ТЕПЛОВОЙ ТРАП-ДЕТЕКТОР
THERMAL TRAP-DETECTOR

Изобретение относится к измерительной технике в части создания измерительных преобразователей мощности лазерного излучения и может быть использовано в качестве устройства для измерения мощности лазерного излучения в лабораторных условиях в широком динамическом и спектральном диапазонах.
Известно устройство фотодиод [1, 2] - приемник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счет процессов фотоионизации и перераспределения зарядов в p-n-переходе. Устройство представляет из себя пластину с коэффициентом отражения порядка нескольких десятков процентов.
Преимуществами данного устройства являются малые габариты и высокое быстродействие.
Недостатком данного устройства является невозможность получения высоких значений поглощения в том спектральном диапазоне, в котором работает устройство, соответственно, невозможность получения высокой точности измерений, погрешность данного устройства порядка 8-10%. Также устройство обладает ограниченным спектральным и динамическим диапазонами работы.
Известен фотоэлектрический трап-детектор [3], являющийся устройством, наиболее близким к описываемому. В основе построения этого устройства лежит использование нескольких фотодиодов, последовательное отражение от которых позволяет практически полностью поглотить падающее излучение и довести долю неизмеримой части отраженного излучения до пренебрежимо малой величины. Методика измерения мощности данным устройством основана на сведении к минимуму доли отраженного излучения.
Преимуществом устройства является быстродействие и высокая точность измерений.
Недостатком подобного устройства является то, что свойства единичных фотодиодов, входящих в состав устройства, ограничивают спектральный и динамический диапазоны работы прибора.
Целью изобретения является существенное расширение спектрального и динамического диапазонов работы прибора.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве измерения мощности лазерного излучения используются идентичные тепловые приемники, расположенные по ходу излучения и обладающие высоким быстродействием, т.е. малой постоянной времени. Устройство представляет собой совокупность идентичных приемных пластин - тепловых приемников - с плоской поглощающей, зеркально-отражающей поверхностью, при этом плоскости располагаются таким образом, чтобы результирующий зеркальный коэффициент отражения не зависел от типа поляризации падающего излучения. Детекторные пластины представляют собой тепловые приемники с обмоткой электрического замещения, на поверхность которых нанесено поглощающее покрытие, имеющее высокий коэффициент поглощения в широком спектральном диапазоне. Устройство позволяет согласовать уровни и спектральные интервалы мощности лазерного излучения без нанесения ущерба точности выполняемых измерений.
-3
В отличие от традиционных тепловых приемников калориметрического типа, широко используемых в эталонной энергетической лазерометрии (массивных, инерционных), предлагаемая схема изобретения состоит из ряда тепловых приемников (от трех и более) небольшого размера с тонким слоем приемного элемента, что позволяет добиться достаточно малых постоянных времени. Пучок лазерного излучения испытывает ряд последовательных переотражений от поверхностей тепловых приемников (детекторных пластин), каждый раз ослабляясь в несколько раз, пока не достигнет значения ~10 Вт.
Отдельный тепловой приемник является основным элементом приемного устройства. Схема приемника представлена на фиг.1, где 1 - корпус, 2 - интерференционное покрытие, 3 - приемный диск, 4 - термобатареи, 5 - термостат, 6 - разъем типа РС-4, 7 - обмотка электрического замещения.
Приемник представляет собой тонкую плоскую слоистую структуру, внешняя металлическая поверхность 2 которого покрыта черным лаком с коэффициентом отражения ~5%. Сток тепла осуществляется на термостат 5 через тонкую диэлектрическую прослойку.
На внешнюю поверхность слоистой структуры 2 падает поток лазерного излучения. Приток тепла при включении обмотки замещения 7 задается электрической мощностью. Осуществляется сток тепла по ее контактным проводам и на поверхности слоистой структуры 3 имеют место потери тепла за счет радиационного излучения и конвективного теплообмена.
Суммарная неопределенность приемника определяется в основном его зонной характеристикой. Эта неопределенность может быть уменьшена как подбором соответствующих параметров приемника, так и использованием специальных юстировочных устройств, ограничивающих перемещение лазерного луча по его поверхности.
Изобретение может включать в себя от трех и более тепловых приемников. Для примера на Фиг.2 изображено устройство, включающее в себя 6 тепловых приемников. На Фиг.2 изображен ход лучей по оптическому тракту изобретения, на Фиг.3 изображена схема устройства, на Фиг.4 изображено 3-мерное изображение устройства. Устройство для измерения средней мощности лазерного излучения содержит тепловые приемники 8-13, корпус устройства 14, вход для излучения 15, выход для излучения 16.
Устройство работает следующим образом: лазерное излучение проходит сквозь входное отверстие в корпусе устройства 14 и попадает на тепловой приемник 8, часть входной оптического излучения в приемном элементе теплового приемника преобразуется в тепло.
Поглощенное тепло перетекает на наружную поверхность, где расположена термоэлектрическая батарея 4, ветви которой выполнены из высокоэффективных термоэлектрических материалов. Горячие спаи термопар расположены на приемных пластинах, а холодные - на пассивном термостате.
Тепловой поток преобразуется термобатареей в полезный электрический сигнал. Здесь же расположена обмотка электрического нагревателя 7 (обмотка замещения). Термоэлектрическая батарея и обмотка замещения расположены так, что обеспечивается практически полная эквивалентность воздействия электрической и оптической мощностей, т.е. коэффициент эквивалентности замещения близок к единице.
Далее полезный электрический сигнал идет на вход измерительного прибора 6.
Часть оптического излучения отражается от поверхности теплового приемника и попадает на второй приемник, где происходят процессы, аналогичные описанным выше. Пучок лазерного излучения испытывает ряд последовательных переотражений от поверхностей тепловых приемников, последовательное отражение от которых позволяет практически полностью поглотить падающее излучение и довести долю неизмеримой части отраженного излучения до пренебрежимо малой величины. Ослабленное лазерное излучение после прохождения шестого приемника попадает на выход 9 из корпуса теплового трап-детектора
Полезные электрические сигналы с каждого приемника суммируются и поступают на обработку на вход высокоточного вольтметра.
Технические данные при реализации устройства:
спектральный диапазон, мкм: 0,3-12;
-3
динамический диапазон, мВт: 10-10;
основная погрешность устройства, %: 0,5.
Технические данные могут быть изменены при использовании тепловых приемников с различной чувствительностью и поглощательной способностью как в сторону увеличения диапазонов, так и в обратную сторону.
Таким образом, описанное устройство за счет использования в своем составе тепловых приемников позволяет расширить спектральный и динамический диапазоны измерений средней мощности лазерного излучения.
Устройство найдет широкое применение в лазерной радиометрии для измерений мощности лазерного излучения в широких динамическом и спектральном диапазонах. Устройство позволит провести передачу размера единицы средней мощности лазерного излучения от криогенного радиометра непосредственного на его уровне мощности к средствам измерений средней мощности лазерного излучения, работающих в более высоком динамическом диапазоне.
Литература
1. Тришенков М.А., Фример А.И. Фотоэлектрические полупроводниковые приборы с p-n-переходами, в сборнике: Полупроводниковые приборы и их применение, М., 1971.
2. Рябов С.Г., Торопкин Г.Н., Усольцев И.Ф. Приборы квантовой электроники, М., 1976.
3. Kübarsepp Т., Kärhä P., Ikonen E. "Characterization of a polarization-independent transmission trap detector," Applied optics. 1997, v.36, №13, p.2807.