Введение к работе
технических наук, доцент
1.
Актуальность темы исследования
Приёмники излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце (ТУП) разработаны в Санкт-Петербургском институте точной механики и оптики на кафедре оптико-электронных приборов и систем. Разработанные ТУПы описаны в ряде публикаций. В процессе разработки были проведены теоретические и экспериментальные исследования их параметров и характеристик. Разработанные и изготовленные на их основе в ЛИТМО фотоприёмные устройства прошли экспериментальную проверку и практическое использование в совместных работах с такими организациями как ГОИ им. Вавилова, ЛОМО, ВНИИОФИ и с рядом других.
В процессе выполнения этих работ выявилось, что приемники излучения типа ТУП обладают долговременной стабильностью, устойчивостью к лучевым перегрузкам, широким рабочим спектральным диапазоном при небольшой и монотонной неравномерности спектрального распределения его чувствительности. Их постоянная времени может быть доведена до с.
В предыдущих работах ТУПы достаточно подробно теоретически и экспериментально исследовались в случае работы с моноимпульсным излучением лазера, либо со стационарным гармонически модулированным потоком излучения. При этом гармонически модулированный поток математически представлялся знакопеременным воздействием. И в том и в другом случае не учитывалось влияние средней мощности измеряемого потока на параметры сигнала и характеристики приёмника излучения. Однако при практическом применении в ряде случаев отмечался некоторый дрейф сигнала измерительных устройств с этим приёмником излучения. Подробный анализ причин этого дрейфа не производился.
Приёмник излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце это прежде всего тепловой приёмник излучения и имеет достаточно сложную частотную характеристику в диапазоне от сотых долей Гц до десятков и более кГц. С учётом того, что часто ему приходится работать со значительными и не постоянными во времени потоками излучения это может приводить к возрастанию ошибок измерений при переходных процессах.
В связи с повышением требований к средствам измерения и для расширения области применения ТУПов выявилась необходимость в продолжении работ по изучению и совершенствованию приёмников на термоупругом эффекте.
Бурное развитие науки и технологии лазерных источников излучения вывело их практическое применение принципиально на новый более высокий уровень. В частности в ряде случаев ощущается потребность в фотометрических устройствах контролирующих распределение потока в пучке излучения лазера или устройствах, обладающих позиционной чувствительностью. И в том и другом случае необходимы многоэлементные приёмники излучения. Для успешного использования приёмника на термоупругом эффекте с учётом современных требований появилась необходимость проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований и методических разработок.
Из выше изложенного следует, что проведение дополнительных исследований по совершенствованию приёмников излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце и анализ возможностей создания многоэлементных приёмников на их основе является актуальным.
Цель работы
Целью работы явилось проведение комплекса теоретических и экспериментальных работ для исследования возможности дальнейшего совершенствования этого типа приёмников излучения и, в частности, создания многоэлементных приёмников излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце для решения фотометрических задач с оценкой пространственного распределения потока излучения.
Основные задачи
-
С целью уменьшения ошибок при работе приёмника излучения необходимо проанализировать источники возникновения нелинейности сигнальной характеристики, их зависимости от температуры и от структуры теплового поля в этом приёмнике.
-
Проанализировать структуру теплового поля и её связь с сигнальной характеристикой ТУПа при переходных режимах и при воздействии полиимпульсного воздействия. Оценить время перехода приемника к стационарному режиму и возможности его работы в переходных режимах.
-
Разработать методику оптимизации ТУПа и всего фотоприёмного устройства для решения конкретных задач.
-
Провести, с точки зрения работы многоэлементного приёмника, оценку влияния пространственной неравномерности поля воздействующего излучения (вплоть до локального воздействия) на его сигнальную характеристику.
-
Для синтеза конструктивной схемы многоэлементного приёмника излучения провести анализ конструктивных технологических и схемных решений. Изготовить макетный образец.
-
Разработать и собрать установку для проведения экспериментальных исследований макетного образца многоэлементного приёмника.
-
Провести экспериментальные исследования многоэлементного ТУПа и выполнить анализ полученных результатов.
Методы исследований
В процессе выполнения диссертационной работы использовались теоретические и экспериментальные исследования. Теоретические исследования выполнялись с использованием методов математического анализа и интегральных преобразований, а так же методов численного анализа с моделированием по разработанной программе на компьютере. При экспериментальных исследованиях в основном использовались методы энергетической фотометрии с обработкой результатов методами математической статистики. При выполнении экспериментальных исследований использовались сертифицированные средства измерений, устройства регистрации данных и компьютерная техника с соответствующим программным обеспечением.
Научная новизна работы
1.Исследованы особенности работы ТУПа в режиме воздействия импульсной последовательности излучения, что позволяет исключить динамическую ошибку остаточной релаксации теплового поля предыдущих импульсов.
2.Разработаны теоретические основы динамики формирования квазистационарного теплового поля ТУПа при полиимпульсном воздействии, что позволяет разработать методику оперативного учёта нелинейности энергетической характеристики.
3.Предложена методика разработки эквивалентной схемы для оценки теплового поля конструкции ТУПа при воздействии полиимпульсного излучения, которая может быть использована при разработке конструкции фотоприёмного устройства.
4.Разработаны алгоритмы и программы для расчета теплового поля и сигнальной характеристики ТУПа при полиимпульсном воздействии, которые необходимы для учёта влияния переходных процессов измерительного канала.
5.Исследована возможность построения многоэлементных приёмников излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце и выбрана оптимальная, на настоящий момент, схема его построения.
6.Исследованы особенности структуры теплового поля многоэлементного ТУПа при локальном воздействии и использовании его в системе координатоуказателя.
7.Экспериментально исследованы амплитудно-фазовые характеристики многоэлементного ТУПа при переходе светового зонда с одной площадки на другую при разных диаметрах пучка излучения.
8.Исследованы основные причины возникновения зонной неравномерности чувствительности многоэлементного ТУПа при локальном воздействии.
Достоверность полученных результатов. Достоверность научных положений, результатов и выводов диссертации обеспечена корректностью постановки задач, использованием обоснованных методов анализа и расчета и подтверждается экспериментальными исследованиями многоэлементного ТУПа.
Практическая ценность
1.Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, которое позволяет определить распределения теплового поля и сигнальную характеристику ТУПа при полиимпульсном воздействии.
2.Разработана методика синтеза эквивалентной схемы с учётом тепловых импедансов отдельных узлов, деталей и их соединений для моделирования в прикладных программах типа LTspice для установившихся режимов и в случае переходных процессов. Это необходимо для оптимального построения измерительного устройства.
3.Разработана методика и установка для исследования переходной и зонной неравномерности чувствительности многоэлементного ТУПа.
4.Результаты работы позволили создать рабочие алгоритмы и схемные решения для уменьшения влияния ошибок нелинейности энергетической характеристики многоэлементного ТУПа.
Результаты, выносимые на защиту
1.Теоретические основы динамики формирования квазистационарного теплового поля ТУПа при полиимпульсном воздействии, что необходимо для оценки влияния этого поля на параметры приёмника излучения.
2.Алгоритм и программа расчета распределения температурного поля ТУПа при полиимпульсном воздействии, которые позволяют оптимизировать конструкцию приёмника с учётом параметров воздействующего потока излучения.
3. Алгоритмы и программы расчета сигнальных характеристик ненагруженного и нагруженного ТУПов при полиимпульсном воздействии необходимые для разработки согласующих усилителей и системы компенсации динамической погрешности.
4.Методика разработки эквивалентной схемы для оценки теплового поля конструкции ТУПа с помощью программ типа LTspice при воздействии полиимпульсного излучения для оптимизации конструкции фотоприёмного устройства.
5.Методика исследования зонной неравномерности чувствительности многоэлементного ТУПа и возможности его работы качестве позиционно-чувствительного приёмника излучения.
Апробация работы
Обсуждение материалов работы проводилось на следующих конференциях: Международная научно-практическая конференция СПБ ГПУ, 2009 г.; Всероссийские межвузовские конференции молодых ученых, СПб ГУ ИТМО, 2009, 2010, 2011 г.г.; XXXIX научная и учебно-методическая конференция СПб ГУ ИТМО 2010 г.
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 6 научных работах, в том числе 2 статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень изданий, рекомендованных ВАК и 4 работы в материалах международных научно-практических и всероссийских межвузовских конференций. Кроме того, одна статья принята к публикации в издании, входящем в перечень ВАК (см.список публикаций, №3).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, 3-х приложений и списка литературы. Общий объем работы составляет 114 страниц машинописного текста, который включает 47 рисунков, 9 таблиц и содержит список литературы из 80 наименований, среди которых 68 отечественных и 12 иностранных источников.
