Источники и приемники излучения - Ишанин Г.Г.
ISBN 5-7325-0164-9
Скачать (прямая ссылка):
§ 7.6 Приемники на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце
Приемники на основе термоупругого эффекта в кристалличе-ском кварце (ПТЭК) разработаны в Ленинградском институте точной механики и оптики на кафедре оптико-электронных приборов.
Кристаллический кварц не является пироэлектриком, и механизм появления на нем электрической разности потенциалов при облучении модулированным или импульсным лучистым потоком имеет другую физическую основу — термоупругий эффект, что было впервые доказано в работах Г. Г. Ишанина, на основе которых был создан измеритель «Кварц-1». Дальнейшие теоретические и экспериментальные работы в этом направлении Г. Г. Ишанина и Г. В. Полыцикова привели к созданию серии измерителей на основе ПТЭК различного назначения: «Кварц-2», «Кварц-2М», «Кварц-2А», ИМИ-100, дифференциальных и мозаичных приемников (см. табл. 7.1). Разработанные ПТЭК стабильны в работе и могут использоваться как образцовые для паспортизации мощных источников излучения и лазеров. Спектральный диапазон их работы — 0,4—20 мкм, динамический диапазон при непрерывном модулированном потоке излучения — от 10 мкВт/сма до 300 Вт/см2, постоянная времени — до 10~в с.
В качестве приемного элемента в ПТЭК используют кристаллический кварц. Он стабилен в работе: не меняет свои свойства
226
с течением времени, не подвержен влиянию электрических и магнитных полей.
Принцип действия и устройство ПТЭК. Чувствительный элемент, состоит из тонкой (0,1 мм) пластинки кристаллического кварца Х-среза, приклеенной к теплоотводящему демпферу. На переднюю поверхность кварцевой пластинки наносят токопроводящее покрытие и покрытие, поглощающее излучения в широком спектральном интервале. С электрической точки зрения подобная система представляет собой конденсатор, в котором диэлектриком является пластинка кристаллического кварца, а обкладками — металлический демпфер и токопроводящее покрытие. Если такая система находится в механическом и тепловом равновесии, то напряжение на этом конденсаторе равно нулю. При облучении приемной площадки импульсным, импульсно-модулированным или другим нестационарным лучистым потоком в приемном элементе возникает сложное нестационарное тепловое поле.
Процесс преобразования падающего лучистого потока Ф (/) в энергию теплового поля определяется материалом и структурой поглощающего покрытия. От него зависит спектральная характеристика приемника.
Нестационарное во времени и пространстве тепловое поле вызовет в кристаллическом кварце нестационарные механические напряжения, которые приведут к изменению вектора поляризации кристаллического кварца и, как следствие, — к появлению электрической разности потенциалов на электродах. Наличие нескольких последовательных преобразований энергии, безусловно, снижает чувствительность приемника. Но необходимо отметить, что они происходят в кристаллическом кварце —материале, характеризующемся хорошей стабильностью физических свойств в широком динамическом диапазоне. Это обусловливает стабильность и линейность характеристик ПТЭК.
Время релаксации электрона в материалах, используемых для поглощения падающего лучистого потока, составляет порядка 10"11 с и, следовательно, не ухудшает частотных свойств ПТЭК. Постоянная времени кристаллического кварца как электромеханического преобразователя составляет 10-13—10-14 с. Наиболее инерционен процесс распространения тепловой энергии от поглощающего покрытия через электрод до кварцевой пластинки с последующим отводом ее в теплоотводящий демпфер. Эти процессы и определяют постоянные времени приемника тнар и топ.
Как показали исследования, разность потенциалов на приемнике возникает в основном из-за термоупругих механических напряжений, направленных вдоль оси Y. Механические напряжения вдоль оптической оси Z разности потенциалов не вызывают из-за особенностей строения кристаллической решетки кварца. Однако на сигнал, возникающий на приемном элементе, влияют и другие явления, которые при определенных условиях могут стать суще-
227
ственными, например, вторичный термоупругий эффект сложной структуры, возникающий тоже вдоль оси Y из-за разницы коэффициентов линейного расширения токопроводящего покрытия и кварца и из-за разницы коэффициентов линейного расширения кварца и материала демпфера. В реальных условиях этот эффект второго порядка малости, он скажется на высоких частотах, когда переменная составляющая неравновесного температурного поля сосредоточится в толщине приемного электрода и основной сигнал упадет на несколько порядков. При паботе с короткими и мощными импульсами могут возникнуть динамический продольный термоупругий эффект вдоль оси X, радиометрический эффект, электро-стрикция и нелинейная поляризация, а также световое давление. Эти эффекты много меньше термоупругого и их можно не учитывать.
Емкостная характеристика приемника на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце полностью исключает возможность работы с постоянными потоками излучения, что также влияет и на частотную характеристику приемника.
Так как появление разности потенциалов в пьезопластинке зависит от направления действия сил относительно осей X, Y, Z кристалла, необходимо оптимальным образом выбирать ориентацию (срез) приемного элемента в соответствии с физическими свойствами кристаллического кварца.
