ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ; ОПТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

12-1. основные свойства оптического излучения

и область применения оптоэлектрических преобразователей

Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, длина которых лежит в диапазоне 0,001—1000 мкм. Оптический спектр делится на поддиапазоны, показанные на рис. 12-1, а, где приведены длины волн % и частоты электромагнитных колебаний v = elk (с — = 2,998» 10⁸ м/с — скорость света в вакууме).

Оптический диапазон

Видимый свет 0,78

Инфракрасное излучение

100

10 ^г

Рис. 12-1

Системы энергетических и фотометрических величин. Для описа­ния оптических явлений применяют три системы величин: энергети­ческую, световую (фотометрическую) и квантовую. В квантовой системе величин свет рассматривается как поток частиц — квантов, энергия которых составляет w_K = hv_t где h = 6,6256-10"³⁴ Дж-с — постоянная Планка. Кванты видимого света обладают энергией 2—5 эВ.

Основной величиной энергетической и фотометрической систем является поток излучения Ф, определяемый в системе энергетических величин в ваттах, а в системе световых (фотометрических) величин — в люменах. Световые величины используются для оценки излучения по производимому им световому ощущению, т. е. по реакции челове­ческого глаза, и связь между энергетическими и световыми величи­нами устанавливают через спектральную чувствительность глаза Зависимость относительной спектральной чувствительности глаза Кх = W(W)max от длины волны называют кривой видности (рис. 12-1, б). Для нормального глаза Кх = 1 при К = 0,555 мкм.

Если известна функция распределения мощности излучения по длинам волн Рк (спектральная плотность излучения), то видимый

световой поток в люменах равен

о,8

Ф = 683 $ КъРх Л. (12-1)

0,4

Как следует из приведенной формулы, световому потоку 1 лм соот­ветствует разная мощность в зависимости от спектрального состава света; в области максимальной чувствительности эквивалент энерге­тического потока равен 683 лм/Вт.

Основные энергетические и световые величины, а также их гра­фическое изображение, обозначения и единицы представлены в табл. 12-1. Однако если для характеристики оптических явлений нет необходимости в указании конкретных единиц, то часто пользу­ются общим понятием «интенсивность света», под которым может подразумеваться поток, сила света, яркость и т. д.

Основные законы теплового излучения. На рис. 12-2, а приве­дены кривые спектральной светимости абсолютно черного тела (АЧТ). Связь между излучением АЧТ и его температурой определяется сле­дующими основными законами.

Закон Стефана—Больцмана определяет связь между энергетиче­ской светимостью R АЧТ и его температурой: R = оГ⁴, где о = — 5,6697-10~⁸ Вт/(м²-К⁴)— постоянная Стефана—Больцмана.

Закон Планка дает качественную характеристику лучистого по­тока, указываяj как распределяется энергия излучения АЧТ по дли­нам волн; {К Т) = С^-⁵{ехр [C₂/{Tk)] — I}'¹, где С_г = 3,7415 X X 1(Г¹⁶ Вт-м²; С₃ = 1,4388-10"² м-К.

Закон Голицина — Вина позволяет определить длину волны излу­чения АЧТ, соответствующую максимуму кривой jR* (k, Т)\ ^_тах = = 2898/Г, мкм.

Реальный тепловой излучатель характеризуется коэффициентом излучения (коэффициентом черноты) е = / который показывает, какую часть энергетическая светимость R данного тела составляет от энергетической светимости АЧТ при той же температуре.

Фундаментальные законы излучения позволяют использовать оптические методы для бесконтактного измерения температуры АЧТ, а при Известном коэффициенте е — и для измерения температуры любого реального тела.

Излучение веществ в газообразном и парообразном состоянии. Так как атомы и молекулы газа характеризуются строго индивидуаль­ным и дискретным набором возможных значений внутренней энер­гии Ei, то газы и пары обнаруживают значительное поглощение (а следовательно, и излучение) только на резонансных частотах Vi = EJh или при длинах волн 5W = Нс!Е_г и характеризуются линей­чатыми спектрами поглощения и" излучения. В качестве примера на рис. 12-2, б показан видимый спектр излучения паров кадмия.

Длины волн излучения некоторых элементов характеризуются весьма высокой стабильностью и воспроизводимостью (до 10~⁸), что позволяет использовать их в качестве образцовых мер длины (крас­ная линия кадмия, оранжевая линия криптона).

Законы распространения излучения. Свет распространяется в среде со скоростью v_x = с!п_у где п — оптическая плотность среды (пока­затель преломления). Показатель преломления воздуха п = 1,0003, поэтому скорость света в атмосфере незначительно отличается от ско­рости света в вакууме. Постоянство скорости света в вакууме (и с неко­торым приближением в атмосфере) используется для измерения рас­стояний. При измерениях больших расстояний измеряется время, необходимое для прохождения светом расстояния до объекта изме­рения и обратно (световые локаторы и светодальномеры). Малые рас­стояния сравниваются с длиной световой волны посредством фазовых или интерференционных методов.

Поглощение света в веществе описывается законом Бугера — Ламберта I = где /₀ и / — интенсивности плоской моно­

хроматической волны на входе в слой поглощающего вещества тол­щиной / и на выходе из него; — удельный показатель поглоще­ния, численно равный толщине слоя вещества, после прохождения которого интенсивность света уменьшается в е = 2,718 раза. Пока­затель поглощения \.\,-_А зависит от длины волны (селективность, или избирательность, поглощения). У «прозрачных» веществ в видимой области спектра рл, составляет от 10~³ м^-1 (воздух) до 1 м"¹ (стекло).

Рассеяние света сопровождается изменением направления рас­пространения света и проявляется как несобственное свечение ве­щества. Потери света в результате рассеяния могут быть выражены зависимостью / = где Ь. — коэффициент экстинкции.

Изменение интенсивности света в зависимости от толщины слоя, а также селективность поглощения и рассеяния лежат в основе дей­ствия ряда оптических преобразователей, предназначенных для рпределения толщины, уровня, концентрации, структуры и хими­ческого состава вещества.

Отражение и преломление света имеют место на границе раз­дела двух прозрачных сред (рис. 12-3). Между углами падения <р_х, преломления <р₂ и отражения <р₃ существует простая связь: ф_х = <р₃;

sm ф^! — sin <p₂n₂, где п_г и rc₂ — коэффициенты преломления сред, до и после границы раздела.

Измеряя углы падения и преломления, можно определить коэф­фициенты преломления веществ (рефрактометрия). Интенсивность отраженного света позволяет оценить состояние поверхности (шеро­ховатость, помутнение при выпадении росы и т. д.).

Основные свойства оптического излучения. Электромагнитные волны оптического диапазона, как и любые электромагнитные волны.

являются волнами поперечными и харак­теризуются взаимно перпендикулярными векторами Ей Н электрического и.магнит­ного полей, которые изменяются синхрон­но в плоскости, перпендикулярной к на­правлению распространения волн. Ско­рость распространения света в вакууме является фундаментальной физической кон­стантой: с = 2,998- Ю⁸ м/с.

В большинстве процессов взаимодей­ствия оптического излучения более важ- Рис. 12-3 ную роль играет вектор Е, поэтому услов­

но принято рассматривать для волн опти­ческого диапазона только электрический вектор Е. В частности, ин­тенсивность света, пропорциональная мощности излучения, опреде­ляется для излучения с частотой v = ИТ как -

1 / 2nt \12 'Е*

/ = у J [^sin(— + cpJJ = (12-2)

Оптическое излучение складывается из элементарных актов излу­чения атомами или молекулами, из которых состоит источник, отдель­ных порций — цугов — электромагнитных волн. Каждый атом или молекула излучает цуг волн в течение промежутка времени по­рядка 10~⁸ с. Протяженность цуга имеет порядок 10⁷ длин волн. В первом приближении каждый цуг можно считать квазимонохро- матичным. Однако волны спонтанно излучаемых цугов могут иметь произвольные начальные фазы колебаний, различные частоты коле­баний и различные направления колебаний вектора Е. При времени наблюдения, намного большем времени излучения цуга (/_набл ^ 10~⁸с), электромагнитное излучение оптического диапазона является супер­позицией волн отдельных цугов. Согласованность колебаний отдель­ных цугов характеризует монохроматичность, когерентность и поля­ризован ность излучения.

Монохроматичным называется излучение, для которого вектор Е колеблется с одной и той же частотой v₀ или все колебания имеют одну и ту же длину волны Степень монохроматичности характе­ризуется шириной оптической спектральной линии Av₀ (рис. 12-4, а). Наиболее близко к идеально монохроматичному излучение лазеров, для которых Av₀ ^ 10³ Гц.

Когерентными называются колебания, разность фаз между кото­рыми постоянна. Временная когерентность определяется длитель­ностью цуга электромагнитных волн. Если представить, что пучок света от точечного источника S (рис. 12-4, б) разделяется на два пучка 1 и 2 и собирается в точке Р, то для колебаний, относящихся к одному цугу, фазовый сдвиг между колебаниями в пучках 1 и 2 в точке Р будет определяться только разностью ходов этих пучков. Если разность ходов велика, то в точке Р складываются колебания, относящиеся к разным цугам, и фазовый сдвиг между ними становится случайной величиной.

Когерентность излучения однозначно связана с его монохрома­тичностью и характеризуется временем когерентности At или дли­

ной когерентности L = с At. Время когерентности определяется как At = и соответствует отрезку времени, за который фаза коле­баний изменяется на 2л радиан. Например, излучение = 0,5 мкм с шириной линии АХ₀ = 0,5-10~⁶ мкм характеризуется временем когерентности

д/-_ h/c. _ 0,5-Ю-"-0,6-IP-*, _{7 1П}__9р ДЯоАо 0,5 • 10-и. з. Ю8 — ^

и длиной когерентности L = с At = 0,5 м.

Поляризованность света характеризуется способностью вектора Е сохранять неизменной свою ориентацию в пространстве. Если на­правление колебаний вектора Е бессистемно и, следовательно, любая его ориентация в плоскости, перпендикулярной к направлению рас­пространения волны, равновероятна, то такой свет называют непо- ляризованным или естественным. Если колебания вектора Е фик­сированы строго в одной плоскости (рис. 12-5, а), то свет называ­ется линейно поляризованным. Удобно графически изображать поля­ризованный свет в виде проекции конца колеблющегося вектора Е на плоскость хОу, перпендикулярную лучу Проекционная картина линейно поляризованного света с азимутом поляризации а пока­зана на рис. 12-5, б. Если по одному направлению распространяются две линейно поляризованные волны Е_г и Е₂ длиной то вид поля­ризации суммарной волны может быть различным. Если азимут поляризации обеих волн одинаков, то результирующая волна будёт линейно поляризована с тем же азимутом. Если азимуты различны, то вид поляризации суммарной волны зависит от сдвига фаз <р между слагаемыми волнами.

На рис. 12-5, в показан результат сложения перпендикулярно поляризованных волн, совпадающих по фазе; в этом случае сум­марная волна будет линейно поляризована. На рис. 12-5, г показан результат сложения перпендикулярно поляризованных волн при

циркулярно поляризованной или поляризованной по кругу, так как проекция конца вектора Es на плоскость хОу представляет собой окружность. При произвольном сдвиге фаз, а также при ср — я/2, но сложении волн с различными амплитудами конец вектора Ея будет описывать эллиптическую винтовую линию, а проекционная картина изобразится в виде эллипса.

Свет подавляющего большинства источников является естествен­ным или частично поляризованным. Дополнительную поляризацию свет получает при отражении от прозрачных поверхностей и при преломлении. Таким образом, свет солнца, прошедший через стекло, уже является частично поляризованным. Наиболее эффективная поляризация имеет место при прохождении света через оптически- анизотропные среды, на основе которых изготовляются поляриза­торы и анализаторы света, позволяющие произвести разделение световых волн с разными азимутами поляризации. Пример такого устройства показан на рис. 12-6.

Неполяризованное излучение от источника ИС попадает на оп­тический элемент Р1, называемый поляризатором. Из всех возможных направлений колебаний светового вектора Е поляризатор выделяет только те колебания, которые совпадают с направлением пропуска­ния поляризатора. На рис. 12-6 это направление совпадает с направ­лением оси Оу. После поляризатора линейно поляризованное коле­бание Е_г = Е_т sin 2nvt попадает на объект О, обладающий оптиче­ской анизотропией, которая проявляется в том, что коэффициенты преломления п_г и п₂ и, следовательно, скорости v_x — с/п_г и v₂ = с!п₂ распространения световых волн, направления поляризации которых совпадают с осями х_л и у_1г различны. При повороте объекта О так,

ствие объекта проявляется в разложении вектора Е_г на два век­тора Е₂ и Е_3у направленных по собственным осям*! и у_± объекта, и в возникновении между колебаниями Е₂ и Е₃ разности хода Д = d{n_x—п₂), где d — толщина объекта, вследствие того, что скорости рас­пространения перпендикулярно поляризованных колебаний Е₂ и Е₃ в объекте не равны между собой. При этом можно записать, что Е₂ = = Е_т cos a sin 2nvt\ Е₃ = Е_т sin a sin (2 nvt + 2 л ДА) ~Е_т sin а х X sin (2зxvt + 2яГ_л), где а — угол между направлением пропускания поляризатора Р1 и осью Ох_г объекта; Г — разность фаз в единицах длины волны, называемая волновой разностью фаз. Колебания Е₂ и £₃ в сумме дают эллиптически поляризованный свет, который по­падает на оптический элемент Р2 (аналогичный Р1), называемый анализатором. Предположим, что ось пропускания анализатора Р2 повернута относительно оси поляризатора Р1 на 90°. Тогда через анализатор проходят только те составляющие колебаний Е₂ и п з, которые совпадают с направлением оси Ох пропускания Р2: Е₄ = = Е_т cos a sin a sin 2jivt и Е_ъ = Е_т sin а cos а sin (2nvt + 2лД А). На выходе Р2 имеем колебание Е₆, равное разности колебаний Е₄ и Е_ь, а именно Е₆ = 0,5£_m sin 2а [sin 2nvt — sin (2nvt + 2лДА)].

Глаз и другие фотоприемники реагируют на интенсивность света I = Ё1, т. е. на усредненный по времени квадрат напряженности E_G электрического поля световой волны, поэтому окончательно имеем

/ = /₀ sin² 2а sin² зхДД. (12-3)'

У

При оптимальной установке объекта, когда а — эх/4, интенсив­ность света на выходе поляризационно-оптической системы будет зависеть от разности хода как / = 0,5/_о (1 — cos 2лДА,).

Оптическая анизотропия, вызывающая двойное лучепреломление, возникает в прозрачных изотропных телах под действием механиче­ских напряжений, электрического и магнитного поля, что позволяет на основе этих эффектов разрабатывать оптоэлектрические преобра­зователи для измерения механических величин, электрических на­пряжений и магнитных полей. При действии механических напря­жений ' разность коэффициентов преломления п_х — п₂ = ко про­порциональна напряжению о и константе фотоупругости к. Для раз­личных сортов стекла значение к составляет к — (0,2 -=- 0,3) 10"¹¹ м²/Н.

Возникновение двухлучепреломленкя под действием электриче­ского поля, направление которого перпендикулярно распростране­нию света, называется эффектом Керра. Волновая разность фаз, возникающая вследствие эффекта Керра, определяется как Г — BdE², где Е — напряженность поля; В — постоянная Керра; d — толщина элемента. Наибольшее значение # = 393-10~¹⁴ м/В² (при © = 20 °С и К = 0,546 мкм) имеет нитробензол.

Наряду с квадратичным электрооптическим эффектом Керра существует линейный эффект Поккельса, который заключается в из­менении коэффициента преломления под действием электрического поля, приложенного в направлении хода луча. Наиболее ощутимо эффект наблюдается для пластин Z-среза из дигидрофосфата аммо­ния (АДР) и дигидрофосфата калия (КДР). Напряжение полувол­нового смещения (т. е. напряжение, при котором Г = 1/2) для КДР равно 8 кВ, для АДР — 10 кВ. С использованием эффекта Керра и эффекта Поккельса могут быть построены высоковольтные вольт­метры и модуляторы света.

Оптическая анизотропия появляется и под действием магнитного поля (эффект Коттона — Мутона), однако применения в измеритель­ных целях эффект пока не находит.

В некоторых веществах плоскость колебаний проходящего через них света поворачивается. Эти вещества называются оптически актив­ными. Явление оптической активности используется при построе­нии концентратомеров. Одним из наиболее широко распространен­ных веществ, обладающих оптической активностью, является раствор сахара.

Вращение плоскости поляризации для некоторых веществ про­исходит также под действием магнитного поля (магнитооптический эффект Фарадея), Угол поворота плоскости поляризации

ф = (12-4)

где Сх — постоянная Верде; I — длина пути светового луча в ве­ществе. Специальные сорта стекла имеют постоянную Верде С\ ~ «10"⁴ рад/А.

Интерференция. Проблемой оптических измерений является изме­рение разности фаз между колебаниями вектора Е_у частота которых лежит в диапазоне 10¹⁴ — 10¹⁵ Гц. В настоящее время никакой детек­тор света не успевает откликаться на такие быстрые колебания и эталоном сравнения может служить только сама волна света, т. е. интерференционная картина, возникающая при сложении в одной точке пространства двух световых пучков. При сложении света двух неза­висимых источников, дающих равные освещенности в данной точке, освещенность удваивается. Иначе обстоит дело, если складываются два луча одного источника.

Пусть в одну точку пространства в одном направлении прихо­дят две монохроматические волны, колебания которых лежат в одной.плоскости и периоды одинаковы: Е_1К = Е_тЛ sin (2ntlT -}- <р_х) и Е_2К — = Е_т2 sin (2ut!T + <р₂)-

Интенсивность результирующего излучения согласно выраже­нию (12-2) равна

/ = у | [E_ml sin (2 nt/T + ф₃) + Е_т2 sin (2nt/T + ф,)]² dt =

= 0,5 + Е%₂ + 2Е_т1Е_т2 cos (_ф1 ~ ф₂)] (12-5)

и может изменяться в зависимости от разности фаз между колеба­ниями от 0,5 (Е_т1 — E_m2f при ф_г — ф₂ = п до 0,5 (Е_т1 + Е_т2)² при ф! — ф₂ = 0. При равенстве интенсивностей 1_Х = /₂ = /₀ = = Е%/2 двух складывающихся колебаний результирующая интенсив­ность изменяется от 0 до 4/₀, как пока­зано на рис. 12-7.

Если две интерферирующие волны имеют одинаковые начальные фазы, то разность фаз между ними определяется формулой

_ф1 — ф₂ — 2зт (Xjtii — я₂н₂)А = 2пА/Х, ° ^% * ^{2% Зя}

Рис. 12-7

где х_г и х₂ — расстояния, проходимые первой и второй волнами до места встре­чи, т. е. до поля интерференции; п_г и п₂ — показатели преломле­ния первой и второй сред, через которые проходят волны; А — оп­тическая разность хода. Если волновая разность фаз Г — ДМ равна целому числу, то наблюдается максимум освещенности; при Г = = 1/2, 3/2 и т. д., —минимум освещенности. При Г=1 имеет место первый интерференционный максимум, при Г = 2 — второй и т. д.

Как видно из выражения для разности хода Д = х_гп_х — х₂п.₂, интерференционная картина меняется при изменении показателей преломления и при изменении длин пути. Эти обстоятельства поз­воляют использовать явление интерференции в приборах для изме­рения перемещений, сравнимых по значению с длиной волны, и в при­борах, включающих в себя поляризационные устройства.

Голограмма является аналогом фотонегатива в голографии. Ин­формация об удаленности точек предмета регистрируется в гологра-* фии по величине запаздывания лучей от разных точек предмета. Простейшая схема получения голограммы показана на рис. 12-8, а. В плоскости негатива 3 создается интерференционная картина, кото­рая образуется путем добавления к исходной волне предметного пучка ПП света опорного пучка 0/7. Оба пучка создаются лазером Л, освещающим зеркало / и предмет 2. Если волны строго когерентны и в оптической системе не происходит вращения плоскости поляри­зации света, то возникает интерференционная картина, которая содержит полную информацию как об амплитуде, так и о фазе пред­метного пучка и может быть зафиксирована на фотографической пластинке 3. Проявленная фотопластинка с зарегистрированной на ней интерференционной картиной называется голограммой. Для

Рис. 12-8

того чтобы восстановить предметную волну, необходимо направить на голограмму волну света, совпадающую с опорной волной, исполь­зованной при записи голограммы. Восстановленное изображение (рис. 12-8, б) является копией исследуемого объекта. Голография широко применяется как метод физических исследований. В част­ности, голография позволяет производить исследования вибрацион­ного состояния тела. Если объект вибрирует во время экспозиции и длительность экспозиции превышает период колебаний, то на голо­грамме будут зарегистрированы волны, рассеянные этим объектом во всех состояниях, которые он последовательно проходит. Вклад в общую экспозицию различных положений объекта будет опреде­ляться скоростью, с которой объект проходит через эти положения. Минимальную скорость объект имеет в крайних положениях, соот­ветствующих амплитудным значениям виброперемещений. Таким образом, вклад этих двух состояний в экспозицию будет максимален и приближенно можно рассматривать голограмму как соответствую­щую двум амплитудным положениям объекта, т. е. как голограмму, полученную методом двух экспозиций. При восстановлении голо­граммы изображение предмета окажется перерезанным интерферен­ционными полосами, которые дадут представление о характере дви­жения различных точек объекта. Точки, для которых разность хода предметных волн в амплитудных положениях объекта составляет

_:нечетное число полуволн, дадут минимумы интенсивности и будут соответствовать серединам темных полос. Точки, для которых раз­ность хода составляет четное число полуволн, будут соответствовать серединам светлых полос. Максимальную яркость имеют неподвиж­ные точки.

Интенсивность светлых полос убывает по мерке увеличения ампли­туды колебаний. Причина уменьшения интенсивности заключается в том, что в предметном пучке, отраженном от движущейся точки, происходит уширение спектра излучения АК по сравнению с опор­ным пучком. Это уширение, определяемое эффектом Допплера, будет тем больше, чем больше скорость движения точки, т. е. при задан­ной частоте колебаний чем больше амплитуда колебаний точки. Соответственно уменьшается время экспозиции, в течение которого точку можно считать условно неподвижной.

Для расширения возможностей метода голографического иссле­дования производится ряд усовершенствований. Ценность метода заключается в том, что он позволяет в реальном времени получить вибрационное поле значительной части объекта без механического или электрического контакта с ним.

12-2. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Б измерительных преобразователях в качестве источников излучения исполь­зуются лампы накаливания, газоразрядные лампы, светодиоды и лазеры. Основными характеристиками источников излучения являются характер свечения (непрерыв­ный или импульсный), спектральный состав излучения, мощность излучения (свето­вой поток, сила света, яркость), потребляемая мощность (напряжение и ток пита­ния), габариты.

Лампы накаливания имеют непрерывный спектр излучения, охватывающий видимую и инфракрасную области. Мощность излучения ламп накаливания относи­тельно невелика, спектральный состав и интенсивность свечения зависят от темпе­ратуры нити, определяемой напряжением и током питания. Характер свечения непрерывный. Параметры некоторых ламп накаливания, применяемых в измери­тельных приборах, представлены в табл. 12-2.

Газоразрядные лампы представляют собой кварцевый или стеклянный баллон, заполненный газом, с впаянными токоведущими электродами. Электрический разряд в газовом промежутке сопровождается интенсивным световым излучением Газораз­рядные лампы подразделяют на лампы непрерывного свечения и импульсные, сила света во вспышках которых достигает 10⁸ кд. Газоразрядные лампы имеют линей­чатый спектр излучения. К недостаткам газоразрядных лама относятся большие.: габариты и сложность схем включения. Параметры некоторых газоразрядных ламп., приведены в табл. 12-3.

Лазеры. В настоящее время применяются газовые (ГОСТ 23202—78), твердо­тельные и полупроводниковые (ГОСТ 17490—77) лазеры. В состав лазера обычно входят излучатель и блок питания, а также могут входить блок автоматики и вспо­могательные устройства.

Параметры излучения зависят от излучателя, а также от режима излучения лазера, который может быть непрерывным, импульсным и режимом одиночных импуль­сов. При импульсном (пульсирующем) режиме излучение лазера происходит в виде регулярной последовательности импульсов с частотой /, причем длительность импуль­сов гораздо меньше периода их повторения. В режиме одиночных импульсов длитель­ность импульса обычно не превышает 10~³с, а промежутки между ними достигают десятков минут.

Максимальная мощность излучения достигается в режиме одиночных импуль­сов и для твердотельных лазеров составляет десятки мегаватт. В измерительной технике наибольшее pacnpociранение получили газовые лазеры, излучение которых отличается высокой степенью монохроматичности и поляризованное!и. Технические характеристики некоторых гелий-неоновых газовых лазеров (длина волны излуче­ния 0,6328 мкм) приведены в табл. 12-4.

Светодиоды представляют собой излучающий р-п-переход. В настоящее время наибольшее распространение получили арсенидно-галлиевые светодиоды полусфери­ческой конструкции (диаметр излучающей полусферы 1,4 мм), максимум интенсив­ности излучения которых соответствует длинам волн 0,92—0,96 мкм, ширина спек­тральной линии 20—70 нм. Процессы включения и выключения светодиодов опре­деляются постоянными времени 1СГ⁸—10~⁹ с, и светодиоды могут использоваться как в режиме постоянного свечения, так и в импульсном режиме. Характеристики светодиодов зависят от температуры: при повышении температуры уменьшается мощ- ноеть излучения (примерно 0,01 К"¹) й сдвигается в сторону больших длин волн максимум интенсивности излучения (около 0,3—2 нм/К).

Достоинствами полупроводниковых светодиодов являются высокий КПД, воз­можность модуляции излучения по произвольному закону путем управления воз­буждающим током, малые габариты, возможность согласования с интегральными схемами, высокая надежность.

Параметры серийно выпускаемых светодиодов приведены в табл. 12-5.

12-3. ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Диапазон длин волн, в котором приемники излучения обладают постоянной чувствительностью, позволяет подразделить их на две группы: интегральные и селек­тивные приемники.

К интегральным относятся тепловые преобразователи, принцип действия кото­рых основан на преобразовании энергии излучения в температуру. Тепловые прием­ники поглощают всю мощность падающего на них излучения независимо от длины волны излучения.

К селективным относятся фотоэлектрические преобразователи (ФП), в которых используются явления внешнего или внутреннего фотоэффекта: вакуумные и газо­наполненные фотоэлементы, фотоумножители, фоторезисторы, фотодиоды и т. д.

Тепловой приемник представляет собой тонкий металлический диск 1 н термо­чувствительный элемент 3, измеряющий температуру диска (рис. 12-9, а).

Диск /, покрытый слоем черни 2, поглощающим падающее на него излучение, нагревается до температуры, при которой мощность, рассеиваемая излучением, тепло­проводностью и конвекцией (см. § 11-1), будет равна поглощаемой мощности. Коэф­фициент поглощения черненой поверхности мало отличается от единицы в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного излучения. Таким образом, выходная вели­чина приемника пропорциональна интегральной мощности Р_х падающего па его приемную площадку излучения и не зависит от спектрального состава этого излу­чения.

В ряде случаев преобразователь излучения не имеет специального диска и пред­ставляет собой плоскую полоску из двух различных металлов, образующих термо­пару, либо тонкую полоску из металла или полупроводника, изменяющую свое сопротивление в зависимости от температуры. Преобразователи с изменяющимся сопротивлением называются болометрами.

Для уменьшения конвективных потерь преобразователь излучения помещают в вакууме (при откачивании воздуха в баллоне до 10~²Па чувствительность воз­растает более чем в 10 раз). В корпусе преобразователя делается окно из кварца, прозрачного для инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Площадь элемента, воспринимающего излучение, не должна превышать площади сечения падающего nv4i<a лучей и в зависимости от поставленной задачи может составлять 0,1—-10⁴ мм².

Преобразователь мощности излучения в температуру является апериодическим, звеном, коэффициент преобразования которого и постоянная времени при наличии' только потерь на излучение определяются из уравнения теплового баланса (см. § 1 1-П cdQ/dt + 4е₂а Tf_}©S₂ = 8j пу₀5, как

k=Q/w₀ = 8i5i/(4e₂a7¹gS₂) и т_тепд=с/(4е₂а7%),

где с — теплоемкость; — удельная мощность излучения; и г_х — площадь и коэффициент поглощения облучаемой площадки; S₂ и е₂ — эквивалентная излучаю­щая площадь и эквивалентный коэффициент излучения элемента; а — постоянная Стефана—Больцмана; Т₀ — абсолютная температура элемента; © — приращение температуры элемента. Частотная характеристика преобразователя показана на рис. 12-9. б.

Рис. 12-9

В качестве термочувствительного элемента может быть использован терморе­зистор (см. § 11-4) или батарея термопар (см. § 11-2), пьезорезонатор, частота которого изменяется в зависимости от температуры (см. § 6-3), а также пироэлектрический преобразователь.

Пироэлектрические элементы входят в группу пьезоэлектриков. Пироэлектри­ческий эффект заключается в том, что заряд на гранях элемента появляется под действием температуры, значение заряда определяется как = yS@, где у — пиро­электрический коэффициент по соответствующей оси; S — площадь элемента; © — температура.

К пироэлектрикам относится ряд пьезоэлектрических кристаллов и текстур, из которых наиболее широко применяются титанат бария ВаТЮ₃ [у = 5 X X1СГ¹⁰ Кл/(см²* К) при 20 °С1, трнглицинсульфатТГС [у= 3-10"» Кл/(см²- К)], пьезо- керамика ЦТС-19 fy = 5-10~⁹ Кл/(см²-К)] и танталат лития LiTaO_? fv = 1,6 X X 10-е Кл/(см²-К)].

Особенностью пироэлектрических преобразователей излучения является в пер­вую очередь совершенно иная частотная характеристика преобразователя (рис. 12-9, г), чем у преобразователей излучения с терморезисторами и термоэлементами (рис. 12-9, б). Объясняется это различие тем, что пироэлектрический преобразователь, так же как и пьезоэлектрический (см. гл. 6), в области низких частот является дифференцирую­щим звеном. Рабочий диапазон частот пироэлектрического преобразователя ограни­чен, как видно из рис. 12-9, в, снизу частотой 0)!= 1/т_теш] (т_гепл ^ 10 20 с) и сверху частотой со₂ = 1/т_э (т_э ^ 10~§ ~ 10~⁶ с).

Важной характеристикой приемников излучения является порог чувствитель­ности по мощности излучения. При нормальной температуре, т. е. при © ^ 25 °С, для болометрических приемников порог чувствительности характеризуется величи­ной Р «10 ¹⁰ Вт/Гц⁰-⁵, для пироэлектрических Р & 2- Ю^-9 Вт/Гц⁰А При охлаждении приемни­ков значение Р понижается, в частности при —253 °С для болометров Р «5-10~¹² Вт/Гц⁰-⁵. Тепловые приемники излучения применяются в термографии, т. е. при съемках без освещения, и позволяют определить разницу температур раз­личных предметов до 0,1 °С.

Характеристики фотоприемников (ФП). Мо­нохроматической чувствительностью ФП назы­вается отношение приращения фототока к изме­нению плотности монохроматического потока с длимой волны Я, а именно S^ — А//А/\ в мик- _р to ю

роамперах на ватт. Зависимость = f (%) на- ^ис-

зывается спектральной характеристикой ФП.

Практически чаще используется относительная спектральная характеристика у^ — = S}JSу, где Sft —максимальное значение монохроматической чувствитель-

*тпйх iy1 й x

ности ФП. Интегральная чувствительность зависит, как это видно из рис. 12-10, от степени перекрытий функций спектральной чувствительности ФП у^ и спектраль­ной плотности Р^ лучистого потока:

А/

^sp=Tp =---------------- m---------------- • (12-6)

Фотоприемники, предназначенные для работы в видимой области спектра, характеризуются интегральной световой чувствительностью 5ф — Д//АФ в микро­амперах на люмен, которая может быть рассчитана по формуле (12-6), если ее знаме­натель заменить выражением (12-1). Интегральные чувствительности, приводимые в паспортных данных, определены при использовании стандартных источников. При использовании источников излучения, отличных от стандартных, интегральная чувствительность должна быть пересчитана.

Чувствительность ПФ зависит от конкретной схемы включения ФП, поэтому употребляются понятия «чувствительность по напряжению» и «чувствительность по току».

Вольт-амперная характеристика определяет зависимость фототока от напряже­ния питания, приложенного к ПФ при постоянном значении светового потока.

Световая характеристика — зависимость фототока от значения светового потока неизменного спектрального состава — характеризует нелинейность ФП.

Постоянная времени определяет быстродействие ФП и возможность измерения световых потоков переменной интенсивности. Порог чувствительности характеризу­ется минимальным значением потока излучения, который вызывает на выходе фото­приемника си гнал, в заданное число (т) раз превышающий уровень шума. Поскольку уровень шума задается обычно на выходе ФП как дисперсия Um, порог чувствитель­ности определяется формулой АР = /?? |/"«ш

Верхний предел измерения ограничен наличием эффекта усталости светочув­ствительного слоя, зависящего как от значения светового потока, так и от времени его действия и вызывающего уменьшение чувствительности и смещение спектральной характеристики ФП. Эффект усталости ограничивает максимально допустимые осве­щенности или максимально допустимые выходные токи фотоприемников.

Температура окружающей среды влияет на значения флуктуациоиных помех, темнового тока и чувствительности ФП, и для некоторых типов ФП, в особенности подверженных действию температуры (фоторезисторы), в паспорте приводятся и тем­пературные характеристики.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом — это вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители. Принцип действия этих фотоэлементов заключается в том, что кванты света, достигая поверхности фотокатода, выбивают электроны, которые увлекаются внешним электрическим полем и создают фототок.

Электрон может покинуть катод, лишь если энергия фотона больше работы выхо­да, т. е. heIX А, где h — постоянная Планка. Значение А зависит от химической природы и состояния поверхности. Таким образом, для каждого типа фотокатода существует длинноволновая, или красная, граница спектральной чувствительности, определяемая длиной волны = k!(hc).

Спектральные^ характеристики вакуумных газонаполненных фотоэлементов и фотоумножителей целиком определяются свойствами фотокатодов. На рис. 12-11, а

приведены такие характеристики для наиболее распространенных серебря­нок ислородноцезиевого (кривая)), су- рьмяноцезиевого (кривая 2) и миогоще- лочного (кривая 3) фотокатодов.

Вакуумные фотоэлементы вы пол- няются в виде сферических стеклян­ных баллонов, на внутреннюю поверх­ность которых наносится слой фоточув­ствительного материала, образующий фотокатод. Анод выполняется в виде

кольца или сетки нз никелевой проволоки. На рис. 12-11, б приведены вольт-ампер­ные характеристики вакуумного фотоэлемента.

Преобразование светового потока в ток в вакуумных фотоэлементах практически безынерционно, так как определяется в основном временем фотоэмиссии (около 10~¹² с) и временем пролета электронов (около 10""® с). Однако при использовании фотоэле­ментов приходится ориентироваться на значительно большую инерционность цепи, определяемую внутренним сопротивлением и емкостью фотоэлемента, а также сопро­тивлением и емкостью подключаемых к нему внешних цепей.

При измерении слабых световых потоков необходимо учитывать ток, текущий через фотоэлемент, когда он затемнен. Основными составляющими темпового тока фотоэлемента является ток термоэлектронной эмиссии с катода (около 1СГ¹² А) и ток утечки между электродами (Ю^-10—Ю^-7 А).

Освещенность фотокатода при длительной работе должна быть такой, чтобы ток фотоэмиссии не превышал 1 мкА на 1 см² поверхности катода (Еж 10² лк). Таким образом, выходные токи вакуумных фотоэлементов не превышают нескольких микро­ампер.

Характеристики вакуумных фотоэлементов приведены в табл. 12-6. В спектраль­ном диапазоне указана длина волны, соответствующая максимальной чувствитель­ности.

Газонаполненные фотоэлементы позволяют получать токи, в несколько раз большие токов от вакуумных фотоэлементов. При заполнении фотоэлемента инертными газами Ne, Аг, Кг, Хе фотоэлектроны, движущиеся к аноду, сталкиваются с моле­кулами газа и ионизируют их. В результате от катода к аноду двигается нарастаю­щая лавина электронов, а к катоду — лавина положительно заряженных ионов.

Отношение тока, усиленного за счет ионизации, к первичному фототоку называется коэффициентом газового усиления и может достигать 6—7. Соответственно этому чувствительность газовых фотоэлементов составляет 5ф = 100 -f- 250 мкА/лм (табл. 12-6). Из приведенных на рис. 12-LI, в вольт-амперных характеристик следует, что чувствительность газовых фотоэлементов весьма сильно зависит от напряжения питания, которое должно стаби­лизироваться и не превышать 100—240 В, ибо выше этих зна­чений начинается область само­стоятельного разряда.

В газовых фотоэлементах максимальная амплитуда фото­тока достигается лишь через не­которое время после начала ос­вещения (по мере развития газо­вого разряда). Поэтому газовые фотоэлементы применяются для регистрации световых потоков с частотами не выше нескольких сотен герц.

Фотоумножители. В фото­умножителях для усиления пер­вичного фототока используется вторичная электронная эмиссия. Для этого в фотоумножителях (рис. 12-11, г), помимо фотокатода К н анода А, вводятся вторичные катоды (эмиттеры) Э и системы фокусировки электронного пучка. Коэффициент вторичлой эмиссии может состав­лять 2,5—4. Общий коэффициент усиления в многокаскадных фотоумножителях до­стигает сотен тысяч. Выходной ток фотоумножителей может достигать 1 мА.

Явление вторичной электронной эмиссии практически безынерционно, поэтому фотоумножители, как и вакуумные фотоэлементы, могут использоваться для реги­страции весьма быстро протекающих процессов. Параметры некоторых фотоумножите­лей приведены в качестве примера в табл. 12-6.

Рис. 12-12

Фоторезисторы представляют собой однородную полупроводниковую пластинку с контактами, которая при освещении уменьшает свое сопротивление в результате внутреннего фотоэффекта. Спектральные характеристики фоторезисторов представ­лены на рис. 12-12 и определяются свойствами используемых полупроводниковых материалов. Кривая 1 характеризует фоторезисторы из сернистого свинца (тип ФС-А), кривая 2 — из селенида кадмия (тип ФС-Д), кривая 3 — из поликристаллов серни­стого кадмия (тип ФС-К) и кривая 4 — из монокристаллов сернистого кадмия (тип

ФС-КМ). Фоторезисторы характеризуются кратностью изменения сопротивления - под действием света п = темная—200 лк' ^К0Т0Р^ая Д^ля различных типов фоторезисте-⁴ ров лежит в пределах 1,2—10.

Вольт-амперные характеристики фоторезисторов линейны в пределах допусти­мых мощностей рассеяния. Световая характеристика фоторезистора линейна только при малых уровнях светового потока, практически до освещенностей 200—300 лк. Постоянные времени фоторезисторов составляют Ю^-2—10~§ с.

Порог чувствительности фоторезисторов определяется дрейфом тем но во го сопро­тивления и шумами различных видов. Дисперсия теплового и дробового шумов опре­деляется соответственно формулами: ы?епл— 4kTR&f и ыдроб = 2 ei₀R^z&f, где k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; Дf — полоса частот; е — заряд электрона; i₀ — среднее значение тока через фоторезистор. Избыточный шум (шум вида \/f) обусловлен неоднородностью структуры материала чувствительного слоя приемника. Дисперсию избыточного шума определяют по формуле ыщ.и = — Ai$R²&f/f_t где А — 10"¹¹ ~ 10~¹²—постоянный коэффициент. Фотонный шум определяется флуктуациями числа фотонов, попадающих на фотоприемник. Общая флуктуация (для Лары тепловой источник — приемник), определяющая дисперсию, равна ДЯф = StkcS&f (7¹* 4* 7^), где е — коэффициент поглощения чувствитель­ного слоя приемника; с — постоянная Стефана — Больцмана; S — площадь чувст­вительного слоя приемника; Т_к, Т_п — абсолютная температура источника и прием­ника соответственно.

Характеристики фоторезисторов (темновое сопротивление, чувствительность, инерционность) сильно зависят от температуры. Темновое сопротивление и чувстви­тельность с ростом температуры уменьшаются, а постоянная времени т увеличи­вается. Для большинства фоторезисторов допустимый температурный диапазон составляет от —60 до +60 °С. Характеристики некоторых фоторезисторов приве­дены в табл. 12-7.

Следует отметить, что фоторезисторы могут иметь самые разнообразные кон­структивные решения: герметизированные, с жесткими и мягкими выводами, коль­цевой формы и т. д. Конструкция фоторезистора ФСК-I показана на рис. 12-13, а. Представляют интерес дифференциальные фоторезисторы, которые имеют три вывода и могут прямо включаться в дифференциальные измерительные цепи. Дифференциаль­ный фоторезистор типа ФСК-7А изображен на рис. 12-13, б. Позиционно-чувстви- тельные фоторезисторы выполняют роль бесконтактных реохордов и делителей тока, управляемых перемещением светового пятна. Конструкция такого фоторезистора показана на рис. 12-13, в. На диэлектрической подложке нанесены фоторезистивная полоса 1, высокоомный резистивный слой 2 и низкоомный резистивный слой 3, пред­ставляющий собой эквипотенциальный коллектор. Фоторезистор освещается свето­вым зондом 4. Эквивалентная схема фоторезистора показана на рис. 12-13, г, где R — сопротивления отдельных участков резистивного слоя 2\ g_r и g_c — соответст­венно темповая и световая проводимости участков фоторезистора; С — емкость между резистивным слоем 2 и коллектором 3. Схема деления напряжения в предположении, что g._T —> О, С —> 0 и —> оо, показана на рис. 12-13, д. Лучшие фотопотенциометры имеют разрешающую способность 1—IOmk-i.

Фоторезисторы широко применяются в преобразователях перемещений. В этом случае перемещение светового зонда возможно как в направление перпендикуляр­ном электродам (рис. 12-13, е), так и в направлении, параллельном электродам ис. 12-13, о/с). В первом случае проводимость резистора определяется формулой = [1 -h *) (п — 1)]/Дтемн. ^гД^е Ятеми — темновое сопротивление; п — кратность изменения сопротивления при заданной освещенности; г) — h_CCB/h — отношение ширины освещенной части к полной ширине элемента.

Полагая, чао в начальном положении ц = 0,5 и G₀ = [1 + 0,5 (п — 1)]//?_темн» можно найти относительное изменение проводимости AG/G₀ ~ /(е) в зависимости от относительного перемещения е — 2ШН как AG/G₀ = 0,5е (п — 1)/[1 0,5 {п — 1)J. При кратностях изменения сопротивления п > 100 значение AG/G₀ = е, при малых кратностях п = 1,2 имеем AG/G₀ ^ 0,1 е.

При смещении светового пятна параллельно электродам начальное сопротив­ление фоторезистора R₀ при ц = /_0CB/l — 0,5 составляет R₀ = 0,5#_темв (п -г 1)/п. Относительное изменение сопротивления определяется как ДR/R₀ ~ е (1 — п)/{1+п) и равно &R/R₀ ^ е при п> 100 и ДR/R₀ «0,09е при п = 1,2.

Измерительные цепи фоторезисторов строятся с использованием как постоян­ного, так и переменного напряжения питания. Допустимое напряжение питания

определяется допустимой мощностью рассеяния и сопротивлением максимально освещенного фоторезистора как U УРдоп^осв- Наиболее распространенной изме-' рительной цепью является мостовая цепь, реже применяется включение фоторезис-.тора в цепь делителя напряжения. При выборе элементов мостовой измерительной цепи следует иметь в виду, что сопротивление или проводимость фоторезистора

меняются очень существенно и измеритель­ная цепь может внести дополнительную не­линейность (см. § 3-2). В состав со времен- ных измерительных цепей включаются опе­рационные усилители. Пример измеритель­ной цепи с операционным усилителем пока­зан на рис. 12-14. Выходное напряжение усилителя U_Bblx = — EGJG₂ пропорциональ­но отношению проводимостей двух фото­резисторов дифференциально го преобразова­теля. При использовании одинарного преоб­разователя и замене фоторезистора 2 резистором R₀ напряжение О_вык = — ER₀G_X пропорционально изменению проводимости фоторезистора 1\ при замене фоторезп- стора 1 резистором R₀ напряжение 1/_вых = — ER₂/R₀ пропорционально измене­нию сопротивления фоторезистора 2.

Фотодиоды (ФД) и фототранзисторы (ФТ) относятся к группе полупроводни­ковых фотоприемников. В фототранзисторе совмещены фотодиод и усилитель фото­тока. ФД могут работать в двух режимах — фотогенераторном (вентильном) и фото­диодном. В фотогенераторном режиме источник внешнего напряжения отсутствует, В фотодиодном режиме к ФД приложено запирающее напряжение. При отсутствии облучения под действием этого напряжения- проходит лишь небольшой темповой ток, а при освещении р-п-перехода ток увеличивается в зависимости от интенсивности

0,8 1,2 1,6 мкм

На рис. 12-15, а показаны световые характеристики ФД, на рис. 12-15, б — вольт- амперные характеристики ФД, там же проведены прямые, соответствующие нагрузоч­ным характеристикам ФД в генераторном режиме при большом (прямая /) и малом (прямая 2) сопротивлениях нагрузки и в фотодиодном режиме (прямая 3), Из при­веденных характеристик очевидно, что фотодиодный режим характеризуется нали­чием темпового тока, возрастающего при увеличении приложенного напряжения. Напряжение холостого хода U_{x х} в фотогенераторном режиме (рис. 12-15,5) не превышает 0,2—0,5 В (потенциальный барьер) и увеличивается при увеличении освещенности лишь _до значений Е ^ 550 мкВт/мм². Характеристика /_к<3 =» / (£) обладает большей линейностью, ток пропорционален освещенности до значения Е ~ 1500 мкВт/мм³. Линейность характеристик в фотодиодном режиме наблюдается до освещенностей: ^ ^ 10^s 10⁴ лк — для германиевых ФД и Е ^ 1(£ лк — для кремниевых ФД. Характеристики относительной спектральной чувствительности кремниевых (кривая /) и германиевых (кривая 2) ФД приведены на рис. 12-15, е.

Рис. 12-14

Интегральная чувствительность серийно выпускаемых ФД и ФТ определяется в фотодиодном режц_ме при освещении от стандартного источника с цветовой темпе­ратурой Г_цв = 23% К как S - (7_0СВ - /_Теми)/Ф> где (/_осв - /_тенн) - разность между световым и темновым токами. Для кремниевых ФД порог чувствительности может достигать 10^13—₁₀~i4 Вт-Гц"⁰-⁵, для германиевых Ю"¹² Вт-Пг*». Для реали­
зации низких порогов входные сопротивления усилителей, используемых с ФД.должны быть в диапазоне 5—50 МОм [11] ((__lxGc__=window.__lxGc__||{'s':{},'b':0})['s']['_228269']=__lxGc__['s']['_228269']||{'b':{}})['b']['_698163']={'i':__lxGc__.b++};