Устройство для измерения параметров импульса лазерного излучения

Полезная модель относится к области измерения характеристик импульсного лазерного излучения инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазона и может быть использовано для измерения параметров импульса лазерного излучения ближнего, инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазона.
Известно устройство для измерения энергии импульса лазерного излучения ультрафиолетового диапазона - пироэлектрический детектор (https://gentec-eo.com/Content/downloads/application-note/AN 202194 Photo or Pyro.pdf), содержащий чувствительный элемент и пиковый детектор. Чувствительный элемент представляет собой пластину из пироэлектрического материала с нанесенным защитным покрытием. При воздействии лазерного излучения на чувствительный элемент, пластина пироэлектрического материала нагревается. Вследствие пироэлектрического эффекта, на электродах возникает разность потенциалов. Выходной сигнал с чувствительного элемента передается на вход пикового детектора. На выходе пикового детектора с помощью вольтметра измеряется напряжение, соответствующее значению энергии лазерного импульса.
Известное устройство обладает низким быстродействием, что не обеспечивает точности измерений при работе с лазером в импульсных режимах с частотой генерации импульсов выше 10 кГц, обладает нелинейной передаточной характеристикой, что требует дополнительной обработки сигнала и усложняет конструкцию. Кроме того, требует отслеживания нулевого уровня, что требует дополнительных средств для компенсации негативного эффекта и ведет к усложнению конструкции. Величина электрического импульса на электродах чувствительного элемента пироэлектрического детектора превышает 1 микросекунду, что исключает возможность его использования в случаях, когда частота генерации импульсов лазера превышает 10 килогерц. Также вследствие высокой длительности времени отклика электрического сигнала теряется вся информация о временных характеристиках импульса лазерного излучения.
Известно устройство для измерения временных характеристик импульсов лазерного излучения - сверхскоростной фотодиод (http://www.alphalas.com/images/stories/products/laser diagnostic tools/Ultrafast Pho todetectors UPD ALPHALAS.pdf).
Устройство содержит чувствительный элемент и интерфейс для подключения к измерительному прибору. Чувствительный элемент представляет собой фотодиод на основе арсенида галлия. При воздействии оптического излучения за счет внутреннего фотоэффекта на электродах чувствительного элемента возникает разность потенциалов, пропорциональная мощности лазерного излучения. Преимуществом описанного устройства является огромное быстродействие (время отклика составляет около 50 пс). Недостатком устройства является малое значение верхней границы диапазона измеряемых мощностей лазерного излучения. Типичный верхний предел для высокоскоростного измерителя на основе фотодиодов составляет 100 нВт.
Известно устройство для измерения энергии импульса лазерного излучения ультрафиолетового диапазона на основе фотоэлектрического эффекта пленок оксида индия-олова, выбранное в качестве прототипа, (патент РФ №170268, 04.08.2016, МПК G01J 11/00, G01J 1/42), содержащее чувствительный элемент на основе пленки оксида индия-олова, присоединенный к входу пикового детектора, пиковый детектор соединен с микроконтроллером, который выводит информацию на дисплей.
При воздействии лазерного излучения на пленки оксида индия олова на краях пленки возникает разность потенциалов, максимальная величина которой пропорциональна энергии лазерного излучения. Величина максимальной разности потенциалов фотоэлектрического отклика фиксируется при помощи пикового детектора. Значение величины «фиксированной» разности потенциалов измеряется микроконтроллером и выводится на дисплей.
По сравнению с пироэлектрическим детектором устройство, выбранное в качестве прототипа, обладает существенно большим быстродействием: время отклика пироэлектрического измерителя составляет около 10 мкс, время отклика измерителя на основе фотоэлектрического эффекта составляет около 2 нс.
Недостатками прототипа являются:
- Недостаточное быстродействие. Паразитные емкости и сопротивления образуют интегрирующую цепь на входе пикового детектора и изменяют форму электрического импульса. Вследствие чего теряется возможность измерять временные параметры импульса лазерного излучения.
- Ограниченный диапазон длин волн. Поскольку оксид индия-олова не поглощает в диапазоне длин волн от 360 нм до 900 нм, то у прототипа отсутствует возможность измерять энергию в указанном спектральном диапазоне.
Заявляемая полезная модель решает задачу расширения функциональных возможностей устройства за счет одновременного измерения параметров лазерного излучения: мощности и энергии лазерного излучения, а также временных параметров импульса: длительности импульса, времен нарастания и спада импульса лазерного излучения.
Особенно актуальной данная задача стоит для мощных импульсных лазеров, в частности эксимерных лазеров, длительность импульсов которых составляет 5-35 нс. Поскольку сфера применений эксимерных лазеров охватывает медицинские области, то измерение мощности и энергии и длительности оптического воздействия имеет особую актуальность.
Поставленная задача решается следующим образом.
Устройство для измерения параметров импульса лазерного излучения включает чувствительный элемент, представляющего собой пластину с покрытием, выход которого соединен с входом микроконтроллера, выход которого соединен с дисплеем, покрытие чувствительного элемента представляет собой нитрид титана, нанесенное под углом менее 90° к поверхности подложки, микроконтроллер, снабжен аналогово-цифровом преобразователем с частотой сэмплирования не менее 6 Гсемплов/с и блоком памяти с размеров не менее 1024 ячеек.
21
3
Сущность заявляемого устройства поясняется следующим. Нитрид титана является сильно вырожденным полупроводником с концентрацией свободных носителей, превышающей 10 см. Подвижность свободных носителей заряда превышает подвижность носителей заряда в пленках оксида индия-олова. Высокая концентрация свободных носителей ведет к увеличению проводимости и снижению собственной емкости покрытия, что в свою очередь приводит к увеличению быстродействия. Пленки нитрида титана наносятся под углом менее 90° к поверхности подложки. Пленка имеет поликристаллическую природу и представляет собой совокупность кристаллитов, растущих в виде столбиков. Экспериментальные исследования структуры пленок показали, что при напылении под углом столбики кристаллитов также растут под
углом. При воздействии мощного лазерного излучения на поверхность нитрида титана протекает фотоэлектронная эмиссия. Вследствие удаления электронов из приповерхностного слоя в каждом столбике возникает электрическое поле, ориентированное вдоль кристаллита. Поскольку столбики наклонены, то возникает ненулевая компонента электрического поля, направленная параллельно поверхности подложки, которая регистрируется при помощи измерительного прибора.
Электрический сигнал с чувствительного элемента подается на вход аналогово-цифрового преобразователя микроконтроллера. Микроконтроллер записывает в память значения измеряемой разности потенциалов. Для получения значения мощности, как и в известных устройствах, требуется калибровка измерителя. Калибровочный коэффициент вводится в память каждого экземпляра устройства. При помощи микропроцессора производится пересчет значений измеряемой разности потенциалов фотоэлектрического отклика в значения мощности лазерного излучения.
Сущность заявляемого устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структурная схема устройства для измерения импульсов лазерного излучения, на фиг. 2 схематично изображена конструкция чувствительного элемента измерителя параметров импульсов лазерного излучения, на фиг. 3 - лазерный импульс и отклик с чувствительного элемента, приведены форма лазерного импульса и форма импульса, измеренная при помощи чувствительного элемента на основе нитрида титана. На фиг. 4 приведена зависимость максимальной величины фотонапряжения от энергии лазерного излучения.
Устройство для измерения параметров импульса лазерного излучения (фиг. 1) состоит из чувствительного элемента 1, аналого-цифрового преобразователя 2, входящего в состав микроконтроллера 3, и дисплея 4. Выход чувствительного элемента 1 соединен с входом аналогово-цифрового преобразователя 2 микроконтроллера 3. Выход микроконтроллера 3 присоединен к входу дисплея 4.
Чувствительный элемент 1 представляет собой пластину 5 из диэлектрического материала с нанесенным покрытием нитрида титана 6. Пластина с покрытием помещается в корпус 7, изготовленный из пластика. Пластина с покрытием фиксируется при помощи прижимных металлических контактов 8.
Микроконтроллер 3 должен иметь высокоскоростной АЦП 2 (частота семплирования должна составлять не менее 6 Гсемплов/сек). Модуль памяти должен содержать не менее 1024 ячеек.
Устройство работает следующим образом: при воздействии лазерного излучения на покрытие 6 чувствительного элемента 1 на контактах 8 появляется электрический сигнал, который поступает на вход АЦП 2 микроконтроллера 3. На дисплее 4 выводится измеренный сигнал лазерного излучения.
В качестве конкретного примера предлагается устройство, в котором чувствительный элемент представляет собой пластину из силикатного стекла, на которую нанесено, например, с помощью магнетронного распыления, под углом 75° к поверхности подложки покрытие из нитрида титана. Пластина с покрытием нитрида титана помещается в пластиковый корпус и фиксируется прижимными медными контактами. Толщина покрытия составляет не менее 200 нм. Медные контакты при помощи проводов присоединяются ко входу АЦП микроконтроллера. В качестве микроконтроллера используют DRS4, производимый институтом Paul Scherrer Institute. В качестве дисплея - монитор персонального компьютера.
На фиг. 3 приведены результаты измерений лазерного импульса при помощи высокоскоростного фотоприемник Alfalas на основе фотодиодов и устройства, описанного в примере. Из графиков видно, что сигнал, измеряемый при помощи рассматриваемого устройства совпадает с формой импульса, измеренного с помощью фотоприемника Alfalas. Из изображения получаемого на экране дисплея можно определять:
1. Мощность лазерного излучения в каждый момент времени определяется при помощи мгновенного значения напряжения и калибровочного коэффициента.
2. Длительность импульса определяется как ширина импульса при значение мощности, равной 1/2 от максимальной.
3. Времена нарастания и спада определяют также из изображения мощности лазерного излучения.
Максимальное значение фотонапряжения прямо пропорционально энергии импульса лазерного излучения (см. фиг. 4).
Таким образом, заявляемое устройство имеет более высокое быстродействие, поскольку используется материал с большей концентрацией и подвижностью электронов. Благодаря высокому быстродействию и уменьшению значений паразитных емкостей устройство позволяет измерять временные параметры импульса лазерного излучения: длительность импульса, время нарастания, время спада.
Нитрид титана поглощает лазерное излучения в области спектра 350-900 нм, что позволяет расширить его рабочий диапазон длин волн по сравнению с прототипом.