Экспериментальная установка для исследования воздействия непрерывного и импульсного лазерного излучения на режимы функционирования фотоприемников ик диапазона

Изобретение относится к области инфракрасной техники. Установка содержит юстировочный канал, силовой канал, канал детектирования цели и измерительный канал. Юстировочный канал установки предназначен для точного позиционирования чувствительного элемента (ЧЭ) исследуемого фотоприемника (ФП) в силовом канале и в канале детектирования цели. Для юстировки оптической части схемы экспериментальной установки оптическая ось силового лазера совмещается с оптической осью юстировочного газового лазера. Юстировка каналов производится путем совмещения пучка излучения газового лазера с центром пятна силового лазера на предохранительном асбестовом экране - в силовом канале. В канале детектирования цели центр отраженного пучка излучения газового лазера совмещается с центром ЧЭ исследуемого ФП, помещенного в центр пучка силового канала, при выключенном силовом лазере. В состав силового канала входит непрерывный CO₂ лазер, плоскопараллельные пластины из KCl и BaF₂, двухкаскадный электромеханический затвор, набор ослабляющих сеток, фокусирующая линза из ZnSe. Для имитации ИК излучения цели в установке реализован канал детектирования цели, состоящий из глухого зеркала для отражения отведенной части энергии излучения силового лазера в направлении детектирования ИК приемника и электромеханического модулятора. Измерительный канал установки состоит из газового лазера, глухого зеркала, лавинного фотодиода, двулучевого осциллографа, измерителя мощности и энергии лазерного излучения, микровольтметра селективного. Для постоянного контроля функционирования ФП и длительности импульса воздействия канал содержит видеокамеру, подключенную к плате видеозахвата персонального компьютера (ПК). Изображение, записанное с экрана осциллографа видеокамерой на жесткий диск ПК, используется для дальнейшей обработки с целью определения воздействия лазерного излучения на режимы функционирования исследуемого ФП. Для управления длительностью срабатывания двухкаскадного электромеханического затвора к ПК подключена плата цифрового интерфейса с блоком управления и индикации. Время срабатывания двухкаскадного электромеханического затвора не хуже 10^-2 секунды и определяется инерционностью катушек индуктивности и механического привода элементов затвора. Изобретение позволяет реализовать воздействие на ФП лазерным излучением как в непрерывном режиме работы лазера, так и в импульсном (импульсно-периодическом) режиме на одной и той же экспериментальной установке с постоянным контролем реакции ФП на воздействие посредством записи видеоряда на жесткий диск ПК. 1 ил.

 

Предлагаемая экспериментальная установка относится к области инфракрасной техники и может быть использована при проведении экспериментальных исследований влияния лазерного излучения на функционирование фотоприемников (ФП), при исследовании стойкости оптико-электронных систем (ОЭС) к воздействию лазерного излучения.

Известен ряд экспериментальных установок [1, 2], предназначенных для исследования влияния лазерного излучения на функционирование ФП ИК диапазона и на материалы. С использованием данных установок имеется возможность оценивания стойкости ОЭС к воздействию лазерного излучения.

Так, в установке [1] использование видеокамеры позволяет контролировать состояние поверхности материала мишени, обрабатываемой непрерывным лазером в условиях невесомости, но не позволяет регистрировать и измерять параметры материала мишени.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой установке является экспериментальная установка [2], в которой используются видеокамера для регистрации формы сигнала ФП и записи на жесткий диск персонального компьютера (ПК) и электромеханический затвор для преобразования непрерывного лазерного излучения в импульсное. Затвор в установке реализован с помощью механического затвора и модулятора. Импульс формируется при открытии механического затвора во время совпадения отверстия во вращающемся с определенной частотой диске модулятора с открытым отверстием механического затвора и, таким образом, открытии силового канала для воздействия на исследуемый фотоприемник.

Недостатками данного технического решения являются:

1) невозможность быстрого изменения задаваемой длительности импульса без предварительного подбора частоты вращения диска модулятора;

2) пологие фронты импульса, обусловленные постепенным открытием и закрытием силового канала вращающимся диском модулятора и придающие импульсу колоколообразную форму, не позволяющие точно определить энергетические параметры воздействия;

3) сложность задания длительности импульса и точного повторения длительности открытия силового канала, обусловленная нестабильностью работы схемы и отсутствием синхронизации работы механического затвора и модулятора;

4) трудность реализации импульсно-периодического воздействия, обусловленная необходимостью многократного открытия механическою затвора синхронно с совмещением отверстия диска модулятора с оптической осью силового канала;

5) отсутствие в экспериментальной установке синхронизации запуска видеокамеры для регистрации и записи на жесткий диск ПК детектируемого ФП сигнала от цели во время воздействия лазерного излучения.

По этим причинам на данной установке невозможно обеспечить повторяемость экспериментов с последующими образцами ФП с разными характеристиками и исследования могут быть проведены только в импульсном режиме воздействия лазерного излучения.

Целью настоящего изобретения является создание экспериментальной установки, в которой воздействие на исследуемый ФП может проводиться как в непрерывном, так и в импульсном режиме работы лазера с возможностью точного повторения временных параметров импульса для проведения серии экспериментов и документирования результатов эксперимента с помощью средств электронно-вычислительной техники.

Для достижения поставленной в настоящем изобретении цели предложено использовать видеокамеру, позволяющую постоянно контролировать функционирование ФП при воздействии на него лазерным излучением, подключенную к плате видеозахвата ПК. Захваченный с экрана осциллографа видеоряд процесса детектирования цели ФП записывается на жесткий диск ПК. Это позволяет проводить дальнейшую обработку результатов эксперимента для определения стойкости ФП к воздействию. Для точного задания длительности импульса в установке реализован двухкаскадный электромеханический затвор. Управление элементами затвора осуществляется блоком управления и индикации по сигналу ПК через плату цифрового интерфейса.

Сравнительный анализ с прототипом показал, что настоящее изобретение отличается наличием:

1) устройства, управляемого с ПК, для изменения длительности импульса воздействующего лазерного излучения от 10^-2 с до непрерывного воздействия;

2) видеокамеры для регистрации и записи на жесткий диск ПК видеоряда детектированного фотоприемником сигнала при воздействии на него лазерного излучения, запускаемой непосредственно перед началом воздействия излучения по сигналу с ПК;

3) возможности производить программное изменение длительности воздействующего импульса и программную обработку сигнала, поступающего с ФП, при воздействии на него лазерного излучения.

Наличие данных признаков определяет соответствие заявляемого технического решения критерию «новизна».

В результате патентного поиска до даты подачи заявки не выявлено технических решений, которым присущи признаки, идентичные всей совокупности существенных признаков, содержащихся в предлагаемой заявке, что говорит об изобретательском уровне предлагаемого технического решения.

На чертеже представлена схема предлагаемой экспериментальной установки. Экспериментальная установка содержит юстировочный канал, силовой канал, канал детектирования цели и измерительный канал.

Юстировочный канал установки необходим для точного позиционирования чувствительного элемента (ЧЭ) исследуемого ФП в силовом канале и в канале детектирования цели. Для юстировки оптической части схемы экспериментальной установки оптическая ось силового лазера ЛГН-701 совмещалась с оптической осью юстировочного газового He-Ne лазера ЛГ-66 (4). Юстировка каналов производилась путем совмещения пучка излучения ЛГ-66 с центром пятна ЛГН-701 на предохранительном асбестовом экране (3) - в силовом канале. В канале детектирования цели центр отраженного элементами (8, 14) пучка излучения ЛГ-66 совмещался с центром ЧЭ исследуемого ФП (2), помещенного в центр пучка силового канала по излучению ЛГ-66 при выключенном силовом лазере ЛГН-701.

В состав силового канала входят непрерывный CO₂ лазер ЛГН-701 (1) с паспортной мощностью 100 Вт, плоскопараллельная пластина (8) из KCl для отвода части энергии излучения ЛГН-701 в имитационный канал детектирования цели, электромеханический затвор (9, 10) для формирования импульса лазерного воздействия, набор ослабляющих сеток (11) для снижения величины потока лазерного излучения, ZnSe фокусирующая линза (12), плоскопараллельная пластина из BaF₂ (13) для отвода части энергии излучения ЛГН-701 на измеритель мощности и энергии лазерного излучения ИМО-2Н (17).

Для имитации ИК излучения детектируемого объекта в установке реализован канал детектирования. Канал состоит из глухого зеркала (14) для отражения отведенной элементом (8) части энергии излучения ЛГН-701 (1) в направлении детектирования ИК приемника, электромеханического модулятора (15) для модуляции непрерывного излучения цели на одной из промышленных частот работы ФП.

Измерительный канал установки состоит из газового лазера ЛГ-65-1 (5), глухого зеркала (6), лавинного фотодиода (7), подключенного по первому входу двулучевого осциллографа С8-13 (19) для измерения длительности формируемого импульса лазерного излучения. Канал содержит измеритель мощности и энергии лазерного излучения ИМО-2Н (17) для измерения энергии импульса лазерного излучения, микровольтметр селективный В6-9 (18) для выделения и усиления модулированного детектированного сигнала с ИК фотоприемника (2), подключенный по второму входу осциллографа С8-13 (19). Для постоянного контроля функционирования ФП и длительности импульса воздействия канал содержит видеокамеру (20), подключенную к плате видеозахвата ПК (21). Изображение, записанное видеокамерой с экрана осциллографа в ПК, используется для дальнейшей обработки с целью определения параметров реакции исследуемого ФП на воздействие лазерного излучения. Для управления длительностью срабатывания двухкаскадного электромеханического затвора (9, 10) к ПК (21) подключена плата цифрового интерфейса (16) с блоком управления и индикации. Блок управления выполнен по ключевой схеме на биполярных транзисторах КТ 315 Б и полевых транзисторах IRLZ 24, а блок индикации - на транзисторах КТ 315 Б. Время срабатывания электромеханического затвора (9, 10) не хуже 10^-2 секунды и определяется инерционностью катушек индуктивности и механического привода элементов затвора.

Установка функционирует следующим образом. Производится юстировка оптических каналов установки. Детектирование сигнала от цели ФП (2) и запись сигнала на жесткий диск ПК (21) с помощью видеокамеры (20) начинается непосредственно перед воздействием излучения по управляющему сигналу с ПК. Момент начала воздействия определяется последовательным открытием силового канала элементами (9, 10) двухкаскадного электромеханического затвора. Длительность воздействия определяется длительностью прохождения излучения лазера (5) через открытые элементы (9, 10) и регистрируется элементом (7) с выводом на экран осциллографа (19). Предусмотрен внешний запуск осциллографа (19) по сигналу с блока управления (16) на его синхронизирующий вход. Измерение энергетических параметров воздействующего импульса производится по отведенной элементом (13) части пучка излучения на измеритель мощности и энергии лазерного излучения ИМО-2Н (17). Изменение плотности энергии лазерного излучения, в случае необходимости, производится элементами (11, 12). Окончание записи изображения сигнала с ФП на ПК определяется оператором установки с ПК. Документированная на ПК информация о гашении чувствительности ФП при воздействии лазерного излучения дает возможность определения стойкости ФП к воздействию лазерного излучения.

Непрерывный режим воздействия задается постоянным открытием элементов двухкаскадного электромеханического затвора. Импульсно-периодический режим воздействия задается программно с ПК и определяется периодическим открытием элементов затвора. При этом не требуется изменения схемы установки, во всех случаях используется один и тот же непрерывный силовой лазер.

Литература

1. А.Ф.Коваленко, И.В.Левун, В.М.Атаманюк, А.В.Федичев. Установка для моделирования влияния невесомости на форму поверхности жидкой фазы при лазерной обработке материалов // Приборы и техника эксперимента, 2000 г., №5, с.163.

2. Взаимодействие лазерного излучения с материалами оптико-электронной техники. / Под ред. проф. Захарова Н.С. - ЦФТИ МО РФ, г.Сергиев Посад - 2004 г. - 176 с., с.130.

Экспериментальная установка для исследования воздействия непрерывного и импульсного лазерного излучения на режимы функционирования фотоприемников ИК диапазона, содержащая силовой канал, включающий непрерывный силовой лазер, на оптической оси которого установлен исследуемый фотоприемник, плоскопараллельную пластину для отвода части излучения силового лазера на измеритель мощности и энергии лазерного излучения и предохранительный асбестовый экран, юстировочный канал, включающий юстировочный лазер, с оптической осью которого совмещается оптическая ось силового лазера, и центр пучка его отраженного излучения в канале детектирования цели совмещается с центром чувствительного элемента исследуемого фотоприемника, канал детектирования цели, включающий глухое зеркало для отражения части излучения силового лазера в направлении детектирования фотоприемника и электромеханический модулятор, измерительный канал, включающий лазер, глухое зеркало и лавинный фотодиод, подключенный к первому входу двухлучевого осциллографа, ко второму входу которого подключен микровольтметр, предназначенный для выделения и усиления модулированного сигнала исследуемого фотоприемника, отличающаяся тем, что электромеханический затвор силового канала выполнен двухкаскадным, управление длительностью срабатывания которого осуществляется с персонального компьютера посредством платы цифрового интерфейса с блоком управления и индикации, а измерительный канал снабжен видеокамерой, которая синхронизируется с работой затвора по управляющему сигналу того же персонального компьютера.