Приемники на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце

Приемники на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце (ПТЭК) разработаны в Санкт-Петербургском институте точной механики и оптики на кафедре оптико-электронных приборов и систем [30].

Кристаллический кварц не является пироэлектриком, и механизм появления на нем электрической разности потенциалов при облучении модулированным или импульсным потоком излучения имеет другую физическую основу — термоупругий эффект, что впервые было доказано в работе Г. Г. Ишанина, на основе которой создан в 1969 г. измерительный ПТЭК «Кварц-1» [29]. Дальнейшие теоретические и экспериментальные работы в этом направлении Г. Г. Ишанина и Г. В. Польщикова [34,35] привели к созданию серии ПТЭК различного назначения: «Кварц-2», «Кварц-2A», ИМИ-100, дифференциаль­ных и мозаичных приемников. Разработанные ПТЭК стабильны в работе и могут использоваться как образцовые для паспортизации мощных источников излучения и лазеров. Спектральный диапазон их работы — 0,4…20 мкм, динамический диапазон при непрерывном модулированном потоке излучения от 10 мкВт/см² до 300 Вт/см², постоянная времени — до 10^–6 с.

В качестве приемного элемента в ПТЭК используют кристаллический кварц. Он стабилен в работе: не меняет свои свойства с течением времени и не подвержен влиянию электрических и магнитных полей

Принцип действия и устройство ПТЭК. На рис. 5.8, а показан чувствительный элемент, который состоит из тонкой (0,1 мм) пластинки 3 кристаллического кварца Х-среза, приклеенной к теплоотводящему демпферу 4. На переднюю поверхность кварцевой пластинки наносят токопроводящее покрытие 2 и покрытие 1, поглощающее излучение в широком спектральном интервале. С электрической точки зрения подобная система представляет собой конденсатор, в котором диэлектриком является пластинка кристаллического кварца, а обкладками — металлический демпфер и токопроводящее покрытие. Если такая система находится в механическом и тепловом равновесии, то напряжение на этом конденсаторе равно нулю. При облучении приемной площадки 1 импульсным, импульсно-модулированным или другим нестационарным потоком излучения в приемном элементе возникает сложное нестационарное тепловое поле. Процесс преобразования падающего потока излучения Ф(t) в энергию теплового поля определяется материалом и структурой поглощающего покрытия 1. От него зависит спектральная характеристика приемника.

автоРис. 6 Рис. 5.8

Устройство приемника на термоупругом эффекте (а), строение ячеек кварца (б-г), ориентация термоупругого элемента относительно осей кварца (д) и термоупругий элемент приемника (е); X, Y, Z – оси кристалла кварца

Нестационарное во времени и пространстве тепловое поле вызывает в кристаллическом кварце нестационарные механические напряжения, которые приводят к изменению вектора поляризации кристаллического кварца и, как следствие, — к появлению электрической разности потенциалов на электродах 2 и 4. Наличие нескольких последовательных преобразований энергии, безусловно, снижает чувствительность приемника. Но необходимо отметить, что они происходят в криталлическом кварце — материале, характеризующемся хорошей стабильностью физических свойств в широком динамическом диапазоне. Это обусловливает стабильность и линейность характеристик ПТЭК. Время релаксации электрона в материалах, используемых для поглощения падающего потока излучения, составляет 10^–11 с и, следовательно, не ухудшает частотные свойства ПТЭК. Постоянная времени кристаллического кварца как электромеханического преобразователя составляет 10^–13…10^–14 с. Наиболее инерционен процесс распространения тепловой энергии от поглощающего покрытия через электрод до кварцевой пластинки с последующим отводом ее в теплоотводящий демпфер. Эти процессы и определяют постоянные времени приемника τ_нар и τ_сп. Как показали исследования [29], разность потенциалов на приемнике возникает в основном из-за термоупругих механических напряжений, направленных вдоль оси Y. Механические напряжения вдоль оптической оси Z разности потенциалов не вызывают из-за особенностей строения кристаллической решетки кварца. Однако на сигнал, возникающий на приемном элементе, влияют и другие явления, которые при определенных условиях могут стать существенными, например, вторичный термоупругий эффект сложной структуры, возникающий тоже вдоль оси Y из-за разницы коэффициентов линейного расширения токопроводящего покрытия и кварца и из-за разницы коэффициентов линейного расширения кварца и материала демпфера. В реальных условиях этот эффект второго порядка малости, он скажется на высоких частотах, когда переменная составляющая неравновесного температурного поля сосредоточится в толщине приемного электрода, и основной сигнал упадет на несколько порядков. При работе с короткими и мощными импульсами может возникнуть динамический продольный термоупругий эффект вдоль оси Х, радиометрический эффект, электрострикция и нелинейная поляризация, а также световое давление. Эти эффекты много меньше термоупругого эффекта и их можно не учитывать.

Емкостная характеристика приемника на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце полностью исключает возможность работы с постоянными потоками излучения, что также влияет и на частотную характеристику приемника. Так как появление разности потенциалов в пьезопластинке зависит от направления действия сил относительно осей Х, Y, Z кристалла, необходимо оптимальным образом выбирать ориентацию (срез) приемного элемента в соответствии с физическими свойствами кристаллического кварца. Чтобы понять возникновение разности потенциалов на электродах приемного элемента при его облучении и правильно выбрать тип среза, рассмотрим явления, возникающие в кварце при его деформации. В первом приближении можно представить атомы кремния и кислорода кварца SiO2, расположенными в шестигранных ячейках. Если для упрощения каждую пару атомов кислорода, расположенную над атомами кремния или под ними, рассматривать как один атом кислорода с четырьмя зарядами, то получим ячейку, показанную на рис. 5.8, б. Если сжать такую ячейку в направлении полярной оси (рис. 5.8, в), то атом кремния 1 вклинится между атомами кислорода 2 и 6, атом кислорода 4 — между атомами кремния 3 и 5. Вследствие этого на поверхности А появится отрицательный, а на поверхности В — положительный заряды. Это явление называют продольным пьезоэлектрическим эффектом. Если деформировать ячейку в направлении, перпендикулярном к оси Х (риc. 5.8, г), тогда атом кремния 3 и атом кислорода 2, а также атом кремния 5 и атом кислорода 6 сместятся внутрь на одинаковое расстояние, и на электродах С и D заряды не появятся, а на поверхностях А и В, т. е. на концах полярной оси Х, вновь появятся заряды, однако со знаками, противоположными бывшим ранее, так как атомы кремния 1 и атомы кислорода 4 смещены наружу. В этом случае говорят о поперечном пьезоэффекте. Из рассмотренной модели видно также, что при замене сжатия растяжением знаки зарядов меняются на обратные и что при механическом воздействии в направлении оси Z, т. е. перпендикулярно к плоскости рисунка, несимметричное смещение несущих заряды частиц отсутствует вовсе. Максимальные электрические заряды возникают при механическом воздействии на концах полярной оси, поэтому необходимо вырезать пластинку для приемника на термоупругом эффекте согласно рис. 5.8, д так, чтобы пара плоскостей была перпендикулярна к полярной оси, а ребро d — параллельно полярной оси Х. Это пластинка с так называемым Х — срезом (рис. 5.8, е). Ребро b параллельно оптической оси Z, l параллельно Y. Ось Y называют механической осью. Пластинка, показанная на рис. 5.8, е, обладает следующими эффектами: при сжатии в направлении Х на обеих нормальных к ней поверхностях bl возникают соответственно положительный и отрицательный электрические заряды (прямой продольный пьезоэффект); при растяжении в направлении оси Y на поверхностях bl возникают заряды тех же знаков (прямой поперечный пьезоэффект); этот эффект и вносит основной вклад в появлении разности потенциалов в приемнике; при растяжении в первом случае и сжатии во втором заряды на поверхности bl меняют свои знаки на обратные; сжатие и растяжение по оси Z не вызывают пьезоэлектрического эффекта. Линейность амплитудной характеристики термоупругого элемента в значительной степени зависит от постоянства его пьезокоэффициентов (d ₁₁; d ₁₄ и т. д.). Кварц в этом отношении сохраняет значение пьезокоэффициента d ₁₁ c погрешностью до 0,1% вплоть до давлений 3500 кг/см². При понижении температуры от комнатной до — 192 ^оС d ₁₁ изменяется не более чем на 2%. При температурах выше комнатной d ₁₁ остается почти постоянным до 200 ^оС, а затем постепенно уменьшается, обращаясь в нуль при Т = 579 ^оС. При понижении температуры он вновь появляется при Т = 576 ^оС. Пьезомодули кварца равны:

d₁₁= 2,31∙10^-12 Кл/н; d₁₄= 0,727∙10¹² Кл/н