Способ измерения пространственного распределения абсолютной чувствительности фотоприемников и устройство для его осуществления

 

Использование: техника оптической фотометрии, а именно техника измерения абсолютной чувствительности фотоприемников в видимом и ИК-диапазонах спектора электромагнитного излучения. Сущность изобретения: используют параметрическое расстояние лазерного излучения в нелинейном кристалле, после кристалла производят селекцию рассеянного излучения по направлению распространения составляющих волн с помощью оптической системы и устанавливают взаимно однозначное соответствие между координатами x, x¹ фокальной плоскости оптической системы, с одной стороны, и частотами ω, ω¹ с другой - по математической формуле, приведенной в описании. Устройство включает нелинейный кристалл, два устройства передачи рассеянного излучения на входные отверстия фотоприемников, оптически сопряженные через оптическую систему с нелинейным кристаллом, три схемы сканирования, механически сопряженные с двумя входными и одним выходным отверстием устройств передачи, схему задержки, схему совпадения, сопряженную с двумя блоками регистрации, блок автоматизации и управления, сопряженный со схемами сканирования, схемой задержки и блоком регистрации вспомогательного фотоприемника, при этом между входным отверстием устройства передачи и вспомогательным фотоприемником помещают спектрально-селектирующий прибор. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технике оптической фотометрии, а именно к технике измерения абсолютной чувствительности фотоприемников в видимом и ИК-диапазонах спектра, а также в ближнем УФ-диапазоне спектра электромагнитного излучения.

Известны способы и устройства для измерения абсолютной чувствительности фотоприемников, в которых передача энергетических единиц измерения производится многоступенчатым образом: через ряд последовательно калибруемых эталонных, образцовых и рабочих источников или приемников излучения [1]. Недостатками этих способов являются низкая точность - от 10% до 50% в зависимости от спектрального диапазона измерений и количества ступеней, а также сложность практической реализации многоступенчатой поверочной схемы.

Наиболее близким к предлагаемому способу как по действию, так и по исполнению является метод комплексной аттестации матричного средства измерения пространственных характеристик импульсного лазерного излучения. Принцип действия метода и работа установки заключаются в следующем. Лазерное излучение проходит через рассеивающее устройство и попадает в оптическую систему, где рассеянное излучение разветвляется на два канала; оптическое излучение каждого канала имеет частоту лазерного источника и пространственное распределение, определяемое характером рассеивающего устройства. Оптическое излучение регистрируется с помощью двух фотоприемных устройств - вспомогательного и измеряемого, причем вспомогательное устройство обязательно должно быть предварительно прокалибровано по эталону. Сигналы с выхода фотоприемных устройств поступают на две схемы регистрации, а затем сводятся на схеме сравнения, включающей ЭВМ, где и производится вычисление пространственного распределения абсолютной чувствительности измеряемого фотоприемника [2] . Недостатками известных способа и устройства, являются низкая точность абсолютной калибровки пространственного распределения чувствительности фотоприемников, сложность предварительной аттестации абсолютной чувствительности вспомогательного фотоприемника, невозможность одновременного измерения спектрального распределения чувствительности.

Целью изобретения является повышение точности, упрощение измерений и обеспечение измерений спектрального распределения абсолютной чувствительности.

На фиг. 1 изображена схема, поясняющая действие предлагаемого метода; на фиг. 2 - схема устройства (п. 2 формулы изобретения); на фиг. 3 - схема устройства (п. 3 формулы изобретения).

Способ осуществляется с помощью устройства, которое содержит лазерный источник излучения 1, нелинейный кристалл 2, оптическую систему 3, устройства передачи 4 и 5, схемы сканирования 6, 7, 8, вспомогательный фотоприемник 9, измеряемый фотоприемник 10, блоки регистрации 11 и 12, схему задержки 13, схему совпадения 14, блок автоматизации и управления 15, дополнительно может содержать спектрально селектирующий прибор 16.

Способ и работа устройства заключаются в том, что излучение лазерной накачки частоты ω₀ формируется в источнике 1 и направляется на нелинейный кристалл 2, в котором происходит спонтанное параметрическое рассеяние накачки с образованием пар коррелированных фотонов с сопряженными частотами ωи ω'= ω₀ -ω , сопряженными волновыми векторами и =-- и (k₀ - волновой вектор излучения накачки в кристалле, 2π/l - небольшая расстройка пространственного синхронизма, зависящая от толщины кристалла l: = 0). Поляризация излучения накачки выбирается с учетом анизотропии тензора квадратичной восприимчивости нелинейного кристалла. Кристалл ориентирован по отношению к накачке так, что рассеянное излучение распространяется под малыми углами к направлению накачки. После кристалла располагается оптическая система 3 для выделения и фокусировки рассеянного излучения. В ней производится подавление излучения накачки на частоте ω₀ и фокусировка рассеянного света.

Пучки рассеянного излучения собираются в фокальной плоскости F за оптической системой. Все рассеянные фотоны каждой пары частот ωи ω^I=ω₀-ω фокусируются в двух точках плоскости F, смещенных в диаметрально противоположных направлениях относительно следа накачки О. Координаты сопряженных точек х и х' определяются условием пространственного синхронизма для волновых векторов при Θʹ≪1, Θ≪1= 0. Для малых углов рассеяния Θ^I<< 1, Θ<< 1 справедливы соотношения: x(ω)=f xʹ(ωʹ)= f где f - фокусное расстояние оптической системы, n₀, n, n' - показатели преломления кристалла 2 на частотах ω₀, ω,ω' соответственно.

Расстройка синхронизма =0 определяет угловой разброс рассеянных волн и минимальный диаметр фокусировки в каждую точку: Δx_min ≈ 2πc/ωnl Δx'_min ≈ 2 πc/ ω'n l (с - скорость света). От размеров Δх_min и Δх'_min зависит пространственное разрешение предлагаемого способа измерения зонной характеристики чувствительности фотоприемника.

Устройство передачи 4 подает рассеянное излучение сопряженных частот ω'с точек х' (ω') плоскости F на входную апертуру вспомогательного фотоприемника 9. Устройство передачи 5 подает рассеянное излучение измеряемых частот ω с точек х(ω) плоскости F на участки входной апертуры измеряемого фотоприемника 10. При измерении спектрального распределения абсолютной чувствительности в блоке автоматизации и управления 15 для каждой частоты измерения ωопределяется значение сопряженной частоты ω' и координат х(ω), х' (ω') установки входных отверстий устройств 4, 5 в соответствии с соотношениями (1). Затем вырабатываются управляющие сигналы, по которым устройства сканирования 6 и 7 осуществляют смещение входных отверстий 4 и 5 в плоскости F. При определении пространственного распределения абсолютной чувствительности на фиксированной частоте ω устройство сканирования 8 (по сигналам с блока 15) осуществляет смещение выходного отверстия устройства передачи 5 в плоскости входной апертуры измеряемого фотоприемника 10.

Электрические сигналы, вырабатываемые измеряемым и вспомогательным фотоприемниками, поступают на блоки регистрации 11 и 12, где измеряется (в относительных единицах измерения) их величина. После этого сигналы поступают на схему совпадения 14, причем сигналы одного из трактов предварительно проходят через схему задержки 13. В процессе параметрического рассеяния излучения накачки в нелинейном кристалле каждый фотон частоты ωрождается практически одновременно с фотоном сопряженной частоты ω'. Схема задержки предназначена для выравнивания моментов прихода сигналов от двух фотонов каждой пары (т.е. сигнала с блока 11 и сигнала с блока 12) на схему совпадения 14. На схеме совпадения производится измерение взаимной корреляционной функции показаний блоков регистрации 11 и 12.

Сигналы со схемы совпадения 14 и блока регистрации вспомогательного источника 11 поступают на блок автоматизации и управления 15. Здесь производится вычисление чувствительности освещаемого участка входной апертуры измеряемого фотоприемника на заданной частоте. Спектральная чувствительность и квантовая эффективность определяются через отношение показаний схемы совпадения и блока регистрации вспомогательного фотоприемника 11.

Спектральный диапазон действия предлагаемого способа и устройства определяется областью оптической прозрачности кристалла и частотой накачки. Нижняя граница диапазона частот измерения абсолютной чувствительности может доходить до 2500-1000 см^-1, т.е. 4-10 мкм, верхняя - до 40000 см^-1, т.е. 250 нм. Для повышения спектральной размещающей способности устройства в его схему может быть введен спектрально селектирующий прибор 16. Он располагается между выходным отверстием устройства передачи 4 и вспомогательным фотоприемником. Спектральный диапазон пропускания прибора 16 на каждой сопряженной частоты ω' должен быть меньше, чем интервал частот Δ ω' излучения, поступающего через устройство передачи 4 из-за конечной входной апертуры этого устройства Δх' . Измерение пропускания прибора 16, также как и всех остальных элементов блок-схемы устройства, не требуется для проведения абсолютных измерений чувствительности измеряемого фотоприемника 10. Не требуется также предварительная калибровка чувствительности вспомогательного фотоприемника 9. Предлагаемые способ и устройство основаны на фундаментальных статических свойствах излучения, рождающегося при параметрическом рассеянии света. Возможность проведения абсолютных измерений без привлечения каких-либо эталонных (или прокалиброванных по эталонам через многоступенчатую поверочную схему) приемников или источников излучения позволяет существенно повысить точность абсолютной калибровки спектрального и пространственного распределения чувствительности фотоприемников.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ АБСОЛЮТНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФОТОПРИЕМНИКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

1. Способ измерения пространственного распределения абсолютной чувствительности фотоприемников, заключающийся в том, что на вход оптической системы подают рассеянное лазерное излучение, на выходе оптической системы излучение детектируют с помощью двух фотоприемников - вспомогательного и измеряемого, сигналы от фотоприемников направляют на блоки регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, упрощения измерений и обеспечения измерения спектрального распределения абсолютной чувствительности, лазерное излучение пропускают через нелинейный кристалл и подают спектр параметрического рассеяния лазерного излучения на оптическую систему, позволяющую выделить рассеянное излучение и установить взаимно однозначное соответствие между координатами X, X' фокальной плоскости оптической системы и частотами ω, ωʹ рассеянного излучения в соответствии с соотношениями где X - расстояние от оси пучка лазерного излучения до точки фокусировки рассеянного излучения частоты ω ; X' - расстояние от оси пучка лазерного излучения до точки фокусировки сопряженного рассеянного излучения частоты ωʹ = ω_o- ω ;
ω_o -частота лазерного излучения;
n₀, n, n' - показатели преломления нелинейного кристалла на частотах ω_o, ω и ωʹ соответственно;
f - фокусное расстояние оптической системы,
при этом для измерения пространственного распределения чувствительности фотоприемника на частоте ω точку с координатой X(ω) оптически сопрягают с различными участками входной апертуры измеряемого фотоприемника, точку с координатой Xʹ(ωʹ) -с входной апертурой вспомогательного фотоприемника, а при определении спектрального распределения чувствительности последовательно сопрягают с измеряемым фотоприемником точки с различными координатами X(ω) , одновременно заводя излучение с точек Xʹ(ωʹ) на вспомогательный фотоприемник, после регистрации сигналов с фотоприемников время дальнейшего прохождения сигналов от двух фотоприемников уравнивают с помощью схемы задержки, затем сигналы сводят на схеме совпадений и регистрируют степень их взаимной корреляции, причем абсолютную чувствительность измеряемого фотоприемника в каждой точке пространственного и спектрального распределений вычисляют как отношение показаний схемы совпадения к показаниям блока регистрации вспомогательного фотоприемника.

2. Устройство для измерения пространственного распределения абсолютной чувствительности фотоприемников, содержащее оптически связанные лазерный источник излучения, оптическую систему, измеряемый и вспомогательный фотоприемники, соединенные с соответствующими блоками регистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений и обеспечения измерения спектрального распределения абсолютной чувствительности, устройство дополнительного содержит нелинейный кристалл, оптически связанный с источником лазерного излучения, два устройства передачи рассеянного излучения на входные отверстия фотоприемников, оптически сопряженные через оптическую систему с нелинейным кристаллом, три схемы сканирования, механически связанные с двумя входными и одним выходным отверстиями устройств передачи, схему задержки, схему совпадения, соединенную с блоком регистрации измеряемого фотоприемника и через схему задержки - с блоком регистрации вспомогательного фотоприемника, блок автоматизации и управления, соединенный со схемами сканирования, схемой совпадения и блоком регистрации вспомогательного фотоприемника.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что, с целью увеличения спектрального разрешения измерений, между входным отверстием устройства передачи и вспомогательным фотоприемником установлен оптически сопряженный с входным отверстием устройства передачи и вспомогательным фотоприемником спектрально селектирующий прибор, соединенный с блоком автоматизации и управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3