Измеритель мощности оптического излучения

 

8!4034

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (б1) Допол нительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 06.07.79 (21) 2791955/18-25 с присоединением заявкл №вЂ” (23) Пр иоритет— (51) М. К..

С 01 3 5/12

Государственный комитет

Опубликовано 23.02.82. Бюллетень № 7

Дата опубликования описания 23.02.82 (53) УДК 535.214.4 (088.8) по делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения

А. М. Васильев, М. М. Гладцын, С. Е. Гуров, Л. Ю. Мочалова и В. Ф. Шарихии

Московский ордена Ленина энергетический институт

I (71) Заявитель (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

0IlTH×ÅÑÊ0Ã0 ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения мощности оптического излучения в диапазоне длин волн 0,35 — 1,1 мкм, а также для абсолютной калибровки селективных приемников излучения в метрологических лабораториях. Преимущественной областью применения является измерение мощности непрерывного излучения видимого диапазона гелий-неоновых лазеров.

Известен измеритель мощности оптического излучения содержащий приемный элемент в виде медного конуса с зачерненной внутренней поверхностью, нагреватель, размещенный на наружной поверхности приемного элемента 11).

Недостатком устройства является неэквивалентность оптического и электрического нагрева.

Известен абсолютный болометрический измеритель выходной мощности лазеров, содержащий приемный элемент в виде плоской однослойной медной спирали, покрытой чернью (2).

Данный прибор обладает высокой эквивалентностью оптического и электрического нагрева.

Недостатком измерителя является то, что полная эквивалентность, однако не обеспечивается, так как нагрев приемного элемента излучением происходит с поверхности через переходное сопротивление черни, а замещающим током — изнутри. Погрешность, вызываемая переходным тепловым сопротивлением черни, может достичь значительной величины (> 1%), а 113Мерение этого сопротивления затруднительно.

Наиболее близким техническим решением является измеритель мощности оптического излучения, содержащий зеркальноотражающий приемный элемент, омические контакты для включения в цепь тока замещения 13).

Основным недостатком измерителя яв15 ляется невозможность достижения полной эквивалентности замещения оптического нагрева приемного элемента электрическим вследствие различия в распределении потоков тепла и температуры при двух этих виО дах нагрева. Кроме того, коэффициент отражения полированной металлической поверхности достаточно высок (например, у алюминия он порядка 0,9 в видимой области спектра). Поглощение же электромагнит2б ного излучения в металлах — поверхностно,, что ограничивает применение такой приемной площадки при измерениях высоких уровней мощности излучения, Использование тонкопленочного приемного элемента зо делает необходимым применение подложки

М4034

3 с0 специфическими теплофизическими свойствами, что усложняет детектор излучения конструктивно.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что в измерителе мощности оптического излучения, содержащем зеркально-отражающий приемный элемент, омические контакты для включения в цепь тока замещения, приемный элемент выполнен из кремния, легированного примесями р- или п-проводимости, причем количество примеси изменяется вдоль направления излучения по экспоненциальному закону.

Работает устройство следующим образом.

Под действием подающего излучения приемный элемент нагревается. Для измерения степени нагрева кремниевой приемной площадки можно использовать любой датчик температуры: термопару, болометр-термистор. Затем приемный элемент с помощью омических контактов включается в цепь тока замещения. Кремний позволяет получить очень высокое качество зеркально полированной поверхности (размер неоднородности — 25 А). Благодаря наличию зеркально полированной поверхности приемного элемента задача определения коэффициента поглощения излучения существенно облегчается. Она заменяется задачей определения коэффициента зеркального отражения. При использовании современной методики, например метода абсолютного двойного рефлектометра, коэффициент зеркального отражения может быть определен с точностью 0,1/о. Коэффициент поглощения излучения определяется с точностью не хуже 0,05 /о. Коэффициент поглощения излучения кремнием очень слабо зависит от окружающих условий, чистоты исходного материала и практически не меняется с течением времени в результате естественного окисления кремния. Поэтому достаточно провести однократные тщательные измерения коэффициента отражения кремния и затем с высокой степенью надежности считать коэффициент поглощения излучения одинаковым для всех приемников.

При использовании кремниевой пластины в качестве поглотителя излучения необходимо учитывать, что коэффициент отражения света пластиной зависит от длины волны излучения. Коэффициент отражения излучения увеличивается с уменьшением длины волны. Наиболее сильная зависимость наблюдается в фиолетовой области спектра, в то же время в интервале длин волн 0,5 — 1,1 мкм поглощение излучения практически постоянно. По этой причине использование полированной кремниевой пластины в качестве калиброванного поглотителя излучения наиболее эффективно для монохроматического излучения, например лазерного. Коэффициент отражения излучения кремниевой пластиной зависит от угла падения луча, а для наклонно падающих лучей и от поляризации излучения. Поэтому при использовании кремниевого приемного элемента необходим контроль угла падения и поляризация излучения. Проведенные расчеты показывают, что при изменении угла падения неполяризованного излучения в пределах 10 относительно нормали к пластине коэффициент отражения меняется не более, чем на 1,5 10 — . В то же время для поляризованного излучения изменения коэффициента отражения могут достигать 3%.

Использование кремния в качестве материала приемного элемента измерителя мощности позволяет легко получить электрический контакт при включении пластин в цепь тока замещения, а также обеспечить любое необходимое омическое сопротивление.

Кремниевый приемный элемент, отличаясь высокой теплопроводностью, обеспечивает одинаковую чувствительность во всех точках поверхности пластины при малой ее толщине, что позволяет получить высокое быстродействие измерителя мощности излучения. При работе с излучением с длиной волны, близкой к границе собственного поглощения, коэффициент поглощения излучения в объеме кремния становится мал, а кремниевый поглотитель обеспечивает высокую предельную плотность импульсной энергии, близкую к пределу для диэлектрических поглотителей.

Измеритель мощности оптического излучения проверен экспериментально. Оценки показывают, что легко может быть достигнута погрешность измерения порядка

1%. При оптимальной конструкции измерителя мощности и тщательно организованных измерениях коэффициента отражения кремния возможно повышение точности измерений мощности лазерного излучения до 0,1 /.

Использование в абсолютном измерителе мощности оптического излучения кремниевого приемного элемента с определенным профилем легирования позволяет повысить точность измерений, достичь эквивалентности замещения оптического нагрева электрическим; измерить высокие уровни мощности излучения, в том числе импульсного; независимость чувствител, кости от места попадания светового пятна ка поверхность приемного элемента; малую постоянную времени, технологичность изготовления.

45

Формула изобретения

Измеритель мощности оптического излучения, содержащий зеркально-отражающий приемный элемент, омические контакты для включения в цепь тока замещения, отличающийся тем, что, с целью по814034

Составитель Д. Бакланов

Редактор О. Филиппова Техред А. Камышникова Корректоры: Л. Слепая и Т. Трушкина

Заказ 1286

Изд. JVo 114 Тираж 883

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Поди снос

Загорская типография Упрполнграфиздата Мособлпсполкома

5 выш ения точности измерения, приемный элемент выполнен из кремния, легированного примесями р- или п-проводимости, причем количество примеси изменяется вдоль направления излучения по экспоненциальному закону.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Калинин IO. Л. «Измеритель средней мощности и энергии импульсных оптиче6 ских квантовых генераторов ИМО-2». «Метрология», 1975, М 7, с. 16 — 29.

2. Скляров Ю. А., Сидельников В. А. и

Кац Л. И. Абсолютный болометрический

5 измеритель выходной мощности лазеров непрерывного излучения» — Приборы и техника экспериментов», 1965, Ке 6, с. 165 — 167.

3, Fuller D. W. Е., CR0SS iI. R. u Chamberlain J. 1974 Digest Conf. on Precision

10 Electromagnetic Measurements, l ondon, 1974; IEE Conf. РпЫ., Хо 113, IEEE.