Популярное

Мифы о звукоизоляции



Как построить дом из пеноблоков



Как построить лестницы на садовом участке



Подбираем краску для ремонта



Каркасные дома из дерева


Главная » Предельная чувствительность приемных

1 2

Предельная чувствительность приемных устройств на основе СО2-квантовых усилителей. Часть I

Свиридов А.Н. (root@orion.extech.ru), Креопалов В.И.

Федеральное государственное унитарное предприятие НПО ОРИОН , Москва, Россия

Проведены расчеты предельных порогов чувствительности приемных устройств с СО2 -квантовыми усилителями (ПУ с КУ), предназначенных для лазерных локаторов и активных систем видения. При расчетах учитывались зависимости порогов чувствительности ПУ с КУ от параметров КУ, характеристик используемых в них приемников и методов (электрических или визуальных) регистрации сигналов. Показана возможность и целесообразность построения активных систем видения (Часть II) с использованием приемных устройств с СО2-КУ и матричными тепловизорами.

Введение

В литературе еще с начала 60х годов неоднократно обсуждались принципиальные возможности использования усиливающих сред для преддетекторного усиления слабых (т.е. не уменьшающих показатель усиления среды) лазерных сигналов и соответственного увеличения отношения сигнал / шум (С/Ш) приемных устройств (ПУ), состоящих из квантового усилителя (КУ) и приемника излучения (ПИ) [1-4,10,11,16].

Много работ было посвящено экспериментальным исследованиям параметров двух лазерных сред: Ne-He (3.39 мкм ) и Xe-He (3.51 мкм), обладающих высокими показателями усиления (а = 0.1. ..0.4 см - 1 ) [5-9, 12,13, 17-19,24,25,27,28,30]. Исследовались спонтанные шумы, показатели усиления, параметры насыщения усиления и другие характеристики этих активных сред . В результате были экспериментально показаны возможности увеличения отношения С/Ш на 16- 32 дБ при приеме слабого лазерного сигнала с помощью фотодетектора (например, InSb, охлаждаемого до 77 К), перед которым устанавливался однопроходный квантовый усилитель. (Однопроходные квантовые усилители представляли собой трубки диаметром 0.1...0.3 см, длиной 15... 50 см, наполненные смесью Ne-H e или Xe-He, возбуждаемой с помощью электрического разряда).

Однако подобные квантовые усилители были непригодными для практических применений, т. к. фотоприемные устройства с этими усилителями имели очень маленькую светосилу, поскольку она была сильно ограничена узкой и длинной усилительной трубкой. В результате мощность усиленного лазерного излучения, попадающая на фотоприемник от удаленного объекта, в этих устройствах не превышала мощности поступающей на аналогичный фотоприемник (но без квантового усилителя), перед которым был установлен светосильный объектив. Увеличить светосилу усилителей на смесях Ne-He и Xe-He, не представлялось возможным, т.к. увеличение диаметра трубки приводило к уменьшению показателя усиления активной среды.

СО2-квантовые усилители

С открытием Пейтелем (C.K.N. Patel) активных лазерных сред на СО2 начались работы по исследованию возможностей создания на их основе эффективных КУ слабых излучений для приемных устройств активных систем с СО2 -лазерами. Интерес к этим системам и к приемным устройствам для этих систем, обусловлен тем, что СО2 - лазеры имеют высокие мощности и КПД. Их излучение ( длина волны 10.6мкм) попадает в окно прозрачности атмосферы и безопасно для глаз, что является существенным преимуществом по сравнению с активными системами с лазерами на Nd. Кроме того, следует отметить, что современные приемники, пригодные для приема излучений СО2 -лазеров (в отличие от ФЭУ, ЭОПов, лавинных диодов, которые можно использовать для приема излучений лазеров на Nd с длиной волны 1.06мкм) не



обладают внутренним усилением и имеют чувствительность почти на семь порядков ниже квантового предела. Разработка КУ на СО2 позволила бы на порядки увеличить чувствительность приемных устройств активных лазерных систем.

Основные трудности при создании КУ на СО2 обусловлены низкими показателями усиления (а = 0.006.. .0.025 см -1) активных сред на смесях газов: СО2 - N2 - He, возбуждаемых в плазме электрического разряда.

Эти трудности можно было в принципе преодолеть двумя путями:

1. Обеспечить многократное прохождение усиливаемого излучения через активную среду, используя известные и разрабатывая новые многоходовые оптические системы типа линзовый волновод с отражательной оптикой.

2. Получить активные среды на СО2 с высокими показателями усиления.

В работах [ 14, 15, 20-23, 26, 29, 31, 32 ] опубликованных в конце 60х и в 70е годы были экспериментально и теоретически показаны возможности получения высоких коэффициентов усиления (G = 102-103) при многократном прохождении слабых излучений СО2 -лазера через активные среды с низкими показателями усиления - (смеси газов: СО2 - N2 - He, возбуждаемых в плазме электрического разряда). Были также показаны возможности существенного увеличения отношения С/Ш при макетировании приемных устройств (ПУ) с этими усилителями. Следует отметить, что эти результаты отличались от результатов, полученных в работе [31]. В этой работе теоретически и экспериментально исследовалось фотоприемное устройство, содержащее две усиливающие трубки, установленные друг за другом и фотодетектор CdTe-HgTe (77 К). Усиливающие трубки возбуждались с помощью электрического разряда в смеси газов: СО2 - N2 - He и обеспечивали усиление на 6 дБ. В [31] было сделано заключение, что дальнейшее увеличение коэффициента усиления нецелесообразно, т. к. это не приводит к дальнейшему увеличению отношения С/Ш и следовательно - к уменьшению порогового потока (Рпор) ПУ с КУ *).

Одновременно с этими работами в 70е и 80е годы проводились исследования возможности получения в активных средах на СО2 высоких показателей усиления, в том числе с помощью непосредственного оптического возбуждения верхнего колебательного лазерного уровня 00о1 из основного колебательного состояния молекул СО2 00о0 [26] и из колебательного уровня 02о0 [27 ]. Однако, эти схемы возбуждения не могли быть использованы для построения эффективных КУ. В первой из них применялось излучение прокачного импульсного лазера на HBr (к = 4.2 мкм). Лазеры на HBr требуют прокачки агрессивной активной среды, поэтому практически нет никакой возможности создать на этой среде компактный надежный и долговечный лазер, пригодный для оптической накачки КУ на СО2. Во втором случае для оптического возбуждения использовался импульсный СО2-лазер (к = 9.6 мкм), однако, максимальная зарегистрированная величина показателя усиления (при температуре газа 130оС и давлении 100тор) была крайне низкой 2.1-10-3см-1.

В [29] были и проведены исследования показателей поглощения сжатого и конденсированного СО2 и была предложена новая схема оптического возбуждения молекул СО2, предназначенная для получения активной среды, усиливающей излучение СО2-лазеров.

Впервые было предложено возбуждать для этой цели не верхний лазерный рабочий уровень 00о1, энергия которого соответствует нормальной (основной) частоте v3 антисимметричного типа колебаний молекулы СО2, а уровни расположенные выше ( 0003, 2201, 1401, 2001, 1201, 0401, 1001, 1311, 1401 ,0002, 0202 и др.), соответствующие комбинационным частотам.

*)

В настоящей статье будет показано, что заключение о неэффективности применения квантовых усилителей, следующее из результатов работы [31], обусловлено неоптимальной конструкцией исследуемого макета приемного устройства с предетекторным усилением, а именно, неоптимальным выбором площади приемника излучения (ПИ). При оптимальной конструкции ПУ с КУ его детектирующая способность (D*) может превышать детектирующую способность используемого в нем ПИ на 3-4 порядка.



Расчеты, проведенные в [29] показали эффективность такой накачки и возможность достижения высоких показателей усиления ( 0.14 - 0.2см-1). В работе были проведены расчеты нескольких вариантов КУ с оптической накачкой. В момент написания работы отсутствовали лазеры, пригодные для реализации предложенной схемы накачки. В настоящее время для этой цели с большой долей вероятности могут быть использованы эффективные твердотельные лазеры на переходах Er и Ho. В этом случае откроются перспективы создания эффективных светосильных и компактных КУ на СО2 с импульсной оптической накачкой и, соответственно, реализуется возможность построения эффективных приемных устройств с СО2 - КУ.

В 80е , 90е и последующие годы были предложены и разработаны и исследованы конструкции многоходовых светосильных оптических систем и многоходовых светосильных (мно-гомодовых) СО2 - КУ с возбуждением в импульсном и непрерывном разрядах, пригодных для усиления изображений объектов, облученных СО2-лазерами и разработаны различные конструкции приемных устройств с КУ (ПУ с КУ) для приема излучений СО2 -лазеров и получения изображений объектов, облученных СО2-лазерами [33-49]. Были получены новые экспериментальные подтверждения эффективности приемных устройств с КУ. В ПУ с КУ и одноэлементными ПИ обнаружительные способности ПУ с КУ на 3 - 4 порядка превосходили обна-ружительные способности, использовавшихся в них ПИ. В ПУ с КУ и пировидиконом, предназначенном для визуальной регистрации изображений, выигрыш был существенно больше.

Очевидно, что приведенный выше краткий обзор статей, опубликованных в открытой печати лишь частично отражает достигнутые в этой области результаты. Тем не менее, он показывает перспективность и целесообразность работ, связанных с исследованиями и разработками ПУ с КУ, предназначенных для активных лазерных систем.

Расчет предельной чувствительности с СО2- квантовыми усилителями и одноэлементными приемниками излучения

Были разработаны математические модели для расчета предельных значений порогов чувствительности ПУ с КУ в зависимости от параметров КУ (коэффициента усиления, светосилы, эффективной ширины спектральной полосы усиления и др.), характеристик используемых в них приемников (одноэлементных приемников, матричных), спектральной полосы пропускания охлаждаемых фильтров, установленных перед приемниками, полосы усиления усилителей промежуточной частоты, подключенных к приемникам и др.

Анализировались предельные параметры двух типов ПУ с КУ

В первой части работы анализировались предельные параметры ПУ, содержащие СО2 -КУ и одноэлементный приемник излучения. (Принципиальная схема такого ПУ с электронной регистрацией и обработкой информации от оптического сигнала показана на рис. 1). Эти ПУ без сканирования не пригодны для получения изображений объектов.

ПУ с электронной обработкой информации могут быть использованы в СО2-лазерных дальномерах.

Во второй части работы анализировались предельные параметры ПУ, содержащие СО2 - КУ и матричное приемное устройство - несканирующий тепловизор. (Принципиальная схема подобного ПУ c визуальной регистрацией и обработкой информации от оптического сигнала, показана на рис. 2). Эти ПУ предназначены для получения изображения.

ПУ с визуальной обработкой информации) могут быть использованы в активных системах ИК видения, для визуального наблюдения изображений объектов, облучаемых СО2-лазером.




Рис.1 Принципиальная схема ПУ с КУ и одноэлементным ПИ.

1-Входная линза телескопа; 2- Выходная линза телескопа; 3- Усиливающая среда КУ; 4-Зеркала многоходовой оптической системы КУ; 5- Оптический фильтр; 6- Чувствительный элемент приемника излучения; 7- Устройство обработки электрического сигнала; 8-нагрузочное сопротивление приемника излучения; 9- Объектив на выходе КУ.


Рис.2. Принципиальная схема ПУ с КУ и несканирующим тепловизором (матричным тепловизором).

1-Входная линза телескопа; 2- Выходная линза телескопа; 3- Усиливающая среда КУ; 4-Зеркала многоходовой оптической системы КУ; 5- Оптический фильтр; 6- Матричное фотоприемное устройство ; 7- Монитор тепловизора; 8- Объектив тепловизора; 9-Оптический затвор.

Отметим, что ПУ с КУ могут использоваться только в активных системах, т.е. при наличии лазера подсветки. При этом система будет оптимальна (т.е. будет иметь максимальную чувствительность и максимальную информационную способность) если лазер подсветки одновременно освещает всю сцену (сцена - пространство, попадающее в мгновенное поле зрения прибора).



Рассмотрим основные результаты проведенного анализа. Предварительно введем следующие обозначения. h, k, о, c, q - соответственно, постоянные Планка, Больцмана, Стефана-Больцмана, скорость света и заряд электрона;

X, v- длина волны и частота лазерного излучения, соответственно;

G- коэффициент усиления КУ;

p -суммарное давление смеси газов в КУ;

WC02, 4W2, WHe -соответствующие доли газовых компонент в смеси; Тгаз- температура газа в активной среде КУ;

Aw- расстояние между соседними частотами излучения С02-лазера, (Avv = 53-109 Гц); Avp - ширина линии (по полувысоте), уширенной давлением газовой смеси; Avox- разность между центральной -vo и выбранной -vx частотами;

S(Avox)- зависимость поглощения (усиления) спектральной линии, уширенной давлением от Avox;

Ava (G)- эффективная (по полувысоте) ширина контура усиления линии КУ при усилении G; Е, - эффективный коэффициент пропускания оптической системы ПУ; х/ - коэффициент пропускания охлаждаемого оптического фильтра;

X1 и X2 -соответственно, коротковолновая и длинноволновая границы пропускания охлаждаемого фильтра;

AXf - спектральная полоса пропускания охлаждаемого фильтра (AXf = X2 -Avf- полоса пропускания охлаждаемого фильтра (Avf = AXf-c / X1-X2) ;

Q = Avf /Avv - число колебательно-вращательных переходов, попадающих в полосу пропускания узкополосного интерференционного фильтра, установленного перед приемником; Рсп^)- мощность спонтанного излучения КУ в одной пространственной моде, на нескольких колебательно-вращательных переходах, попадающих в полосу пропускания, узкополосного интерференционного фильтра, установленного перед приемником излучения; N2, N1, g2, g1, - населенности и статистические веса соответственно верхнего и нижнего колебательно- вращательных уровней молекулы СО2, участвующих в усилении излучения СО2 -лазера;

Af- полоса пропускания радиочастотного усилителя на выходе ПИ;

Т- температура ПИ;

Т - температура сцены;

Ri- средний коэффициент отражения сцены для излучения с длиной волны 10.6мкм;

-сопротивление нагрузки в цепи приемника;

Фп- порог чувствительности ПУ с КУ в полосе Af;

Фп1)- удельный порог чувствительности ПУ с КУ;

Da- диаметр входного и выходного апертурных отверстий КУ;

Dab- эффективный (по уровню e) диаметр аберрационного пятна объектива;

(Dab = Г-X , где: 3 < Г < 5; Г- численный коэффициент, зависящий от качества объектива);

F-фокусное расстояние объектива ТВП;

A-относительное отверстие объектива ТВП;

П-квантовая эффективность чувствительного элемента (ЧЭ);

So- площадь ЧЭ.

ПУ с КУ и одноэлементным приемником квантового типа.

Рассчитывались зависимости удельных порогов чувствительности Фп1) от коэффициента усиления КУ. При расчетах учитывался только дробовый шум от фотонов, попадающих на приемник после прохождения квантового усилителя и охлаждаемого интерференционного фильтра (установленного непосредственно перед приемником) и тепловой шум сопротивления нагрузки приемника.



Предполагалось, что приемник, перед которым установлен охлаждаемый фильтр, облучается:

- излучением СО2 - лазера подсветки, отраженным от объекта наблюдения и усиленным квантовым усилителем;

- спонтанным излучением квантового усилителя, прошедшего через охлаждаемый интерференционный фильтр на входе приемника;

-частью теплового излучения сцены не усиленного КУ, прошедшего через охлаждаемый интерференционный фильтр на входе приемника;

- частью теплового излучения сцены усиленного КУ, прошедшего через охлаждаемый интерференционный фильтр на входе приемника;

При расчетах (также как и в [31] для определенности предполагалось, что КУ работает на смеси газов (\/СО2=2, \/N2=1, \/He=2), но с суммарным давлением p = 30тор и Т=600К. Тогда в соответствии с [50] :

/ ч 300ч 2 Avp(p,T) = 7.58-(v/CO2 + 0.73-\/N2 + 0.64v/He)-p- -

s(Avox) = 2--(-Avp-

4-Avox + Avp /

Можно показать, что для рассматриваемых условий зависимость Ava (G)- эффективной (по полувысоте) ширины контура усиления КУ от коэффициента усиления КУ, апроксимируется следующей формулой:

Ava(G)

= 353.69-106-18.96 G-G( - 0 065)

а мощность спонтанного излучения КУ в одной пространственной моде, на нескольких колебательно-вращательных переходах, попадающих в полосу пропускания, узкополосного интерференционного фильтра, установленного перед приемником излучения описывается следующим выражением:

Psp(G) = £-Tf-2-h-v- --Ava(G)--N2--(g - 1)

Avv g2

N2 - N1--

g1 ( 1 )

Расчеты Фп1(0) производились по выражению ( 3 ), полученному при решении уравнения S(G)N(G) = 1. ( 2 )

Где: S(G)- мощность тока от полезного оптического сигнала (от излучения СО2 -лазера подсветки, отраженного от объекта наблюдения и усиленного квантовым усилителем); N(G)- суммарная электрическая мощность шумовых токов (N -дробового и -теплового).

h - с/ Я, 2 - Л - Tf - Af



4-Ф

(1 - Ri)-G-(G- 1)-c)(G)-Ui(Ti) + Af-(G - 1)2-Q- Ava(G)

Z(G) = *±

G2-Af2 -R-q2

+ 16- k-T-Af

q-G-I

--R05

Q-Ava(G) Avf

Avf Avv

Ф = - - n - £, - х/ - So - n - Л 2

W (Ti ) = j :

xj [n - (h - о/ X)]

Wi ( X , Ti )

2 - n - h - о 2 X-5 exp(h - о/X - & - Ti) - 1

На рис 3 приведены зависимости порогов чувствительности (в единичной полосе частот) ПУ с КУ от коэффициента усиления КУ, рассчитанные (для X=10.6 мкм) при различных параметрах, входящих в них квантовых приемников излучения и КУ.

1 -10

... 1 -10

Фп1e(G) -

1 -10

1 -10

12

16


345 1 -103 1 -104 1 -105

Зависимости порогов чувствительности (в единичной полосе частот) ПУ с КУ от коэффициента усиления КУ, рассчитанные (для X=10.6 мкм) при следующих параметрах, входящих в них квантовых приемников излучения и КУ: Т = 77К; =0.3; xf = 0.5; Avv =53-109 Гц. Фп) при: n= 0.5, So = 9-10-10 м2, R = 5000 Ом, AXf = 0.245-10-6 м., Af = 105 Гц. Фп1Ъ^) при: n= 0.5, So = 9-10-10 м2, R = 50 Ом, AXf = 0.245-10-6 м., Af = 107 Гц. Фп1) при: n= 0.9, So = 9-10-10 м2, R = 5000 Ом, AXf = 0.245-10-6 м., Af = 105 Гц. ФпЫ^) при: n= 0.9, So = 9-10-10 м2, R = 5000 Ом, AXf = 0.1-10-6 м., Af = 105 Гц. Фп) при: n= 0.9, So = 9-10-8 м2, R = 5000 Ом, AXf = 0.1-10-6 м., Af = 105 Гц.



Видно, что для всех рассматриваемых случаев Фп1) уменьшаются при увеличении G лишь до определенной величины. Причем, чем меньше квантовая эффективность ПИ, тем при больших коэффициентах усиления КУ наступает насыщение зависимости Фп1) от G (например, Фп1а^) и Фп1с^)).

В ФПУ с КУ при увеличении G увеличивается S(G) и одновременно увеличивается N(G) - мощность дробового шума, обусловленного усилением интенсивности спонтанного излучения КУ и части фонового излучения (частоты которого находятся в полосе усиления КУ), попадающих в полосу пропускания охлаждаемого фильтра (a?f), установленного перед ПИ. В то же время N - мощность шума, обусловленного тепловыми шумами, остается неизменной.

Очевидно, что при увеличении G отношение S(G)/N(G) будет увеличиваться лишь до тех пор, пока N,(G) не станет существенно большим, чем N-,:. Дальнейшее увеличение G не имеет смысла, так как это больше не приводит к увеличению s(g)/n(g) и, соответственно, к уменьшению Фп).

Минимальные значения Фп1) достигаются в тех случаях, когда мгновенное поле зрения ФПУ с КУ не превосходит угловых размеров объекта, облучаемого излучением лазера подсветки, при этом число пространственных мод усиленного сигнального излучения, попадающих на приемник -Ms, равно числу соответствующих пространственных мод усиленного спонтанного излучения активной среды КУ- Mn, т.е. Ms = Mn. В этом случае площадь изображения объекта в плоскости приемника Ss = So, где So - площадь приемника излучения.

В тех случаях, когда Ms << Mn и соответственно Ss<< So насыщение зависимостей S(G)/N(G) и Фп1) происходит при меньших G и не достигается минимальный порог чувствительности ФПУ с КУ. Именно это имело место в [31], где в результате неоптимальной конструкции исследуемого лабораторного макета ФПУ с КУ, в котором (по нашим оценкам) Ss/So < 500 (и, соответственно, Ms /Mn < 500), максимальный выигрыш в отношении S(G)/N(G) не превысил 6 дБ. Подобную ситуацию моделирует зависимость Фп1е^), которая рассчитывалась для существенно большей площади ПИ, чем зависимость Фп1с^).

(Отметим, что условие Ms = Mn практически всегда выполняется при использовании матричных приемников с размерами фоточувствительных элементов (ФЧЭ), приблизительно равными площади пятна (дифракционного или аберрационного) Sм, в которое фокусируется одна мода принимаемого лазерного излучения.)

Зависимости, приведенные на рис. 3, иллюстрируют следующие закономерности, присущие ФПУ с КУ и одноэлементным квантовым приемником излучения. Практически одинаковые предельные значения Фп1(G) могут быть достигнуты в ФПУ, в которых используются ПИ с различными сопротивлениями нагрузки- R, т.к. низкие величины R компенсируются большими значениями G. Однако, подобной компенсации не происходит при использовании ПИ с различными л, So и AXf.

В рассматриваемом примере (при л = 0.9, So = 9-10-10м2, aaf = 0.1-10-6м и G = 3000) минимальное значение Фп1(G) = 5.6-10-16 Вт-Гц-12. (При этом эффективная ширина контура усиления квантового усилителя (по полувысоте) была 450 МГц).

ПУ с КУ и одноэлементным пироэлектрическим приемником

Пироэлектрические приемники излучения не требуют охлаждения, их чувствительность не зависит от длины волны, они могут работать в широком спектральном диапазоне, их стоимость существенно меньше стоимости квантовых приемников. Однако, они имеют более высокий порог чувствительности, чем квантовые приемники. Этот порог может быть существенно снижен при использовании КУ.

Рассчитывались зависимости порогов чувствительности Фп1) от коэффициента усиления КУ. При расчетах учитывались радиационные или фотонные шумы, обусловленные мгновенными флуктуациями числа фотонов, облучающих приемник, тепловые или джонсоновские шумы, обусловленные флуктуациями носителей заряда в сопротивлении и температурные



шумы, связанные с флуктуациями температуры приемника. Предполагалось, что приемник, перед которым установлен узкополосный оптический фильтр, облучается:

- излучением СО2 - лазера подсветки, отраженным от объекта наблюдения и усиленным квантовым усилителем;

- спонтанным излучением квантового усилителя;

- тепловым излучением от сцены не усиленным КУ;

- тепловым излучением от сцены, попадающим в полосу усиления и усиленным КУ.

Использовались те же характеристики КУ, что и при расчетах параметров ПУ с КУ и одноэлементным квантовым приемником. Поэтому зависимость Avamp(G)- эффективной (по полувысоте) ширины контура усиления КУ от коэффициента усиления КУ, апроксимировалась формулой (1).

Расчеты Фп1(С) производились по выражению (4 ), полученному при решении уравнения S(G)/NL(G) = 1. (где: S(G)- мощность тока от полезного оптического сигнала (от излучения СО2 -лазера подсветки, отраженного от объекта наблюдения и усиленного квантовым усилителем); NL(G)- суммарная электрическая мощность шумовых токов)

On1(G) = J- (q -Af05 + ZG) (4)

Sae G

Z (G) = G2 - q2 -Af + 2 - Sae - (G -1) - q - [ Psp(G) + Ptki(G) + Pti(G)] + 4 - k - T - GL+A

со - s1 - So - у

GL-(1 + oo2 -tt2)°

W = 1 + со2 + тэ2

c1 - So - d

тэ =

£ - SO - So

GL = Gp + Gnp

Gp = 4 - s1 - So - о - To3 Gnp = d- - So - K + d1-1 So - K1 где:

SaB - ампер-ваттная чувствительность пироприемника; Af- полоса электронного усилителя.

Gp, Gnp, GL - коэффициенты теплопотерь: за счет излучения, за счет теплопроводности и суммарный, соответственно;

с1- теплоемкость единицы объема материала пироэлектрика;

тт, тэ - постоянная времени тепловая и электрическая, соответственно;

Y -пироэлектрический коэффициент;

81-поглощательная способность поверхности чувствительного элемента; d, d1 - толщина слоя пироэлектрика и медной подложки, соответственно; 8о, 8 - диэлектрическая проницаемость свободного пространства и пироэлектрика, соответственно;

со - круговая частота модуляции принимаемого излучения;

К- коэффициент теплопроводности материала пироприемника;

К1- коэффициент теплопроводности материала подложки;

Ptki(G) - мощность усиленного КУ теплового излучения сцены, облучающая пироприемник.

Ptki(G) = 0-(G- 1H(G)-Ui(Ti)-(1 - Ri)-h-v



Pti(G) - мощность неусиленного КУ теплового излучения сцены, облучающая пироприемник.

Pti(G) = Ф-(1 - ф()-ЩТГ)-(1 - Ri)-h-v

На рис 4 приведены зависимости порогов чувствительности (в единичной полосе частот) ПУ с КУ от коэффициента усиления КУ, рассчитанные (для Я=10.6 мкм) при различных параметрах, входящих в них пироэлектрических приемников излучения.

1 -10

Фп1) 1 -10

Фп1Ь (G)

1 -10

Фп1с (G)

1 -10

ФпЫ (G)

Фп1е (G)

1 -10

1 -10


1 -10

1 -10

1 -10

1 -10

Зависимости порогов чувствительности (в единичной полосе частот) ПУ с КУ от коэффициента усиления КУ, рассчитанные (для Я=10.6 мкм) при следующих параметрах, входящих в них пироэлектрических приемников излучения и КУ: Т = 300К; =0.3; if = 0.5; AAf = 1-10-7 м, Avv =53-109 Гц. А)

Фп1) при: So= 9-10-10 м2, d=10 10-6м, d1=1000 10-6м, R = 106 Ом, Tt = 3.4-10-6c, Af = 31 Гц. Фп) при: So = 2.540-9 м2, d=10 10-6м, d1=1000 10-6м, R = 3.5-105 Ом, Tt = 3.440-6c, Af = 32Гц. Фп1Ь^) при: So = 2.5-10-9 м2, d=50 10-6м, d1=1000-10-V, R = 107 Ом, tt = 740-5c, Af = 28 Гц. В)

Фп1) при: So = 6.25-10-8 м2, d=30 10-6м, R = 8-108 Ом, Tt = 12.9 c. Фп1d(G) при: So = 1-10-6 м2, d=30 10-6м, R = 7406 Ом, tt = 12.9 c. Фп1e(G) при: So = 2.5-10-9 м2, d=30 10-6м, R = 1010 Ом, Tt = 12.9 c.

Расчеты проводились для двух видов пироприемников на основе ТГС при следующих значениях параметров.

К=68.7 Вт / (м-К); К1=401 Вт / (м-К); s = 200; у = 40-10-4 Кл/(м2-К) ; с1=2.8-106 Дж/ (м3-К)

А- пироприемников, у которых пироэлектрический слой находится на медной пластинке. У этих пироприемников теплообмен происходит практически только за счет теплопроводности и тепловая постоянная времени у них соответственно мала (тТ = 10-с -10-с )

В- пироприемников, у которых пироэлектрический слой отделен тонким воздушным или вакуумным промежутком от подложки. У этих пироприемников теплообмен происходит практически только за счет излучения и тепловая постоянная времени у них соответственно велика (тТ = 1с -20 с ).





1 2
© 2017 РубинГудс.
Копирование запрещено.