Аналіз радіовимірювальних приладів потужності оптичного випромінювання

Технічні науки/6. Електротехніка і радіоелектроніка

Деундяк М.В., д.т.н. Осадчук О.В., Деундяк O.В.

Вінницький національний технічний університет

Аналіз радіовимірювальних приладів потужності оптичного випромінювання

Потужність оптичного випромінювання P може вимірюватися в одиницях потужності (Вт) або в логарифмічних одиницях p (дБм). Для вимірювання потужності випромінювання використовують спеціальні прилади - вимірювачі оптичної потужності. Вони знаходять широке застосування у вимірювальних приладах, системах управління, медичній апаратурі, засобах зв'язку та ін. Існуючим вимірювачам потужності оптичного випромінювання притаманні певні особливості, розглянемо їх.

В [1] розглянуто приймальний пристрій теплового потоку оптичного випромінювання досліджуваного об'єкта, що містить приймач 4 з перетворювачем теплового потоку 5 в електричний сигнал, підсилювач 6 і реєструючий пристрій 3, при цьому приймач включає растровий пристрій 2 фасеточного типу у вигляді пакета горизонтально розташованих плоскопаралельних пластин, розміщеного в корпусі-каркасі у вигляді паралелепіпеда і у вигляді усіченої піраміди.

Рис. 1. Приймальний пристрій теплового потоку оптичного випромінювання досліджуваного об'єкта

Спосіб вимірювання енергетичних характеристик потужного оптичного випромінювання [2] включає поглинання оптичного випромінювання і реєстрацію теплового відгуку поглинаючого елемента, при цьому поглинання оптичного випромінювання здійснюють на матеріалі з Х-областю спектра для ізотерм випромінювальної здатності, а реєстрацію теплового відгуку поглинаючого елемента проводять на довжині хвилі в Х-області спектра з тимчасовою затримкою, яка визначається співвідношеннями , де – тривалість імпульсу випромінювання, – коефіцієнт температуропровідності матеріалу поглинаючого елемента, – товщина поглинаючого елемента.

$C:\Temp\2189568-1.tif$

Рис. 2. Прилад для реалізації способу вимірювання енергетичних характеристик потужного оптичного випромінювання

Координатно-чутливий автономний приймач оптичного випромінювання [3] включає скляну підкладку 2, фоточутливу АФН-плівку 1 (аномальної фотонапруги) з напівпровідникового матеріалу і металеві контакти 3 та напівпровідникові з'єднання у вигляді сходинкоподібної АФН-плівки з поступовим збільшенням товщини сходинок починаючи з 1 мкм.

$C:\Documents and Settings\Roma\Мої документи\Мої малюнки\0000.bmp$

Рис. 3. Координатно-чутливий автономний приймач оптичного випромінювання

Спосіб вимірювання інтенсивності розсіяного оптичного випромінювання [4] заснований на використанні явища оптичної інтерференції. Зображення досліджуваної ділянки поверхні об'єкту проектується на приймальний майданчик ПЗС-відеокамери, де інтерферують з опорним пучком, фаза якого лінійно змінюється у часі. Комп'ютерна поелементна обробка відеопослідовності інтерферограм дозволяє виділити із загального сигналу інтерференційну компоненту, що приводить, при використанні величини інтенсивності опорного випромінювання великої інтенсивності розсіяного випромінювання, до суттєвого (на порядки) зменшення похибки вимірювань в порівнянні з іншими способами.

Спосіб перетворення частоти оптичного випромінювання [5] характеризується тим, що опромінюють білим світлом прозорі частинки об’ємом близько 10^-15 см³, активовані домішковими атомами з концентрацією порядка 10²⁰-10²¹ см^-3 і закріплені у вигляді моношару на прозорій підкладці. Частинки можуть бути виконані з скла і закріплені на підкладці за допомогою оптично прозорого клею. При цьому підкладка може бути виконана гнучкою.

Рис. 4. Спосіб перетворення частоти оптичного випромінювання

В [6] розглянуто пристрій для дослідження оптичних параметрів об'єкта випромінювання. Він містить досліджуване і зразкове джерела випромінювання і монохроматор з приставленим до нього фотоприймачем. Пристрій містить надшвидкісний фотореєстратор, симетрично розташований відносно обох джерел випромінювання. При цьому зразкове джерело виконано з регульованою потужністю випромінювання та з відомим розподілом по спектру випромінювання, і в пристрої передбачені напівпрозоре дзеркало для можливості одночасного напрямку світлового потоку від зразкового джерела на фотореєстратор, монохроматор і лінза для проходження світлового потоку від досліджуваного джерела по тому ж шляху.

Пристрій для прийому і випромінювання оптичних сигналів [7] містить корпус, діелектричний хвилевід з оптично активного матеріалу, розділені між собою діелектричним шаром, і приймач випромінювання. При чому, з метою підвищення енергетичного потенціалу, корпус виконаний у вигляді аксікона з твірної типу гіперболи, за основу якого послідовно розміщені обмежені двома співвісними кільцевими відбивачами плоска діелектрична підкладка з змінними вздовж радіуса за законом формованої діаграми спрямованості показниками заломлення і прозорості та кільцевий хвилевід, до зовнішнього кільцевого відбивача якого підключено навантаження, поєднано через джерело живлення з катодом електронної гармати управління.

Лавинний фотоприймач [8] містить напівпровідниковий шар з р-n-переходом і перетворювач спектрального складу падаючого випромінювання у вигляді люмінесцентного шару. Між перетворювачем спектрального складу падаючого випромінювання і напівпровідниковим шаром виконаний шар оптично прозорого матеріалу з високим коефіцієнтом заломлення. Прилад забезпечує підвищення ефективності перетворення спектрального складу падаючого випромінювання без значних втрат чутливості фотоприймача шляхом зниження втрат, викликаних особливостями структури люмінесцентних шарів.

$C:\Documents and Settings\Roma\Мої документи\Мої малюнки\0002.bmp$

Рис. 5. Лавинний фотоприймач

В [9] подано спосіб реєстрації оптичного випромінювання з взаємоподібними тимчасовими змінами інтенсивності шляхом вимірювання інтервалів часу, з метою підвищення точності при реєстрації випромінювання з великою постійною складовою, інтервали часу змінюють між початком зміни і більшістю фотонів, які з'являються за досліджуваний інтервал.

В [10] розглядають пристрій для виявлення та діагностування джерел оптичного випромінювання. Він містить панорамний дзеркальний об'єктив з числовою апертурою більше 0,5, кутове поле зору 360° по горизонту і не менше -5°...+25 по вертикалі, від’ємну дисторсію не менше 50%, фотоприймальний пристрій, блок аналізу сигналів, який виконаний з можливістю здійснення вимірювання амплітуд, тривалостей і періодів сигналів, випромінюваних джерелами оптичного випромінювання. Переваги приладу полягають у спрощенні оптичного тракту, збільшення робочого спектрального діапазону, збільшення чутливості, забезпеченні можливості вилучення інформації про оптичні джерелах випромінювання в кутовому полі зору 360° по горизонту і не менше (-5...+25)° по вертикалі, забезпеченні можливості вилучення із сигналів часової інформації та забезпеченні діагностики спектральних характеристик джерел.

$C:\Documents and Settings\Roma\Мої документи\Мої малюнки\0003.bmp$

Рис. 6. Пристрій для виявлення та діагностування джерел оптичного випромінювання

В джерелі [12] розглянуто пристрій виявлення оптичного випромінювання. Його перевага полягає в зниженні ймовірності помилки виявлення оптичного випромінювання від точкових джерел. Для цього в пристрій, що містить приймальну оптичну систему, n×p-елементний фотоприймач, n×р каналів обробки сигналів, кожен з яких складається з послідовно з'єднаних передпідсилювача і порогового пристрою, виходи кожних р з n×p каналів з'єднані з р-входовою схемою «І», а виходи n р-входовою схемою «І» з'єднані з n-входовою схемою «АБО», додатково введені між приймальною оптичною системою та n×р - елементним фотоприймачем, які оптично зв'язані між собою оптична щілина, коліматор, диспергуючий елемент, вихідний об'єктив.

$C:\Documents and Settings\Roma\Мої документи\Мої малюнки\0005.bmp$

Рис. 7. Пристрій виявлення оптичного випромінювання

Давач оптичного випромінювання і система контролю оптичного випромінювання з його використанням наведено в [13]. Давач оптичного випромінювання (ОВ) виконаний у вигляді «сендвіч» структури шарів сегнетоелектрика і напівпровідника. Сегнетоелектрична плівка «сандвіч» структури виконана з поляризованого нелегованого матеріалу, а напівпровідникова плівка «сандвіч» структури виконана з уніполярного матеріалу, причому знак поверхневого заряду сегнетоелектричної плівки збігається зі знаком заряду основних носіїв напівпровідникової плівки. Система контролю оптичного випромінювання містить описаний вище давач ОВ, блок обробки інформації і джерело електричного живлення, один полюс якого приєднаний до сегнетоелектричної плівки. У зовнішньому електричному колі встановлено комутатор, контролер, фазовий дискримінатор і елемент І. Ділянки напівпровідникової плівки підключені до блоку обробки інформації через комутатор, другий полюс джерела живлення підключений через комутатор до електродів напівпровідникової плівки з утворенням кола обнулення давача.

Рис. 8. Система контролю оптичного випромінювання

Спосіб вимірювання енергії оптичного і НВЧ-випромінювання [11] включає введення випромінювання в герметичну комірку, заповнену поглинаючим випромінювання газом. Через цей газ пропускають акустичні сигнали, вимірюють викликану поглинанням випромінювання зміну швидкості проходження цих акустичних сигналів через поглинаючий газ, за величиною зміни швидкості акустичних сигналів визначають енергію оптичного та НВЧ-випромінювання.

В [14] розглянуто термоелектричний приймач, який містить приймальний елемент, виконаний з сапфіра. Елемент забезпечений додатковим поглинаючим шаром з боку, протилежного випромінювання, у вигляді металевої плівки зі сплаву на основі нікелю. Поглинаючий шар покритий прозорим захисним плівковим покриттям, на якому по периферії приймального елемента розташовані секції термопар з рівними проміжками між ними. Холодні спаї термопар поміщені в термостат, всі елементи приймача розташовані в термостабілізовані корпусі. Пристрій забезпечений обмоткою заміщення, яка встановлена на периферії приймального елемента з боку випромінювання і виконано у вигляді з'єднаних груп електричних нагрівачів, розміщених на приймальному елементі навпаки зазначених проміжків між секціями термопар термобатареї.

Список використаних джерел:

1. Пат. 97832 Российская Федерация, МПК⁷ G01S3/78 (2006.01). Приемное устройство теплового потока оптического излучения исследуемого объекта / Куприн В. А. (RU); Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Челябинский государственный университет" (ГОУВПО "ЧелГУ") (RU);. – № 2009149545/22, заявл. 30.12.2009; опубл. 20.09.2010, Бюл. № 16.

2. Пат. 2189568 Российская Федерация, МПК⁷ G01J5/58. Способ измерения энергетических характеристик мощного оптического излучения / Филиппов О.К.; Дмитриев Е.И.; Гурьев А.П.; Роговцев П.Н.,; Министерство Российской Федерации по атомной энергии, Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем";. – № 2001119155/28, заявл. 10.07.2001; опубл. 20.09.2002, Бюл. № 16.

3. Пат. 2246779 Российская Федерация, МПК⁷ H01L31/09. Координатно-чувствительный приемник оптического излучения / Рахимов Н.Р. (RU); Серьезнов А.Н. (RU); ФГУП Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А. Чаплыгина (RU);. – № 2003132158/28, заявл. 03.11.2003; опубл. 20.02.2005, Бюл. № 4.

4. Пат. 2242745 Российская Федерация, МПК⁷ G01N21/47. Способ измерения интенсивности рассеянного оптического излучения / Андреев В.И. (RU); Макшанцев Б.И. (RU); Моисеев С.В. (RU); Рукин Е.М. (RU); Андреев В.И. (RU); Макшанцев Б.И. (RU); Моисеев С.В. (RU); Рукин Е.М. (RU); – № 2003103762/28, заявл. 30.12.2009; опубл. 10.02.2003, Бюл. № 24.

5. Пат. 2263938 Российская Федерация, МПК⁷ G02F1/00. Способ преобразования частоты оптического излучения / Гадомский О.Н. (RU); Кадочкин А.С. (RU); Гадомский О.Н. (RU); Кадочкин А.С. (RU);. – № 2004114528/28, заявл. 12.05.2004; опубл. 10.11.2005, Бюл. № 22.

6. Пат. 2270983 Российская Федерация, МПК⁷ G01J3/30 (2006.01). Устройство для исследования оптических параметров объекта излучения / Омаров О. А. (RU); Эльдаров Ш. Ш. (RU); Рамазанова Аида Алиевна (RU); Дагестанский государственный университет (RU). – № 2004118478/28, заявл. 18.06.2004; опубл. 27.02.2006, Бюл. № 4.

7. Пат. 728518 Российская Федерация, МПК⁷ G02B6/10. Устройство для приема и излучения оптических сигналов / Паринский А.Я.; Войницкий В.Ю.; Паринская Р.М.; Тульский политехнический институт;. – № 2655736/25, заявл. 14.07.1978; опубл. 10.08.1999, Бюл. № 16.

8. Пат. 728518 Российская Федерация, МПК⁷ G02B6/10. Устройство для приема и излучения оптических сигналов / Паринский А.Я.; Войницкий В.Ю.; Паринская Р.М.; Тульский политехнический институт;. – № 2655736/25, заявл. 14.07.1978; опубл. 10.08.19999, Бюл. № 16.

9. Пат. 692331 Российская Федерация, МПК⁷ G01J3/42. Способ регистрации оптического излучения с взаимоподобными временными изменениями интенсивности / Артемьев Э.Т.; Акимов А.В.; Беренфельд В.М.; Шелепчиков А.С.; Артемьев Э.Т.; Акимов А.В.; Беренфельд В.М.; Шелепчиков А.С. – № 2188742/25, заявл. 11.11.1975; опубл. 20.07.1999, Бюл. № 14.

10. Пат. 2315393 Российская Федерация, МПК⁷ H01L31/0232 (2006.01). Лавинный фотоприемник с расширенным спектральным диапазоном регистрации оптического излучения / Головин В. М. (RU); Мусиенко Ю. В. (RU); МакНалли Дэвид (FR); Головин В. М. (RU); Мусиенко Ю. В. (RU); МакНалли Дэвид (FR). – № 2006109981/28, заявл. 29.03.2006; опубл. 20.01.2008, Бюл. № 22.

11. Пат. 2237916 Российская Федерация, МПК⁷ G02B6/04. Устройство для преобразования потока оптического излучения / Кумахов М.А. (RU); Кумахов М.А. (RU). – № 2002133435/28, заявл. 14.06.2002; опубл. 10.10.2004, Бюл. № 20.

12. Пат. 2276382 Российская Федерация, МПК⁷ G01S3/78 (2006.01) H04B10/06 (2006.01). Устройство обнаружения оптического излучения / Горблюк И. В. (RU); Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого (RU));. – № 2004132093/09, заявл. 04.11.2004; опубл. 10.05.2006, Бюл. № 10.

13. Пат. 2312372 Российская Федерация, МПК⁷ G01S17/66 (2006.01) G02B23/12 (2006.01) F41G7/26 (2006.01). Устройство для обнаружения и диагностирования источников оптического излучения / Горелик Л. И. (RU); Морозов А. М. (RU); Пономаренко В. П. (RU); Филачев А. М. (RU); Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО "ОРИОН" (RU);. – № 2005127743/28, заявл. 05.09.2005; опубл. 10.12.2007, Бюл. № 24.

14. Пат. 2281585 Российская Федерация, МПК⁷ H01L31/10 (2006.01). Датчик оптического излучения и система контроля оптического излучения с его использованием / Афанасьев П. В. (RU); Афанасьев В. П. (RU); Панкрашкин А. В. (RU); Афанасьев П. В. (RU); Афанасьев В. П. (RU); Панкрашкин А. В. (RU);. – № 2005120478/28, заявл. 30.06.2005; опубл. 10.08.2006, Бюл. № 16.