ТЕПЛОВОЙ ПРИЕМНИК ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
THERMAL RECEIVER OF OPTICAL RADIATION

Изобретение относится к области оптоэлектроники, в частности к конструкциям тепловых многоэлементных приемников, предназначенных для измерения пространственно-энергетических характеристик импульсного и непрерывного оптического излучения.
Основными требованиями, предъявляемыми к приемникам излучения, являются: неселективность в широком спектральном диапазоне, высокая чувствительность, малый уровень собственных шумов, малая инерционность, линейная зависимость выходного сигнала от величины падающего лучистого потока, одинаковая чувствительность по всей рабочей площадке приемника, устойчивость к действиям излучения, малый вес и габариты. Развитие тепловых приемников идет в направлении разработки интегрального исполнения конструкции, включающей приемник и предусилитель. При интегральном исполнении удается оптимизировать технические характеристики.
Из тепловых приемников наиболее распространены пироэлектрические приемники, используемые для регистрации потоков излучения переменной интенсивности и способные работать в широком спектральном диапазоне излучения. Пироэлектрические приемники содержат чувствительный элемент в виде тонкой пластины пироэлектрика с электродами, нанесенными на поверхности, перпендикулярные полярной оси пироэлектрика. Электрод, обращенный к источнику излучения, покрывают слоем поглотителя, оптические свойства которого определяют область спектральной чувствительности приемника.
Известен один из видов тепловых приемников - многоэлементный пироэлектрический приемник излучения МПЭПИ-100, содержащий 100 измерительных каналов с размером термочувствительного элемента 10×10 мм и предварительный усилитель. Приемник выполнен в герметичном корпусе, в котором находится схема управления (Технологические лазеры: Справочник: В 2Т. Т.2 / Г.А.Абильсиитов, В.Г.Гонтарь, Л.А.Новицкий и др. Под общ. ред. Г.А.Абильсиитова, М.: Машиностроение, 1991, 554 с.).
т
э
-11
-12
Термочувствительные элементы подвергаются деформации при нагреве, за счет чего амплитудно-частотная характеристика пироэлектрического приемника имеет два спада: низкочастотный за счет нестационарных тепловых процессов (постоянная времени τ=0,1 с) и высокочастотный за счет влияния электрических параметров цепи (постоянная времени τ=10/10), что не представляет возможным использовать их в качестве образцовых приборов из-за сложности их градуировки. Кроме того, известный приемник излучения характеризуется громоздкостью и низкой разрешающей способностью.
4
2
2
2
Известен также тепловой приемник излучения на основе диоксида ванадия. Приемник содержит металлическую пластину, на которой закреплена диэлектрическая подложка с термочувствительным слоем в виде отдельных элементов с металлическими электродами, имеющих внешние выводы, на обратной стороне пластины расположены электрическая спираль и термодатчик, которые соединены с регулятором. В качестве термочувствительного элемента использована пленка на основе диоксида ванадия толщиной 0,14 мкм. В температурном диапазоне 36-74 К ее удельное поверхностное сопротивление изменяется соответственно в диапазоне 2×10-3×10 Ом/см, ширина петли гистерезиса 10°С. Термостатируя температуру чувствительного слоя в пределах ширины петли гистерезиса, обеспечивают постоянную стираемую память (Олейник А.С. Тепловые приемники оптического излучения на основе пленок VO / Актуальные проблемы: электронного приборостроения АПЭП-98: Материалы междунар. конф. - Саратов СГТУ, 1998. С.69-72).
2
В двухмерных поликристаллических пленках VO толщиной 70÷140 нм высота кристаллитов столбчатой формы равна толщине пленки, их размеры в плоскости пленки составляют 50÷140 нм соответственно. Скачок удельного поверхностного сопротивления при фазовом переходе составляет от 1 до 2 порядков его величины, петля термического гистерезиса лежит в пределах от 18 до 10°С соответственно. У пленок толщиной 80÷115 нм на петле имеет место участок квазилинейного изменения удельного поверхностного сопротивления шириной 7÷13°С соответственно.
2
2
2
-11
Скорость развития внешних проявлений ФППМ в пленочных реверсивных термохромных средах на основе диоксида ванадия определяется толщиной и теплофизическими параметрами пленочных слоев и подложки, а также величиной энергетической экспозиции источника излучения. По достижении пленкой VO температуры фазового перехода осуществляется процесс постадийной перестройки кристаллической решетки фазы VO со скоростью звуковых волн. В пленках VO толщиной 70-140 нм ФППМ протекает за ~10 с, что дает возможность регистрировать короткие световые импульсы излучения (например, взрыв).
Однако недостатком данного приемника являются его инерционность из-за использования металлической пластины и нагревателя на основе электрической спирали. Из-за отсутствия корпуса происходит влияние посторонних воздушных потоков, что приводит к неравномерному распределению температуры по площади приемной площадки.
Наиболее близким к заявляемому решению является тепловой приемник оптического излучения, содержащий герметичный корпус с входным окном, прозрачным для регистрируемого излучения. Перед окном установлена диэлектрическая подложка, покрытая термочувствительным слоем из материала с гистерезисной зависимостью фазового перехода полупроводник-металл, в виде 24-х отдельных элементов с металлическими электродами, заполняющих площадь приемной круговой площадки. На обратной стороне подложки расположены пленочный нагреватель с термодатчиком, в корпусе размещена печатная плата модуля схемы управления, обеспечивающая последовательную коммутацию элементов на вход мостовой схемы (Патент РФ №2227905, Тепловой приемник излучения. / А.С.Олейник, М.В.Орехов; опубл. 27.04.2004 г.).
Недостатками приемника являются большие объемно-весовые показатели конструкции, отсутствие круговой симметрии в расположении термочувствительных элементов на площади приемной площадки и недостаточное число термочувствительных элементов, что снижает точность анализа Гауссова распределения по сечению лазерного луча. Кроме того, отсутствие компенсационного термочувствительного элемента снижает точность измерений.
Гауссовскими пучками называют поля, распределения амплитуд и фаз которых в каждом поперечном сечении остаются подобными, т.е. меняется лишь масштаб амплитудного распределения и кривизна волнового фронта. Поэтому для их регистрации целесообразна круговая симметрия в расположении термочувствительных элементов на плоскости приемной площадки приемника.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения пространственно-энергетических характеристик оптического излучения, уменьшение объемно-весовых показателей приемного устройства и реализация автономности его эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что тепловой приемник оптического излучения содержит герметичный корпус с входным окном, прозрачным для регистрируемого излучения, перед окном установлена диэлектрическая подложка, покрытая термочувствительным слоем из материала с гистерезисной зависимостью фазового перехода первого рода полупроводник-металл, например, пленки диоксида ванадия, в виде мозаики из элементов квадратной формы, заполняющих площадь приемной круговой площадки, каждый термочувствительный элемент имеет сигнальный и общий электроды, соединенные с контактными площадками, расположенными по периметру подложки, на обратной стороне подложки размещены пленочный нагреватель и терморезистор, соединенные с контактными площадками, схему управления с возможностью обеспечения последовательной коммутации элементов на вход мостовой схемы. Согласно предлагаемому решению корпус выполнен в виде уплощенного прямоугольного металлостеклянного тела, состоящего из основания с выводами, которые электрически соединены с соответствующими контактными площадками, расположенными по периметру подложки, и крышки с окном. Термочувствительные элементы ориентированы на плоскости приемной площадки в виде мозаики из элементов, расположенных по концентрическим окружностям с радиусами, увеличивающимися с каждой последующей окружностью на одинаковую величину, от центра круга, равную удвоенному размеру элемента, по сравнению с предыдущей. При этом термочувствительные элементы на каждой окружности расположены на равноудаленном расстоянии друг от друга, а минимально допустимое расстояние между соседними элементами равно размеру элемента. Вне приемной площадки расположен компенсационный элемент.
Заявляемое устройство отличается наличием уплощенного прямоугольного корпуса с оптическим окном в центральной части лицевой стороны и выводами, расположенными по периферии обратной стороны корпуса, элементы термочувствительного слоя образуют четыре кольца, что позволяет более четко регистрировать на плоскости Гауссово распределение энергии (мощности) по сечению лазерного луча. Наличие компенсационного элемента позволяет отказаться от термостатирования термочувствительного слоя и проводить измерения на пределе чувствительности приемника.
2
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид приемника, на фиг.2 - поперечный разрез приемника, на фиг.3 показана топология термочувствительных элементов на поверхности диэлектрической подложки приемника (продольный разрез), на фиг.4 - топология пленочного нагревателя и пленочного терморезистора, расположенных с обратной стороны подложки. На фиг.5 приведена температурная зависимость удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя приемника на основе пленки VO толщиной 100 нм.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - основание корпуса, 2 - крышка корпуса, 3 - входное окно, 4 - выводы основания, 5 - диэлектрическая подложка, 6 - приемные термочувствительные элементы, 7 - компенсационный элемент, 8 - сигнальные контактные площадки, 9 - общая шина с контактной площадкой, 10 - резистивные элементы, 11 - пленочный терморезистор, 12 - выводы нагревателя, 13 - выводы терморезистора, 14 - проводящая лента.
2
Тепловой приемник излучения содержит герметичный корпус, состоящий из основания 1 и крышки 2 с входным окном 3, выполненным из материала, прозрачного для регистрируемого излучения, например, BaF. Основание корпуса 1 имеет позолоченные выводы 4.
2
2
На основании корпуса 1 с помощью диэлектрической прокладки закреплена диэлектрическая подложка 5. На поверхность подложки со стороны входного окна нанесены приемные термочувствительные элементы 6, образующие термочувствительный слой, и один компенсационный термочувствительный элемент 7, выполненные из материала с гистерезисной зависимостью фазового перехода первого рода полупроводник-металл, например, из диоксида ванадия VO. При этом приемные термочувствительные элементы 6 сгруппированы в области проекции входного окна на диэлектрическую подложку и формируют приемную площадку в форме круга, а компенсационный элемент 7 расположен вне приемной площадки. Термочувствительные элементы имеют сигнальный и общий выводы, соединенные электродами с сигнальными контактными площадками 8 и одной общей шиной с контактной площадкой 9 соответственно, расположенными по периметру подложки 6. Контактные площадки с помощью проводников соединены с выводами корпуса 4. На обратной стороне диэлектрической подложки 5 расположены пленочный нагреватель и пленочный терморезистор 11. На фиг.4 показана топология пленочного нагревателя, выполненного в виде чередующихся резистивных элементов 10, расположенных точно под приемными термочувствительными элементами 6 и соединенных между собой проводящей лентой 14, например, из меди, и имеющей два контактных вывода. Рядом расположен пленочный терморезистор 11 из пленки VO. Выводы нагревателя 12 и выводы терморезистора 13 соединены с выводами основания 4. Между внутренней поверхностью окна 3 и приемными термочувствительными элементами 6, а также пленочным нагревателем и основанием корпуса 1 сформированы два воздушных зазора, обеспечивающих работу приемных термочувствительных элементов 6 и пленочного нагревателя в условиях воздушного термостата, что улучшает распределение зонной чувствительности по площади приемной площадки.
Приемные термочувствительные элементы 6 расположены по концентрическим окружностям на равноудаленном расстоянии друг от друга и равномерно заполняют площадь приемной площадки, образуя регулярную структуру. Термочувствительные элементы могут быть выполнены квадратной формой со стороной элемента от 0,1 до 4 мм, что определяется назначением приемника, при этом диаметр приемной площадки увеличивается пропорционально.
На фиг.5 приведена зависимость удельного поверхностного сопротивления термочувствительных элементов из диоксида ванадия, толщиной 100 нм от температуры. В диапазоне 70-83°С имеет место квазилинейный характер изменения величины удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя от температуры нагрева. Термостатирование термочувствительного слоя осуществляется при температуре 70°С с погрешностью ±0,05, при этом диапазон нагрева слоя составляет 0,1-13°С, нагрев слоя выше 83°С не вызывает приращения сигнала с выхода приемника.
Принцип действия приемника основан на параллельной регистрации приемными термочувствительными элементами 6 термочувствительного слоя регистрируемого излучения на длинах волн 0,3-10,6 мкм, при этом приемные термочувствительные элементы 6 изменяют свое сопротивление пропорционально степени нагрева.
Имеет место два режима эксплуатации приемника: без термостатирования термочувствительного слоя и с обеспечением термостатирования термочувствительного слоя.
В первом случае после воздействия регистрируемого излучения на приемные термочувствительные элементы 6 и изменения их сопротивления происходит параллельный съем информации с приемника, запоминание ее в аналоговых устройствах, выборка и хранение с последующим преобразованием в цифровую форму. В этом случае используется калибровочный сигнал с компенсационного элемента 7, не облучаемого падающим излучением (Mc Fwen R.К., Hannig P.A. European uncoiled thermal imaging sensors // Processing of SPIE. - 1999. - V 3698. - P.256-263).
Во втором случае имеет место термостатирование термочувствительного слоя в середине петли гистерезиса. Регистрируемое излучение нагревает все приемные термочувствительные элементы 6 выше температуры термостатирования, и элементы изменяют свое сопротивление. Сформированный рельеф сопротивлений сохраняется неограниченное время. Интерфейс измерительной системы обеспечивает последовательную коммутацию приемных термочувствительных элементов 6 на вход преобразователя сопротивление-напряжение и преобразование величины электрического сигнала в цифровой код (Патент РФ №2227905, МПК 7 G01J 5/20. Тепловой приемник излучения. / А.С.Олейник, М.В.Орехов; опубл. 27.04.2004 г.).
2
2
Был изготовлен тепловой приемник лазерного излучения на основе пленки VO, представляющий собой малогабаритный металлостеклянный корпус размером 39×29×4,5 мм, с окном из материала ФБС-И, прозрачным в спектральном диапазоне 0,3-25 мкм. Корпус имел 38 позолоченных выводов диаметром 0,3 мм и высотой 6 мм. Диэлектрическая подложка выполнена из поликора ВК-100 размером 30×24×0,5 мм. На поверхность диэлектрической подложки нанесены 33 термочувствительных элемента квадратной формы размером 0,7×0,7 мм, 32 из которых формировали приемную площадку в виде круга. Диаметр приемной площадки составил 10 мм.
Нагреватель выполнен в виде совокупности 32 резистивных элементов квадратной формы из NiCr, соединенных между собой проводящей лентой. Терморезистор выполнен из пленки диоксида ванадия.
Приемные термочувствительные элементы были расположены по четырем концентрическим окружностям, причем на первой окружности, считая от центра, были расположены 4 элемента, на второй и третьей окружностях - по 8 элементов, а на четвертой окружности - 12 элементов. При этом стороны соседних элементов на первой окружности образовывали угол 90°, на второй и третьей окружностях - угол 45°, на четвертой окружности - угол 30°, а угол между осью симметрии приемной площадки и стороной одного из элементов на первой и второй окружностях составлял 45°, на третьей - 22,5°, а на четвертой - 30°. Величина, на которую отличались радиусы соседних окружностей, равнялась удвоенной длине стороны термочувствительного элемента, при этом две из сторон каждого термочувствительного элемента, расположенного на окружности, были перпендикулярны ее радиусу.
Приемник предназначен для регистрации лазерного излучения технологического оборудования, предназначенного для размерной обработки тугоплавких материалов.
Юстировка лазерного оборудования обеспечивает Гауссово распределение плотности энергии (мощность) по сечению пучка, которое необходимо сохранить в процессе работы, чтобы обеспечить профиль резки тугоплавких материалов.
Наличие круговой симметрии в расположении элементов, по сравнению с прямоугольной мозаичной решеткой, повышает точность выявления Гауссова распределения плотности энергии (мощности) по сечению лазерного луча за счет более равномерного облучения площади каждого элемента.
-8
-6
Согласно данным расчета дисперсия суммарного напряжения шумов приемника составляет 8.3·10 Вт, при этом наибольший вклад в ограничение пороговой чувствительности вносит токовый шум приемника. В режиме термостатирования величина порогового потока излучения составляет 1,6·10 Вт.
Таким образом, по сравнению с существующими тепловыми приемниками предлагаемый приемник излучения обладает большей разрешающей способностью, выполнен в унифицированном металлостеклянном корпусе, обладающем меньшими объемно-весовыми показателями, и может эксплуатироваться как в режиме памяти, так и в динамичном режиме измерений, при максимальной чувствительности.