Приемник лазерного излучения
Владельцы патента RU 2382993:
Институт прикладной механики Уральского отделения Российской Академии Наук (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений энергии оптических импульсов. Приемник содержит установленные в корпусе последовательно с воздушным зазором прозрачное для принимаемого излучения входное окно и фотоэлектрический преобразователь, выполненный в виде пленки из материала с металлической или полуметаллической проводимостью на внутренней или внешней конической поверхности диэлектрического основания с углом при вершине конуса в пределах от 60 до 90°. При этом пленка снабжена двумя металлическими электродами, один из которых находится в вершине конуса, а второй в виде кольца - в основании конуса и к которым присоединены проводники. Изобретение позволяет увеличить эффективность преобразования энергии оптического импульса приемником в электрический сигнал. 2 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений энергии оптических импульсов.
Известен приемник лазерного 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], содержащий установленные последовательно в механическом контакте прозрачную для принимаемого излучения плоскопараллельную пластину, поглотитель излучения и акустический датчик, с обеих поверхностей которого выполнены электроды. В этом приемнике прозрачная пластина является входным окном, а поглотитель излучения и акустический датчик выполняют роль фотоэлектрического преобразователя.
Недостатком данного приемника является то, что в нем преобразование энергии лазерного излучения в выходной сигнал происходит сложным путем, в результате которого потери энергии неизбежны.
Наиболее близким по конструкции является описанный приемник лазерного излучения, содержащий в качестве фотоэлектрического преобразователя пироэлектрический преобразователь конусообразной формы [Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. - Л.: Машиностроение, 1986. 175 с.].
Однако его недостатком является большая инерционность (~100 нс), что не позволяет регистрировать короткие импульсы лазерного излучения и отслеживать форму и длительность импульса.
Задачей изобретения является создание быстродействующего приемника лазерного излучения с эффективным преобразованием энергии оптического импульса в электрический сигнал.
Поставленная задача решается тем, что в приемнике лазерного излучения в качестве фотоэлектрического преобразователя используется пленка из материала с металлической проводимостью, выполненная на внутренней или внешней конической поверхности диэлектрического основания с углом при вершине конуса в пределах от 60 до 90°, при этом пленка снабжена двумя металлическими электродами, один из которых находится в вершине конуса, а второй в виде кольца - в основании конуса и к которым присоединены проводники.
Техническим результатом является увеличение эффективности приемника за счет прямого преобразования энергии оптического импульса в электрическую энергию.
На фигуре 1 изображен приемник лазерного излучения в разрезе (на фигуре 2 - вариант исполнения), где цифрами обозначены: 1 - корпус, 2 - входное окно, 3 - пленка, 4 - диэлектрическое основание с конической поверхностью, 5 - электроды, 6 - проводники.
Размеры фотоэлектрического преобразователя приемника определяются диаметром D пучка измеряемых импульсов лазера - диаметр основания конуса не должен превышать диаметр пучка, а его высота составляет от 0,5D до 0,9D в зависимости от материала пленки. Толщина материала проводящей пленки 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, отличающегося тем, что фотоэлектрический преобразователь выполнен в виде пленки из материала, являющегося по проводимости полуметаллом, например из графита или висмута, в котором длина свободного пробега электронов больше чем в металлах.
Приемник представляет собой преобразователь энергии импульса лазерного излучения в электрический сигнал и работает следующим образом. Пучок импульса лазерного излучения подают на приемник, при этом импульс лазера через установленное в корпусе 1 прозрачное для принимаемого излучения входное окно 2 направляется к фотоэлектрическому преобразователю, выполненному в виде пленки 3 из материала с металлической проводимостью на конической поверхности диэлектрического основания 4 с углом при вершине конуса в пределах от 60 до 90°. Воздействие импульса лазера на поверхность пленки вызывает быстрый разогрев электронного газа в скин-слое проводящей пленки, вследствие которого электроны получают дополнительный импульс направленного движения и создают импульсный электрический ток в пленке. При этом на электродах 5 возникает ЭДС, обусловленная электрическим сопротивлением поверхности пленки. Возбуждаемый при этом электрический сигнал на электродах посредством проводников 6 может подаваться на регистрирующее устройство, например осциллограф. Величина электрического сигнала приемника оказывается пропорциональной интенсивности излучения, что позволяет оценить энергию принимаемого 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 пленки с фотоном - обратном рассеянии фотона импульс электрона отдачи составит ре=2ħω/с и электрон приобретает дополнительную скорость в направлении вдоль поверхности пленки
где mе- масса электрона, α - угол падения пучка лазера на поверхность пленки.
Движущиеся электроны создают поверхностный ток, плотность которого
где е - заряд электрона, nе - количество взаимодействующих с фотонами электронов в единице объема скин-слоя пленки.
Объем Vd скин-слоя, в котором происходит взаимодействие фотонов с электронами, равен произведению глубины d скин-слоя и площади облучаемой пучком лазера поверхности пленки, определяемой сечением Sb пучка и углом его падения α:
Импульс лазера обычно имеет огибающую и поэтому интенсивность I фотонов пучка такого импульса зависит от времени I=I(t). При наносекундных длительностях импульса лазера количество фотонов в единице объема скин-слоя образца можно выразить как
Учитывая коэффициент электрон-фотонного взаимодействия материала пленки кe={nе/nf)/сτ и подвижность электронов µ=τe/me, где τ - время между их столкновениями, выражение (2) для плотности продольного тока в скин-слое пленки можно привести к виду
Возникновение переменного ЭДС Uх(t) на участке Δх облучаемой импульсом лазера части поверхности пленки обусловлено продольным током jx(t) в скин-слое пленки и проводимостью σ этого участка Ux(t)=jx(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 материала пленки и максимальное значение величины фотоэлектрического сигнала следует ожидать при углах падения пучка лазера 45-60°.
Одним из способов воздействия пучка лазера на поверхность пленки под требуемым углом является выполнение пленки конусообразной формы.
Приемник лазерного излучения, содержащий установленные в корпусе последовательно с воздушным зазором прозрачное для принимаемого излучения входное окно и фотоэлектрический преобразователь, отличающийся тем, что фотоэлектрический преобразователь выполнен в виде пленки из материала с металлической или полуметаллической проводимостью на внутренней или внешней конической поверхности диэлектрического основания с углом при вершине конуса в пределах от 60 до 90°, при этом пленка снабжена двумя металлическими электродами, один из которых находится в вершине конуса, а второй в виде кольца - в основании конуса, и к которым присоединены проводники.
