ИЗМЕРИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ИМПУЛЬСОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01J5/58 

Изобретение относится к технике измерения интенсивности электромагнитного излучения, в частности к технике измерения на основе поглощения электромагнитной энергии и объемного расширения твердых тел. Устройство может быть использовано для измерения энергетических характеристик как лазерного излучения, так и электромагнитного излучения других диапазонов от СВЧ до ультрафиолетового излучения.

Изобретение направлено на разработку измерителя энергии, позволяющего осуществлять измерения в широком диапазоне длительностей импульсов вплоть до пико- и фемтосекундных значений с высокой частотой повторения и в широких спектральном и динамическом диапазонах при обеспечении высокой помехозащищенности устройства.

В настоящее время измерение энергии электромагнитного излучения осуществляют путем преобразования электромагнитного излучения в электрический сигнал с помощью преобразователя того или иного типа, последующего усиления электрического сигнала и его регистрации. В качестве преобразователя в известных измерителях, как правило, используется один из трех типов преобразователей: тепловой, фотоэлектрический или пироэлектрический. Измерители энергии с тепловыми преобразователями обладают довольно низкой чувствительностью и вследствие значительного времени релаксации теплового отклика на воздействующий световой импульс имеют большую инерционность преобразования, что не позволяет с их помощью измерять энергию импульсов с длительностью короче ≈ 0,1 мс, а также импульсов, следующих с достаточно высокой частотой повторения. Так, известный измеритель энергии ИМО-2Н, выпускаемый отечественной промышленностью и использующий тепловой преобразователь, позволяет измерять энергию лазерных импульсов лишь с длительностью τ >10^-4 в режиме разовых импульсов. Длина волны измеряемого данным устройством излучения не может быть короче 0,4 мкм, предельная чувствительность ≈ 3 ^. 10^-3 Дж (Техническое описание прибора. Измеритель средней мощности и энергии лазерного излучения ИМО-2Н, Волгоградский опытный завод Эталон, Волгоград, 1986).

Измерять энергию импульсов с более широким диапазоном длительностей в частотном режиме позволяет другой известный измеритель энергии ИЛД-2М, также выпускаемый отечественной промышленностью, но использующий фотоэлектрический преобразователь электромагнитного излучения в электрический сигнал. Измеритель ИЛД-2М содержит преобразователь, включающий чувствительный элемент с электродами, и усилитель, вход которого подключен к указанным электродам, а выход соединен с блоком регистрации (Техническое описание. Измеритель для лазерной дозиметрии ИЛД-2М. Волгоградский опытный завод Эталон, Волгоград, 1985). Измеритель ИЛД-2М с фотоэлектрическим чувствительным элементом обладает достаточно высокой чувствительностью, однако им невозможно измерять энергию световых импульсов с длительностями короче 10^-8 с и частотой следования импульсов более 25-500 Гц (максимальная частота следования зависит от длительности импульса). В силу использования фотоэлектрического преобразователя спектральная чувствительность этого прибора имеет большую (≈ 25% ) неравномерность. Кроме того, данный измеритель обладает слабой защищенностью от электромагнитных помех, что обусловлено особенностями используемой в нем электрической схемы, включающей широкополосные интегратор и усилитель. В результате влияния обеих этих причин погрешность измерений прибора очень велика и составляет 35-40%, что делает прибор неудобным в эксплуатации.

Для измерения энергии коротких импульсов (10^-4 с и короче) в настоящее время наибольшее распространение получили измерители с пироэлектрическими преобразователями, обеспечивающие измерения с достаточно малой (≈ 10%) погрешностью (авт. св. СССР N 619806, кл. G 01 J 5/50, опублик, 1978; Техническое описание "Joulemeters ЕД-500. ЕД-200" Gentec Inc, 1988, Канада; Джоульметр пироэлектрический ПДЦ-2. Техническое описание ПДЦ 00.00.00 ТО, СКТБ ФП с ОП ИФАН УССР, утвержд. АН УССР, 1988). В качестве прототипа по конструктивным признакам и достигаемому положительному эффекту выбран измеритель энергии - джоульметр пироэлектрический ПДЦ-2 (Джоульметр пироэлектрический ПДЦ-2. Техническое описание ПДЦ.00.00.00ТО, СКТБ ФП с ОП ИФАН УССР, утвержд. АН УССР, 1988 г.). Он содержит чувствительный пироэлектрический элемент с электродами, подключенными к усилителю. Нагрузкой усилителя является блок обработки сигнала. Измеритель ПДЦ-2 обеспечивает достаточно высокую чувствительность ≈ 10^-6 Дж при измерении энергии световых импульсов в спектральном диапазоне 0,25-12 мкм. Однако длительность и частота следования импульсов, которые можно измерить данным прибором, существенно ограничены. Так, длительность измеряемых импульсов не может быть короче 10^-8 с, а предельная частота повторения не может превышать 50 Гц. Это объясняется тем, что пироэлектрический кристалл обладает достаточно большой инерционностью преобразования энергии электромагнитного излучения в электрический сигнал, поскольку генерация электрического поля в кристалле происходит при наличии в нем градиента температуры. К тому же данный измеритель не обеспечивает измерения энергии импульсов в коротковолновом УФ-диапазоне и дальнем ИК-диапазоне.

Целью изобретения является расширение диапазона длительностей измеряемых импульсов, обеспечение возможности измерения энергии импульсов, следующих с более высокой частотой повторения, и увеличение спектрального диапазона.

Цель достигается тем, что в измерителе энергии импульсов электромагнитного излучения, содержащем усилитель и чувствительный элемент с электродами, которые подключены к усилителю, в качестве чувствительного элемента использован акустический резонатор, выполненный из пьезоэлектрического кристалла в виде параллелепипеда, при этом кристалл через прокладки из материала, скорость звука в котором много меньше скорости звука в пьезоэлектрическом кристалле, установлен между указанными электродами, а усилитель выполнен узкополосным.

В основу изобретения положено предложение использовать в качестве преобразователя энергии электромагнитного излучения в электрический сигнал высокодобротный пьезоэлектрический акустический резонатор. Высокая добротность резонатора обеспечивается выполнением пьезоэлектрического кристалла в форме параллелепипеда и установкой его между электродами через прокладки из материала, скорость звука в котором много меньше скорости звука в пьезоэлектрическом кристалле. При поглощении энергии электромагнитного излучения в таком пьезоэлектрическом акустическом резонаторе возбуждаются акустические колебания, ширина частотного спектра которых вследствие высокой добротности резонатора мала. Это обеспечивает возможность использования селективного узкополосного усилителя с большим коэффициентом усиления и малым уровнем собственных шумов. Последнее позволяет регистрировать колебания с малой амплитудой и соответственно измерять малые уровни энергии ( ≈ 10^-6 Дж) импульсов электромагнитного излучения, в том числе лазерных импульсов.

Неизвестны измерители энергии, использующие в качестве преобразователя пьезоэлектрический акустический резонатор. Использование преобразователя такого типа позволяет измерять энергию очень коротких импульсов (до 10^-13 с). Это объясняется тем, что в акустическом резонаторе минимальная длительность τ_min измеряемых импульсов определяется обратной величиной частоты f_а акустических фононов (т.е. обратной величиной частоты собственных колебаний кристаллической решетки). Поскольку в пьезоэлектрическом кристалле f_а ≈ 10¹³ c^-1, то τ_min = f_a^-1 ≈ 10^-13с. Характерное время затухания акустических колебаний в пьезоэлектрическом акустическом резонаторе составляет τ_o ≈ 0,5 ^. 10^-3 с, т.е. такую же длительность имеет импульс на выходе измерителя энергии. Из сказанного следует, что для наблюдения и измерения каждого отдельного импульса необходимо, чтобы максимальная частота следования импульсов F_max не превышала τ_o^-1 , т.е. максимальная частота следования импульсов для данного измерителя F_max 10³Гц, в то время как для прототипа эта величина ограничена 50 Гц, что связано с особенностями пироэлектрического чувствительного элемента, имеющего большую инерционность. Поскольку большинство пьезоэлектрических кристаллов имеет в отличие от пироэлектрических кристаллов и фоточувствительных полупроводников собственное поглощение в дальнем ИК- и СВЧ-диапазонах, то использование пьезоэлектрического преобразователя позволяет расширить по сравнению с известными измерителями спектральный диапазон измерений в длинноволновую область, включая СВЧ-диапазон.

На чертеже схематически изображен предлагаемый измеритель энергии импульсов электромагнитного излучения.

В корпусе 1 измерителя напротив входного окна 2 расположен чувствительный элемент, выполненный в виде акустического резонатора 3 с электродами 4, подключенными к усилителю 5, выход которого соединен с входом детектора 6. Акустический резонатор 3 изготовлен на основе пьезоэлектрического кристалла 7, выполненного в форме параллелепипеда с оптически полированными гранями. Электроды 4 установлены на кристалле 7 через прокладки 8 из материала, скорость звука в котором много меньше скорости звука в кристалле 7. При измерениях энергии электромагнитного излучения в оптическом и ближнем ИК-диапазоне возбуждение резонатора 3 обеспечивает при наличии на входной грани кристалла 7 пленки 9 из материала, обладающего высоким коэффициентом поглощения в данном диапазоне. При измерениях в УФ-, дальнем ИК- и СВЧ-диапазонах возбуждение резонатора 3 обеспечивается и без специального покрытия.

Выполнение кристалла 7 в форме параллелепипеда и наличие прокладок 8 обеспечивают высокую добротность Q резонатора 3, при этом спектр собственных колебаний резонатора состоит из нескольких спектральных линий, частоты которых определяются как f = V_зв/2l, где l - один из линейных размеров параллелепипеда; V_зв - скорость звука в кристалле 7 в направлении, соответствующем данному размеру l. Селективный усилитель 5 выполнен узкополосным, настроенным на частоту одной из собственных мод акустического резонатора 3.

Нагрузкой для измерителя энергии является какой-либо внешний индикатор, например осциллограф или вольтметр (на чертеже не показан), который подсоединяется к предлагаемому измерителю через разъем 10.

Конкретный вариант выполнения устройства приведен для случая измерений в оптическом диапазоне. Акустический резонатор 3, являющийся чувствительным элементом измерителя, изготовлен из кристалла 7 ниобата лития в форме параллелепипеда с размерами 8х10х23 мм³ при отклонении от параллельности между противоположными гранями не более 1' . При измерениях в оптическом диапазоне входная грань кристалла 7 снабжена пленкой 9 из эмали ЭМФП 5246 (при измерениях в УФ-, дальнем ИК- или СВЧ-диапазонах используют кристалл 7 ниобата лития без покрытия). В качестве прокладки 8 использована тефлоновая лента толщина 10 мкм. Некоторые собственные частоты резонатора 3, выполненного указанным выше образом, следующие: f₁ = 400 кГц, f₂ = 320 кГц, f₃ = 230 кГц. Усилитель 5 выполнен четырехкаскадным, при этом первый его каскад выполнен как резонансный усилитель на полевом транзисторе с параллельным колебательным контуром, резонансная частота которого равна частоте f₁ = 400 кГц используемой моды пьезоэлектрического акустического резонатора 3. Остальные три каскада выполнены в виде резистивных усилителей, изготовленных на биполярных маломощных транзисторах с высокими коэффициентами усиления, так что общее усиление каскадов составляет 10⁶ (см., например, Серегин Б.А. Обратная связь в усилителях. М.; Радио и связь, 1983; Головин О.В., Кубицкий А. А. Электронные усилители. М.: Радио и связь, 1983). Амплитудный детектор 6 выполнен по схеме удвоения напряжения. Для согласования выходного сопротивления измерителя с входным сопротивлением внешнего индикатора на выходе измерителя использован эмиттерный повторитель. В конкретном варианте изготовления корпус 1 измерителя энергии имеет размеры 50х80х170 мм, т.е. достаточно малые габариты, поэтому легко может быть установлен в самых труднодоступных участках оптических установок, стендов и т.п., где необходимо проводить измерение энергии.

Работа измерителя показана на примере измерения энергии лазерных импульсов в оптическом диапазоне длин волн. Измеритель энергии импульсов работает следующим образом.

Лазерное излучение падает через окно 2 корпуса 1 на входную грань кристалла 7, покрытую пленкой 9. Энергия импульса поглощается в пленке 9, что приводит к увеличению температуры пленки и кристалла 7 и к появлению термоупругих напряжений. Эти напряжения возбуждают в кристалле 7 акустическую волну, причем при длительности лазерного импульса τ < l/V_зв амплитуда Р_о давления в звуковой волне в объеме кристалла 7 определяется усредненной по объему плотностью ω поглощенной энергии лазерного импульса:
Р_о = Г ω, где Г = β V_зв/с_v - коэффициент Грюнайзена; β - температурный коэффициент объемного расширения кристалла 7; с_v - теплоемкость кристалла при постоянном объеме.

Таким образом, величина давления в звуковой волне, возбуждаемой в кристалле 7, пропорциональна энергии измеряемого лазерного импульса. В пьезоэлектрическом акустическом резонаторе 3 наиболее эффективно возбуждаются звуковые волны, которые являются собственными модами резонатора 3. Их частоты определяются как f = V_зв/2l. Добротность Q пьезоэлектрического акустического резонатора 3 высокая, поэтому ширина Δ f частотного спектра возбуждаемых звуковых волн мала и определяется как Δ f = f/Q. Распространяющиеся в кристалле 7 звуковые волны создают в нем упругие деформации сжатия и разрежения. За счет пьезоэлектрических свойств кристалла упругие колебания создают колебания напряженности электрического поля, которые распространяются с той же скоростью, что и звуковые волны. Электрический сигнал (радиоимпульс), возникающий на поверхности кристалла 7 и имеющий те же частоты и ширину спектра, что и звуковые волны в кристалле, с помощью электродов 4 поступает на селективный усилитель 5, настроенный на частоту f₁ одной из собственных мод резонатора 3. Использование селективного усилителя 5 позволяет выделить радиоимпульс с несущей частотой f₁ и раз уменьшить влияние на измеряемую величину паразитных сигналов, обусловленных электрическими помехами. Выделенный усилителем 5 радиоимпульс преобразуется амплитудным детектором 6 в видеоимпульс, соответствующий по форме огибающей радиоимпульса и пропорциональный ему по амплитуде, т.е. пропорциональный поглощенной в кристалле 7 энергии лазерного импульса. Этот видеоимпульс через разъем 10 поступает на внешний индикатор, по которому регистрируется энергия импульса лазерного излучения. Чувствительность предлагаемого измерителя энергии ограничивается практически только уровнем тепловых шумов кристаллической решетки кристалла 7 и составляет 10^-6 Дж.

Заявляемый измеритель позволяет измерить энергию импульсов электромагнитного излучения в УФ-, оптическом, ИК- и СВЧ-диапазонах с длительностями импульсов от 10^-5 до 10^-13 с. При этом частота следования импульсов может лежать в пределах от единичных импульсов до 1000 Гц.

Важным достоинством предлагаемого измерителя энергии является то, что он имеет малые габариты, автономное питание и низкочастотный выходной сигнал, что позволяет устанавливать измеритель практически в любых местах измерительных стендов и лазерных установок.

Достоинством предлагаемого измерителя является также то, что им можно измерять энергию импульсов генерации лазеров с ламповой накачкой. Отличительной особенностью такого типа лазеров является то, что длительность импульса световой накачки обычно на несколько порядков превышает длительность импульса генерации лазера и имеет широкий спектр излучения. С учетом низкого КПД лазерной установки ( 1%) могут возникать трудности при отделении энергии полезного импульса генерации лазера от энергии фоновой засветки импульса накачки. Предлагаемый измеритель позволяет измерять энергию короткого импульса лазерной генерации на фоне длинного импульса накачки благодаря тому, что он не реагирует на воздействие светового импульса, длительность которого превышает 10^-5 с, так как воздействие такого импульса не возбуждает резонансных акустических колебаний в резонаторе 3.

Кроме того, достоинством предлагаемого измерителя является то, что для эксимерных лазеров он позволяет отделить энергию импульса генерации от энергии импульса накачки и измерить энергию импульса генерации, что в которых случаях является для эксимерных лазеров большой проблемой из-за особенностей их конструкции. Это достигается за счет того, что излучение накачки, спектр которого лежит в основном в видимой области, кристаллом 7 ниобата лития не поглощается и соответственно не измеряется, в то время как излучение генерации, спектр которого лежит в УФ-области, поглощается кристаллом и регистрируется измерителем.

Измеритель энергии импульсов электромагнитного излучения предназначен для измерения энергетических параметров в широком динамическом диапазоне. Он содержит чувствительный элемент, выполненный в виде акустического резонатора из пьевоэлектрического кристалла в форме параллелепипеда, установленный между электродами через введенные прокладки из материала, скорость звука в котором много меньше скорости звука в пьезоэлектрическом кристалле, и усилитель, который выполнен с заданной полосой пропускания, причем электроды чувствительного элемента подключены к входу усилителя. 1 ил.

ИЗМЕРИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ИМПУЛЬСОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий чувствительный элемент с электродами и усилитель, причем электроды подключены к усилителю, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазонов длительностей и частот повторения измеряемых импульсов, чувствительный элемент выполнен в виде акустического резонатора из пьезоэлектрического кристалла в форме параллелепипеда и установлен между электродами через введенные прокладки, материал которых выбран таким, что скорость звука в материале прокладки много меньше скорости звука в пьезоэлектрическом кристалле, а усилитель выполнен с заданной полостью пропускания.