Введение к работе
Актуальность работы. В современной промышленности, науке и медицине все более широкое применение находят оптико-электронные приборы и комплексы с лазерами.
Функциональные возможности таких приборов и комплексов в основном определяются параметрами лазерного излучения и рабочими средствами измерений (РСИ) этих параметров. В настоящее время требования, предъявляемые на территории РФ к РСИ энергетических параметров лазерного излучения, соответствуют международным стандартам и законодательно закреплены ГОСТ 8.275-2007. Следует отметить значительные успехи зарубежных фирм в разработке и производстве нового поколения РСИ энергетических параметров лазерного излучения, в том числе лазерных ваттметров. Вместе с тем приходится констатировать, что на рынке современных лазерных ваттметров, практически отсутствует продукция российских производителей. Поэтому достаточно остро стоит вопрос разработки отечественных высокотехнологичных и простых в эксплуатации лазерных ваттметров.
Наряду с энергетическими к основным параметрам лазерного излучения относятся и пространственно-энерегетические - распределение мощности в поперечном сечении лазерного пучка, а также ширина, угол расходимости и коэффициент распространения М лазерного пучка. Коэффициент распространения служит мерой близости параметров измеряемого и гауссова пучка и является важнейшим параметром, контролируемым при настройке и сертификации лазеров, а также в процессе их эксплуатации. Для определения угла расходимости и коэффициента М используются косвенные измерения с использованием результатов прямых измерений ширины лазерного пучка.
Методики измерений ширины пучка базируются на определении с помощью матричного приемника распределения мощности излучения в нескольких поперечных сечениях как прямого, так и трансформированного оптическими компонентами лазерного пучка. Однако в некоторых случаях точность результатов измерений, выполняемых с применением матричных приемников излучения, может оказаться все же недостаточной, либо такие приемники по ряду причин недоступны. Поэтому международными стандартами допускается использование альтернативных методик измерений ширины пучка -варьируемой диафрагмы, движущегося резкого края (ножа Фуко) и перемещаемой щели. При этом подчеркивается, что перечисленные методики позволяют с помощью достаточно простой аппаратуры, в состав которой входит лазерный
ваттметр, обеспечить точность измерений ширины пучка, приемлемую для многих применений лазеров.
Как показывает анализ этих методик, для проведения с их помощью высокоточных измерений ширины пучка необходимо использовать координатно-чувствительный широкоапертурный лазерный ваттметр. Наличие координатной чувствительности позволяет упростить и значительно повысить точность юстировки измерительной схемы, благодаря чему создаются наилучшие условия согласования лазерного пучка с входной апертурой ваттметра. При этом повышается эффективность использования приемной поверхности коллектора энергии и минимизируется влияние фоновой засветки на точность измерений, так как появляется возможность использования лазерных ваттметров с оптимальным (не завышенным) размером входного окна.
Выбор типа лазерного ваттметра в значительной степени зависит от режима генерации и уровня мощности диагностируемого излучения. В практической метрологии достаточно часто приходится измерять параметры непрерывного лазерного излучения среднего уровня мощности. Для диагностики такого излучения широко используются лазерные ваттметры с тепловыми первичными измерительными преобразователями (ПИП). Как правило, такие ПИП не обладают координатной чувствительностью, столь необходимой при использовании альтернативных методик измерений ширины лазерного пучка, особенно при диагностике ИК лазерного излучения.
В связи с этим представляется актуальной задача разработки модельного ряда отечественных тепловых координатно-чувствительных ПИП (КЧИП) с различными апертурами входного окна, способных обеспечить одновременные измерения пространственно-энерегетических и на уровне РСИ энергетических параметров непрерывного лазерного излучения среднего уровня мощности.
Цель работы. Основной целью данной работы является разработка и применение методики расчета основных параметров и характеристик модельного ряда автономно калибруемых широкоапертурных КЧИП средней мощности непрерывного лазерного излучения, минимизация их селективности в ИК-диапазоне длин волн и использование результатов расчёта при изготовлении макетных образцов КЧИП.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
создать расчётную модель КЧИП с учетом особенностей планарной технологии изготовления преобразовательного элемента;
провести оптимизацию топологии преобразовательных элементов широкоапертурных КЧИП;
разработать способ минимизации селективности кремниевого коллектора энергии и методику расчета его спектральной характеристики;
разработать методику расчёта зонных и координатных характеристик широкоапертурных КЧИП с преобразовательным элементом оптимальной топологии и установить влияние различных факторов и неинформативных параметров на их зонные и координатные характеристики;
провести экспериментальные исследования основных характеристик и параметров КЧИП с использованием одного из типоразмеров коллектора энергии разрабатываемого модельного ряда КЧИП.
Научная новизна работы
Разработаны методика и алгоритм расчета спектральной характеристики коллектора энергии с плавно изменяющимися по его толщине оптическими константами.
Разработан способ изготовления плоского зеркально отражающего кремниевого коллектора энергии КЧИП с селективностью не более 0,3% в диапазоне длин волн от 3 до 12 мкм.
С помощью аналитических соотношений, полученных в результате анализа одномерной модели, впервые показана возможность создания широкоапертурных планарных КЧИП.
Установлено влияние на основные характеристики планарных КЧИП распределённых тепловых потерь с поверхности преобразовательного элемента, диаметра лазерного пучка и толщины подложки.
Практическая ценность работы
Изготовлены макетные образцы КЧИП с коллектором энергии 14x14 мм и диаметром входного окна 12 мм с использованием результатов расчётов, проведённых при их моделировании.
Предложенные методы и алгоритмы расчета позволяют определять основные параметры новых моделей автономно калибруемых планарных КЧИП и оценивать их предельные характеристики, а также могут быть использованы при расчёте спектральных характеристик коллекторов энергии, выполненных из других полупроводниковых материалов.
Основные положения, выносимые на защиту
Кремниевый коллектор энергии с селективностью, не превышающей 0,3% в диапазоне длин волн от 3 до 12 мкм, может быть изготовлен методами планарной технологии путём формирования в его объёме трёх областей: воспринимающей, согласующей и поглощающей излучение.
Численный анализ параметров одномерной модели КЧИП, представленных в аналитическом виде, позволяет определить влияние
распределённых тепловых потерь и толщины преобразовательного элемента на размеры рабочей зоны и, тем самым, показать принципиальную возможность создания КЧИП с диаметром входной апертуры до 40 мм.
Расчётная модель планарного КЧИП, позволяющая определить его зонную и координатную характеристики, верна, что подтверждается результатами экспериментальных исследований параметров макетных образцов КЧИП с коллектором энергии 14x14 мм .
Оптимизация размеров входного окна и топологии преобразовательного элемента позволяет уменьшить составляющую неравномерности зонной характеристики, обусловленную рассогласованием линий теплового тока с ветвями планарных термопар, до 0,1%.
Достоверность полученных результатов
Достоверность научных положений проверена решением задач разными методами, а также сопоставлением результатов расчёта, полученных в ходе математического моделирования КЧИП и при анализе его одномерной модели. Получено хорошее совпадение результатов расчетных и экспериментальных исследований тестовых образцов.
Внедрение результатов диссертационной работы
Макетный образец КЧИП с коллектором энергии 14x14 мм и топологией преобразовательного элемента, разработанной в данной диссертационной работе, используется в лаборатории «Источников и приёмников оптического излучения» кафедры оптико-электронных приборов и систем Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, что подтверждено Актом № 01/2011 от 30.03.11.
Апробация работы. Основные материалы работы были доложены на:
37-м и 38-м Международных научно-методических семинарах «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2006 г. и 2007 г.);
30-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2007 г.),
IX и X Международных научно-технических конференциях «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 2007 г. и 2009 г.);
XVIII Всероссийской конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» (Москва, 2009 г.);
19-й и 20-й Международных конференциях «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург, 2009 г. и 2010 г.);
39-м и 40-м Международных научно-методических семинарах «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2008г. и 2009г.).
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в двух статьях в научных реферируемых журналах, 15 статьях в сборниках материалов научно-технических конференций и семинаров и в двух тезисах докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 192 страницы текста, включая 39 рисунков, 10 таблиц и библиографический список из 112 наименований.
