ПОВЫШЕНИЕ ПОРОГОВОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

Краткие
сообщения
УДК
621.314.26:530.145
Э. С. Воронин, И. Н. Матвеев, С. М . Пшеничников, В. С. Соломатин, В. В. Шувалов
ПОВЫШЕНИЕ ПОРОГОВОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРИЕМНИКОВ
ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ
ЧАСТОТЫ ВВЕРХ
Актуальной проблемой современной науки и техники является созда­
ние высокочувствительных малоинерционных приемников, удобных в прак­
тическом использовании. Перспективным в этом плане является метод де­
тектирования инфракрасных сигналов с преобразованием их частоты вверх
в видимую или ближнюю инфракрасную область с помощью нелинейных
кристаллов.
Чувствительность такой системы определяется величиной коэффици­
ента преобразования и чувствительностью приемника видимого диапа­
зона. Однако, хотя вопросу повышения эффективности преобразования
посвящено достаточно большое количество работ (см., например, [1—4]),
лишь некоторые авторы определяли пороговую чувствительность всей
системы и занимались вопросом отработки системы регистрации преобра­
зованного излучения [4].
В настоящей работе исследовались возможности повышения порого­
вой чувствительности приемника излучения ближней инфракрасной обла­
сти (А, =1,15 мкм) с преобразованием его частоты в видимый диапазон
(Я, =0,55 мкм) на нелинейном кристалле L i J 0 . Однако вся методика лег­
ко может быть использована и при приеме излучения средней инфракрас­
ной области на нелинейном кристалле прустита ( A g A s S ) .
С целью повышения эффективности преобразования использовались
следующие методы.
1. Лазер накачки* на алюмо-иттриевом гранате (Л, =1,064 мкм) рабо­
тал в режиме активной модуляции добротности механическим прерывате­
лем с длительностью импульса тя^0,5 мкс по основанию и частотой повто­
рения / ^ 6 кГц.
2. Применялась схема полного включения нелинейного кристалла
внутрь резонатора лазера накачки.
3. С помощью сферических зеркал резонатора лазера на алюмо-иттрие­
вом гранате осуществлялась фокусировка излучения накачки в нелинейный
кристалл.
С целью повышения чувствительности схемы регистрации преобразо­
ванного излучения осуществлялось ее стробирование на время отсутствия
сигнала на суммарной частоте.
Рассмотрим более подробно расчет резонатора лазера накачки, позво­
ляющего осуществить фокусировку пучка в нелинейный кристалл [5].
При этом необходимо учитывать тепловую линзу, возникающую в актив­
ном элементе за счет неравномерного радиального распределения темпе­
ратуры.
Рассмотрим простейший случай резонатора типа «сфера — плоскость»,
в котором тепловая линза заменена эквивалентной тонкой линзой с фокус­
ным расстоянием F=F(J),
где J — ток разряда лампы накачки. Экспери­
ментальная зависимость F(J) приведена на рис. 1. Заменим систему сфе­
рическое зеркало — линза эквивалентным зеркалом с радиусом кривизны
i? , удаленным от места расположения линзы на расстояние L (рис. 2).
Здесь R и L определяются следующими выражениями:
2
3
3
3
3
х
Q
9
Q
8
(о
201
1975
Квантовая
электроника
т. 2, № 1
(2)
При этом эквивалентная длина резонатора d=a + L, или
LF
F — L'
(3)
Необходимым условием генерации является, очевидно, условие
26
d^R .
Q
28 J,A
Р и с . 1. Зависимость фокусного расстояния
тепловой линзы от т о к а разряда лампы накачки.
Рис. 2. Схема
резонатора
качки,
лазера
на-
Поперечный размер пучка на сферическом зеркале 2W и на плоском
зеркале 2W определяется соотношениями
0
(4)
1 •
(5)
(6)
Расшифровки введенных в формулы (1) — (6) величин см. на рис. 2.
Учитывая конструкцию лазерной головки, выберем Ь=28
см и
# = 130 см.
Оценим оптимальный размер диаметра перетяжки 2W , исходя из
угла анизотропии у^0,04 и длины нелинейного кристалла 1=2 см:
0
2Г ^/7/2=0,04 см.
0
Теперь, используя (3), можно определить зависимость расстояния между
активным элементом и плоским зеркалом от тока разряда лампы накач­
ки a (J) и выбрать необходимый ток J.
С целью пространственного разделения излучения на суммарной ча­
стоте и фонового излучения лазера накачки, уменьшения мощности излу­
чения паразитной второй гармоники (А,=0,53 мкм), осуществления фоку­
сировки сигнального излучения сравнительно короткофокусной линзой
(F~20 см) была использована схема векторного касательного синхронизма
в нелинейном кристалле. При этом угол между волновыми векторами на­
качки и сигнала в кристалле определялся выражением
a^tgY[(V£i)+l]=0,07
(k
202
lt2
— волновые векторы на длинах волн 1,064 и 1,15 мкм соответственно).
Краткие
сообщения
Схема экспериментальной установки изображена на рис. 3. В каче­
стве активного элемента лазера накачки был использован алюмо-иттриевый гранат размером 0 3 x 5 0 мм высокого оптического качества с непре­
рывной накачкой от ксеионовой лампы мощностью около 2 кВт. Резона­
тор лазера образовывался диэлектрическими зеркалами с коэффициентами
отражения на длинах волн 1,06 и 0,55 мкм равными 99,7 и 28% соответ­
ственно. Зеркало 1 сферическое, с радиусом кривизны # = 130 см, зерка-
Рис. 3. Схема экспериментальной установки:
/ _ сферическое зеркало; 2 —элемент А И Г — N d ; 3—металлическое зеркало; 4 — линза; 5 — зеркало
с отверстием; 6 — нелинейный кристалл L i J O ; 7 — диск с отверстиями; 8 — электродвигатель;
9 — плоское зеркало; 10 — фотодиод; 11 — усилитель-формирователь строб-импульса; 12 — Не—
Ne-лазер; 13 — диафрагмы; 14 — сигнал-генератор; 15 — ФЭУ; 16 — стробируемый усилитель;
17 — электронные частотомеры; 18, 19 — фильтры.
a
ло 9 — плоское. Модуляция добротности лазера накачки осуществлялась
вращающимся диском 7 с отверстиями, приводимым в движение электро­
двигателем 8 типа ДИД-2ТА. Использовался режим работы на основной
поперечной моде за счет введения диафрагмы 13 диаметром около 2 мм.
Кристалл L i J 0 6 имел длину 2 см, грани его были срезаны под углом
Брюстера. Сигнальное излучение от Не — Ne-лазера 12 фокусировалось
линзой 4 с фокусным расстоянием 23 см. Стеклянный фильтр 19 типа ИКС-1
использовался для фильтрации излучения длиной волны 3,39 мкм и пара­
зитного излучения газового разряда. Угол между волновыми векторами
сигнального излучения и накачки вне кристалла составлял 7°40', что обес­
печивало выполнение условий векторного касательного синхронизма.
Излучение на суммарной частоте, проходя через фильтры 18 и диа­
фрагмы 13, падало на фотоэлектронный умножитель 15 типа ФЭУ-51 с
квантовым выходом на длине волны 0,55 мкм около 1 0 % , чувствительно­
стью 100 А/лм при анодном напряжении 1,8 к В . Сигнал с Ф Э У усиливался
стробируемым усилителем 16 и суммировался электронным частотометром
17 типа 43-24. Фотодиод 10 служил для регистрации импульсов излуче­
ния лазера накачки, запускающих усилитель-формирователь строб-им­
пульса И. Видеоимпульсы стробов длительностью около 1 мкс открывали
стробируемый усилитель только на время регистрации сигнального излу­
чения. Усилитель-формирователь 11 формировал также радиоимпульсы
той же длительности с частотой заполнения 10 МГц от сигнал-генерато­
ра 14 типа Г4-42, поступающие на электронный частотомер 17 типа 43-35,
служащий для отсчета чистого времени измерения.
Методика измерений состояла в следующем. В отсутствие сигнального
излучения от Не — Ne-лазера проводился счет темновых импульсов с
Ф Э У (фоновое излучение отсутствовало). Время выборки составляло 10 с,
что соответствовало времени счета ~ 5 0 мс. Было проведено 500 измере­
ний, в результате чего получено распределение вероятностей числа им3
203
1975
Квантовая
электроника
т. 2, № 1
пульсов. Экспериментальное распределение не совпало с распределени­
ем Пуассона для данного среднего, что объяснялось медленными флуктуациями мощности излучения лазера накачки (сигнала), нестабильностью
работы Ф Э У . В предположении независимости этих флуктуации были по­
строены распределения Пуассона с флуктуирующим средним. Получен­
ные распределения хорошо согласуются с экспериментальным.
Р%
10,0 9
Рис. 4. Распределения
с экспериментальными
режим, ф, 1); 5 - Ю
пределениям Пуассона
- 1 4
вероятностей р числа п импульсов Ф Э У и распределения Пуассона
средними при мощностях сигнального излучения Р 0 (темновой
В т ( 0 , 2) и 1 , 3 - 1 0 — В т ( Д , 3). Случаи а и б относятся к рас­
с флуктуирующим средним при величине флуктуации 20 и 30%
соответственно.
=
2
13
Аналогичным образом проводились измерения в присутствии сиг­
нального излучения. При мощности сигнала Р =5- Ю
Вт среднее число
импульсов примерно в 1,5 раза больше среднего числа темновых импуль­
сов. Таким образом, сигнальное излучение мощностью 5 - 1 0 ~ Вт зареги­
стрировано с вероятностью обнаружения 60% и вероятностью ложной
тревоги 1 0 % . Экспериментальные и теоретические распределения вероят­
ности приведены на рис. 4.
В эксперименте была достигнута эффективность преобразования около
80% по мощности, что хорошо соответствует теоретической оценке.
Таким образом, настоящая работа подтверждает целесообразность
использования приемников с преобразованием частоты вверх, поскольку
достигнутая чувствительность превышает чувствительность приемников
инфракрасного излучения, применяемых в настоящее время.
- 1 4
2
14
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. G. D . В о у d, D . А . К 1 е i n m а п. / . Appl. Phys., 39, 3697 (1968).
2. Т. G у г s к у. Appl. Phys. Letts, 23, 341 (1973).
3. E . S. V o r o n i n , V . S. S o l o m a t i n , V . V . S h u v a l o v . Opto-Electronics,
6, 189
(1974).
4. R. S m i t h , H. M a h r . V I International Q u a n t u m Electronics conference, K y o t o , 1971.
5. H . К о g e 1 n i k, T. L i. Appl. Optics, 5, 1550 (1966).
Московский государственный
Поступило в редакцию
4 июля 1974 г.
университет им. М . В . Л о м о н о с о в а
204