CC BY
16
УДК 535
С.Л. Шергин, Д.В. Чесноков СГГА, Новосибирск
ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ ПАССИВНЫХ ЗАТВОРОВ
S.L. Shergin, D.V. Chesnokov SSGA, Novosibirsk, [email protected]
THE TEST BENCH AND PRINCIPLES OF AN EXPERIMENTAL RESEARCH OF DINAMIC PROPERTIES OF PASSIVE OPTICAL SHUTTERS
The test bench and principles of an experimental research of dinamic properties of passive optical shutters with nanoseconds processing speed are presented.
При решении задачи защиты оптических и оптико-электронных приборов и устройств, предназначенных для наблюдения, регистрации и наведения, от поражающего действия лазерного излучения был разработан, основанный на принципах тепловой микромеханики, оптический затвор пассивного типа с временем срабатывания порядка 1 нс, имеющий многоразовый характер срабатывания и сверхмалое время релаксации.
Нами [3] выполнено теоретическое обоснование концепции построения оптического микромеханического пассивного затвора, обеспечивающего защиту приемных устройств от поражающего действия лазерного облучения высокой интенсивности и срабатывающего за счет энергии ослепляющего лазерного импульса, разработаны основы теории затворов с наносекундным быстродействием теплового принципа действия, срабатывающие при фазовых переходах вещества затвора.
В процессе проведения исследований были изготовлены макетные образцы пассивных оптических затворов с наносекундным быстродействием и проведена их экспериментальная апробация. Динамические характеристики затворов являются определяющими при оценке их функциональных возможностей, поэтому вопросам измерения времени срабатывания оптических пассивных затворов было уделено особое внимание.
Поражающее лазерное излучение, воздействуя на элементы пассивного затвора, приводит к их нагреву (вплоть до испарения) и изменению его оптических характеристик - коэффициентов отражения, поглощения и пропускания. Время срабатывания оптического пассивного затвора по расчетам составляет единицы наносекунд. Следовательно, испытательный стенд и методика измерений должны обеспечивать уже субнаносекундное временное разрешение. Оптико-механическая схема разработанного испытательного стенда представлена на рис. 1.
На рис. 1: 1 - твердотельный лазерный излучатель на иттрий-алюминиевом гранате; длительность импульса около 5 нс, мощность в
о
импульсе <10 Вт на длине волны X = 1,06 мкм частота следования импульсов 1 - 100 Гц; 2 - удвоитель частоты, механически перемещаемый внутри корпуса излучателя; 3 - телескоп-расширитель, необходимый для уменьшения расходимости излучения лазера, линейное увеличение 10*; 4 -набор сменных светофильтров; 7 и 24 - быстродействующие регистраторы оптического излучения; 5, 8, 11, 12, 13, 25 - непрозрачные зеркала; 9 и 10 -полупрозрачные зеркала; 23 - калориметрический измеритель импульсной лазерной мощности; 6 и 18 - объективы; 20 - осветитель; 21 - бинокулярный микроскоп с увеличением 300*.
Рис. 1. Оптико-механическая схема испытательного стенда
Исследуемый образец затвора 14 прижимается герметизирующим кольцом 15 к окну вакуумированной камеры 16. Камера через патрубок 17 откачивается вакуумным насосом. Излучение фокусируется на рабочей поверхности образца объективом 18. Камера закреплена на столике, перемещаемом по аэростатическим направляющим 19 и 19' в горизонтальной плоскости.
Для подсветки образца сверху при визуальном наблюдении служит осветитель 20. Наблюдение ведется с использованием бинокулярной головки 21.
Для измерения коэффициента отражения образцов используется фотоэлемент 7, установленный в расходящемся световом потоке после зеркала 8, объектива 6 и передвижного зеркала 5, вводимого в ход лучей при измерении коэффициента отражения. Для измерения падающей на образец энергии лазерного импульса используется калориметр 23 типа ИКТ-1Н, вводимый в ход лучей передвижным зеркалом 12.
Фотоэлемент 7 должен быть откалиброван в единицах коэффициента отражения исследуемого образца. Фототок фотоэлемента принимается за единицу, когда вместо образца под объективом 18 устанавливается эталонное зеркало с коэффициентом отражения, близким к единице.
Фотоэлемент снабжен коаксиальным 50-омным сигнальным проводом, оканчивающимся стандартным разъемом для подключения к цифровому осциллографу.
В связи со сложностью измерения временных промежутков порядка наносекунд были использованы два варианта измерения времени срабатывания затвора. Получение сравнимых результатов при реализации этих вариантов увеличивает достоверность достижения заданных параметров [1, 2].
Вариант А
Образец пассивного оптического затвора помещается под объектив измерительного стенда, лазерный излучатель переводится в режим удвоения (X = 0, 53 мкм) с частотой следования импульсов ~ 50 с-1; перемещением объектива, при контроле с помощью встроенного бинокулярного микроскопа, проводится настройка фокусировки до получения резкого изображения поверхности подложки в отраженном свете и достижения минимального размера кружка рассеяния.
После настройки фокусировки излучатель переводится в дежурный режим (без излучения), устанавливается вид работы без удвоения (X = 1, 06 мкм), устанавливается задаваемый уровень импульсной мощности излучателя (подбором поглощающего светофильтра); излучение включается на время одиночного импульса.
В момент включения излучения необходимо:
а) контролировать с помощью запоминающего осциллографа длительность импульса отраженного (фотоприёмник 7) излучения. Длительность tотр импульса отраженного излучения равна времени срабатывания ^раб затвора:
^раб ~ ^этр.
б) измерить длительность t1 первого импульса лазерного излучения, прошедшего через затвор во время его срабатывания, затем длительность ^ второго импульса излучения, прошедшего через открытый затвор, и найти их разность Дt = ^ - t1, которая примерно равна времени срабатывания затвора.
Вариант Б
Под объектив измерительного комплекса помещается структура из двух сложенных вместе образцов пассивного оптического затвора, переключающие плёночные покрытия которых обращены друг к другу; необходимый зазор между смежными поверхностями образцов должен составлять ~ 5^10 мкм. Подготовительные операции с настройками измерительного комплекса, а также облучение структуры проводятся аналогично варианту А.
После облучения плёночные покрытия осматриваются под микроскопом с увеличением 100-200*. Наличие соосных отверстий в обоих покрытиях подтверждает, что длительность времени срабатывания затвора (времени испарения покрытия) не более 1/2 длительности импульса излучателя ?изл:
^сраб < ^ ^изл.
Такое заключение обусловлено тем, что испарение плёнок в облучаемой структуре происходит последовательно, сначала образуется отверстие в первой по ходу плёнке, затем через образовавшееся отверстие световой поток проходит ко второй плёнке и формирует также и в ней отверстие [3].
В общем случае временное разрешение испытательного стенда будет определяться динамическими характеристиками цепочки фотодетектор -линия передачи сигнала - конечный регистратор. Каждый элемент этой цепочки должен вносить минимальные искажения в форму сигнала, но результирующая точность измерения временных характеристик будет определяться самым «грубым» элементом.
В конкретной реализации испытательного стенда в качестве фотодетекторов были применены приборы фотоэлектронного принципа действия ФК-19 с нарастанием фронта импульса 0,7 нс, что и обусловило конечную точность измерения времени срабатывания затворов. Использование лавинных фотодиодов может уменьшить погрешности до величины 50-70 пс.
Исследовательский стенд, разработанный в рамках проведения НИР «Стокер», был аттестован и признан пригодным для исследования динамических характеристик оптических пассивных затворов с наносекундным быстродействием.
Использование разработанных затворов в технике приема излучений позволит увеличить надёжность работы приёмников в условиях случайного или преднамеренного воздействия на них мощными «ослепляющими» импульсными или непрерывными потоками излучений. Проблема устойчивости приёмников к воздействию мощных излучений является актуальной как в сфере промышленности, так и в оборонной сфере.
Разработанные технологии и конструкции не имеют зарубежных и отечественных аналогов, изделия и технологии могут оказаться конкурентоспособными, в том числе, на зарубежных рынках, станут базой
для дальнейших разработок и исследований в области создания новых микрооптоэлектромеханических систем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Панов, В.А. Справочник конструктора оптикомеханических приборов. 3-е изд / Панов, В.А. // Машиностроение. - 1980.
2. Шлишевский В.Б., Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Никулин Д.М., Шергин С.Л. Исследование путей создания микромеханических оптических затворов с наносекундным быстродействием. Шифр «Стокер»: Отчет о НИР (промежут.) / СГГА; Рук. Шлишевский В.Б.- ГР 1604169. - Новосибирск, 2007.
3. Шлишевский В.Б., Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Никулин Д.М., Шергин С.Л. Исследование путей создания микромеханических оптических затворов с наносекундным быстродействием. Шифр «Стокер»: Отчет о НИР (заключит.) / СГГА; Рук. Шлишевский В.Б. - ГР 1604169. - Новосибирск, 2008.
© С.Л. Шергин, Д.В. Чесноков, 2009
