Файл: Зубов В.А. Методы измерения характеристик лазерного излучения.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.06.2024
Просмотров: 120
Скачиваний: 1
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
1 _ |
ѵ/з |
|
т — 2тх/0 |
’ |
|
где / 0 определяется из соотношения S (/0) = |
1 |
|
S0 и />/3— из |
||
1 |
|
|
соотношения S (/7,) = у 50. |
|
|
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
туры. Эта зависимость более резкая, чем |
у |
металлов, |
|
но нелинейная: |
|
|
|
R = Л Гоехр [—уЛГ], |
|
|
|
где і?г0 — сопротивление при температуре |
Тп, |
у — тем |
|
пературный коэффициент сопротивления |
[18]. Этот коэф |
||
фициент для полупроводников зависит |
от |
температуры |
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»),
играет |
роль |
еще |
генерационно-рекомбинационный |
шум [8, |
15], |
который |
обусловлен случайными флуктуа |
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
элемента |
~10 мм X1 |
мм X10 мкм, сопротивление |
по |
||||
лоски болометра R — несколько Мом, |
постоянная |
вре |
|||||
мени |
т ~ |
10-1—10"3 |
сек, |
детектирующая способность |
|||
D* |
— |
ІО9 |
см-гц'І'-Івт |
при |
комнатной |
температуре и |
|
D* |
~ |
1011 |
см-гц'б/вт |
при |
температуре |
2—4 °К [8, |
14]. |
Сверхпроводящий болометр. Действие болометра осно вано на резком изменении сопротивления металла при переходе его в сверхпроводящее состояние [19, 20].
Вблизи точки Т0 перехода в сверх |
|
|
|||
проводящее состояние удельное сопро |
|
|
|||
тивление |
р изменяется |
в |
несколько |
|
|
десятков раз при изменении темпера |
|
|
|||
туры на 1 градус. Для устойчивости |
|
|
|||
работы приемника требуется очень хо |
|
|
|||
рошее термостатирование и очень стро |
|
|
|||
гое постоянство температуры (с точно |
|
|
|||
стью до |
10-4—ІО“5 градуса). Образец |
|
( |
||
приемника такого типа |
[21 ] |
представ |
Рис. |
1. Конструк |
|
ляет собой оловянную полоску 1 (рис. 1), |
ция |
сверхпрово |
|||
укрепленную с помощью |
изолирующих |
дящего болометра. |
|||
растяжек 2 на латунном хладопроводе 3. |
|
|
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