УДК 52-626:621.317
ТЕПЛОВЫЕ ПРИЕМНИКИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК VOx
THERMAL DETECTORS OF LASER RADIATION ON THE BASIS
OF THE FILM VO
Олейник Анатолий Семенович
д-р техн. наук, профессор Е-mail: Anatoly.Semenovich@gmail.ru
Салихов Рамиль Наильевич
магистрант
Е-mail: altata15_salihov@mail.ru
Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю. А., г. Саратов
Аннотация: Показано применение многоэлементных тепловых приемников на основе пленки VOx, имеющих режим внутренней памяти, для контроля энергетических параметров лазерного излучения. Рассмотрено сравнение различных вариантов заполнения термочувствительными элементами приемных площадок приемников. Приведены эксплуатационные параметры приемников излучения.
Ключевые слова: тепловой приемник, болометр, термочувствительный элемент, лазерное излучение.
Oleinik Anatoly S.
D. Sc. (Tech.), Professor
Е-mail: Anatoly.Semenovich@gmail.ru
Salikhov Ramil N.
Master Student
Е-mail: altata15_salihov@mail.ru
Saratov State Technical University, Saratov city
Abstract: The application of multi-element thermal detectors based on the film VOx that have a mode of internal memory to control the energy parameters of laser radiation was shown. Also the comparison of different options fill sensing element receiving areas receivers was shown. Operating parameters of radiation receivers was shown.
Keywords: thermal detectors, bolometer, thermosensitive element, laser radiation.
ВВЕДЕНИЕ
С развитием лазерной техники все более актуальной становится задача создания измерительных устройств, позволяющих оперативно контролировать пространственно-энергетические характеристики лазерного излучения. В настоящее время проводятся работы по совершенствованию отечественной системы обеспечения единства измерений величин и параметров, характеризующих лазерное излучение. При этом к приемникам излучения для измерения пространственно-энергетических параметров лазерного излучения предъявляются следующие требования, сформулированные в работе [1]: — одновременно измерять все параметры пучка, характеризующие его профиль в целом;
— измерять параметры пучков как непрерывных, так и импульсных лазеров во всем диапазоне длин волн и в широком диапазоне интенсив-ностей лазерного излучения;
— обеспечивать пространственную разрешающую способность приемника порядка 1 мкм при измерении распределения интенсивности в фокальном пятне. Следует заметить, что в отечественной практике отсутствуют современные типы измерительных устройств, способных регистрировать пространственно-временные характеристики лазерного излучения в реальном масштабе времени. Недостатком отечественных измерительных устройств является низкое быстродействие, наличие большого количества аппаратных средств для автоматической об-
работки результатов измерений и архаичное конструктивное исполнение, что существенно ограничивает их широкое применение [1]. Все это и послужило поводом для снятия их с производства. Для автоматического измерения и регистрации плотности энергии поперечного сечения светового потока импульсного лазера необходимо обеспечить совместимость измерительных устройств, работающих в широком диапазоне интенсивности длин волн и длительности импульсов, со всеми типами ПК.
Целью данной работы является разработка нового класса быстродействующих тепловых приемников лазерного излучения, обладающих внутренней памятью. Приемники предназначены для анализа энергетических параметров источников лазерного излучения, входящих
в состав технологического оборудования.
В работе описаны различные варианты многоэлементных тепловых приемников, которые представляют собой герметичный малогабаритный плоский корпус с окном. Внутри корпуса перед окном расположена диэлектрическая подложка, на которой размещен термочувствительный слой из УОх в виде мозаики из элементов малой площади с электродами, соединенными с выводами корпуса. В каждом приемнике конфигурация конкретной мозаики на основе термочувствительных элементов определена областью применения приемника.
Основными требованиями, предъявляемыми к рабочим средствам измерения энергетических параметров лазерного излучения, являются: неселективность в широком спектральном диапазоне, высокая чувствительность, малый уровень собственных шумов, малая инерционность, линейная зависимость выходного сигнала от величины падающего лучистого потока, одинаковая чувствительность по всей рабочей площадке приемника, устойчивость к действиям излучения, малые масса и габариты.
Были разработаны быстродействующие тепловые приемники с апертурой входного окна, соответствующего диаметру активного элемента лазерного источника излучения (как правило 8; 10; 12 мм). Указанные активные элементы входят в состав технологического лазерного оборудования, предназначенного для размерной обработки тугоплавких материалов [2]. В ходе разработки ставилась задача обеспечения минимальной теплоемкости термочувствитель-
ного слоя приемника за счет уменьшения его толщины, а также толщины подложки, при сохранении ее жесткости. Размеры термочувствительного элемента составляют доли миллиметра. Выполнение указанных условий обеспечивает постоянную времени приемника не более 10 6 с.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО СЛОЯ ПРИЕМНИКА
Технической инновацией является использование модифицированного слоя УОх толщиной 60 нм со скачком сопротивления при фазовом переходе полупроводник—металл 1,5 порядка величины, с шириной петли термического гистерезиса 23 °С и температурой середины петли 45 °С [3]. Изготовление пленок УОх, где х = 1,5...2,02, базируется на двухстадийном процессе изготовления, вклю-
чающем нанесение в вакууме на диэлектрическую подложку слоя ванадия определенной толщины, легированного примесями на основе 81 и А1, и окисления его на воздухе до формирования пленки УОх. Вариация толщины легированного слоя ванадия, времени и температуры окисления обуславливают изготовление поликристаллических оксидных пленок ванадия с различными параметрами. Учитывая высокую стабильность пленки, возможность эксплуатации в условиях воздействия ионизирующих излучений, малую тепловую инерцию и широкую петлю гистерезисной зависимости изменения сопротивления, целесообразно использовать пленочную структуру УОх-Д (диэлектрик) в качестве термочувствительного слоя теплового приемника [4].
На рис. 1 приведена температурная зависимость удельно-
г, Ом/см
3-103
103 9 8
6 5
4
3
102 9 8 7 6 5
10
А
Б
J_1_
_1_
J_1_
_1_
J_1_
_1_
J_1_
_1_
_1_
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 °
Рис. 1. Зависимость удельного поверхностного сопротивления термочувствительных элементов из пленки толщиной 60 нм
2
2
4
20
Эепвогв & Эувгетв • № 7.2015
го поверхностного сопротивления слоя VOx толщиной 60 нм, Rs = 1170 кОм, Rm = 24 кОм — значения сопротивлений в низкотемпературной (22 °С) и высокотемпературной (69 °С) точках схлопывания петли гистерезиса соответственно. Сопротивления RH = 800 кОм и RK = = 40 кОм соответствуют точкам А и В на уровне 45 °С — середине петли гистерезиса, где n = RH/RK — скачок сопротивления при ФППМ [3].
В диапазонах 25...45 и 45...69 °С имеет место квазилинейный характер изменения величины удельного поверхностного сопротивления слоя VOx от температуры, при этом величина температурного коэффициента сопротивления (ß = AR/RAT, где R — сопротивление VOx, AT — температурный диапазон) составляет 1,4 и 4 %/°С соответственно. В температурном диапазоне 45...69 °C фазового перехода полупроводник—металл имеет место режим внутренней памяти при наличии тер-мостатирования, что является отличительным признаком предлагаемых тепловых приемников.
КОНСТРУКЦИЯ
И ТОПОЛОГИИ РАЗМЕЩЕНИЯ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИЕМНИКА
Приемная площадка приемника выполнена в форме круга на поверхности подложки и заполнена термочувствительными элементами в виде мозаики, каждый элемент имеет сигнальный и общий электроды, соединенные с контактными площадками, расположенными по периметру подложки. На обратной стороне подложки расположены пленочный нагреватель с компенсационным термочувствительным элементом, соединен-
ные с контактными площадками. Выводы основания приемника проводниками соединены с контактными площадками подложки. Приемники отличаются друг от друга формой, размерами термочувствительных элементов и расположением их
на плоскости приемной площадки, при этом обеспечивается соответствующий коэффициент заполнения приемной площадки приемника.
На рис. 2 показаны поперечный разрез приемника и топологии элементов термочувстви-
Рис. 2. Поперечный разрез приемника (а) и варианты топологий (б, в, г) термочувствительного слоя приемников:
1 — основание; 2 — крышка; 3 — прозрачное окно; 4 — выводы; 5 — прокладка; 6 — подложка; 7 — термочувствительный слой; 8 — компенсационный элемент
тельного слоя различных вариантов приемников.
Тепловой приемник излучения рис. 2, а, содержит герметичный корпус, состоящий из основания 1 и крышки 2 с входным окном 3, выполненным из материала, прозрачного для регистрируемого излучения, например, из пленочного стекла или пластины BaF2. Основание корпуса 1 имеет позолоченные выводы 4, на основании корпуса с помощью диэлектрической прокладки 5 закреплена диэлектрическая подложка 6, лицевая сторона которой покрыта термочувствительным слоем 7 с электродами; на обратной стороне расположен компенсационный термочувствительный элемент 8.
Как видно из рис. 2, б, термочувствительные элементы квадратной формы образуют четыре кольца, радиусы колец увеличиваются на одинаковую величину от центра круга, равному удвоенному размеру элемента. На каждом кольце элементы расположены на равноудаленном расстоянии друг от друга и содержат соответственно 4; 8; 8; 12 элементов. Коэффициент заполнения приемной площадки 20 % [5]. К недостаткам приемника относятся невысокий коэффициент заполнения приемной площадки приемника и наличие только четырех колец из термочувствительных элементов, что обеспечивает только грубый анализ Гауссова распределения излучения по сечению пучка.
На рис. 2, в, представлена мозаика из 3
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.