Термоэлектрический приемник оптического излучения проходного типа

Изобретение относится к измерительной технике в части создания высокоточных термоэлектрических приемников для измерения мощности в проходящем пучке оптического излучения и может быть использовано для измерения параметров оптического излучения большого диапазона апертур в широких спектральном и динамическом диапазонах.

Известен термоэлектрический приемник оптического излучения, содержащий приемный элемент, снабженный поглощающим слоем в виде нанесенной на изолирующее пленочное основание пленки поглощения, обмоткой замещения в виде слоя проводящей пленки и пленочной термопарой. [1]

Наличие пленочных элементов упрощает технологию изготовления приемника.

Недостатком устройства является невозможность его использования для измерения мощности в проходящем пучке оптического излучения из-за поглощения излучения приемным элементом, не обладающим необходимой прозрачностью для прохождения части излучения через приемник.

Известен термоэлектрический приемник оптического излучения проходного типа, являющийся наиболее близким к описываемому, содержащий приемный элемент, выполненный из прозрачного для излучения с частичным его поглощением материала. В качестве таких материалов указаны кремний, германий и селенид цинка. Приемный элемент снабжен просветляющим защитным пленочным покрытием, расположенным на приемном элементе со стороны, противоположной излучению. В качестве покрытия указана пленка полистирола. По периферии приемного элемента со стороны пленочного покрытия расположены секции термопар, образующие термобатарею, электрические выводы которой предназначены для подключения к внешнему измерительному прибору. Холодные спаи термобатареи помещены в массивный термостат. Все элементы приемника расположены в термостабилизированном корпусе. Калибровка приемника выполняется по образцовому полостному измерительному преобразователю. [2]

Данное устройство, приемный элемент которого выполнен из материала, прозрачного для излучения с частичным его поглощением, обеспечивает возможность измерения мощности в проходном пучке оптического излучения.

Недостатком устройства является то, что из-за использования для поглощения мощности оптического излучения описанного приемного элемента, выполненного из указанных материалов, устройство пригодно для работы с ограниченным диапазоном апертур пучков излучения, обладает большой постоянной времени, что снижает его чувствительность, при этом уменьшается отношение сигнал/шум и, как следствие, увеличивается погрешность измерения, при этом одновременно сужается динамический диапазон измеряемых значений, и не обеспечивается необходимый спектральный диапазон как в ультрафиолетовом (УФ), так и в видимом спектре. Одновременно нагрев приемного элемента проходящим излучением регистрируется термобатареей с неизбежным большим влиянием зонной характеристики тела приемного элемента, что снижает точностные параметры устройства. А метод калибровки его чувствительности не учитывает как реальное изменение чувствительности приемника в процессе работы, так и конкретные условия измерений в реальном масштабе времени. Следствием указанного являются высокая погрешность измерения (5÷10%), не удовлетворяющая современным требованиям метрологии, и узкий спектральный и динамический диапазон устройства, при этом устройство пригодно для работы с указанной погрешностью измерения с ограниченным диапазоном апертур пучков излучения.

Целью изобретения является повышение точности измерения с одновременным расширением спектрального и динамического диапазонов устройства и расширение его применимости для работы с оптическими пучками в широком диапазоне апертур.

Поставленная цель достигается тем, что в термоэлектрическом приемнике оптического излучения проходного типа, содержащем приемный элемент, выполненный из прозрачного для излучения с частичным его поглощением материала и снабженный просветляющим защитным пленочным покрытием, расположенным на приемном элементе со стороны, противоположной излучению, по периферии приемного элемента со стороны пленочного покрытия расположены секции термопар, образующие термобатарею, электрические выводы которой предназначены для подключения к внешнему измерительному прибору, при этом холодные спаи термобатареи помещены в массивный термостат, и все элементы приемника расположены в термостабилизированном корпусе, согласно изобретению, в качестве материала приемного элемента использован сапфир, при этом отношение толщины h приемного элемента в направлении излучения к площади S поверхности приемного элемента, обращенной к излучению, удовлетворяет условию: h/S=1/4000 при 1·10² мм² ≤S≤1·10⁴ мм², между приемным элементом и просветляющим защитным покрытием введен дополнительный поглощающий слой в виде металлической пленки из сплава на основе никеля, толщина "а" которого в направлении излучения соответствует условию: 5 нм ≤а≤20 нм, упомянутые секции термопар последовательно расположены по периферии приемного элемента с равными промежутками между ними, при этом устройство снабжено обмоткой замещения, которая расположена по периферии приемного элемента на его стороне, обращенной к излучению, и выполнена в виде групп электрических нагревателей, которые размещены на приемном элементе напротив указанных промежутков между секциями термопар, электрически соединены между собой и снабжены выводами для подключения к внешнему источнику постоянного напряжения.

Суть изобретения состоит в том, что за счет выполнения приемного элемента из сапфира указанной геометрии, снабжения его дополнительным поглощающим слоем указанной толщины с одновременным расположением секций термопар с равными промежутками по периферии приемного элемента и введения в устройство со стороны излучения обмотки замещения, размещенной на приемном элементе в виде групп нагревателей, расположенных напротив промежутков между секциями термопар, в устройстве по сравнению с прототипом повышена точность измерения, расширены спектральный и динамический диапазоны, обеспечена возможность без специальных оптических устройств работа с излучателями от минимально существующей апертуры до широкоапертурных.

На фиг.1 схематично представлен продольный разрез устройства в варианте выполнения устройства с квадратным сечением приемного элемента (для наглядности реальные масштабы напыленных элементов не соблюдены).

На фиг.2 показан вид по А на приемный элемент на фиг.1 (без изображения термостата и корпуса).

Термоэлектрический приемник оптического излучения проходного типа содержит приемный элемент 1 (фиг.1, 2), выполненный из прозрачного для излучения с частичным его поглощением материала и снабженный просветляющим защитным пленочным покрытием 2, расположенным на приемном элементе 1 со стороны, противоположной оптическому излучению. По периферии приемного элемента со стороны пленочного покрытия расположены секции 3 термопар, образующие термобатарею (на фиг. в качестве варианта выполнения устройства показано последовательное соединение секций 3). Электрические выводы термобатареи предназначены для подключения к внешнему измерительному прибору (на фиг. не показан). Холодные спаи 4 секций 3 термобатареи помещены в массивный термостат 5, и все элементы приемника расположены в термостабилизированном корпусе 6. В устройстве в качестве материала приемного элемента 1 использован сапфир, при этом отношение толщины h приемного элемента 1 в направлении излучения к площади S поверхности приемного элемента, обращенной к излучению, удовлетворяет условию: h/S=1/4000 при 1·10² мм² ≤S≤1·10⁴ мм². Между приемным элементом 1 и просветляющим защитным покрытием 2 введен дополнительный поглощающий слой 7 в виде напыленной металлической пленки из сплава на основе никеля, толщина "а" которого в направлении излучения соответствует условию: 5 нм ≤а≤20 нм. Упомянутые секции 3 термопар последовательно расположены по периферии приемного элемента 1 с равными промежутками 8 между ними. При этом устройство снабжено обмоткой замещения, которая расположена по периферии приемного элемента 1 на его стороне, обращенной к излучению, и выполнена в виде групп 9 напыленных на приемный элемент электрических нагревателей. Группы 9 размещены напротив указанных промежутков 8 между секциями 3 термопар. Группы 9 нагревателей электрически соединены с помощью напыленных шин 10 (на фиг. в качестве варианта выполнения устройства показано последовательное соединение групп 9), покрыты защитным оксидным слоем и снабжены выводами для подключения к внешнему источнику постоянного напряжения (на фиг. не показан).

Приемный элемент 1 может иметь форму, которая определяется задачей исследования конкретных оптических пучков. При этом формой приемного элемента 1 может быть, например, прямоугольная плоскопараллельная пластина (как показано в варианте фигур 1 и 2) или, например, диск.

Геометрия приемного элемента: h/S=1/4000 при 1·10² мм² ≤S≤1·10⁴ мм² - выбрана эмпирически. Задачей ее является возможность обеспечения измерения данным приемником оптических пучков в широком интервале апертур без применения специальных оптических устройств с одновременным сохранением механической прочности приемного элемента. Нижний предел значения площади S поверхности приемного элемента: S не менее 1·10² мм² обусловлен необходимостью обеспечения точностных параметров при работе с минимально существующими диаметрами лазерных пучков: ˜1,5 мм (например, лазер VERDI-8, millenium SV) и технологическими сложностями размещения на периферии элемента твердотельных элементов термобатареи и элементов обмотки замещения. Верхний предел: S не более 1·10⁴ мм² выбран из условия обеспечения возможности работы с широкоапертурными высокоинтенсивными лазерами (например, "Кардомон") с заданной точностью измерения.

За счет выбора в качестве материала приемного элемента 1 сапфира (Al₂O₃) в устройстве расширен спектральный диапазон приемника в сторону УФ области спектра до 0,2 мкм по сравнению с прототипом (до 0,6 мкм). Большое значение для расширения динамического диапазона приемника имеет большая лучевая стойкость сапфира, что позволяет устройству работать с лазерами мощностью до 100 Вт. Введенный в устройство поглощающий слой 7 выполнен в виде напыленной на поверхность приемного элемента 1 металлической пленки, которая выполнена из сплава на основе никеля, например пермаллой, инвар и др. Пределы значения толщины "а" слоя определены эмпирически и обусловлены задачей процентного пропускания измеряемого излучения. Нижний предел: "а" не менее 5 нм соответствует максимальному пропусканию (поглощение ˜10%), при котором обеспечиваются заданные точностные параметры приемника. Верхний предел: "а" не более 20 соответствует минимальному пропусканию (поглощение ˜40%), при котором обеспечивается работа приемника в режиме проходного типа.

Используемое и в прототипе просветляющее защитное пленочное покрытие 2 в известном устройстве выполнено в виде пленки полистирола. Недостатком такого варианта покрытия является малая теплостойкость полистирола и малая способность просветления, то есть обеспечение прохождения по покрытию отраженного изучения от предыдущего слоя, что уменьшает величину проходящего излучения. Практически полистироловая пленка защищает только от воздействия внешней среды, например от влаги. В описываемом устройстве просветляющее защитное пленочное покрытие 2 выполнено в виде окислов, например SiO₂, Al₂О₃ или ZrO₂. Каждый из указанных окислов выполняет функции защиты от влаги и механического повреждения поглощающего слоя 7 и одновременно просветляет металлический слой 7. Выбор толщины покрытия 2 зависит от длины волны (или диапазона длин волн), на которой производится просветление поглощающего металлического слоя 7. Просветление позволяет снизить коэффициент отражения до 2...5% в широком спектральном диапазоне по сравнению 15...20% без просветления.

В секциях 3 термопар отрицательные электроды выполнены из сплава висмута, селена и теллура, положительные электроды - из сплава висмута, олова и теллура. В обмотке замещения группы 9 напыленных электрических нагревателей выполнены из сплава с большим удельным сопротивлением, например нихрома, инвара, толщина напыления 100...200 нм. Группы 9 нагревателей электрически соединены с помощью напыленных шин 10 из металла с большой электропроводностью, например медь, серебро, золото. Напыленные электрические элементы обмотки замещения покрыты защитным оксидным слоем, например SiO₂, Al₂О₃ или ZrO₂. Слой защищает эти элементы от влаги. Термостат 5 и корпус 6 устройства выполнены из металла с высокой теплопроводностью, например из дюраля.

Корпус 6 приемника имеет входное 11 и выходное 12 отверстия.

Устройство работает следующим образом.

Приемник оптического излучения проходного типа располагается по ходу оптического излучения, которое попадает через входное отверстие 11 корпуса 6 на сторону приемного элемента 1, обращенную к излучению. Элемент 1 выполнен из сапфира, через который излучение проходит, частично поглощаясь в нем. Затем излучение проходит через поглощающий слой 7, частично поглощается в полупрозрачном слое металлической пленки, частично отражается и частично проходит через слой, проходит просветляющее покрытие 2, обеспечивающее прохождение отраженного излучения от слоя 7, и выходит наружу через выходное отверстие 12 корпуса 6 устройства. Таким образом, поглощение мощности излучения происходит в объеме сапфира и в поглощающем металлическом слое 7, при этом увеличивается отношение сигнал/шум в устройстве, одновременно в металлическом слое 7 толщиной "а" осуществляется дополнительное равномерное по объему слоя за счет его хорошей теплопроводности распределение поглощенной мощности, что уменьшает зонную чувствительность приемного элемента 1. Расположение слоя 7 на приемном элементе 1 со стороны, обратной излучению, также способствует повышению точности измерения, за счет более равномерного прогрева по объему слоя 7 после прохождения мощности излучения через сапфир, что также обеспечивает выравнивание температурного поля по объему слоя. Поглощенная мощность нагревает поглотившие ее элементы и вызывает изменение температуры горячих спаев в секциях 3 термопар, контактирующих с поглощающим слоем 7 через просветляющее покрытие 2. При этом холодные спаи 4 термобатареи помещены в термостат 5. Это изменение температуры преобразуется термобатареей в электрический сигнал, поступающий через электрические выводы батареи к внешнему измерительному прибору. Поскольку секции 3 термопар расположены по периферии приемного элемента равномерно и за счет вышеуказанного равномерного прогрева по объему слоя 7 в устройстве максимально уменьшена зонная зависимость коэффициента преобразования, что существенно снизило погрешность измерения (до значений 1-3% против 5-10% у прототипа), при этом калибровка приемника проводится в реальных условиях измерения, в реальном масштабе времени: при адекватной измерению температуре, влаге окружающей среды, конвективных потоках, что существенно повышает точность измерения. Расположение со стороны излучения обмотки замещения обеспечивает эквивалентность динамики тепловых потоков при оптическом и электрическом (в режиме калибровки) воздействии на термобатарею. При калибровке также максимально уменьшена зонная зависимость коэффициента преобразования при измерении, чему способствует пространственная геометрия расположения в устройстве электронагревателей обмотки замещения над промежутками между секциями термопар, что обеспечивает выравнивание чувствительности приемника от локализации электрического нагрева.

Таким образом, устройство по сравнению с прототипом обладает большей точностью измерения (погрешность 1÷3% против 5÷10% у прототипа), одновременно расширен его спектральный диапазон в сторону УФ области спектра (до 0,2 мкм против 0,6 мкм в прототипе), а также расширен его динамический диапазон (устройство работает в диапазоне от 1·10^-3 до 1·10² Вт против 1·10^-2 до 1 Вт у прототипа), при этом обеспечена возможность применимости устройства для работы с оптическими пучками в широком диапазоне апертур пучков (от 1,5 мм до 100 мм против 20 мм в прототипе).

Примеры реализации устройств.

Параметры устройств в примерах 1, 2 и 3 объединены в таблицу.

Выводы: описанное устройство по точностным параметрам удовлетворяет современным требованиям метрологии и найдет широкое применение для измерения параметров оптического излучения в большом диапазоне апертур в широких спектральном и динамическом диапазонах.

Источники информации

1. Авторское свидетельство SU №186043, G 01 J 5/12, 1965 г. - аналог.

2. Александров Ю.В., Близнюк В.В., Васильев А.М. и Шахрин В.Ф. Термоэлектрический приемник лазерного излучения проходного типа. Тезисы докладов 4 Всесоюзной научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", Москва, 1982., с.376.

Термоэлектрический приемник оптического излучения проходного типа, содержащий приемный элемент, выполненный из прозрачного для излучения с частичным его поглощением материала и снабженный просветляющим защитным пленочным покрытием, расположенным на приемном элементе со стороны, противоположной излучению, по периферии приемного элемента со стороны пленочного покрытия расположены секции термопар, образующие термобатарею, электрические выводы которой предназначены для подключения к внешнему измерительному прибору, при этом холодные спаи термобатареи помещены в массивный термостат, и все элементы приемника расположены в термостабилизированном корпусе, отличающийся тем, что в качестве материала приемного элемента использован сапфир, при этом отношение толщины "h" приемного элемента в направлении излучения к площади "S" поверхности приемного элемента, обращенной к излучению, удовлетворяет условию: h/S=1/4000 при 1·10² мм² ≤S≤1·10⁴ мм², между приемным элементом и просветляющим защитным покрытием введен дополнительный поглощающий слой в виде металлической пленки из сплава на основе никеля, толщина "а" которого в направлении излучения соответствует условию: 5 нм ≤а≤20 нм, упомянутые секции термопар последовательно расположены по периферии приемного элемента с равными промежутками между ними, при этом устройство снабжено обмоткой замещения, которая расположена по периферии приемного элемента на его стороне, обращенной к излучению, и выполнена в виде групп электрических нагревателей, которые размещены на приемном элементе напротив указанных промежутков между секциями термопар, электрически соединены между собой и снабжены выводами для подключения к внешнему источнику постоянного напряжения.