Поглощение оптического излучения тонкими металлическими проволоками при сильном импульсном нагреве
Приведены результаты измерений поглощения излучения болометрами при нагреве их импульсным излучением, когда в течение импульса температура меняется от комнатной до значений в несколько сотен градусов. Определен ход температурной зависимости коэффициента дихроизма и фактора эффективности поглощения и...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Радіофізика та електроніка |
|---|---|
| Datum: | 2011 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2011
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78093 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Поглощение оптического излучения тонкими металлическими проволоками при сильном импульсном нагреве / А.О. Пак, Н.Г. Кокодий // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 4. — С. 92-95. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-78093 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Пак, А.О. Кокодий, Н.Г. 2015-03-11T05:35:32Z 2015-03-11T05:35:32Z 2011 Поглощение оптического излучения тонкими металлическими проволоками при сильном импульсном нагреве / А.О. Пак, Н.Г. Кокодий // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 4. — С. 92-95. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78093 535:621.373.826+536.5 Приведены результаты измерений поглощения излучения болометрами при нагреве их импульсным излучением, когда в течение импульса температура меняется от комнатной до значений в несколько сотен градусов. Определен ход температурной зависимости коэффициента дихроизма и фактора эффективности поглощения излучения Qabs(T), а также абсолютные значения последнего при различных температурах. The results of measurements of the radiation absorption by bolometers that are heated by pulsed radiation are presented. During the pulse the temperature changes from room up to values of several hundred degrees. The temperature dependence on the dichroism coefficient, the absorption efficiency factor Qabs(T) and its absolute value at different temperatures are determined. Наведено результати вимірювань поглинання випромінювання болометрами при нагріванні їх імпульсним випромінюванням, коли протягом імпульсу температура змінюється від кімнатної до значень в кілька сотень градусів. Визначено хід температурної залежності коефіцієнта дихроїзму та фактора ефективності поглинання випромінювання Qabs(T), а також абсолютні значення останнього при різних температурах. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Мікрохвильова та терагерцова техніка Поглощение оптического излучения тонкими металлическими проволоками при сильном импульсном нагреве Absorption of optical radiation by thin metal wires with poverful pulse heating Поглинання оптичного випромінювання тонкими металевими дротами при сильному імпульсивному нагрівання Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Поглощение оптического излучения тонкими металлическими проволоками при сильном импульсном нагреве |
| spellingShingle |
Поглощение оптического излучения тонкими металлическими проволоками при сильном импульсном нагреве Пак, А.О. Кокодий, Н.Г. Мікрохвильова та терагерцова техніка |
| title_short |
Поглощение оптического излучения тонкими металлическими проволоками при сильном импульсном нагреве |
| title_full |
Поглощение оптического излучения тонкими металлическими проволоками при сильном импульсном нагреве |
| title_fullStr |
Поглощение оптического излучения тонкими металлическими проволоками при сильном импульсном нагреве |
| title_full_unstemmed |
Поглощение оптического излучения тонкими металлическими проволоками при сильном импульсном нагреве |
| title_sort |
поглощение оптического излучения тонкими металлическими проволоками при сильном импульсном нагреве |
| author |
Пак, А.О. Кокодий, Н.Г. |
| author_facet |
Пак, А.О. Кокодий, Н.Г. |
| topic |
Мікрохвильова та терагерцова техніка |
| topic_facet |
Мікрохвильова та терагерцова техніка |
| publishDate |
2011 |
| language |
Russian |
| container_title |
Радіофізика та електроніка |
| publisher |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Absorption of optical radiation by thin metal wires with poverful pulse heating Поглинання оптичного випромінювання тонкими металевими дротами при сильному імпульсивному нагрівання |
| description |
Приведены результаты измерений поглощения излучения болометрами при нагреве их импульсным излучением, когда в течение импульса температура меняется от комнатной до значений в несколько сотен градусов. Определен ход температурной зависимости коэффициента дихроизма и фактора эффективности поглощения излучения Qabs(T), а также абсолютные значения последнего при различных температурах.
The results of measurements of the radiation absorption
by bolometers that are heated by pulsed radiation are presented.
During the pulse the temperature changes from room up to values
of several hundred degrees. The temperature dependence on the
dichroism coefficient, the absorption efficiency factor Qabs(T) and
its absolute value at different temperatures are determined.
Наведено результати вимірювань поглинання випромінювання болометрами при нагріванні їх імпульсним
випромінюванням, коли протягом імпульсу температура
змінюється від кімнатної до значень в кілька сотень градусів.
Визначено хід температурної залежності коефіцієнта дихроїзму
та фактора ефективності поглинання випромінювання Qabs(T),
а також абсолютні значення останнього при різних температурах.
|
| issn |
1028-821X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78093 |
| citation_txt |
Поглощение оптического излучения тонкими металлическими проволоками при сильном импульсном нагреве / А.О. Пак, Н.Г. Кокодий // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 4. — С. 92-95. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT pakao pogloŝenieoptičeskogoizlučeniâtonkimimetalličeskimiprovolokamiprisilʹnomimpulʹsnomnagreve AT kokodiing pogloŝenieoptičeskogoizlučeniâtonkimimetalličeskimiprovolokamiprisilʹnomimpulʹsnomnagreve AT pakao absorptionofopticalradiationbythinmetalwireswithpoverfulpulseheating AT kokodiing absorptionofopticalradiationbythinmetalwireswithpoverfulpulseheating AT pakao poglinannâoptičnogovipromínûvannâtonkimimetalevimidrotamiprisilʹnomuímpulʹsivnomunagrívannâ AT kokodiing poglinannâoptičnogovipromínûvannâtonkimimetalevimidrotamiprisilʹnomuímpulʹsivnomunagrívannâ |
| first_indexed |
2025-11-25T20:34:25Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:34:25Z |
| _version_ |
1850525503323111424 |
| fulltext |
ММІІККРРООХХВВИИЛЛЬЬООВВАА ТТАА ТТЕЕРРААГГЕЕРРЦЦООВВАА ТТЕЕХХННІІККАА
_________________________________________________________________________________________________________________
__________
ISSN 1028−821X Радіофізика та електроніка, 2011, том 2(16), № 4 © ІРЕ НАН України, 2011
УДК 535:621.373.826+536.5
А. О. Пак, Н. Г. Кокодий
ПОГЛОЩЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ТОНКИМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ПРОВОЛОКАМИ
ПРИ СИЛЬНОМ ИМПУЛЬСНОМ НАГРЕВЕ
Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина
4, пл. Свободы, Харьков, 61077, Украина
E-mail: anastasiia.pak@gmail.com
Приведены результаты измерений поглощения излучения болометрами при нагреве их импульсным излучением, когда в
течение импульса температура меняется от комнатной до значений в несколько сотен градусов. Определен ход температурной
зависимости коэффициента дихроизма и фактора эффективности поглощения излучения Qabs(T), а также абсолютные значения
последнего при различных температурах. Ил. 4. Табл. 1. Библиогр.: 9 назв.
Ключевые слова: лазерное излучение, болометр, фактор эффективности поглощения, коэффициент дихроизма, показа-
тель преломления.
В технике лазерных измерений исполь-
зуются решетчатые приемники из тонких метал-
лических проволок. Они применяются для кон-
троля энергетических характеристик мощных
лазеров – технологических и подобных им [1].
Это несколько проволочных решеток, стоящих на
пути распространения пучка излучения. Плоскос-
ти решеток перпендикулярны лучу лазера.
Проволоки каждой решетки расположены под
различными углами к вертикали. Лазерное излу-
чение нагревает их, и они изменяют свое элект-
рическое сопротивление, т. е. работают как боло-
метры. Сопротивление болометров измеряется, и
по этим данным определяются характеристики
лазерного излучения – распределение интенсив-
ности в пучке, диаметр пучка, положение энерге-
тического центра и др.
Мощное лазерное излучение может нагре-
вать болометры на несколько сотен градусов.
При этом их теплофизические параметры (тепло-
емкость, удельное сопротивление и др.) меняются.
При обработке сигналов с приемника эти измене-
ния нужно учитывать, для чего необходимо знать
вид их зависимости от температуры. Для метал-
лов, используемых как болометры в решетчатых
приемниках (никель, платина), данные о тепло-
проводности, теплоемкости, плотности, удельном
сопротивлении имеются в различных справочни-
ках [2−4]. Однако в расчетах используется еще и
такой параметр, как фактор эффективности по-
глощения излучения болометром .absQ Он также
зависит от температуры, так как она влияет на
комплексный показатель преломления материала
болометра iknm −= (n – показатель преломле-
ния, k – показатель поглощения). Однако данных
о его температурной зависимости в литературе
очень мало и они относятся к крупным образцам,
в то время как болометры – это проволоки диа-
метром в несколько десятков микрометров.
Их оптические свойства могут быть иными.
В работах [5, 6] были проведены иссле-
дования такой зависимости в среднем инфракрас-
ном диапазоне. Эксперименты показали, что
при увеличении температуры фактор эффектив-
ности поглощения платиновой проволоки растет.
Это согласуется с теорией Друде, которую можно
здесь использовать.
Но в видимой и ближней инфракрасной
областях спектра механизм поглощения излуче-
ния в металлах иной, поэтому можно ожидать и
иной температурной зависимости.
Некоторые результаты исследований по-
глощения излучения болометрами в видимой
части спектра описаны в работе [7]. Оказалось,
что здесь фактор эффективности поглощения
болометров с ростом температуры уменьшается.
Абсолютное значение его не было определено.
В вышеуказанных работах измерения
были проведены в условиях стационарного теп-
лового режима болометров.
В настоящей работе приведены результа-
ты измерений поглощения излучения болометра-
ми при нагреве их импульсным излучением,
когда в течение импульса температура меняется
от комнатной до значений в несколько сотен гра-
дусов. Определен ход температурной зависи-
мости )(TQabs и его абсолютные значения при
различных температурах.
Эксперимент. Блок-схема эксперименталь-
ной установки показана на рис. 1. Здесь 1 – неодимо-
вый лазер ГОС-1001, работающий в режиме сво-
бодной генерации (длительность импульса излуче-
ния 0,8 мкс) на длине волны 1,06 мкм; 2 – плоско-
параллельная пластина, расположенная под углом
Брюстера к падающему на нее излучению лазера
(отраженное линейно поляризованное излучение
направляется вертикально вверх); 3 – собирающая
линза с фокусным расстоянием 75 мм; 4 – решетка
из 16 платиновых болометров диаметром 10 мкм
и длиной 24 мм, расположенных на расстоя-
Н. Г. Кокодий, А. О. Пак / Поглощение оптического излучения...
_________________________________________________________________________________________________________________
93
нии 1,5 мм один от другого; 5 – калориметр для
измерения энергии, прошедшей через решетку;
6 – многоканальный аналого-цифровой преобра-
зователь; 7 – компьютер; 8 – калориметр для из-
мерения энергии излучения лазера.
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки
Диаметр пучка излучения на выходе из
лазера – 50 мм, после линзы, в месте расположе-
ния решетки, – 17 мм. Окружность на рис. 2 пока-
зывает диаметр пучка излучения.
Рис. 2. Распределение интенсивности излучения на решетке
Решетка может поворачиваться вокруг оси
оптического пучка. Если ее элементы параллельны
направлению поляризации падающего излучения –
это случай E-поляризации. При Н-поляризации
направление вектора электрического поля пер-
пендикулярно оси болометра.
После воздействия импульса излучения
на решетку в компьютере регистрируются сигна-
лы, пропорциональные относительному измене-
нию сопротивления каждого из ее элементов
0/ ii RRΔ , где Ri – абсолютное изменение сопро-
тивления i-го болометра, Ri0 – его начальное
сопротивление.
Выведем соотношения, позволяющие
найти величину фактора эффективности погло-
щения болометров по данным об изменении их
сопротивления и энергии излучения, попавшего
на решетку.
Средняя плотность энергии излучения на
решетке 2/ LEW = , где E – энергия в импульсе,
L = 24 мм – длина стороны решетки.
Средняя величина энергии излучения,
попавшей на болометры
L
EdN
WdLNE ==пад , (1)
где d = 10 мкм – диаметр болометра; N = 16 –
число болометров в решетке.
При попадании импульса излучения на
болометр его температура повышается до некото-
рого максимума, а затем спадает до первоначаль-
ного значения. Максимум температуры определя-
ется выражением
,пад
max mc
EQ
T abs= (2)
где m – масса болометров; c – удельная тепло-
емкость материала болометров.
Зависимость удельной теплоемкости пла-
тины от температуры [2−4] хорошо описывается
формулой
TccTc 10)( += ,
где c0 = 132 Дж/(кг·град); c1 = 0,038 Дж/(кг·град);
Т, °С.
Подставив эту формулу в (2), найдем
.
)( max10
пад
max Tccm
EQ
T abs
+
= (3)
Отсюда получается
.
)(
пад
maxmax10
E
TTccm
Qabs
+
= (4)
Считаем, что все болометры имеют оди-
наковые размеры. Тогда их общая масса
LNdm
4
2πρ= , (5)
где ρ = 21 460 кг / м3 – плотность платины.
Сопротивление болометров в линейном
приближении связано с температурой следующим
соотношением:
)1( maxнач TRR rα+= ,
где начR – начальное сопротивление; αr =
= 0,004 град−1 – температурный коэффициент
1
2
3
4
5
6
7
8
1
6
11
16
21
26
31
1 6 11 16 21 26 31
Н. Г. Кокодий, А. О. Пак / Поглощение оптического излучения...
_________________________________________________________________________________________________________________
94
сопротивления платины. Из него следует, что
температура maxT связана с сигналом U с боло-
метров таким образом:
,
нач
max
rr
U
R
R
T
αα
=
Δ
= (6)
где ΔR – изменение сопротивления болометров
при их нагреве.
Подставив в формулу (4) значения энер-
гии падE из (1), массы m из (5) и температуры maxT
из (6), получим рабочее соотношение для вычис-
ления фактора эффективности поглощения боло-
метров
E
UccUdLQ
r
r
abs 2
10
2
4
)(
α
απρ +
= . (7)
В таблице приведены результаты измере-
ний сигналов с приемника U при различных зна-
чениях энергии излучения E, прошедшего через
решетку.
Сигналы с приемника
Е-поляризация Н-поляризация
Е, Дж U, отн. ед. Е, Дж U, отн. ед.
4,65 0,160 5,45 0,352
7,20 0,246 7,30 0,456
9,85 0,328 10,6 0,595
13,8 0,440 14,5 0,734
17,0 0,516 19,9 0,987
На рис. 3 показаны графики зависимости
факторов эффективности поглощения излучения
платиновыми болометрами диаметром 10 мкм от
температуры, построенные по данным таблицы.
Температура вычислялась по формуле (6), значе-
ния E
absQ и H
absQ – по формуле (7). Результаты вы-
числений показаны кружками для Н-поляризации
и квадратиками – для Е-поляризации. Через эти
точки с помощью метода наименьших квадратов
проведены прямые линии.
Рис. 3. Зависимость фактора эффективности поглощения от
температуры
Их уравнения:
TTQE
abs
41069,2231,0)( −⋅−= ,
TTQH
abs
41033,1119,0)( −⋅−= .
Фактор эффективности поглощения умень-
шается с увеличением температуры. Этот результат
согласуется с результатами работы [7], но угло-
вой коэффициент зависимости здесь меньше, т. е.
зависимость более слабая. Это может объясняться
следующими причинами:
● В работе [7] источником излучения
служила импульсная лампа−вспышка. Цвет ее
излучения – белый, т. е. спектр излучения лежит в
видимом диапазоне. Длина волны излучения
лазера 1,06 мкм. Это уже инфракрасная область
спектра – переходная к средней инфракрасной
области, где проводились исследования, описан-
ные в работах [5, 6], и где фактор эффективности
поглощения растет с ростом температуры.
Поэтому фактор эффективности поглощения на
длине волны 1,06 мкм уменьшается с ростом
температуры, но не так сильно, как в видимой
области спектра.
● В работе [7] при проведении измерений
температура болометра была постоянной.
Она определялась током подогрева, протекаю-
щим через него. В нашем эксперименте при воз-
действии импульса лазера температура болометра
меняется, меняется фактор эффективности по-
глощения и измеряется некоторое его среднее
значение. Зависимость его от температуры боло-
метра (средней по всем болометрам в решетке)
может быть более слабой.
● Измерялось некоторое среднее значе-
ние фактора эффективности поглощения по всей
решетке, часть которой греется импульсом излу-
чения сильнее, часть – слабее. Это тоже должно
влиять на характер зависимости ).(TQabs
Значения E
absQ и H
absQ , полученные в экс-
перименте, значительно меньше тех, которые полу-
чаются при расчетах по известным формулам для
платиновой проволоки диаметром 10 мкм со значе-
нием показателя преломления im 3,642,3 −= ,
взятом из данных работы [8]. Расчетные значения
E
absQ = 0,161, H
absQ = 0,324, в то время как экспери-
мент дает для Т = 0 °С E
absQ = 0,119, H
absQ = 0,231.
Различие может быть вызвано как мето-
дической погрешностью эксперимента, обуслов-
ленной усреднением плотности энергии импульса
излучения по площади окна приемника, так и тем,
что показатель преломления проволоки, подвер-
гающейся в процессе изготовления термической
обработке и протяжке через малое отверстие,
может отличаться от показателя преломления
массивного куска металла или пленки, получен-
ной напылением на некоторую основу.
Qabs
Т, °С 0 50 100 150 200
0,3
0,1
0,2 ● ●
● ● ●
■ ■ ■ ■ ■
Н. Г. Кокодий, А. О. Пак / Поглощение оптического излучения...
_________________________________________________________________________________________________________________
95
Расчеты по формулам [8] показывают,
что значения E
absQ и H
absQ , найденные в экспери-
менте, получаются при n = 1,3 и k = 5,6.
Это вполне возможные значения для платиновой
проволоки. Поэтому вторая причина различия
теоретических и экспериментальных значений
вполне вероятна.
Значения E
absQ и H
absQ , полученные в экс-
перименте, согласуются со значениями этих ве-
личин, которые были приведены в работе [9] при
обработке данных, полученных в таком же экспе-
рименте, но по другой методике. Там при Т = 0 °С
E
absQ = 0,133, H
absQ = 0,255.
Различие в значениях этих величин и ве-
личин в нашем эксперименте не превышает 12 %.
Еще один параметр, характеризующий
взаимодействие поляризованного лазерного излу-
чения с болометрами, – коэффициент дихроизма
E
abs
H
abs
D Q
Qk = .
На рис. 4 показана его зависимость от тем-
пературы: видно, что она очень слабая. Во всем
диапазоне температур значение коэффициента
дихроизма приблизительно равно 1,92; оно сов-
падает со значением, полученным в работе [9].
Рис. 4. Зависимость коэффициента дихроизма от температуры
Выводы. Фактор эффективности погло-
щения излучения металлическим болометром в
видимой и ближней инфракрасной областях спект-
ра уменьшается при нагреве болометра.
Экспериментальные данные о значении
фактора эффективности поглощения отличаются
от полученных расчетным путем. Это может быть
вызвано тем, что показатель преломления метал-
лической проволоки может отличаться от показа-
теля преломления массивного образца металла.
Значение коэффициента дихроизма почти
не зависит от температуры болометра.
1. Кокодий Н. Г. Алгоритмы обработки сигнала с решетчатого
приемника для измерения характеристик лазерного излу-
чения / Н. Г. Кокодий, А. О. Пак // Вісн. Харків. нац. ун-ту
ім. В. Н. Каразіна. Cер. Радіофізика та електроніка. – 2009. –
№ 853. – С. 35−41.
2. Таблицы физических величин. Справочник / Под ред.
И. К. Кикоина. – М.: Атомиздат, 1976. – 1008 с.
3. Зиновьев В. Е. Теплофизические свойства металлов при
высоких температурах / В. Е. Зиновьев. – М.: Металлур-
гия, 1989. – 384 с.
4. Техника высоких температур / под ред. И. Э. Кэмпбелла;
пер. с англ. под ред. В. П. Елютина. – М.: Изд-во иностр.
лит., 1959. – 596 с.
5. Перепечай М. П. Исследование взаимодействия интенсив-
ного инфракрасного излучения с металлическими цилин-
драми с целью создания проходных измерителей мощ-
ности лазерных пучков: дис. …канд. физ.-мат. наук /
М. П. Перепечай; Харьков. нац. ун-т им. В. Н. Каразина. −
Х., 1979. – 182 с.
6. Кузьмичев В. М. Преобразование платиновым тонкопро-
волочным болометром энергии импульса лазера /
В. М. Кузьмичев, С. В. Погорелов // Укр. метрологічний
журн. – 2003. – № 2. – С. 42−47.
7. Кокодий Н. Г. Исследование температурних зависимостей
параметров болометрического приемника лазерного излу-
чения / Н. Г. Кокодий, А. О. Пак // Укр. метрологічний
журн. – 2010. – № 3. – С. 40−44.
8. Хюлст Г. ван де. Рассеяние света малыми частицами /
Г. Ван де Хюлст; пер. с англ. под ред. В. В. Соболева. –
М.: Изд-во иностр. лит., 1961. – 536 с.
9. Измерение фактора эффективности поглощения тонко-
проволочных болометров / В. М. Кузьмичев, И. А. Приз,
Б. В. Сафронов и др. // Измерительная техника. – 2007. –
№ 7. – С. 28−30.
A. O. Pak, H. G. Kokodiy
ABSORPTION OF OPTICAL RADIATION
BY THIN METAL WIRES
WITH A POWERFUL PULSE HEATING
The results of measurements of the radiation absorption
by bolometers that are heated by pulsed radiation are presented.
During the pulse the temperature changes from room up to values
of several hundred degrees. The temperature dependence on the
dichroism coefficient, the absorption efficiency factor Qabs(T) and
its absolute value at different temperatures are determined.
Key words: laser radiation, bolometer, factor of
efficiency of absorption, the dichroism coefficient, refractive index.
А. О. Пак, М. Г. Кокодій
ПОГЛИНАННЯ ОПТИЧНОГО
ВИПРОМІНЮВАННЯ
ТОНКИМИ МЕТАЛЕВИМИ ДРОТАМИ
ПРИ СИЛЬНОМУ ІМПУЛЬСНОМУ
НАГРІВАННІ
Наведено результати вимірювань поглинання ви-
промінювання болометрами при нагріванні їх імпульсним
випромінюванням, коли протягом імпульсу температура
змінюється від кімнатної до значень в кілька сотень градусів.
Визначено хід температурної залежності коефіцієнта дихроїзму
та фактора ефективності поглинання випромінювання Qabs(T),
а також абсолютні значення останнього при різних темпера-
турах.
Ключові слова: лазерне випромінювання, боло-
метр, фактор ефективності поглинання, коефіцієнт дихроїзму,
показник заломлення.
Рукопись поступила 13.07.11 г.
0 50 100 150 200 250
T, °С
1
1,5
2
kD
|