующего

26

излучения без учета постоянной составляющей (рис. 5, б). Роль постоянной составляющей в данном случае, вообще говоря, невел_ика, так как амплитуда этого члена пропор­

зом, в данном случае с достаточной точностью измеряется мощность сигнала.

влена на рис. 5, в. Этот отклик можно представить как

с учетом отклика на включение сигнала. Отметим, что если амплитуда полезной составляющей пропорцио­ нальна Р (t) — W J тп, то амплитуда составляющей, описы­

о

чае приемник позволяет измерить с достаточной точностью именно мощность излучения.

Конструкции пироэлектрических приемников. Пиро­ электрические приемники конструируются двух типов: продольного (рис. 6, а) и поперечного (рис. 6, б), в зави­ симости от направления светового потока по отношению к пироэлектрическому току [30, 32]. Для приемников параллельного типа характерна относительно большая емкость, определяемая площадью электродов, Св=

— -J- при а и Ъ порядка 1 — 10 лиц сі порядка 0,1 лш.

Это обуславливает, с одной стороны, относительно боль­ шее характерное время приемника т ~ ІО-5—ІО-6 сек

27

и, с другой стороны, относительно большую чувстви­ тельность. Для приемников поперечного типа характерна

„ e.bd

меньшая емкость С±= — при тех же значениях разме­ ров, что обуславливает меньшее характерное время

Рис. 6. Пироэлектрический приемпик продольного (а) п поперечного (6)

типов.

т — ІО-7—ІО-8 сек, но и относительно меньшую чувстви­ тельность. Пироэлектрические приемники отличаются быстродействием т — ІО-5—ІО-8 сек, большой чувстви­ тельностью, доходящей до ІО- 7—ІО-8 дж (детектирую­

в виде модели черного тела, представляющей собой полую сферу или конус. К другой разновидности приемников относятся координатно-чувствительные. У приемников этого типа либо приемные элементы изготовляются пере­ менной толщины, либо один из электродов делается иголь­ чатого типа. Зависимость электрического сигнала от по­ ложения светового пятна на приемнике обусловлена тем, что при определенных режимах работы чувствитель-

28

яость приемника обратно пропорциональна толщине рабочего кристалла.

В качестве приемных элементов используются кри­ сталлы [31, 34]: титанат бария (ВаТі03), при 20 °Симею­ щий пироэлектрический коэффициент: ']'20OG=2,2 • 10_9аХ

Xсек/(град-см*), триглициисульфат — у20ОС=2,3 • 10~8аХ

X сек/(град -см2). Заметим, что пироэлектрический коэф­ фициент достаточно сильно зависит от температуры, поэтому целесообразно работать вблизи точки Кюри, где пироэлектрические коэффициенты достигают наиболь­ ших значений [35].

Схема включения пироэлектрического приемника при­ ведена на рис. 7 [32]. Поскольку пироэлектрический приемник дает в ответ на световой сигнал электрический ток, то нагрузочное сопротивление выбирается доста­ точно большим і?п ~ 109 ом. Напряжение сигнала на входе электрической схемы определяется из условия, что имеется параллельное соединение приемного эле­ мента, характеризуемого внутренним сопротивлением і?,,р

нр *Т* к

29