Приемник лазерного излучения

 

Приемник лазерного излучения предназначен для измерения энергии импульсного оптического излучения, в том числе и лазерного. Сущность: приемник лазерного излучения содержит установленные последовательно в механическом контакте прозрачную для принимаемого излучения пластину-поглотитель, промежуточный элемент с фланцем и акустический датчик, на обеих поверхностях которого выполнены электроды, причем промежуточный элемент выполнен в виде усеченного конуса, основание которого превосходит поперечные размеры пластины, а верхнее сечение выполнено равным сечению акустического датчика, при этом толщина промежуточного элемента выбрана из соотношения (D-d)/h₂<0,4, где D поперечный размер основания усеченного конуса промежуточного элемента; d поперечный размер сечения акустического датчика; h₂ толщина промежуточного элемента. 1 ил.

Изобретение относится к технике оптических измерений, в частности к средствам измерения энергии импульсов оптического излучения, в том числе лазерного.

Известен приемник лазерного излучения, используемый для измерения энергии импульсов лазерного излучения. Этот приемник выполнен в виде расположенных последовательно плоскопараллельного оптического элемента (пластины), поглощающего экрана, промежуточного элемента с фланцем, акустического датчика и регистратора, подключенного к электродам датчика.

Недостатком этого приемника является недостаточно большая площадь входной апертуры приемника, максимальный размер которой не может превышать размер акустического датчика (его размеры не превышают обычно 40-50 мм, при больших размерах происходит увеличение разброса значений коэффициента преобразования по площади датчика), а в некоторых случаях, например при использовании приемника в технологических системах, требуется увеличение диаметра входной апертуры до 100 мм и более.

Цель изобретения расширение поля зрения.

На чертеже показан приемник в разрезе.

Приемник содержит плоскопараллельную пластину (оптический элемент) 1, поглощающий экран 2, промежуточный элемент 3 с фланцем 4, акустический датчик 5 с металлизированными обкладками 6 и 7 и регистратор (на чертеже не показан), подключенный к металлизированным обкладкам 6 и 7 датчика 5. В приемнике механический контакт плоскопараллельной пластины 1 с поверхностью поглощающего экрана 2 может быть выполнен с использованием слоя 8 жидкости, прозрачной для исследуемого излучения.

Плоскопараллельная пластина 1 выполнена из материала, прозрачного (частично) для исследуемого излучения Е (для λ= 10 ˙ 6 мкм -ZnSe, BaF₂, для λ= 0,63 мкм стекло), и имеет полированные грани. Размер ее (диаметр) больше или равен апертуре приемника и размеру (диаметру) промежуточного элемента 3, обращенного к излучению Е.

Промежуточный элемент 3 имеет форму усеченного конуса, основание которого совпадает с плоскостью поглощающего экрана 2 и равно по размеру (диаметру) D, а верхнее основание совпадает по размеру (диаметру) d с размером акустического датчика 5.

Крепление пластины 1 может быть произведено с помощью клея к поглощающему экрану 2 или промежуточному элементу 3.

Поглощающий экран 2 выполнен из вещества, хорошо поглощающего исследуемое излучение, например графита, и укреплен в углублении промежуточного элемента. Плоскость фланца 4 элемента 3 совпадает с плоскостями поглощающего экрана 2 и плоскопараллельной пластины 1. Фланец 4 может иметь отверстия для закрепления приемника.

Толщины плоскопараллельной пластины 1 h₁, промежуточного элемента 3 h₂, акустического датчика 5 (высота цилиндра) h₃ выбирают из соотношений h₁ c₁/4f, h₂ c₂/4f, h₃ c₃/2f, где с₁, с₂, с₃ скорости звука в материалах оптического элемента 1, промежуточного элемента 3, цилиндра датчика 5 соответственно; f резонансная частота акустического датчика.

Акустический датчик 5 может быть заключен в экран и снабжен выводными контактами. В качестве регистратора может быть использован селективный усилитель типа У2-8 и осциллограф типа С1-48. Выход датчика 5 подключен к входу регистратора.

В приемнике механический контакт оптического элемента 1 с поверхностью поглощающего экрана 2 может быть выполнен с использованием слоя 8 жидкости, прозрачной для исследуемого излучения, вводимой в зазор между оптическим элементом 1 и поглощающим слоем экрана 2.

Экран 2 с поглощающим слоем может быть выполнен в виде смеси с эпоксидной смолой, заформованной в углубление промежуточного элемента 3.

Оптический элемент имеет акустическую толщину на рабочей частоте f -λ/4 ˙ (2n-1), промежуточный элемент λ/4 ˙ (2n-1), акустический датчик (пьезоэлемент) λ/2 ˙ (2n-1), где n 1, 2, 3. Наличие коэффициента (2n-1) не вносит изменений принципиального характера, но позволяет сделать конструкцию более удобной.

Приемник работает следующим образом.

Исследуемое излучение Е падает на плоскопараллельную пластину 1 и через нее на поглощающий экран 2. Это излучение (импульс) поглощается поверхностным слоем экрана 2 и возбуждает продольную акустическую волну, которая проходит по промежуточному элементу 3 с уменьшающимся по ходу сечением и попадает на акустический датчик 5.

Из теории следует, что передаточная функция приемника для случая жесткой границы поглощающего слоя на низких частотах больше, чем в случае свободной границы. Поэтому использование прозрачной пластины 1 перед поглощающим слоем экрана 2 позволяет создать жесткую границу, что позволяет повысить чувствительность.

Введение промежуточного элемента 3 и выбор толщин h₁, h₂, h₃ позволяют установить положение узла скорости (V 0) на границе прозрачной и поглощающей сред и производить закрепление приемника на фланце, плоскость которого располагается в узле скорости (V 0).

Толщина поглощающего слоя может быть выбрана достаточно малой (≈0,5-1 мм) по сравнению с длиной волны звука и не учитываться в расчетах. Значения h₁, h₂, h₃ выбраны из условия минимального значения скорости (V 0) в зоне фланца и максимальных значений скорости ( ± V_max) на обкладках акустического датчика с учетом периодичности функции (коэффициент (2n-1), n 1, 2, 3).

Соотношение между D, d и h₂ определяется из условия (D d)/h₂ < 0,4.

В конструкции приемника обеспечены условия повышения чувствительности за счет концентрации звуковой волны и расширения функциональных возможностей приемника путем увеличения его входной апертуры.

Изготовлен и испытан приемник излучения, выполненный в соответствии с описанием на лазере ЛТИПЧ-5 с λ= 1,06 мкм, Е 5 мДж, τ_л 25 нс. В конструкции приемника d 40 мм, D 120 мм, h₁ 13 мм, h₂ 200 мм, h₃ 18 мм. Материал датчика ЦТС-19.

Испытания показали, что приемник имеет более широкие функциональные возможности: диаметр входной апертуры D 120 мм при диаметре акустического датчика d 40 мм, остальные его параметры соответствуют параметрам прототипа.

Предлагаемый приемник может быть использован в измерительных системах, например, лидарного типа.

Формула изобретения

ПРИЕМНИК ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий установленные последовательно в механическом контакте прозрачную для принимаемого излучения пластину, поглотитель, промежуточный элемент с фланцем и акустический датчик, с обеих поверхностей которого выполнены электроды, отличающийся тем, что, с целью расширения поля зрения, промежуточный элемент выполнен в виде усеченного конуса, основание которго превосходит поперечные размеры пластины, а верхнее сечение выполнено равным сечению акустического датчика, при этом толщина промежуточного элемента выбрана из соотношения ( D -d ) / h₂ < 0,4, где D поперечный размер основания усеченного конуса промежуточного элемента; d поперечный размер сечения акустического датчика; h₂ толщина промежуточного элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1