1.2. Особенности измерения поглощаемой мощности в ик-диапазоне излучений
Процессы поглощения электро-магнитных волн от самых длинных до ИК-излучения достаточно полно описываются соотношениями классической электродинамики. В диапазонах более коротких длин волн доминируют процессы, имеющие существенную квантовую природу и которые могут быть описаны только в рамках квантовой электродинамики на основе представлений о дискретности этих процессов [6].
В зависимости от цели измерений и характерной особенности обнаруживаемого сигнала применяют различные методы измерения и соответствующим образом выбранные сенсоры излучений. Поэтому используются как методы, применяющиеся в СВЧ-ваттметрах (тепловые), так и методы, основанные на квантовых эффектах в полупроводниках (фотоэлектрические). Краткая характеристика методов регистрации излучений приведена в табл. 1.3. [7].
Таблица 1.3.
Методы регистрации излучений
Метод и измерительная техника |
Приемники излучения и выделение сигнала |
Свойства, преимущественное применение |
1 |
2 |
3 |
Калориметрический Преобразование энергии излучения в тепловую, измеряется повышение температуры:
температуры
|
Тепловые и пироэлектрические приемники, сверхпроводящий болометр, измерение тока или напряжения
Твердотельные и жидкостные калориметры в сочетании с термоэлектрическими датчиками, измерение тока или напряжения. Ячейка Голея, оптоакустический приемник, оптическое или электрическое измеренние отклонения мембраны. |
Спектрально-неселективные, измерение непрерывного и импульсного излучения от УФ- до дальней ИК-области спектра, работа при комнатной температуре или (сверхпроводящий
болометр) при температуре 1.5-20 К, частично с электрической калибровкой. Спектрально-неселективные, измерение больших мощностей излучения, большие постоянные времени, работа при комнатной температуре с электрической калибровкой.
Широкая полоса частот (в зависимости от наполняющего газа), высокая лучевая нагрузка, работа при комнатной температуре, измерение непрерывного и импульсного излучений. |
1 2 3
Ф 1 2 3 отоэлектрическийобразование свободных носителей заряда (фотоэлектроны, электронно-дырочные пары) при поглощении излучения (фотонов):
|
Вакуумные фотоэлектрические
приемники: фотоэлементы, ФЭУ, измерение тока
Твердотельные фотоприемники: фотодиоды, фотоэлементы, фотосопротивления, измерение тока или напряжения, усиление тока в лавинных фотодиодах.
Ge-детектор увлечения фотонами, измерение напряжения |
Спектрально-селектитвные, высокая чувствительность, малые
постоянные времени, работа при комнатной температуре, калибровка с помощью оптического стандарта, измерение непрерывного и импульсного излучений от УФ- до ближней ИК-области спектра.
Спектрально-селективные, от УФ- до дальней ИК-области спектра, работа при комнатной температуре, в ИК-диапазоне охлаждение детектора до 77-4 К, высокая чувствительность, отчасти малые постоянные времени, калибровка с помощью оптического стандарта, измерение непрерывного и импульсного излучений. Спектарльно-селективные, работа при комнатной температуре, измерение больших энергий импульса |
Тепловые приемники имеют то преимущество, что они реагируют независимо от длины волны поглощаемого излучения только на энергитическую освещенность. Их спектральная чувствительность определяется свойствами поглотителя и может сохраняться постоянной от УФ- до дальнего ИК-диапазона длин волн. Эти приемники не требуют охлаждения ( исключение составляет сверхпроводящий болометр). По сравнению с квантовыми детекторами они имеют , в общем случае, большие постоянные времени и существенно более низкую чувствительность. Квантовые приемники реагируют на фотоны измеряемого излучения со спекрально-селективной чувствительностью, ход которой и длинноволновая граница определяются электронными энергитическими состояниями материала сенсора. Эти сенсоры характеризуются высокой предельной чувствительностью и малыми постоянными времени, однако при применении в ИК-диапазоне они должны охлаждаться (77 К в среднем, 4 К в дальнем ИК-диапазонах) для подавления теплового возбуждения носителей заряда.