ТРАП-ДЕТЕКТОР
TRAP-DETECTOR

Изобретение относится к отрасли приборостроения и измерительной техники.
Осуществление изобретения не вызывает трудностей, поскольку оно отличается от известных аналогов только конфигурацией расположения фотодиодов.
На фиг.1 показана принципиальная схема ближайшего аналога изобретения, а на фиг.2, 3 и 4 показаны принципиальные схемы трап-детекторов как отдельных случаев использования предлагаемого изобретения.
Предлагаемое изобретение отвечает современному уровню техники. Известные современные трап-детекторы также включают несколько фотодиодов, различным образом расположенных относительно друг друга, например трап-детекторы, описанные в статье [1]. В одном из них три фотодиода установлены последовательно под прямыми углами один к другому, а четвертый - под прямым углом по направлению на третий фотодиод, если считать по прямому направлению исследуемого оптического луча. Он последовательно отражается от активных светочувствительных поверхностей (далее для краткости АП) фотодиодов в прямом и обратном направлениях. При этом луч отражается от четвертого фотодиода сразу в обратном направлении на третий фотодиод. При каждом отражении часть энергии луча преобразуется в электрическую энергию, характеристики которой измеряются известными устройствами. Остаток энергии луча возвращается в источник излучения, например в лазер. Общее число отражений луча от АП фотодиодов в этом варианте трап-детектора равняется семи.
Ближайший аналог предлагаемого изобретения описан в статье [2]. Этот трап-детектор (фиг.1) содержит три фотодиода, из которых первый 1 расположен под углом к исследуемому лучу, второй фотодиод 2 расположен под углом к первому и третий фотодиод 3 установлен под прямым углом к направлению на второй фотодиод 2.
Принцип действия этого трап-детектора следующий. Первичный оптический луч падает на АП фотодиода 1 и, отразившись от него, падает последовательно на АП фотодиодов 2 и 3. Далее луч проходит обратный путь, отражаясь последовательно от АП фотодиодов 3, 2, 1, и выходит из трап-детектора в сторону источника излучения, например лазера. При этом луч отражается от третьего фотодиода 3 сразу в обратном направлении на второй фотодиод 2. При каждом отражении луч ослабляется вследствие частичного преобразования оптической энергии в электрическую, которая измеряется известными устройствами (на фиг.1 не показаны). Число отражений луча от АП фотодиодов в этом варианте трап-детектора равняется пяти.
Основными недостатками известных аналогов является то, что не вся энергия оптического излучения преобразуется в электрическую, чем снижается точность измерений. Кроме того, остаточная часть излучения, которая возвращается в лазер, после прохождения трап-детектора приводит к нарушению его работы, что дополнительно снижает точность измерений. Снижение этих недостатков путем увеличения числа фотодиодов, например до четырех, как это сделано в описанном первом аналоге, и тем самым увеличения числа отражений луча от АП фотодиодов часто экономически нецелесообразно из-за высокой стоимости фотодиодов.
Целью предлагаемого изобретения является значительное снижение недостатков существующих трап-детекторов. Это достигается путем увеличения числа отражений луча от АП фотодиодов без увеличения их числа за счет новой конфигурации расположения фотодиодов в трап-детекторе.
Предлагаемый трап-детектор (фиг.2), как частный случай использования изобретения, включает три фотодиода 1, 2 и 3, установленных в плоскости падения первичного луча 6 на АП первого фотодиода 1. Первый по ходу прямого движения оптического луча фотодиод 1 установлен под углом к первичному исследуемому лучу 6, за ним установлен второй фотодиод 2 под углом к первому, затем третий фотодиод 3. При этом третий фотодиод 3 установлен таким образом, что его активная поверхность расположена перпендикулярно к биссектрисе 5 угла α, между направлениями от третьего фотодиода 3 на второй 2 и первый 1 фотодиоды, благодаря чему луч, отраженный от АП третьего фотодиода 3, направлен на АП первого фотодиода 1. В частном случае использования предлагаемого изобретения фотодиоды могут быть установлены таким образом, что линия направления от третьего 3 фотодиода на первый 1 перпендикулярна к АП первого фотодиода 1.
1
1
В частном случае использования изобретения (фиг.3), четыре фотодиода расположены пространственно таким образом, что три из них, первый 1, второй 2 и четвертый 4 расположены в плоскости Р падения первичного оптического луча 6 на первый фотодиод 1, а один фотодиод 3 расположен рядом с указанной плоскостью Р на линии ВС луча, первый раз отраженного от второго фотодиода 2. Четвертый фотодиод 4 установлен таким образом, что его АП расположена перпендикулярно к биссектрисе 5 угла α между направлениями на третий 3 и первый 1 фотодиоды. В частном случае использования изобретения, линия DA направления от четвертого фотодиода 4 на первый фотодиод 1 может быть перпендикулярна к АП первого фотодиода 1.
2
2
В частном случае использования изобретения (фиг.4), четыре фотодиода расположены пространственно таким образом, что три из них, первый 1, второй 2 и третий 3, расположены в плоскости Р падения на второй фотодиод 2 оптического луча, впервые отраженного от первого фотодиода 1, а четвертый фотодиод 4 расположен рядом с указанной плоскостью Р на линии AD луча, повторно отраженного от первого фотодиода 1. При этом третий фотодиод 3 установлен таким образом, что его АП расположена перпендикулярно к биссектрисе 5 угла α между направлениями на второй 2 и первый 1 фотодиоды. В частном случае использования изобретения АП четвертого 4 фотодиода может быть перпендикулярна к направлению DA на первый фотодиод 1.
В частном случае использования изобретения, по крайней мере, вместо одного из фотодиодов может быть установлено зеркало.
Принцип действия предлагаемого изобретения следующий.
Исследуемый первичный луч 6 (фиг.2) падает на АП фотодиода 1 и, отразившись от него, падает на АП фотодиода 2 и затем - на АП фотодиода 3. Далее благодаря тому, что АП фотодиода 3 перпендикулярна к биссектрисе угла α, луч падает на фотодиод 1. Далее, если в частном случае использования изобретения линия направления от третьего 3 фотодиода на первый 1 перпендикулярна к АП фотодиода 1, то луч снова падает на фотодиод 3 и далее последовательно на АП фотодиоды 2 и 1. В этом случае число отражений луча от АП фотодиодов равняется семи.
При каждом отражении луч ослабляется вследствие частичного преобразования оптической энергии в электрическую, которая измеряется известными устройствами (на фиг.2 и других не показаны).
В частном случае использования изобретения (фиг.3) отраженный от фотодиода 3 луч BD падает на фотодиод 4 и отражается от него в сторону фотодиода 1 (линия DA) а затем, если АП фотодиода 1 перпендикулярна к линии AD, то луч движется в обратном направлении, отражаясь последовательно от фотодиодов 1, 4, 3, 2 и 1. В этом случае число отражений луча от АП фотодиодов равняется девяти.
В частном случае использования изобретения (фиг.4) луч СВ отражается от фотодиода 3 в сторону фотодиода 1 (линия В А) и затем от фотодиода 1 отражается на фотодиод 4 (линия AD). Если АП фотодиода 4 перпендикулярна к направлению DA на фотодиод 1, то луч снова падает на фотодиод 1 и уже от него отражается в направлении на фотодиод 3. После отражения последовательно от фотодиодов 3, 2 и 1 остаток луча возвращается в сторону источника излучения. В этом случае число отражений луча от АП фотодиодов также равняется девяти.
Как видим, главное отличие действия предлагаемого изобретения заключается в том, что отраженный от АП фотодиода 3 (фиг.2, 4) или, в частном случае, от фотодиода 4 (фиг.3) луч падает снова на АП фотодиода 1, а у аналога луч сразу отражается от АП фотодиода 3 в обратном направлении к фотодиоду 2, и поэтому общее число отражений у аналога равняется только пяти, тогда как в трап-детекторе с тремя фотодиодами, который предлагается как первый случай использования изобретения, число отражений равняется семи. Благодаря этому энергия оптического излучения более полно преобразуется в электрическую энергию и тем самым повышается точность измерений. Кроме того, уменьшение части оптической энергии, которая возвращается в источник излучения, например лазер, уменьшает влияние ее на работу лазера, что дополнительно повышает точность измерений.
В случаях использования изобретения в пространственных конфигурациях (фиг.3 и 4) число отражений луча может быть увеличено до девяти. Кроме того, в этих случаях уменьшается влияние на измерение поляризационных эффектов, что дополнительно повышает эффективность работы фотодиодов и точность измерений.
В случае, когда более важным является уменьшение стоимости трап-детектора, при достаточной точности измерений, в нем вместо, по крайней мере, одного из фотодиодов может быть установлено зеркало. При этом, конечно, уменьшается часть энергии, которая преобразовывается в электрическую, но она, при равных условиях, будет не меньше, чем у аналогов, благодаря большему общему количеству отражений.
Литература
1. J.М.Palmer, Metrologia 1993, 30, 327-333.
2. N.P.Fox, Metrologia 1993, 30, 321-325.