Приемник импульсного лазерного излучения

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений энергии оптических импульсов. Приемник импульсного лазерного излучения содержит установленные в корпусе последовательно с воздушным зазором прозрачную для принимаемого излучения плоскопараллельную пластину и фотоэлектрический преобразователь, выполненный в виде однослойной проводящей пленочной катушки на диэлектрическом сердечнике с прямоугольным сечением. Катушка установлена обращенной к плоскопараллельной пластине плоской поверхностью под углом в пределах от 45 до 60°. Участки витков на обращенной к плоскопараллельной пластине плоской поверхности могут быть выполнены из материала, являющегося по проводимости полуметаллом. Техническим результатом является увеличение амплитуды электрического сигнала приемника импульсного лазерного излучения за счет суммирования сигналов от каждого витка катушки фотоэлектрического преобразователя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

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].

Так, при взаимодействии электрона в скин-слое с фотоном - обратном рассеянии фотона импульс электрона отдачи составит р_е=2ħω/с и электрон приобретает дополнительную скорость в направлении вдоль поверхности пленки

где m_e - масса электрона, α - угол падения пучка лазера на поверхность пленки.

Движущиеся электроны создают поверхностный ток, плотность которого

где е - заряд электрона, n_e - количество взаимодействующих с фотонами электронов в единице объема скин-слоя пленки.

Объем V_d 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_b 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

Учитывая коэффициент электрон-фотонного взаимодействия материала пленки к_e=(n_е/n_f)/cτ подвижность электронов µ=τe/m_e, где τ - время между их столкновениями, выражение (2) для плотности продольного тока в скин-слое пленки можно привести к виду

Возникновение переменного ЭДС U_x(t) на участке Δx облучаемой импульсом лазером части поверхности пленки обусловлено продольным током j_x(f) в скин-слое пленки и проводимостью σ этого участка U_x(t)=j_x(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°.

1. Приемник импульсного лазерного излучения, содержащий установленные в корпусе последовательно с воздушным зазором прозрачную для принимаемого излучения плоскопараллельную пластину и фотоэлектрический преобразователь, отличающийся тем, что фотоэлектрический преобразователь выполнен в виде однослойной проводящей пленочной катушки на диэлектрическом сердечнике с прямоугольным сечением, при этом катушка установлена обращенной к плоскопараллельной пластине плоской поверхностью под углом в пределах от 45 до 60°.

2. Приемник импульсного лазерного излучения по п.1, отличающийся тем, что участки витков катушки на обращенной к плоскопараллельной пластине плоской поверхности выполнены из материала, являющегося по проводимости полуметаллом.