Устройство для измерения энергии импульса лазерного излучения ультрафиолетового диапазона

Полезная модель относится к области измерения импульсных характеристик инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых лучей и может быть использована для измерения энергии импульса лазерного излучения 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 ультрафиолетового 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.
Известно устройство для измерения энергии импульса лазерного излучения ультрафиолетового диапазона, выбранное в качестве прототипа (Coherent EnergyMax J-25MUV-248, источник: EnergyMax Sensors User Manual (https://www.coherent.com/downloads/EnergyMaxSensors UserManual 1113858RevAB.pdf), содержащее чувствительный элемент и блок обработки измеряемого сигнала. Чувствительный элемент состоит из пластины пироэлектрического материала с нанесенным защитным покрытием. Блок обработки измеряемого сигнала включает пиковый детектор, аналого-цифровой преобразователь, запоминающее устройство (память), микроконтроллер и дисплей для вывода информации. Выход чувствительного элемента соединен с входом пикового детектора, выход пикового детектора соединен с входом микроконтроллера. Выходы микроконтроллера соединены с управляющим входом пикового детектора, входом запоминающего устройства и входом дисплея.
При воздействии ультрафиолетового излучения на чувствительный элемент, пластина пироэлектрического материала нагревается. Вследствие пироэлектрического эффекта, на электродах возникает разность потенциалов. Выходной сигнал с чувствительного элемента передается на вход блока обработки измеряемого сигнала. После обработки значение энергии импульса выводится на дисплее.
Известное устройство обладает низким быстродействием, что не обеспечивает точности измерений при работе с лазером в импульсных режимах с частотой генерации импульсов выше 10кГц, обладает нелинейной передаточной характеристикой, что требует дополнительной обработки сигнала и усложняет конструкцию. Кроме того, устройство 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. Лазерный импульс обладает очень короткой длительностью - порядка десятков наносекунд, что определяет требования к быстродействию устройства, что не обеспечивает известное устройство.
Полезная модель решает задачу повышения точности измерения энергии импульса лазерного излучения ультрафиолетового диапазона в режиме генерации импульсов с частотой более 100 кГц с одновременным повышением быстродействия.
Поставленная задача решается следующим образом. В известном устройстве для измерения энергии импульса лазерного излучения ультрафиолетового диапазона, включающем чувствительный элемент, выход которого соединен с входом пикового детектора, присоединенного к входу микроконтроллера, первый выход которого соединен со входом дисплея, а второй выход - с управляющим входом пикового детектора, чувствительный элемент представляет собой диэлектрическую пластину с нанесенным на нее покрытием из оксида индия-олова (indium-tin oxide, ΙΤΌ), градиент толщины покрытия превышает 50 нанометров. Пластина снабжена металлическими контактами, размещенными на ее краях и соединенными со входом пикового детектора, включающего операционный усилитель с полосой пропускания не менее 200 МГц.
Сущность заявляемого устройства поясняется следующим: при воздействии мощного ультрафиолетового излучение на покрытие оксида индия-олова (indium-tin oxide, ΙΤΟ) чувствительного элемента возникает неоднородная фотоэмиссия. Неоднородность фотоэмиссии возникает вследствие градиента толщины пленки. Величина напряжения на контактах чувствительного элемента, возникающая при воздействии лазерного излучения, прямо пропорциональна градиенту толщины покрытия чувствительного элемента. Из-за ухода свободных носителей заряда из покрытия в чувствительном элементе образуется нескомпенсированное электрическое поле, которое в свою очередь разделяет оставшиеся носители заряда (электроны и дырки), образуя разность потенциалов на контактах чувствительного элемента. Величины времен роста и спада выходного импульса не превышают 20 наносекунд (фиг. 4), что позволяет повысить быстродействие устройства. Величина максимального напряжения импульса с выхода линейно зависит от энергии лазерного импульса в широком диапазоне энергий, что не требует дополнительных действий для обработки измеряемой информации и, таким образом, упрощает конструкцию устройства (фиг. 5).
Оксид индия олова является вырожденным полупроводником. Удельная проводимость покрытия составляет единицы Ом/см, что повышает скорость накапливания и рассасывания зарядов, таким образом, обеспечивает быстродействие чувствительного элемента. Материал не поглощает излучение видимого диапазона, что позволяет исключить паразитное влияние излучение данных длин волн. Чем больше величина градиента толщины, тем больше чувствительность чувствительного элемента, что повышает точность измерений. Эмпирически показано, что при значениях величин градиента толщины покрытия больше 50 нм, величины напряжений отклика на контактах чувствительного элемента достигает 10-15 В, что перекрывает весь диапазон входных напряжений, измеряемых операционным усилителем в пиковом детекторе.
Длительность импульса чувствительного элемента составляет около 20-40 нс (фиг. 4), таким образом, для детектирования данных импульсов требуется операционный усилитель с частотой не менее 1/t, где t - длительность импульса, которая для заявляемого устройства составляет не менее 200 МГц.
Сущность заявляемого устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структурная схема устройства для измерения импульсов лазерного излучения ультрафиолетового диапазона, на фиг. 2 схематично изображена конструкция чувствительного элемента измерителя энергии импульсов лазурного излучения ультрафиолетового диапазона, на фиг. 3 - электрическая схема пикового детектора, на фиг. 4 - лазерный импульс и отклик с чувствительного элемента, на фиг. 5 - зависимость максимального напряжения выходного импульса чувствительного элемента от энергии лазерного импульса.
Устройство для измерения энергии импульса лазерного излучения (фиг. 1) состоит из чувствительного элемента 1, пикового детектора 2, микроконтроллера 3 и дисплея 4. Выход чувствительного элемента 1 соединен с входом пикового детектора 2. Вход микроконтроллера 3 присоединен к выходу пикового детектора 2. Первый выход микроконтроллера 3 присоединен к управляющему входу пикового детектора 2, второй выход микроконтроллера 3 присоединен к входу дисплея 4.
Чувствительный элемент (фиг. 2) представляет собой пластину 5 из диэлектрического материала с нанесенным покрытием оксида индия-олова 6. Градиент толщины покрытия составляет не менее 70 нм. Металлические контакты 7 нанесены на края пластины 5. Металлические контакты 7 соединяются с входом 8 пикового детектора 2 (фиг. 3). Основным элементом пикового детектора является операционный усилитель 9 с полосой пропускания не менее 200 МГц. Выход пикового детектора 2 соединен с входом микроконтроллера 3. Первый выход микроконтроллера 3 присоединен к входу дисплея 4 для вывода информации. Второй выход микроконтроллера 3 присоединен к входу 11 пикового детектора 2 для приведения пикового детектора в исходное положение.
Устройство работает следующим образом: при воздействии лазерного излучения ультрафиолетового диапазона на покрытие 6 чувствительного элемента 1 на контактах 7 появляется электрический сигнал, который поступает на вход 8 пикового детектора 2. На выходе 10 пикового детектора 2 появляется напряжение, равное величине сигнала на входе 8. Напряжение с выхода 10 пикового детектора 2 подается на вход микроконтроллера 3. После преобразования значение энергии передается на вход дисплея 4 и выводится пользователю. Микроконтроллер 3 приводит пиковый детектор 2 в исходное состояние с помощью входа 11.
В качестве конкретного примера предлагается устройство, в котором чувствительный элемент представляет собой пластину из силикатного стекла, на которую нанесено покрытие из оксида индия-олова (indium-tin oxide), градиент толщины которого составляет 70 нм. На слой покрытия с помощью напыления нанесены медные контакты, которые присоединены к входу пикового детектора. Пиковый детектор содержит операционный усилитель, диод и конденсатор. Вход пикового детектора соединен с входом первого операционного усилителя. Выход первого операционного усилителя соединен с входом диода. Выход диода соединен с конденсатором и входом второго операционного усилителя. Полоса пропускания первого операционного усилителя равна 430 МГц. Второй операционный усилитель является буфером для согласования сопротивлений. В качестве микроконтроллера использован микроконтроллер Genuino Uno, в качестве дисплея - дисплей персонального компьютера.
Таким образом, заявляемое устройство имеет более высокую точность при измерениях энергии импульсов излучения ультрафиолетового диапазона при работе с частотой генерации импульсов более 10 кГц, обладает малыми значениями времени нарастания и времени спада импульса на выходе чувствительного элемента, что повышает быстродействие устройства. Помимо вышеописанных преимуществ устройство имеет линейную характеристику в широком диапазоне энергий, что упрощает конструкцию прибора. Устройство не требует поддержания нулевого уровня измеряемого диапазона, что облегчает процесс калибровки и повышает точность измерений. Устройство выполнено из простых и доступных материалов, что упрощает конструкцию и может привести к снижению себестоимости устройства.