Файл: Зубов В.А. Методы измерения характеристик лазерного излучения.pdf

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

два режима работы пироэлектрического приемника. Пер­ вый режим связан с использованием больших нагрузоч­ ных сопротивлений и, следовательно, с большой чувст­ вительностью, но зато в этом случае RC )> т, т. е. быстро­ действие определяется используемой схемой. Второй режим при малом нагрузочном сопротивлении и меньшей чувствительности позволяет работать с быстродействием, определяемым приемником (~ )> RC).

В табл. 3 приведены характеристики некоторых типов пироэлектрических приемников, разработанных в Ин­ ституте физики АН УССР [34].

§ 3. Измерения с фотоэлектрическими приемниками

Фотоэлектрические приемники излучения характери­ зуются тем, что в результате воздействия излучения иа приемную поверхность возникает электрический сигнал, т. е. лучистая энергия непосредственно превращается в электрическую, которая затем измеряется. Приемники, работающие на таком принципе, чрезвычайно многочис­ ленны, и поэтому свойства их весьма разнообразны.

На практике в основном используются четыре группы фотоэлектрических приемников, работа которых осно­ вана на различных физических принципах: фотоэле­ менты с внешним фотоэффектом, фотосопротивления, фотоэлементы с запирающим слоем, фотодиоды. Гово­ рить о преимуществах или недостатках таких приемни­ ков можно лишь для определенных групп. Тем не меиее укажем следующие преимущества фотоэлектрических приемников: значительно бблыпая чувствительность, чем у тепловых приемников, линейность световых характе­ ристик для большей части приемников, возможность перекрытия довольно широкого диапазона спектра (~0,3—40 мкм) путем соответствующего подбора прием­ ников, малая инерционность некоторых типов прием­ ников (фотоэлементы с внешним фотоэффектом).

К недостаткам фотоэлектрических приемников сле­ дует отнести большую селективность приемников (для перекрытия сравнительно широкого участка спектра при­ ходится использовать несколько приемников разных ти­ пов),' трудность калибровки приемников для проведения абсолютных измерений, большие постоянные времени для некоторых типов приемников (фотоэлементы с запи­ рающим слоем).

30

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Явление внешнего фотоэффекта заключается в эмиссии электронов из металла в вакуум под действием электромагнитного излучения. Величина фототока, образованного потоком электронов, зависит от интенсивности светового потока. Кроме того, коэффициент преобразования излучения в поток электронов (квантовый выход фотоэффекта) за­ висит от материала катода и от спектрального состава излучения.

Рассмотрим некоторые характеристики приемников данного типа [7].

Спектральные характеристики. Спектральная чувст­ вительность приемников, работающих на основе внеш­ него фотоэффекта, ограничена сравнительно узкой об­ ластью длин волн, обусловленной красной границей фотоэффекта. Некоторые характеристики фотокатодов при­ ведены в табл. 4' [7].

Световые характеристики показывают зависимость фототока от мощности, излучения Р или от светового потока при неизменном спектральном составе излучения и при постоянном напряжении питания приемника. Для фотоэлектрических приемников рассматриваемого типа эти характеристики линейны при не слишком больших освещенностях. При больших освещенностях линейность может нарушаться из-за эффектов утомления катода, появления паразитного заряда на стекле баллона, при появлении паразитного пространственного заряда.

Частотные или временные характеристики описы­ вают те свойства приемников, которые связаны с инер­ ционностью процесса преобразования световой энергии в электрическую и с разбросом времен пролета фото­ электронов между электродами. Время, характерное для процесса фотоэмиссии, порядка ІО-14 сек. Разброс времен пролета электронов между электродами приблизительно 10~9—ІО-11 сек [7]. Таким образом, фотоэлектрические

10в—ІО11 гц или для измерений с временным разрешением до ІО- 9—ІО-11 сек.

г Шумовые характеристики. Мы не будем проводить подробного анализа шумовых характеристик, укажем только, что шумы связаны с корпускулярной природой света и электричества. Ниже приводятся некоторые соот­ ношения, характеризующие шумовые характеристики.

31