Трап-детектор
Изобретение относится к приборостроению и измерительной технике. Трап-детектор содержит несколько фотодиодов, установленных последовательно под разными углами один к другому. Один выбранный из них фотодиод, кроме первого 1 и второго 2 по ходу прямого движения оптического луча, установлен таким образом, что его активная поверхность перпендикулярна к биссектрисе 5 угла α между направлениями от выбранного фотодиода на предыдущий и первый 1 фотодиоды. Благодаря этому луч, отраженный от активной поверхности выбранного фотодиода, направляется на активную поверхность первого фотодиода 1, тем самым увеличивается количество отражений оптического луча от активных поверхностей фотодиодов. Это дает возможность увеличить часть оптической энергии, которая преобразуется в электрическую, и тем самым повысить точность измерений. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к отрасли приборостроения и измерительной техники.
Осуществление изобретения не вызывает трудностей, поскольку оно отличается от известных аналогов только конфигурацией расположения фотодиодов.
На фиг.1 показана принципиальная схема ближайшего аналога изобретения, а на фиг.2, 3 и 4 показаны принципиальные схемы трап-детекторов как отдельных случаев использования предлагаемого изобретения.
Предлагаемое изобретение отвечает современному уровню техники. Известные современные трап-детекторы также включают несколько фотодиодов, различным образом расположенных относительно друг друга, например трап-детекторы, описанные в статье [1]. В одном из них три фотодиода установлены последовательно под прямыми углами один к другому, а четвертый - под прямым углом по направлению на третий фотодиод, если считать по прямому направлению исследуемого оптического луча. Он последовательно отражается от активных светочувствительных поверхностей (далее для краткости АП) фотодиодов в прямом и обратном направлениях. При этом луч отражается от четвертого фотодиода сразу в обратном направлении на третий фотодиод. При каждом отражении часть энергии луча преобразуется в электрическую энергию, характеристики которой измеряются известными устройствами. Остаток энергии луча возвращается в источник излучения, например в лазер. Общее число отражений луча от АП фотодиодов в этом варианте трап-детектора равняется семи.
Ближайший аналог предлагаемого изобретения описан в статье [2]. Этот трап-детектор (фиг.1) содержит три фотодиода, из которых первый 1 расположен под углом к исследуемому лучу, второй фотодиод 2 расположен под углом к первому и третий фотодиод 3 установлен под прямым углом к направлению на второй фотодиод 2.
Принцип действия этого трап-детектора следующий. Первичный оптический луч падает на АП фотодиода 1 и, отразившись от него, падает последовательно на АП фотодиодов 2 и 3. Далее луч проходит обратный путь, отражаясь последовательно от АП фотодиодов 3, 2, 1, и выходит из трап-детектора в сторону источника излучения, например лазера. При этом луч отражается от третьего фотодиода 3 сразу в обратном направлении на второй фотодиод 2. При каждом отражении луч ослабляется вследствие частичного преобразования оптической энергии в электрическую, которая измеряется известными устройствами (на фиг.1 не показаны). Число отражений луча от АП фотодиодов в этом варианте трап-детектора равняется пяти.
Основными недостатками известных аналогов является то, что не вся энергия оптического излучения преобразуется в электрическую, чем снижается точность измерений. Кроме того, остаточная часть излучения, которая возвращается в лазер, после прохождения трап-детектора приводит к нарушению его работы, что дополнительно снижает точность измерений. Снижение этих недостатков путем увеличения числа фотодиодов, например до четырех, как это сделано в описанном первом аналоге, и тем самым увеличения числа отражений луча от АП фотодиодов часто экономически нецелесообразно из-за высокой стоимости фотодиодов.
Целью предлагаемого изобретения является значительное снижение недостатков существующих трап-детекторов. Это достигается путем увеличения числа отражений луча от АП фотодиодов без увеличения их числа за счет новой конфигурации расположения фотодиодов в трап-детекторе.
Предлагаемый трап-детектор (фиг.2), как частный случай использования изобретения, включает три фотодиода 1, 2 и 3, установленных в плоскости падения первичного луча 6 на АП первого фотодиода 1. Первый по ходу прямого движения оптического луча фотодиод 1 установлен под углом к первичному исследуемому лучу 6, за ним установлен второй фотодиод 2 под углом к первому, затем третий фотодиод 3. При этом третий фотодиод 3 установлен таким образом, что его активная поверхность расположена перпендикулярно к биссектрисе 5 угла α, между направлениями от третьего фотодиода 3 на второй 2 и первый 1 фотодиоды, благодаря чему луч, отраженный от АП третьего фотодиода 3, направлен на АП первого фотодиода 1. В частном случае использования предлагаемого изобретения фотодиоды могут быть установлены таким образом, что линия направления от третьего 3 фотодиода на первый 1 перпендикулярна к АП первого фотодиода 1.
В частном случае использования изобретения (фиг.3), четыре фотодиода расположены пространственно таким образом, что три из них, первый 1, второй 2 и четвертый 4 расположены в плоскости Р1 падения первичного оптического луча 6 на первый фотодиод 1, а один фотодиод 3 расположен рядом с указанной плоскостью Р1 на линии ВС луча, первый раз отраженного от второго фотодиода 2. Четвертый фотодиод 4 установлен таким образом, что его АП расположена перпендикулярно к биссектрисе 5 угла α между направлениями на третий 3 и первый 1 фотодиоды. В частном случае использования изобретения, линия DA направления от четвертого фотодиода 4 на первый фотодиод 1 может быть перпендикулярна к АП первого фотодиода 1.
В частном случае использования изобретения (фиг.4), четыре фотодиода расположены пространственно таким образом, что три из них, первый 1, второй 2 и третий 3, расположены в плоскости Р2 падения на второй фотодиод 2 оптического луча, впервые отраженного от первого фотодиода 1, а четвертый фотодиод 4 расположен рядом с указанной плоскостью Р2 на линии AD луча, повторно отраженного от первого фотодиода 1. При этом третий фотодиод 3 установлен таким образом, что его АП расположена перпендикулярно к биссектрисе 5 угла α между направлениями на второй 2 и первый 1 фотодиоды. В частном случае использования изобретения АП четвертого 4 фотодиода может быть перпендикулярна к направлению DA на первый фотодиод 1.
В частном случае использования изобретения, по крайней мере, вместо одного из фотодиодов может быть установлено зеркало.
Принцип действия предлагаемого изобретения следующий.
Исследуемый первичный луч 6 (фиг.2) падает на АП фотодиода 1 и, отразившись от него, падает на АП фотодиода 2 и затем - на АП фотодиода 3. Далее благодаря тому, что АП фотодиода 3 перпендикулярна к биссектрисе угла α, луч падает на фотодиод 1. Далее, если в частном случае использования изобретения линия направления от третьего 3 фотодиода на первый 1 перпендикулярна к АП фотодиода 1, то луч снова падает на фотодиод 3 и далее последовательно на АП фотодиоды 2 и 1. В этом случае число отражений луча от АП фотодиодов равняется семи.
При каждом отражении луч ослабляется вследствие частичного преобразования оптической энергии в электрическую, которая измеряется известными устройствами (на фиг.2 и других не показаны).
В частном случае использования изобретения (фиг.3) отраженный от фотодиода 3 луч BD падает на фотодиод 4 и отражается от него в сторону фотодиода 1 (линия DA) а затем, если АП фотодиода 1 перпендикулярна к линии AD, то луч движется в обратном направлении, отражаясь последовательно от фотодиодов 1, 4, 3, 2 и 1. В этом случае число отражений луча от АП фотодиодов равняется девяти.
В частном случае использования изобретения (фиг.4) луч СВ отражается от фотодиода 3 в сторону фотодиода 1 (линия В А) и затем от фотодиода 1 отражается на фотодиод 4 (линия AD). Если АП фотодиода 4 перпендикулярна к направлению DA на фотодиод 1, то луч снова падает на фотодиод 1 и уже от него отражается в направлении на фотодиод 3. После отражения последовательно от фотодиодов 3, 2 и 1 остаток луча возвращается в сторону источника излучения. В этом случае число отражений луча от АП фотодиодов также равняется девяти.
Как видим, главное отличие действия предлагаемого изобретения заключается в том, что отраженный от АП фотодиода 3 (фиг.2, 4) или, в частном случае, от фотодиода 4 (фиг.3) луч падает снова на АП фотодиода 1, а у аналога луч сразу отражается от АП фотодиода 3 в обратном направлении к фотодиоду 2, и поэтому общее число отражений у аналога равняется только пяти, тогда как в трап-детекторе с тремя фотодиодами, который предлагается как первый случай использования изобретения, число отражений равняется семи. Благодаря этому энергия оптического излучения более полно преобразуется в электрическую энергию и тем самым повышается точность измерений. Кроме того, уменьшение части оптической энергии, которая возвращается в источник излучения, например лазер, уменьшает влияние ее на работу лазера, что дополнительно повышает точность измерений.
В случаях использования изобретения в пространственных конфигурациях (фиг.3 и 4) число отражений луча может быть увеличено до девяти. Кроме того, в этих случаях уменьшается влияние на измерение поляризационных эффектов, что дополнительно повышает эффективность работы фотодиодов и точность измерений.
В случае, когда более важным является уменьшение стоимости трап-детектора, при достаточной точности измерений, в нем вместо, по крайней мере, одного из фотодиодов может быть установлено зеркало. При этом, конечно, уменьшается часть энергии, которая преобразовывается в электрическую, но она, при равных условиях, будет не меньше, чем у аналогов, благодаря большему общему количеству отражений.
Литература
1. J.М.Palmer, Metrologia 1993, 30, 327-333.
2. N.P.Fox, Metrologia 1993, 30, 321-325.
1. Трап-детектор, который содержит несколько фотодиодов, расположенных последовательно под углами один к другому, отличающийся тем, что один выбранный из них фотодиод, кроме первого и второго по ходу оптического луча, установлен таким образом, что его активная поверхность перпендикулярна к биссектрисе (5) угла (α) между направлениями от выбранного фотодиода на предыдущий и первый фотодиоды, благодаря чему луч, отраженный от активной поверхности выбранного фотодиода, направлен на активную поверхность первого фотодиода.
2. Трап-детектор по п.1, отличающийся тем, что выбранный фотодиод, активная поверхность которого перпендикулярна к биссектрисе (5) угла (α) между направлениями от выбранного фотодиода на предыдущий и первый фотодиоды, установлен на перпендикуляре к активной поверхности первого фотодиода.
3. Трап-детектор по п.1, отличающийся тем, что четыре фотодиода расположены пространственно таким образом, что три из них, первый, второй и четвертый, расположены в плоскости (P1) падения первичного оптического луча (6) на первый фотодиод, а один фотодиод (3) расположен рядом с указанной плоскостью (P1) на линии (ВС) луча, впервые отраженного от второго фотодиода, причем четвертый фотодиод установлен таким образом, что его активная поверхность перпендикулярна к биссектрисе (5) угла (α) между направлениями от четвертого фотодиода на третий и первый фотодиоды.
4. Трап-детектор по п.1 или 3, отличающийся тем, что четвертый фотодиод установлен на перпендикуляре (AD) к активной поверхности первого фотодиода.
5. Трап-детектор по п.1, отличающийся тем, что четыре фотодиода расположены пространственно таким образом, что три из них, первый, второй и третий, расположены в плоскости (Р2) падения на второй фотодиод луча, впервые отраженного от первого фотодиода, а четвертый фотодиод расположен рядом с указанной плоскостью (Р2) на линии (AD) луча, повторно отраженного от первого фотодиода, причем третий фотодиод установлен таким образом, что его активная поверхность перпендикулярна к биссектрисе (5) угла (α) между направлениями от третьего фотодиода на второй и первый фотодиоды.
6. Трап-детектор по п.1 или 5, отличающийся тем, что четвертый фотодиод установлен таким образом, что его активная поверхность перпендикулярна к направлению (DA) на первый фотодиод.
