Mir_elektroniki_Datchiki_-_Sharapov_2012

Глава 6. Оптические элементы датчиков

нашли кристаллы синтетического рубина Al2О3: Cr3+ ( = 0,694 мкм), стекло с добавлением неодима Nd ( = 1,058 мкм) и иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ, = 1,064 мкм) с примесью Nd.

Для получения генерации используются переходы между энергетическими уровнями примесных ионов (Сr, Nd). Основное вещество непосредственного участия в процессах генерирования не принимает и служит лишь для создания определенной концентрации рабочих ионов. Лазеры на указанных материалах обычно работают с оптической накачкой, осуществляемой мощным световым потоком газоразрядных ламп импульсного или непрерывного излучения, со спектром, перекрывающим спектр поглощения лазерного вещества.

Для твердотельных активных сред характерно значительное время жизни возбужденных ионов в метастабильном состоянии (~10-3 с), поэтому активные среды обычно используют в качестве накопителей энергии, что позволяет получать значительные по мощности импульсы, достигающие ~1010 Вт и более.

Основным функциональным блоком лазера является излучатель, включающий активный элемент, источник накачки, отражатель и оптический резонатор.

Активные элементы из рубина и неодимового стекла представляют собой стержни круглого или прямоугольного сечения. Стандартные рубиновые активные элементы имеют диаметр от 3,5 до 16 мм и длину от 45 до 240 мм. Стеклянные стержни изготавливаются диаметром от 5 до 60 мм и длиной от 80 до 1200 мм. Торцевые поверхности активных элементов тщательно полируются так, чтобы неплоскостность не превышала 0,1 0,5 интерференционной полосы. Непараллельность торцов не должна превышать 10-11.

Оптический резонатор предсталяет собой систему двух отражающих зеркал, обращенных друг к другу, между которыми располагается активный элемент. Одно из зеркал — полностью отражающее ( 2 1), а другое — частично прозрачное ( 2 0,9), чем обеспечивается выход полезного излучения.

Газовые лазеры

Вгазовых лазерах активной средой являются газ, смеси газов или смесь газа с парами металлов. По методу возбуждения активной среды различают газоразрядные, газодинамические и химические газовые лазеры.

Наиболее обширную группу составляют газоразрядные лазеры, в которых инверсия населенностей возникает под действием электрического разряда в газе. Газоразрядные лазеры бывают атомарные (на нейтральных газах), ионные

имолекулярные.

Вгазодинамических лазерах инверсия населенностей создается за счет быстрого охлаждения газовой смеси, предварительно нагретой до высокой температуры при большом давлении.

Вхимических лазерах возбуждение активной среды обеспечивается с помощью химических реакций газовых компонент. Спектральный диапазон работы газовых лазеров простирается от вакуумной ультрафиолетовой области ~0,15 мкм до далекой ИК-области ~700 мкм, что объясняется возможностью использования для целей генерации вынужденного излучения большого числа газовых сред и лазерных переходов в них.

Вследствие слабого взаимодействия между активными частицами газа излучение газовых лазеров обладает наиболее высокой монохроматичностью,

6.4. Источники оптического излучения

временной и пространственной когерентностью по сравнению с излучением других типов лазеров.

Высокая оптическая однородность газовой активной среды дает возможность получить излучение с малой расходимостью, а использование значительных объемов газа позволяет достичь в импульсном режиме мощностей, близких к мощностям твердотельных лазеров, а в непрерывном — превосходящих их. Однако газовым лазерам присущ существенный недостаток, заключающийся в сравнительно невысокой мощности, получаемой с единицы объема среды. Это объясняется малой по сравнению с твердыми средами концентрацией рабочих частиц. Основной способ повышения мощности состоит в увеличении числа активных частиц повышением давления газа, увеличением объема активной среды и вводимой в газ энергии накачки до оптимальных значений.

Гелий-неоновый лазер состоит из блока излучателя, в котором размещены газоразрядная трубка и зеркала оптического резонатора и блока питания. Газоразрядную трубку выполняют обычно из термостойкого электровакуумного стекла, она может иметь длину от ~5 см до ~3 м, а диаметр от ~3 до ~10 мм. Трубка запаяна с двух концов пластинами-окнами из кварцевого стекла толщиной 1—2 мм, которые ориентированы под углом Брюстера [3, 6, 8] относительно падающего пучка. Оптический резонатор образован двумя зеркалами, одно из которых обычно сферическое, а другое — плоское. Зеркала резонатора закрепляются во фланцах, имеющих юстировочные подвижки [6, 11].

Рис. 6.14. Гелий-неоновый лазер: 1 — электроды; 2 — выходное окно; 3 — зеркала резонатора; 4 — блок питания

Ионные лазеры. В ионных лазерах для получения вынужденного излучения используются переходы между энергетическими уровнями ионов газов. В качестве активной среды применяют аргон, криптон, ксенон и другие газы, излучающие в основном в УФ-области и сине-зеленой области видимого спектра.

Наибольшее применение получили аргоновые лазеры (рис. 6.15), генерирующие излучение на 8-10 спектральных линиях. Основная мощность излучения аргонового лазера сосредоточена на длинах волн 0,488 и 0,514 мкм [6, 11].

Рис. 6.15. Устройство лазера на аргоне: 1 — газоразрядная трубка с капилляром; 2 — магнит; 3 — анод; 4, 8 — выходные окна; 5, 7 — зеркала резонатора; 6 — обводная трубка

Глава 6. Оптические элементы датчиков

Излучатель состоит из газоразрядной трубки с капилляром. В трубку вварены электроды (катод, анод), к которым подводится питающее напряжение. На концах трубки под углом Брюстера плотно закреплены кварцевые окна. При горении мощного дугового разряда происходит значительное выделение тепла, поэтому трубки изготавливают из термостойких материалов, например, керамики, кварца, оксида бериллия, и осуществляют водяное охлаждение. Увеличению концентрации электронов, а следовательно, и мощности излучения способствует магнитное поле, которое создается либо постоянным магнитом, либо соленоидом. Оптический резонатор образован зеркалами 7, 5.

Полупроводниковые лазеры

Вполупроводниковых лазерах активным элементом служит полупроводниковый кристалл, накачка которого может осуществляться различными способами: инжекцией (впрыскиванием) носителей заряда извне в область элект- ронно-дырочного перехода (токовая накачка), пучком электронов высокой энергии, превышающей 20·103 эВ (электронная накачка) либо оптическим излучением. Последний способ накачки из-за малой эффективности применяют редко [6, 11].

Для полупроводников характерна высокая концентрация активных частиц, поэтому коэффициент усиления излучения на единицу длины в полупроводнике значительно больше, чем в газоразрядных и твердых активных веществах. Эта способность полупроводников позволяет получить генерацию в активных элементах очень малых объемов, составляющих доли кубических миллиметров. В то же время малые размеры активного элемента служат причиной небольшой импульсной мощности (десятки ватт), так как поверхность активного элемента выдерживает плотность мощности ~ 4·106 Вт/см2. Для получения импульсной мощности в 1 кВт и более используют многоэлементные излучатели с плотным расположением отдельных активных элементов.

Внастоящее время наиболее распространены инжекционные лазеры на арсениде галлия GaAs, обладающие миниатюрными размерами, малым энергопотреблением и работающие как в импульсном, так и в непрерывном режимах излучения с охлаждением и без охлаждения [6, 11].

Физический принцип действия инжекционных лазеров заключается в следующем. Известно, что в полупроводниках энергетические уровни элект-

ронов располагаются в валентной зоне и зоне проводимости, разделенных запрещенной зоной шириной , представляющей собой область значений энергий, при которых не существует стационарных состояний. Если электрон, получив дополнительную энергию, превышающую значение , переходит из валентной зоны на один из уровней зоны проводимости, то в валентной зоне образуется вакантное место — дырка — положительный заряд, равный по абсолютному значению заряду электрона. Через некоторое время возбужденный электрон совершает обратный переход и заполняет незанятое место — дырку. Этот процесс называется рекомбинацией пары электрон— дырка. При рекомбинации отдаваемая электроном энергия может быть излучена в виде фотона либо безызлучательно передана кристаллической решетке полупроводника.

Рис. 6.16. Инжекционный лазер: 1 — зеркальные грани; 2 — излучение

6.4. Источники оптического излучения

В равновесном состоянии в полупроводнике населенность нижних уровней, находящихся в валентной зоне, всегда выше населенности верхних энергетических уровней, располагающихся в зоне проводимости, и поэтому усилить излучение невозможно. Чтобы получить в полупроводнике состояние с инверсной населенностью — необходимое условие для усиления излучения, нужно обеспечить такое распределение, когда число электронов в зоне проводимости превышает число электронов, находящихся в валентной зоне.

Для полупроводников со структурой р-n-перехода, обычно используемых в полупроводниковых лазерах, инверсного состояния можно достичь, если через полупроводник в прямом направлении пропустить электрический ток большой плотности. При этом в р-область диффундирует большое число электронов, а в n-области возникает избыток дырок, и, таким образом, в узкой области р-n-перехода шириной в несколько микрометров возникает активная зона с инверсной населенностью. Прямое напряжение, приложенное к полупроводнику, снижает потенциальный барьер, препятствующий проникновению носителей заряда, и в результате электроны и дырки рекомбинируют между собой.

Для поддержания инверсной населенности необходимо непрерывно компенсировать убывание носителей заряда из соответствующих зон, что осуществляется инжекцией свободных носителей заряда в область р-n-перехода за счет внешнего источника питания.

Зеркалами резонатора обычно служат грани самого полупроводникового активного элемента. Коэффициент отражения зеркала в этом случае составляет ~0,3, чего при высоком коэффициенте усиления активной среды достаточно для возникновения генерации.

Большие плотности тока через р-n-переход, превышающие 104 А/см2, приводят к нагреву активного элемента, поэтому довольно часто применяют охлаждение активного элемента или реализуют импульсный режим, при котором нагрев меньше, чем в непрерывном.

Инжекционные лазеры. Основными элементами инжекционного лазера являются активный элемент — лазерный диод и источник питания, обеспечивающий накачку. Лазерный диод (рис. 6.16) выполнен в виде параллелепипеда. Излучающая поверхность, определяемая толщиной активной области р-n-пе- рехода, имеет высоту 1—2 мкм и длину 0,1—1,5 мм. Две противоположные грани, параллельные между собой, образуют резонатор. Остальные грани изготавливают шероховатыми, чтобы исключить возникновение паразитных колебаний в нежелательных направлениях.

Лазерные диоды, охлаждаемые до низких температур (77 К и ниже), размещаются в криостате, который наполняется хладагентом, например, жидким азотом или жидким гелием. Для лазеров, работающих при температурах, близких к комнатной, широко применяют термоэлектрические охлаждающие устройства. В лазерах, работающих при комнатной температуре, тепло может отводиться

Глава 6. Оптические элементы датчиков

двумя массивными металлическими пластинами, находящимися в тепловом и электрическом контактах с активным элементом.

Дальнейшим совершенствованием инжекционных лазеров стало создание гетеролазеров, в которых за счет сужения зоны распространения излучения и инжектируемых свободных зарядов до размеров активной области КПД достигает 10%.

6.5. Оптические материалы

Для изготовления оптических деталей применяют оптическое стекло — бесцветное и цветное (ГОСТ 3514-76, ГОСТ 13659-78, ГОСТ 9411-81Б), кварцевое оптическое стекло (ГОСТ 15130-79), некоторые кристаллы, пластмассы и другие материалы [9].

Основные характеристики оптических материалов [3, 4, 8, 9]:

—показатель преломления;

—спектральный диапазон и коффициент пропускания;

—термооптическая постоянная;

—средняя дисперсия и др.

6.6. Линзы

Линза (нем. Linse, лат. Lens — чечевица) — это оптическая деталь, ограниченная двумя преломляющими поверхностями, из которых хотя бы одна является поверхностью вращения. Наиболее распространенными в оптических системах являются линзы со сферическими центрированными поверхностями. Реже применяют линзы, одна или обе поверхности которых — асферические, например, параболическая, эллиптическая, цилиндрическая и др. Типы линз показаны на рис. 6.17 [8, 9].

Все линзы делят на три группы:

—положительные (собирательные) линзы, имеющие положительные задние фокусные расстояния;

Рис. 6.17. Типы линз

6.6. Линзы

—отрицательные (рассеивающие) линзы, имеющие отрицательные задние фокусные расстояния;

—телескопические (афокальные) линзы, оптическая сила которых равна нулю.

Методики расчета линз можно найти в [3, 8, 9, 11].

Линзы Френеля

Линзы Френеля — это оптические элементы, имеющие ступенчатую поверхность. Они широко используются в датчиках, где не требуется высокого качества фокусировки, в световых конденсорах, увеличителях и устройствах фокусировки детекторов присутствия. Линзы Френеля изготавливаются из стекла, полиметилметакрилата (оргстекло, для видимого и ближнего ИК диапазона) и полиэтилена (для дальнего ИК диапазона). История линз Френеля началась в 1748 году, когда граф Буффо предложил вытачивать внутри стеклянных линз концентрические круглые ступеньки. Это позволило уменьшить толщину линз и снизить потери энергии. Однако в таких линзах преломление света происходит только на поверхности, поскольку внутри них лучи проходят строго по прямым линиям. Идея графа Буффо была модифицирована в 1822 году Августином Френелем (1788—1827), сконструировавшим линзы, кривизна различных колец которых зависит от расстояния до центра, в связи с чем в таких устройствах практически отсутствует сферическая аберрация (рис. 6.18) [12].

Рис. 6.18. Концепция линз Френеля

Линзы Френеля обладают рядом достоинств по сравнению с обычными линзами: небольшим весом, малой толщиной, способностью менять кривизну (справедливо для пластиковых линз) и, самое главное, низкими потерями на поглощение светового потока. Последнее свойство особенно важно при изготовлении линз для среднего и дальнего ИК диапазонов, где поглощение в материалах может быть очень значительным. По этой причине почти все детекторы движения, работающие в дальнем ИК диапазоне, построены на основе линз Френеля [12].

В настоящее время широко применяются линзы Френеля двух типов: с постоянным шагом и с постоянной глубиной. На практике бывает очень трудно изготовить линзы с одинаковой крутизной поверхности каждой ступени, поэтому все ступеньки выполняют с плоским профилем. Чтобы не ухудшать фокусирующие свойства линзы, все ступени должны располагаться как можно ближе друг к другу.

Формулы для расчета линз Френеля можно найти в [12].

Рис. 6.19. Отражение плоского зеркала

Глава 6. Оптические элементы датчиков

6.7. Светопропускающие окна

Основные функции окон заключаются в следующем:

—защита внутренних частей датчика от влияния окружающей среды;

—передача световых лучей в определенном диапазоне волн с минимальными потерями и искажениями.

Окна могут быть выполнены в виде плоских пластин или частей сфер. Для уменьшения оптических потерь на одну или две поверхности окна могут наноситься специальные покрытия (так называемое «просветление» [9]). Такие покрытия придают окну голубоватый, фиолетовый или желтый оттенок и часто применяются при изготовлении фотографических линз.

6.8. Плоские и сферические зеркала

Плоские зеркала с наружным или внутренним отражающим покрытием, нанесенным соответственно на переднюю или заднюю поверхность плоскопараллельной стеклянной пластинки, — подложки, применяются в оптических системах для изменения направления или смещения оптической оси, разделения пучка лучей, для оборачивания изображения.

Плоское зеркало образует мнимое изображение предмета. Отражение лучей от зеркальных от поверхностей подчиняется закону отражения, согласно которому угол падения равен углу отражения (- = 9), а точки предмета и изображения находятся на нормали к плоскости зеркала на рав-

ных расстояниях -s = s9 по обе стороны от него (рис. 6.19). Угол отклонения луча плоским зеркалом i 180 2 6 i 6 [3, 8, 9].

Сферические зеркальные поверхности находят применение в оптических системах различного назначения (в осветительных и проекционных системах, в объективах фотоэлектрических следящих устройств и т.п.). Сферические зеркала, действие которых эквивалентно действию линз, позволяют получить более компактные системы по сравнению с линзовыми системами. Применение зеркальных поверхностей в ряде случаев более предпочтительно, чем применение преломляющих поверхностей вследствие отсутствия хроматических аберраций.

Формулы для расчета сферических зеркал можно найти в [3, 8, 9].

В качестве отражающих покрытий, наносимых на поверхности зеркал, работающих в видимом и ближнем ИК диапазонах, применяются серебро, алюминий, хром и родий. Для устройств, используемых в дальней ИК области спектра, лучше всего подходит золото. При выборе соответствующих покрытий можно реализовать практически любой коэффициент отражения: от 0 до 1 (рис. 6.20) [12].

6.9. Волоконные световоды

Рис. 6.20. Cпектральная отражающая способность зеркал с различными покрытиями

Существует другой тип отражающих устройств, в которых не требуется нанесения отражательных слоев. Такими отражателями являются призмы, использующие эффект полного внутреннего отражения. В таких устройствах угол полного отражения является функцией коэффициента преломления.

4 0		1
	arcsin		.	(6.17)
	n

Отражатели данного типа наиболее эффективны в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра, поскольку их коэффициент отражения здесь близок к единице. На принципе полного внутреннего отражения построены оптические волоконные линии.

6.9. Волоконные световоды

Оптическое волокно — стеклянный пруток обычно круглого поперечного сечения диаметром от 5—6 мкм до 0,3 мм с полированными боковой поверхностью и торцами, предназначенный для передачи излучений оптического диапазона на основе явления полного внутреннего отражения от боковой поверхности. Волокна собираются в жгуты-световоды, которые могут изгибаться без нарушения пропускания излучения при минимальном радиусе кривизны изгиба, превышающем в 50 раз (при изгибе в горячем состоянии) и 300 раз (при изгибе в холодном состоянии) диаметр отдельного волокна. Для обеспечения условий полного внутреннего отражения и уменьшения потерь излучения оптическое волокно делают составным. Оно состоит из сердцевины, выполненной из материала с большим показателем преломления, например, стекла Ф8 (пе = 1,6291), ВС 682 (пе = 1,6855), и оболочки из материала с малым показателем преломления, например, стекла ВО 488 (пе = 1,4898), ВО 513 (пе = 1,5150). Оболочка предохраняет поверхность сердцевины от повреждений, загрязнений и препятствует рассеянию и проникновению излучения из соседних волокон [2, 8].

Глава 6. Оптические элементы датчиков

Ход луча через цилиндрический световод с прямыми торцами, расположенный в воздухе (п1 = 1), показан на рис. 6.21. Показатели преломления сердцевины и оболочки обозначены п2 и п3, углы падения и преломления луча на

входном торце > = и 9 , а углы падения и отражения луча от поверхности

1 1 1

оболочки 2 и 92 соответственно. Если входной и выходной торцы световода находятся в одинаковых средах, то угол >9 луча с осью на выходе из световода равен углу >1 луча с осью на входе.

Рис. 6.21. Прохождение луча через цилиндрический световод

В зависимости от материалов сердцевины и оболочки различают световоды стеклянные (сердцевина и оболочка из стекла), стеклополимерные (сердцевина из стекла, оболочка из пластмассы), полимерные (сердцевина из пластмассы, оболочка из других материалов), кварцевые (сердцевина из кварца). Существуют ИК-световоды, сердцевина которых прозрачна для ИК-излучения. Для пропускания излучения в УФ-, видимом и ИК-диапазонах используют полихроматические световоды, прозрачные в спектральном диапазоне 0,18—5 мкм.

Различают ступенчатые и градиентные световоды. В ступенчатых световодах, выполненных из материала с постоянным показателем преломления, световые лучи распространяются по траектории, представляющей собой ломаную линию. Показатель преломления градиентных световодов, называемых града нами или селфоками, плавно уменьшается от центра к краю, вследствие чего лучи, распространяющиеся вдоль световода, имеют плавную траекторию. Преимуществом граданов по сравнению со ступенчатыми световодами является уменьшение рассеяния света вследствие отсутствия резкой границы раздела световода со средой [2, 8].

Поперечное сечение световодов может иметь круглую, прямоугольную, шестигранную и другую более сложную форму.

По площади поперечного сечения обоих торцов различают цилиндрические и конические световоды. Последние, состоящие из сужающихся или расширяющихся к выходному торцу волокон, называют фоконами или афоконами соответственно [2, 8].

Длина практически полученных световодов достигает километра и более, а показатель ослабления составляет несколько единиц децибел на километр (дБ/км).

Разрешающая способность световода, измеряемая числом линий на 1 мм, примерно равна половине числа волокон, размещенных на 1 мм, и зависит от диаметра волокна, толщины оболочки и способа укладки волокон. Разрешающая способность световодов достигает 20—100 лин/мм.

6.10.Покрытия, поглощающие тепловое излучение

6.10.Покрытия, поглощающие тепловое излучение

Все датчики тепловых излучений, как активные, так и пассивные, построены на принципе поглощения или излучения электромагнитных волн в дальней ИК области спектра. Кирхгоф обнаружил, что коэффициент поглощения и коэффициент излучения , по существу, являются одной и той же физической величиной [12]. Для эффективной работы датчиков значения этих коэффициентов стремятся делать максимальными, т.е. как можно ближе к единице. Чтобы достичь этого, либо специальным образом обрабатывают поверхность датчика для повышения его коэффициента излучения, либо с той же целью на нее наносят покрытие, обладающее высокой излучающей способностью. У таких покрытий должна быть хорошая теплопроводность и очень низкая теплоемкость. Это значит, что их следует изготавливать очень тонкими.

Существует несколько методов повышения излучающей способности поверхности датчиков [12]:

—нанесение тонких металлических пленок (например, нихромовых), обладающих достаточно высоким коэффициентом излучения;

—гальваническое осаждение пористой платиновой черни и напыление металла в азотной атмосфере при низком давлении.

Наиболее эффективным способом создания материала с высокой поглощающей (излучающей) способностью является формирование на нем пористой поверхности, поскольку частицы размером, гораздо меньшим длины волны, как правило, преломляют или поглощают лучи света [12].

Материалы с пористой поверхностью обладают высокой излучающей способностью в широком спектральном диапазоне, однако с увеличением длины волны она значительно снижается. Пленка из золотой черни с плотностью 500 мкг/см2, в ближнем, среднем и дальнем ИК диапазоне обладает излучающей способностью 0,99.

Для формирования электролитическим методом слоя из пористой платиновой черни можно воспользоваться следующим рецептом [12]:

хлорид платины H2PtCl6	2 г
ацетат свинца Рb(ООСН3)3·Н2О	16 мг
вода	58 г.

Другим широко распространенным способом повышения излучающей способности поверхности является образование на ней слоя из оксида металла, что достигается методом окисления нанесенной металлической пленки в условиях низкого вакуума.

Существует еще один широко известный метод улучшения излучающей способности — окраска поверхности органическими красителями (видимый цвет здесь совсем не важен), обладающими коэффициентом излучения 0,92...0,97. Однако органические материалы обладают низкой теплопроводностью, и их трудно нанести толщиной менее 10 мкм, из-за чего может значительно снизиться быстродействие датчиков.