CC BY
32
УДК 535.33
РАСЧЕТ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОСТОЙКОГО ЗЕРКАЛА
М.В.Казакова
Институт электронных и информационных систем НовГУ, mkazakova@hotbox.ru
Термостойкие оптические элементы — зеркала, линзы, входные окна представляют большой интерес для создания систем наблюдения и контроля высокотемпературных зон [1]. Такими системами могут быть телевизионные пирометры, термостойкие видеокамеры и др. Нагреваясь, оптические элементы излучают в видимом диапазоне, что негативно влияет на качество получаемого изображения. Для исключения составляющей шума, внесенной за счет собственного теплового излучения оптических элементов, необходимо знать его количественные характеристики. Ниже рассмотрена конкретная оптическая единица — термостойкое зеркало, созданное на базе широкозонного полупроводникового материала SiC.
Для оценки собственного теплового шума термостойкого зеркала необходимо знать значение коэффициента излучения при высоких температурах. Монокристаллический SiC частично прозрачен в видимом диапазоне, край его поглощения лежит в фио-
летовой области спектра. Задача теплового переноса рассматривалась как трехмерная задача, учитывалась энергия излучения не только с поверхностей кристалла, но и с внутренней части. Ослабление проходящего через кристалл излучения в основном обусловлено поглощением и рассеянием на дефектах структуры и примесях.
За основу решения задачи были приняты общие теоретические зависимости по тепловому излучению частично прозрачных тел, описанные теорией Мак Магона [2]. Закон сохранения состояния термодинамического равновесия для полупрозрачных тел описывается уравнением
е*(Х,Г) + р*^) + т*(Х,Т) = 1, где е *(1^^) — кажущийся коэффициент излучения; р *(1.^) — кажущийся коэффициент отражения;
т *(Х,Т) — кажущийся коэффициент пропускания.
Вследствие многократных внутренних отражений, кото-
рые увеличивают значение коэффициента отражения, кажущийся коэффициент отражения р*(Х,7) всегда больше, чем нормальный коэффициент отражения р(Х,7). Кажущийся коэффициент излучения кристалла
є * (X, T) = (1 - р(Х, T))-))--------,
(1-р(Х,Г) •т^))
где ) — коэффициент пропускания с учетом коэффициента поглощения кристалла.
В расчетах была учтена анизотропия кристалла SiC, а также температурная зависимость коэффициента излучения є(Г), полученная экспериментально [3].
Тогда можно найти є^Х,^) при температуре ^ :
є *(Х, ^) = є *(Х, T) + 0,00011 • (^ - T).
По результатам расчетов построен график зависимости коэффициента излучения кристалла 6Н^іС от концентрации нескомпенсированных доноров (см. рис.).
£■' 0.9
0 Iі-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
0 МО18 4х1018 бхШ18 SxlO18 1x10й 1 2xlD1S 1 ,4xl01S 1 6xl[l1S 1 Sxl[lls 2xl01S
CM ^
Зависимость коэффициента излучения кристалла 6^SiC от концентрации нескомпенсированных доноров
Исходные данные для расчета: монокристалл 6Н^Ю (базовые грани (0001)) толщиной D = 0,1 мм нормально излучает при температуре 1250°С. Длина волны излучения X = 650 нм. Данные показателя преломления и коэффициентов поглощения взяты из
[4].
Известные значения коэффициента излучения термостойкого зеркала позволят исключить тепловую составляющую шума зеркала при проектировании оптических систем, используя, например, программные методы обработки изображения.
Исследование проведено при частичной финансовой поддержке НовГУ.
1. Карачинов В.А., Карачинов Д.В., Торицин С.Б. Зондовые методы телевизионной пирометрии газовых потоков: Монография. В.Новгород: НовГУ, 2006. 108 с.
2. Mc.Mahon H.O. Thermal radiation from transparent reflecting bodies // J. of The Optical Society of America. 1950. V.40. P.376-380.
3. Карачинов Д.В., Карачинов В.А. Пирометрические зонды
на основе тугоплавких соединений: Монография.
В.Новгород: НовГУ, 2008. 123 с.
4. Violina G.N., et al. Optical Absorption and Electrical Properties of n-Type alpha-Silicon Carbide // Soviet Phys. Solid State. June 1964. V.5. №12. P.2500-2505.
Bibliography (Transliterated)
1. Karachinov V.A., Karachinov D.V., Toricin S.B. Zondovye metody televizionnojj pirometrii gazovykh potokov: Mono-grafija. V.Novgorod: NovGU, 2006. 108 s.
2. Mc.Mahon H.O. Thermal radiation from transparent reflecting bodies // J. of The Optical Society of America. 1950. V.40. P.376-380.
3. Karachinov D.V., Karachinov V.A. Pirometricheskie zondy
na osnove tugoplavkikh soedinenijj: Monografija.
V.Novgorod: NovGU, 2008. 123 s.
4. Violina G.N., et al. Optical Absorption and Electrical Properties of n-Type alpha-Silicon Carbide // Soviet Phys. Solid State. June 1964. V.5. №12. P.2500-2505.
