Введение к работе
Актуальность
Развитие лазерной и инфракрасной техники в последние десятилетия стимулировало поиск и разработку новых приемников излучения и материалов для них. Использование полупроводниковых приемников в инфракрасной области спектра ограничено из-за необходимости глубокого охлаждения и их спектральной селективности. Широкое внедрение лазерной техники привело к появлению новых требований к приемникам излучения. Диапазон измеряемых потоков расширился более, чем на 15 порядков. Возникли задачи определения параметров импульсного излучения с плотностью мощности 106-109 Вт/см2 и более, генерируемого за время 10"6-10"12 с; непрерывного излучения с плотностью мощности 1-50 кВт/см2 и исследования пространственного распределения излучения.
Все вышесказанное привело к повышенному вниманию к исследованиям пироэлектрического эффекта, созданию и поиску новых пироэлектрических материалов и разработке новых пироэлектрических приемников излучения, что связанно с их уникальными возможностями:
реакция только на переменную составляющую падающего потока
излучения;
высокая-интегральная чувствительность;
частотно зависимый характер собственных шумов. В настоящее время достаточно хорошо теоретически и экспериментально изучен пироэлектрический эффект, заключающийся в появлении на противоположных поверхностях кристалла зарядов противоположного знака, а следовательно разности потенциалов, в тонких пластинах и пленках.
На основе пироэлектрического эффекта созданы широкополосные приемники оптического излучения, применяемые во многих оптических приборах, предназначенных для неразрушающих исследований и контроля. Например, тепловизоры, созданные на основе инфракрасных пироэлектрических приемников излучения, обладают достаточно высокими оптическими характеристиками и не требуют охлаждения фотоприемника до температур жидкого азота. Очень подробно исследован пироэлектрический эффект «продольного» типа, то есть когда излучение распространяется вдоль полярной оси кристалла и перпендикулярно электродам. В этом случае при уменьшении толщины кристаллических пластинок чувствительность фотоприемника возрастает. Ясно, в практическом плане это наиболее выгодный режим регистрации излучения, в связи с чем исследованию пироэлектрических свойств тонких кристаллических слоев посвящено большое количество статей. -
В противоположность «продольному» пироэлектрическому эффекту, «поперечный» пироэлектрический эффект, когда оптический луч перпендикулярен полярной оси кристалла и распространяется параллельно электродам, нанесенным на грани кристалла, практически не исследован. Имеется сравнительно мало работ по исследованию «поперечного» пироэлектрического эффекта. Это в основном связано с тем, что в тонкопленочном варианте «поперечный» эффект реализовать достаточно сложно, а при увеличении толщиньипластины пироэлектрический отклик падает.
Расчет, проведенный Кременчугским Л.С. для измерения коротких и мощных лазерных импульсов^излучения показал, что для приемников двух типов справедливы соотношения порогов чувствительности Р и вольт-ватпдах. чувствительностей $
*прод' г попер ~ Q/D опрод ' Ьпопер — U/D,
где d - толщина кристалла (расстояние между электродами), b - ширина кристалла.
Для тонкого образца порог чувствительности (Р) у приемника продольного типа лучше чем у приемника поперечного типа. Для толстого образца вольт-ваттная чувствительность (S) выше для приемника поперечного типа."
Для регистрации коротких и мощных импульсов излучения, более эффективными являются приемники поперечного типа, так как у них верхняя граница динамического диапазона намного выше.
В ряде работ интуитивно считалось, что пироэлектрический отклик в объемных пироэлектрических кристаллах толщиной 5' -15 мм пренебрежимо мал.
Оказалось, что и в объемных кристаллах с расстоянием между электродами 10 мм и более, пироэлектрический отклик достаточно велик, хорошо регистрируется и может быть использован в технических применениях ......
Отметим также, что в пироэлектрических приемниках мощных и корот
ких импульсов проходящего излучения, в толстых (объемных) образцах
кристаллов происходит неоднородный прогрев сегнетоэлектрических ма
териалов (возникает градиент температур), что требует глубокого научного
исследования особенностей пироэлектрического эффекта в этом случае.
Следует учесть побочные эффекты, например, третичный пироэлектриче
ский эффект и термополяризационный эффект. Теоретически и экспери
ментально третичный пироэлектрический эффект достаточно хорошо изу
чен только для тонких пластин. .. т~':с~г-:.. ..'Г' - '"
Пироэлектрический эффект, возникающий, в неоднородно прогретом объемном кристалле гораздо меньше исследован, чем для тонких пластин.
Недостаточно изучены температурные поля в ограниченных объемных сегнетоэлектриках (нелинейных пироэлектриках). Учет температурных полей позволит более точно рассчитать и объяснить пироэлектрический отклик, выделить вклады в отклик первичного, вторичного и третичного пироэлектрического эффекта.
В связи с этим исследование пироэлектрического эффекта в объемных образцах пироэлектрических кристаллов, вызываемого модулированным оптическим излучением требует дальнейших теоретических и экспериментальных исследований. Исследования в данном направлении являются важными и актуальным, так как вскрывают особенности оптических, электрических и тепловых процессов в объемных кристаллах и открывают новые возможности практического применения пироэлектрического эффекта для неразрушающего контроля как свойств сегнетоэлектриков, так и параметров мощного импульсного лазерного излучения.
Цель и задачи
Целью работы является исследование особенностей и закономерностей пироэлектрического эффекта, возникающего при воздействии лазерного излучения в объемных образцах кристаллов LiNb03, ШОз и TGS; выявление вклада первичного, вторичного и третичного пироэлектрического эффекта в регистрируемый пироэлектрический отклик.
Для достижения цели в работе поставлены и решены задачи теоретического и экспериментального характера.
-
Проведены расчеты температурных полей при облучении образцов цилиндрической формы, модулированным лазерным излучением,
-
Создана экспериментальная установка для измерения пироэлектрического отклика динамическим методом,
-
Разработана и изготовлена экспериментальная установка для измерения пироэлектрического отклика статическим методом,
-
На основе общеизвестных методику разработана методика измерения пироэлектрического отклика статическим и динамическим методами на созданных установках,
-
Изучено влияние на пироэлектрический отклик пространственного положения лазерного луча по отношению к электродам.
-
Изучено влияние дефектов кристалла на регистрируемый пироэлектрический отклик.
Методы исследования
Для достижения поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследования.
В теоретических расчетах тепловых полей в кристалле использовался широко известный метод тепловых источников с учетом электрофизических свойств сегнетоэлектриков. Решение уравнения теплопроводности проводилось^методом интегральных преобразований.
Экспериментальные исследования пироэлектрического эффекта в пироэлектрических кристаллах проводились статическим и динамическим методами, параллельно для каждого образца с использованием современной электронной аппаратуры.
Научная новизна
В диссертационной работе исследован пироэлектрический эффект в объемных (толстых) кристаллах LiNb03, LiJ03,TGS. Измерения проводились статическим и динамическим методами при облучении образца непрерывным и модулированным лазерным излучением.
1. Проведены расчеты теплового поля в объемном сегнетоэлектриче-ском образце цилиндрической формы, при облучении модулированным лазерным лучом сфокусированным "в кристалл, путем решения задачи волнового уравнения теплопроводности с учетом электрофизических свойств кристаллов, '2. Впервые проведены сравнительные измерения пироэлектрического отклика для толстого образца пироэлектрического кристалла LiNb03 (чистого и'легированного) двумя методами: статическим и динамическим,
3. Выявлено влияние пространственного положения лазерного луча на
пироэлектрический отклик в толстом образце.
4. Исследованы релаксационные процессы пироэлектрического сигна-
. ла, регистрируемого при статическом методе измерения,
5. Экспериментально изучена зависимость пироэлектрического отклика
от мощности лазерного излучения, проходящего через толстые об
разцы.
Практическая ценность
Все полученные в диссертационной работе научные результаты служат основой для создания новых приборов, применяемых для измерения параметров электромагнитного излучения, неразрушающего контроля свойств сегнетоэлектрических материалов и бесконтактного измерения температур.
Использование поперечных пироэлектрических приемников модулированного излучения, вызывающего третичный пироэлектрический эффект,
намного расширяет число кристаллов, которые можно применять в пироэлектрических приемниках излучения.
Апробация результатов
Научные результаты доложены:
-
На второй национальной конференции по теплообмену. Москва: МЭИ.-1998;
-
На краевой научной конференции. -Хабаровск: Хабар, гос. тех. ун-та.-1998;
-
На международном симпозиуме /Принципы и процессы создания неорганических материалов.(Первые Самсоновские чтения), Хабаровск. -1998;
-
На второй международной конференции/Проблемы, транспорта Дальнего Востока: Владивосток: -1997;
-
На 43-й научной конференции. Хабаровск: ХГПУ,1997;
-
На конференции/Повышение эффективности работы ж/д транспорта Сибири и Дальнего Востока. -Хабаровск : ДВГУПС. 1997;
-
На 42-й научной конференции. -Хабаровск: ХГПУ. -1996;
-
На конференции / Проблемы транспорта Дальнего Востока. Владивосток:-1995;
-
На 41-й итоговой научной конференции. -Хабаровск: ХГПУ.-1995;
-
На региональной научно-технической конференции по МРНТП /Дальний-Восток России. -Хабаровск: ХГТУ.-1995.
Структура и объем работы
