ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 137
Скачиваний: 2
резонатора (рис. 3.17, а), т. е. если A v < ~ , то в пределах спект
ральной линии излучения может возбуждаться только одно ко лебание с частотой v„=vo (рис. 3.17, б). В этом случае излуче ние ОКГ будет монохроматическим. Ширина полосы частот (монохроматичность) излучения определяется соотношением
Лл р |
До |
(3.21) |
Q
где Q — добротность резонатора.
Рис. 3.17. |
Спектр частот резонатора ОКГ (а) и |
спектр |
|
излучения ОКГ (б) |
|
Если учесть, что Q=106K-107 (это легко проверить, подставив |
||
в формулу (3.6) |
/ = 10н-50 см, q= 0,95 и соответствующее значе |
|
ние Я), то можно получить Avp = 4-10s Гц для ОКГ |
на рубине и |
|
А\р = 3-109 Гц для ОКГ на стекле. Отношение этих полос к резо
нансным частотам v0 для |
ОКГ |
на рубине и стекле |
составит |
Д\'р |
|
|
|
---- = Ю-6. В длинах волн |
|
|
|
vo |
ДХ = — |
|
|
|
|
||
|
|
п |
|
или |
— = — , |
(3.22) |
|
|
X |
п |
|
где п — число колебаний в резонаторе, равное 105—106 [см. фор мулу (3.19)]. С учетом этих значений п получим-^- = 10_6-у-10-5.
Для ОКГ на стекле с Я=1,06-10-4 см ДЯ= 10-6-1,06-10-4 = 10_10см пли 100 А, что свидетельствует об очень высокой монохроматич ности излучения оптических квантовых генераторов.
Когерентность является основным свойством оптических кван товых генераторов. Когерентность излучения и получаемая при этом высокая плотность энергии явились основой для широкого практического использования оптических квантовых генераторов. Когерентность излучения складывается из пространственной ко герентности и когерентности излучения во времени.
Установлено, что излучение квантовых генераторов обладает высокой степенью монохроматичности и имеет весьма узкую по лосу излучения. Высокая монохроматичность означает, что
94
имеются определенные фазовые соотношения между волной, воз никающей в данный момент, н волной, возникающей через некоторый интервал времени после этого момента. У волны с
Рис. 3.18. Интерференция волн когерентного излучения
периодом t максимумы излучения следуют один за другим через интервал г. Такое излучение называется когерентным во времени. При изменении длины волны излучения (частоты колебаний) интервалы между максимумами становятся нерегулярными и фа зовые соотношения двух волн нарушаются; чем меньше измене ние частоты, т. е. чем более точно волна сохраняет заданную дли ну волны, тем больше когерентность во времени. В настоящее время научились стабилизировать частоту ОКГ с точностью до
10-7—10“'3.
Кроме когерентности во времени, излучение квантовых гене раторов является пространственно когерентным, так как выход ной сигнал генератора по форме близок к плоской волне, а вол новая поверхность (поверхность равных фаз), или волновой фронт, представляет собой плоскость, перпендикулярную направ лению распространения волн.
Смысл пространственной когерентности может быть нагляд но пояснен на опыте интерференции волн от двух щелей, пока занном на рис. 3.18. Из рисунка видно, что волны, излучаемые квантовым генератором, «идут в ногу» друг с другом, образуя плоский фронт, перпендикулярный оси генератора.
Вопросы для повторения
1.Что такое спонтанное и индуцированное излучение?
2.Что такое квантовый генератор?
Вчем заключается принцип его действия?
3.Каковы преимущества и недостатки ОКГ на твердом теле?
4.Какие газы применяют в качестве рабочего тела в газо
вых ОКГ?
5.Опишите принцип работы полупроводникового ОКГ.
6.Какие параметры характеризуют оптический квантовый ге
нератор?
95
Г л а в а IV. ПРИЕМНИКИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
§4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИЕМНИКОВ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ
В предыдущих главах было рассмотрено прохождение НКпзлучеппя от излучателя до приемника. После попадания излу чения па приемник это излучение необходимо преобразовать или в видимое изображение излучающего (отражающего) энергию объекта, или зафиксировать электрические сигналы, отмечающие попадание излучения. Приборы, предназначенные для. приема и преобразования энергии оптического (в нашем случае, инфра
красного) излучения в элек трическую энергию (пли в другие виды энергии), на зываются приемниками лу чистой энергии (ПЛЭ). При емники, преобразующие не видимое инфракрасное изо бражение в видимое, назы ваются преобразователями.
Приемник (преобразова тель) ПК-излученпя являет ся важнейшим элементом любого ИК-прпбора. В при емнике происходят основ ные физические процессы превращения энергии излу чения в видимое глазом изображение (преобразова тель изображения) или в электрические сигналы.
Приемники и преобразователи НК-нзлучения можно разде лить на три группы: тепловые, фотоэлектронные (фотоэлектри ческие) и фотохимические. Тепловые приемники и преобразова тели являются неселективным типом приемника. „Это означает, что тепловые приемники одинаково чувствительны в широком диапазоне длдпызолн. Селективные приемники обладают чувстви тельностью только в определенном участке спектра. На рис. 4.1 приведены типовые характеристики изменения чувствительности приемников в зависимости от длины волны принимаемого излу чения, по которым можно отличить неселективные (кривые 1, 2) приемники от селективных (3, 4).
Работа неселективных приемников основана на преобразова нии ПК-излученпя сначала в тепловую энергию, а затем в элект рическую. Такие приемники получили название тепловых, или термоэлектрических приемников. Принцип действия селективных приемников заключается в изменении их электрических свойств
под воздействием излучения. Такие приемники называют фото электронными, или фотоэлектрическими приемниками (преобра зователями). Фотохимические приемники (фотопленки), преоб разующие в результате химической реакции энергию излучения в видимое изображение, также относятся к селективному типу приемников. Селективный приемник реагирует только на кванты
Рис. 4.2. Классификация приемников и преобразователей изображения по принципу работы и спектральным областям применения
излучения с определенной частотой (длиной волны), а неселек тивный — на все попадающие на него кванты излучения.
К тепловым приемникам относятся термоэлементы, боломет ры, пневматические, оптикоакустические и пироэлектрические приемники.
Фотоэлектрические приемники делят на приемники с внутрен ним фотоэффектом (фоторезисторы, фотодиоды, фототриоды) и с внешним фотоэффектом (фотоэлементы, электронно-оптические преобразователи, фотоэлектронные умножители, ночные телеви зионные трубки).
На рис. 4.2 приведена классификация приемников и преобра зователей изображения по принципу их работы и спектральным областям применения.
§ 4.2. НЕСЕЛЕКТИВНЫЕ ТЕПЛ ОВЫЕ ПРИЕМНИК И ИЗЛУЧЕНИЯ
Тепловые приемники делят на приемники, создающие термо электродвижущую силу (термо-э.д.с.) при нагревании их падаю щим ИК-пзлученпем, и приемники, реагирующие на изменение температуры приемной площадки и преобразующие тепловое из-
4 |
182 |
97 |
Лучение в электрический сигнал. К первому типу приемников от носятся термоэлементы, ко второму — болометры, пневматиче ские н пироэлектрические приемники.
К Термоэлементы
Термоэлементы (термопары) были первыми приемниками для обнаружения и измерения МК-пзлучения. Принцип их действия основан на явлении термоэлектрического эффекта. Этот эффект состоит в том, что при нагреве двух разнородных спаянных меж ду собой проводников возникает термо-э.д.с., вызывающая в це пи электрический ток. Термо-э.д.с. возникает вследствие разности температур между двумя спаями.
?л
Рис. 4.3. Схема термоэлемента:
А, 5 —элементы термопары; q —площадь верхнего спая; / ^ —сопротивление нагрузки
На рис. 4.3, а приведена схема простейшего термоэлемента (термопары), состоящего из проводников А и Б. Один из концов проводника А сложит приемной (чувствительной) площадкой qn. При облучении этой площадки ИК-лучами излучение погло щается и площадка нагревается. Верхний слой 1 приобретает более высокую температуру по отношению к нижнему спаю 2. Между спаями 1 и 2 возникает разность температур ДГ = Г2—Т\. Энергия и скорость электронов На нагретом спае увеличиваются по сравнению с более холодным спаем, в результате чего элект роны будут стремиться перейти из нагретой части спая в холод ную и появится диффузия электронов сверху вниз. Избыток электронов на холодной части спая создает отрицательный заряд, а на горячей части остается нескомпенсированный поло жительный заряд; возникает термо-э.д.с. и в цепи 1—2 появляет ся ток. Если цепь проводников А и Б замкнуть через сопротив ление нагрузки /?н (рис. 4.3, б), то с нагрузки можно снять сиг нал Uc. Количественно термо-э.д.с. определяется соотношением
|
д£/с = атд7\ |
(4.1) |
где |
ат — коэффициент термо-э.д.с., численно равный раз |
|
|
ности потенциалов, возникающей при |
разности |
|
температур в 1° С; |
|
|
IsT— Tz— Ti — разность температур спаев. |
|
98
Материалами для термопары служат металлы и полупровод ники. Из металлов наиболее часто используют медь, никель, вис мут, платину, кобальт, алюминий, тантал, цинк, серебро, сурьму, железо, сплавы меди и никеля (константам). Из полупроводни ковых материалов применяют сурьму, кремний, теллур, селен.
Термоэлементы характеризуются чувствительностью, коэф фициентом полезного действия, инерционностью и внутренним сопротивлением.
Ч у в с т в и т е л ь н о с т ь 5Т обычно оценивается отношением термо-э.д.с. к лучистому потоку
5 Т |
-Ц/с |
’ |
(4. 2) |
|
лф |
||||
|
|
где 5Т выражается в В/'Вт.
С учетом свойств материалов термоэлемента чувствительность
его может быть записана в виде |
|
|
|
ST= — aTiZ, |
(4. 3) |
|
о |
|
где а — коэффициент |
поглощения потока чувствительной |
пло |
щадкой; |
|
|
G — теплопроводность спая. |
|
|
Из формулы (4.3) |
видно, что для увеличения чувствительно |
|
сти термоэлементов необходимо увеличивать коэффициент |
пог |
|
лощения а. Достигается это |
путем покрытия приемной площад |
ки платиновой чернью, сажей |
и другими веществами с высоким |
коэффициентом поглощения ИК-лучей. Теплопроводность мате риалов должна быть как можно меньшей. Для уменьшения ве личины G чувствительную площадку помещают в вакуумный баллом. Величина 5Т для термоэлементов находится в пределах
1 -3 В/Вт.
К о э ф ф и ц и е н т п о л е з н о г о д е й с т в и я ц определя ет степень преобразования падающего потока в термо-э.д.с. и равен
Л = |
(4.4) |
W
где Р — мощность, снимаемая с нагрузки; W — мощность принимаемого излучения.
Величина ц не превосходит долей процента для металлов и нескольких процентов для полупроводников, вследствие чего обнаружительная способность термоэлементов значительно хуже других приемников. Так, лучшие термоэлементы позволяют фик сировать минимальные (пороговые) мощности излучения 10-9— 5-10-10 Вт при полосе усилителя /=1 Гц.* Однако простота, на дежность и высокая механическая прочность позволяют псполь-
* В этом случае фиксируемое излучение записывается в виде Фп = 10-°н- 5 10—*° Вт/ГнД2 (поток).
4* |
99 |
