 |
3.1 Фотоэлектрический метод измерения энергии излучения лазера
|
|
|
|
Рис. 2. Фотоэлектрическая схема измерения световой энергии
В области длин волн, в которой чувствительны фотокатоды, лазерную энергию можно измерять непосредственно с помощью фотоэлемента (ФЭ) и разрядного конденсатора в самоинтегрирующей схеме (рис. 2).
Принцип действия прибора основан на том, что источник электрического питания создает на обкладках конденсатора С заряд q и на конденсаторе устанавливается напряжение U, которое поляризует фотоэлемент. Лазерный импульс, направленный на фотоэлемент, вызывает разряд через него конденсатора. Можно показать, что, пока ток фотоэлемента линейно связан с интенсивностью излучения, интеграл по времени фототока линейно связан с интегралом по времени мощности лазерного излучения, т. е. можно связать заряд, потерянный конденсатором, с энергией излучения лазера формулами
|
где I — фототок; t — длительность лазерного импульса; e — заряд электрона; hν — энергия фотона излучения лазера; η — квантовый выход фотокатода.
Уменьшение напряжения ∆ U на конденсаторе С выражается формулой
Чувствительность фотоэлемента можно представить как
Пользуясь формулами (6. 9), (6. 10) и зная чувствительность фотоэлемента, можно определить энергию излучения как уменьшение напряжения на конденсаторе:
Таким образом, измерив изменение напряжения на конденсаторе, можно по формуле (6. 12) определить энергию излучения лазера в области спектральной чувствительности фотоэлемента.
Без применения ослабителей или высокочувствительных усилителей с большим полным сопротивлением пользоваться методом интегрирования фототока при измерении выходной энергии лазера можно лишь в пределах 10− 2–10− 4 Дж. Диапазон измерения этого метода можно расширять, например, рассеивающим ослабителем. Яркость лазерного пучка можно уменьшить в простейшем случае ослаблением по закону обратных квадратов.
|
|
|
Излучение, диффузно отраженное от рассеивающей поверхности, падает на фотоэлемент, расположенный на расстоянии R от рассеивателя в направлении, близком к нормали. Перед катодом фотоэлемента помещена диафрагма с отверстием площадью А. Отношение энергии излучения, падающего на фотоэлемент, к энергии лазерного пучка равно Qфэ/Qл = Aρ /(2π R2), где ρ — альбедо рассеивателя на длине волны лазера. Так можно обеспечить ослабление потока до 108 раз. Ошибки при таком методе связаны, как правило, с погрешностями измерения диаметра отверстия и расстояния между фотоэлементом и рассеивателем. Если лазерная энергия измеряется под большим углом, то нужно вводить поправочный коэффициент.
При фотоэлектрическом методе измерения энергии необходимо соблюдать предосторожность. Поскольку чувствительность фотокатода неоднородна по его поверхности, необходимо, чтобы свет лазера падал на большую часть поверхности. В измерения также будут внесены ошибки, если анод затеняет катод. Этот эффект можно устранить путем ориентировки фотоэлемента или же использования другой соответствующей конструкции.
Регистрация и измерение параметров быстропротекающих световых процессов являются одной из важнейших научно-исследовательских задач, которая приобрела особую важность в связи с появлением и использованием импульсных лазеров, излучающих весьма короткие импульсы.
Сравнительно малую инерционность имеют приборы с внешним фотоэффектом — менее 10− 12 с. Однако обычные вакуумные фотоэлементы не реализуют эти возможности в силу следующих причин:
— конструктивное выполнение фотоэлемента и схемы включения настолько ограничивают полосу частот пропускания как самого фотоэлемента, так и всего канала регистрации сигнала, что фотоэлемент имеет недостаточное временное разрешение;
|
|
|
— конструктивным решением фотоэлемента ограничивается плотность фототока насыщения, отбираемого с фотокатода в линейном режиме, так как работа с малыми токами в широком диапазоне частот (1–1, 5 Гц) является нереальной технической задачей.
Рис. 3. Конструкция коаксиального фотоэлемента:
1 — входное окно; 2 — коллекторная сетка (анод); 3 — фотокатод; 4 — согласующий переход равного волнового сопротивления;
5 — корпус прибора; 6 — высокочастотный 75-омный коаксиальный разъем
Отмеченных недостатков лишены фотоэлементы коаксиальные (ФЭК). Достаточно широкая полоса регистрируемых частот обеспечена конструкцией ФЭК (рис. 3).
Фотокатод нанесен на торец конуса, образующего переход равного волнового сопротивления на кабель с ρ = 75 Ом. Необходимые конструктивные размеры могут быть найдены из следующих соображений. Временное разрешение ФЭК (длительность фронта нарастания фототока на выходе) в общем случае
где τ 1 — время пролета фотоэлектронов от фотокатода до анода; τ 2 — дисперсия фотоэлектронов по времени дохождения до анода за счет различных начальных скоростей и углового распределения (определяется расчетным путем); τ 3 — время вытекания заряда; τ 4 — инерционность фотоэмиссии. Так как инерционность эмиссии значительно меньше 10− 12 с, то этим временем можно пренебречь по сравнению с другими. При этом
где lак — расстояние от анода до катода, см; К1 — безразмерный коэффициент, учитывающий время собирания фотоэлектронов на сетчатом аноде; Uф — действующее напряжение между анодом и фотокатодом, В. Для плоской конструкции анод–катод с широкополосным коаксиальным выходом и волновым сопротивлением ρ имеем
где С — емкость анодфотокатод ФЭК, Ф; ρ — волновое сопротивление, Ом.
Какие фототоки должен обеспечить ФЭК, если нагрузкой служит, например, электронно-лучевая трубка (ЭЛТ)? Амплитуда сигнала на экране ЭЛТ может быть найдена по формуле
где I — ток фотоэлемента; S — чувствительность ЭЛТ, мм/В; ρ — волновое сопротивление кабеля, Ом.
|
|
|
Если обозначить d диаметр луча на экране ЭЛТ, то погрешность регистрации амплитуды сигнала равна
Если принять, например, d = 0, 3 мм, S = 0, 1 мм/В, то, задаваясь ∆ = 1%, получаем I = 4 А. Это означает, что по закону трех вторых при напряжении между анодом и катодом 1000 В и при расстоянии анодфотокатод 0, 2 см плотность тока составит 1, 84 А/см2. Следовательно, фототок в 4 А будет реализован уже при площади фотокатода А = 2, 2 см2.
|
|
|
