ПРИЕМНИК ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
RECEIVER OF PULSE LASER RADIATION

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений энергии, формы и длительности оптических импульсов.
Известен приемник лазерного излучения, содержащий установленные последовательно в механическом контакте прозрачную для принимаемого излучения плоскопараллельную пластину, поглотитель излучения и акустический датчик, с обеих поверхностей которого выполнены электроды, отличающийся тем, что дополнительно он снабжен последовательно расположенными диафрагмой и рассеивателем падающего излучения, установленными с воздушным зазором перед плоскопараллельной пластиной, и при этом в качестве поглотителя излучения в приемнике используется жидкость, обладающая объемным поглощением падающего излучения [Карабутов А.А., Каптильный А.Г., Агранат М.Б., Савельев В.В. Приемник лазерного излучения. // Патент РФ на изобретение №2295117, МПК G01J 5/58 (2006.01), Бюл. №31, 10.03.2007]. В этом приемнике поглотитель излучения и акустический датчик выполняют роль фотоэлектрического преобразователя.
Недостатком данного приемника является то, что в нем преобразование энергии импульсов лазерного излучения в выходной сигнал происходит сложным путем, в результате которого потери энергии неизбежны, а информация о форме и длительности лазерного импульса теряется.
Наиболее близким по принципу действия является приемник импульсного лазерного излучения, выполненный в виде нанографитной пленки на плоской кремниевой подложки [Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н. и др. Быстродействующий пленочный фотоприемник мощного лазерного излучения на эффекте оптического выпрямления. // ЖТФ, 2006, т.76, вып.9, с.81-87].
Недостатком такого приемника является малая амплитуда выходного сигнала.
Задачей изобретения является создание быстродействующего приемника импульсного лазерного излучения с эффективным преобразованием энергии оптического импульса в электрический сигнал.
Поставленная задача решается тем, что в приемнике импульсного лазерного излучения, содержащем плоскопараллельную прозрачную пластину и фотоэлектрический преобразователь, в качестве фотоэлектрического преобразователя используется однослойная пленочная проводящая катушка, выполненная на диэлектрическом сердечнике с прямоугольным сечением, при этом катушка установлена обращенной к плоскопараллельной пластине плоской поверхностью под углом в пределах от 45 до 60°.
Техническим результатом является увеличение амплитуды электрического сигнала приемника импульсного лазерного излучения за счет суммирования сигналов от каждого витка катушки фотоэлектрического преобразователя.
На фигуре 1 изображен приемник импульсного лазерного излучения, разрез, где цифрами обозначены: 1 - корпус, 2 - плоскопараллельная прозрачная пластина, 3 - однослойная пленочная проводящая катушка, 4 - диэлектрический сердечник, 5 - проводники.
На фигуре 2 изображена обращенная к плоскопараллельной пластине поверхность пленочной катушки, где пунктиром обозначена область воздействия лазерного излучения.
Размеры катушки в приемнике импульсного лазерного излучения определяются диаметром D пучка принимаемых импульсов лазера - общая ширина витков не должна превышать диаметр пучка, а длина плоского участка витков приемной части катушки (фигура 2) составляет (1,4-2,0)D в зависимости от материала пленки. Толщина материала витков пленочной катушки на ее обращенной к плоскопараллельной пластине плоской поверхности должна быть порядка глубины скин-слоя, определяемого проводимостью материала пленки и частотой лазерного излучения.
В качестве материала проводящей пленки могут служить металлы - золото, серебро, медь, алюминий, никель и т.д.
Возможно исполнение приемника импульсного лазерного излучения, отличающегося тем, что участки витков катушки на обращенной к плоскопараллельной пластине плоской поверхности выполнены из материала, являющегося по проводимости полуметаллом, например из графита или висмута, в которых длина свободного пробега электронов больше чем в металлах.
Приемник импульсного лазерного излучения представляет собой преобразователь энергии импульса лазерного излучения в электрический сигнал и работает следующим образом. Пучок импульса лазерного излучения с р-поляризацией подают на приемник, при этом импульс лазера через установленную в корпусе 1 прозрачную для принимаемого излучения плоскопараллельную пластину 2 направляется к фотоэлектрическому преобразователю, выполненному в виде однослойной проводящей пленочной катушки 3 с диэлектрическим сердечником 4 и установленному обращенной к плоскопараллельной пластине плоской поверхностью под углом в пределах от 45 до 60°.
Воздействие импульса лазера на часть поверхности каждого витка катушки в зоне облучения вызывает быстрый разогрев электронного газа в скин-слое проводящей пленки, вследствие которого электроны получают дополнительный импульс направленного движения и создают импульсный электрический ток в витках катушки. При этом на участках воздействия импульса лазера в каждом витке катушки возникает ЭДС, обусловленный электрическим сопротивлением материала катушки. В результате на концах проводящей пленочной катушки формируется фотоэлектрический сигнал, являющийся суммарным от цепочки ЭДС нескольких витков катушки, при этом облучаемая часть витков катушки играет роль источников ЭДС, а необлучаемая часть - соединительных проводов. Электрический сигнал с концов катушки приемника через проводники 5 может подаваться на регистрирующее устройство, например осциллограф. Величина электрического сигнала приемника оказывается пропорциональной интенсивности излучения, что позволяет оценить энергию поглощенного импульса лазерного излучения исходя из его длительности и сечения пучка.
Возникновение фотоэлектрического сигнала на поверхности проводящих пленок при воздействии импульсами лазера обусловлено эффектом увлечения электронов светом [Берегулин Е.В., Валов П.М., Рывкин С.М. и др. Эффект увлечения электронов светом в полуметаллах. // Письма в ЖЭТФ, 1977, т.25, вып.2, с.113-116] - взаимодействием электронов в скин-слое пленок с фотонами падающего пучка лазера, в результате которого в пленке возникает поверхностный ток, а на участке поверхности пленки - ЭДС [Александров В.А. Скин-эффект в проводящих пленках при лазерном воздействии. // Альтернативная энергетика и экология, 2007, №11, с.110-113].
е
Так, при взаимодействии электрона в скин-слое с фотоном - обратном рассеянии фотона импульс электрона отдачи составит р=2ħω/с и электрон приобретает дополнительную скорость в направлении вдоль поверхности пленки
e
где m - масса электрона, α - угол падения пучка лазера на поверхность пленки.
Движущиеся электроны создают поверхностный ток, плотность которого
e
где е - заряд электрона, n - количество взаимодействующих с фотонами электронов в единице объема скин-слоя пленки.
d
b
Объем V скин-слоя, в котором происходит взаимодействие фотонов с электронами, равен произведению глубины d скин-слоя и площади облучаемой пучком лазера поверхности пленки, определяемой сечением S пучка и углом его падения α:
Импульс лазера обычно имеет огибающую и поэтому интенсивность I фотонов в пучке такого импульса зависит от времени I=I(t). При наносекундных длительностях импульса лазера количество фотонов в единице объема скин-слоя пленки можно выразить как
e
е
f
e
Учитывая коэффициент электрон-фотонного взаимодействия материала пленки к=(n/n)/cτ подвижность электронов µ=τe/m, где τ - время между их столкновениями, выражение (2) для плотности продольного тока в скин-слое пленки можно привести к виду
x
x
x
x
Возникновение переменного ЭДС U(t) на участке Δx облучаемой импульсом лазером части поверхности пленки обусловлено продольным током j(f) в скин-слое пленки и проводимостью σ этого участка U(t)=j(t)Δx/σ, поэтому зависимость сигнала фотоэлектрического эффекта от угла α получается аналогичной (5):
Последнее выражение указывает, что максимальное значение фотоэлектрического сигнала на поверхности пленки получается при воздействии пучком лазера, когда угол падения равен α=±π/4. Практически необходимо учитывать преломление пучка лазера в скин-слое материалом пленки и максимальное значение величины фотоэлектрического сигнала следует ожидать при углах падения пучка лазера 45-60°.