Выходной сигнал пироэлектрических ПИП пропорционален скорости изменения среднего прироста температуры (d T/dt) чувствительного элемента. Следствием этого является высокое быстродействие пироприемников (до 1E- c), а также их чувствительность, большой динамический диапазон; широкий спектральный диапазон (0.4..10.6 мкм). Конструктивно чувствительный элемент пироприемника не отличается от калометрических ПИП, за исключение самого чувствительного элемента, выполненного из пироэлектрика.
В промышленности наибольшее распространение получили приемники на основе титана бария, на основе керамики цирконат - титанат бария.
1.1.2 Фотоэлектрический метод
Основан на переходе носителей заряда под действием фотонов измеряемого излучения на более высокие энергетические уровни.
В качестве ПИП используют фотоприемники (ФП), которые делятся на 2-е группы : с внешним и внутренним фотоэффектом. Внешний заключается в выбивании фотоном электрона из металла, находящегося в вакууме, внутренний - в переходе электронов из связывающего состояния под действием фотонов в свободное т.е. в возбужденное состояние внутри материалов. В обоих случаях переход происходит при поглощении веществом отдельных квантов излучения, поэтому ФП являются квантовыми преобразователями. Выходной электрический сигнал ФП зависит не от мощности падающего излучения, а от количества квантов излучения и энергии каждого кванта.
Общее выражение преобразования входного оптического сигнала в выходной электрический сигнал :
I-Iфп+Iт=S P+Iт
Где I - полный ток, протекающий через фотоприемник [A] Iфп - ток через фотоприемник, вызванный падающим по-
током излучения [A]
Iт - темновой ток [A]
S - абсолютная спектральная чувствительность [A/Вт] P - мощность падающего на ФП излучения [Вт]
Фотоприемники с внешним фотоэффектом
Энергия фото ЭДС, испущенных с поверхности катода под действием Э/М излучения :
W=hv-w
где w - постоянная, зависящая от природы материала фотокатода.
Испускание e происходит лишь при hv > w = hv , где v - пороговая частота, наже которой фотоэффект невозможен.
Длину волны &=C/v называют границей фотоэффекта.
К ФП на основе внешнего фотоэффекта относятся вакуумные приборы : фотоэлементы (ФЭ) и фотоумножители (ФЭУ).
S&=Qэф*&/1.24, где Qэф - эффективный квантовый выход. Шумы и шумовые токи ФЭ сравнительно невелики, однако
из-за низкой чувствительности ФЭ нецелесообразно применять их для измерения малых уровней сигналов.
ФЭУ обладают высокой чувствительностью благодаря наличию умножительной (динодной) системы.
m
Коэффициент усиления ФЭУ : M=П ,
i=1
Где - коэффициент вторичной эмиссии i-го динода
- коэффициент сбора электронов m - число каскадов усиления.
S = S * M , где S - абсолютная спектральная чувствительность фотокатода.
Чувствительность ФЭУ может достигать ~1E А/Вт в max спектральной характеристике.
Фотопреобразователи на основе внутреннего фотоэффекта
К ним относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Действие ФР основано на явлении фотопроводимости, заклю-
чающееся в возникновении свободных носителей заряда в некоторых п/п и диэлектриках при падении на них оптического излучения. Фотопроводимость приводит к уменьшению электрического сопротивления, и соответственно, к увеличению тока, протекающего через ф/р.
U &
S = e*V*Q --- * ----
e 1.24
где e - заряд электрона
V - объем освещенной части п/п
Q - квантовый выход внутреннего фотоэффекта
- подвижность носителей
U - напряжение, приложенное к ФР
Действие кремниевых и германиевых ФД: возникновение под действием излучения неосновных носителей, которые диффундируют через p-n переход и ослабляют электрическое поле последнего, что приводит к изменению электричекого тока в цепи. Фототок зависит от интенсивности падающего излучения. Для измерения энергетических параметров лазерного излучения обычно используют фотодиодный режим (с питанием).
S =т* *Q*&(1-p)/1.24 где т - коэффициент пропускания окна прибора; - коэффициент собирания носителей; Q - квантовый выход; & - длина волны излучения; p - коэффициент отражения.
Темновые токи у кремниевых фотодиодов примерно на порядок ниже, чем у германиевых и достигают 1E-5 .. 1E-7 A.
Для измерения относительно больших уровней мощности и энергии целесообразно применять ПИП с невысокой чувствительностью, т.е. ФЭ. Для измерения средних уровней энергетических параметров лазерного излучения можно применять как вакуумные приборы так и п/п.
Фотодиоды уступают по чувствительности ФЭУ, однако ФД обладают низким уровнем шума.
Преимущества ФД по сравнению с ФЭУ:
- небольшие габариты
- низковольтное питание
- высокая надежность
- механическая прочность
- более высокая стабильность чувствительности
- низкий уровень шумов
Недостатки :
- меньшее быстродействие
- сильное влияние температуры на параметры и характеристики прибора.
1.1.3 Пондеромоторный метод
В пондеромоторных измерителях энергии и мощности лазерного используется эффект П.Н. Лебедева. Лазерное излучение падает на тонкую приемную пластинку и давит на нее. Давление (сила) измеряется чувствительным преобразователем.
Классический прибор для измерения малых сил - крутильные весы. При попадании оптического излучения на приемное крыло подвижная система отклоняется от положения равновесия на некоторый угол, по величине которого можно судить о значении мощности или энергии.
Значение угла __ при воздействии на нее непрерывного излучения мощностью P:
где p - коэффициент отражения пластины
т - коэффициент пропускания входного окна камера
- угол падения излучения на пластинку
C - скорость света
K - жесткость подвеса
где W - энергия излучения
J - момент инерции вращающейся системы
Для отсчета угла поворота крутильных весов часто используют емкостной преобразователь. В этом случае пластина противовеса является одной из пластин конденсатора, включаемого в резонансный контур генератора. При повороте подвижной системы емкость конденсатора изменяется, меняется частота генерации, что измеряется частотным детектором. Такая конструкция громоздка, хотя и очень чувствительна.
Другой способ реализации высокочувствительной системы отсчета является схема с 2-мя ф/р. При отклонении системы, освещенность ф/р меняется, мост разбалансируется и в его измерительной диагонали появляется ток, пропорционален углу отклонения, который регистрирует mA.
Помимо крутильных весов для измерения широко используется механотроны, которые представляют собой электровакуумный прибор с механически управляемой электродами. При воздействии внешнего механического сигнала в механотроне происходит перемещение подвижных электронов, что вызывает соответствующее изменение анодного тока.
Достоинства и недостатки методов:
Достоинства теплового метода:
1) широкий спектр и динамический диапазон измерений
2) простота и надежность измерительных средств
3) высокая точность
Недостатки:
1) малое быстродействие и чувствительность
Достоинства ф/э метода:
1) максимальная чувствительность и быстродействие
Недостатки:
1) сравнительно узкий спектральный диапазон
2) большая погрешность измерения (5..30%) по сравнению с тепловыми приборами.
Достоинства пондеромоторного метода:
1) высокий верхний предел измеряемой энергии и мощности
2) высокая точность измерений
Недостатки:
1) жесткие требования к условиям эксплуатации (вибрации)
1.2 Измерение основных параметров импульса лазерного излучения
Ряд активных сред работают в импульсных режимах генерации:
1) это лазеры на самоограниченных переходах - азотный лазер, генерирующий в УФ диапазоне, и лазер на парах Cu, дающий мощные импульсы зеленого цвета
2) рубиновые лазеры
В результате возникает задача: измерить основные параметры генерации импульсных лазеров. Разделяют измерение временных и энергетических параметров.
Измерение энергии импульса проводится обычно с помощью ф/э приемника с высоким временным разрешением.
1.2.1 Анализ параметров импульса с помощью осциллографа
Для измерения формы импульса и его временных параметров (длительности т, tнар и tспада) используют быстродействующие фотоприемники с высокой линейностью световой характеристики. Это коаксиальные ф/э серии ФЭК : их временное разрешение 1e-9..1e-10 с.
Для измерения формы импульса используют обычные универсальные осциллографы с половой пропускания до 1e7 Гц, и специальные сверхкороткие осциллографы.
1.2.2 Изучение формы сверхкоротких лазерных импульсов
Используют косвенные методы, основанные на применении временной развертки, используемой в оптико-электронных осциллографах. Использование оптико-механической развертки не позволяет сколь либо угодно улучшить временное разрешение, но позволяет осуществить набор двумерных или одномерных изображений.
ЭОПы с разверткой обычно используют для исследования только временных зависимостей интенсивности сфокусированного пучка излучения (т.к. частота смены кадров гораздо ниже, что затрудняет исследование динамики процесса генерации).
Однако сложность, высокая стоимость, громоздкость и необходимость высококвалифицированного обслуживания затрудняет использование камер с оптико-механической и электронной. Поэтому использую часто оптический метод измерения длительности импульса.