Введение к работе
Актуальность проблемы Прогресс техники связан с развитием лазерных технологий и расширением сферы применения лазеров, что требует создания и усовершенствования метрологических систем, составной частью которых являются пленочные преобразователи лазерного излучения.
В связи с распространенностью лазеров инфракрасного диапазона вызывают интерес контрольно-измерительные термочувствительные датчики, позволяющие регистрировать с требуемым разрешением лучистые воздействия и преобразовывать их в оптические изображения или электрические сигналы.
Конструирование и оптимизация пленочных преобразователей лазерного излучения, реализующих тепловой метод регистрации, необходимо включают теоретическое исследование возможностей и основных характеристик таких устройств, основанное на анализе тепловых полей, возникающих в регистраторах под действием импульсов излучения. Таким образом, тема диссертации является актуальной.
Работа по данной теме выполнялась автором в соответствии с комплексной научно-технической темой «Методы пространственно-временного анализа откликов приемных устройств на импульсные воздействия» (номер гос. регистрации - 01.81.055881) по заказу НПО «ВНИИОФИ», г.Москва.
Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы является теоретическое исследование тепловых процессов, протекающих в пленочных преобразователях лазерного излучения в импульсном режиме регистрации, и прогнозирование влияния особенностей этих процессов на энергетические, временные и контрастные характеристики приборов.
С этой целью решалась проблема выбора адекватной тепловой модели, что, в свою очередь, потребовало решения оптической задачи о формировании источников тепла в многослойной пленочной структуре. На базе выбранной тепловой модели было необходимо сформулировать и решить соответствующие задачи нестационарной теплопроводности, провести расчеты температурных откликов и проанализировать влияние режимов регистрации и тепло-физических параметров на формирование этих откликов, определить теоретически основные характеристики приборов и установить их соответствие экспериментальным данным, выработать для разработчиков рекомендации по оптимизации конструкции и величин теплофизических параметров.
Объект и методы исследования. Объектами исследования в данной работе являются тонкопленочные преобразователи (ТПП), представляющие собой тонкие магнитные пленки (ТМП) с полосовой мелкодоменной структурой и приемники с анизотропной термоЭДС (АТП) на основе косонапыленных пленок висмута или сплава висмута с сурьмой. ТМП способны регистрировать аналоговую информацию за счет термомагнитных эффектов, приводящих к перестройке доменной структуры в поле записи под действием излучения. Это дает возможность использовать ТМП для визуализации и исследования пространственного распределения энергии лазерного излучения. АТП преобразуют поглощаемое излучение в электрический сигнал, пропорциональный гра-
диенту температуры .в чувствительном слое, что делает целесообразным их применение в качестве регистраторов энергии и временной формы лазерного импульса.
В данной работе преобладают теоретические методы исследования. Они включают выбор тепловой модели, адекватно отображающий особенности конструкции и теплофизические свойства ТМП и АТП, анализ оптических явлений, позволяющий учесть влияние многолучевой интерференции на распределение источников тепла и сформулировать соответствующие тепловые задачи. Задачи нестационарной теплопроводности, представленные в виде систем дифференциальных уравнений в частных производных, аналитически решаются с использованием методов интегральных преобразований Ханкеля, Лапласа, Фурье. Полученные решения рассчитываются на ЭВМ при конкретных значениях теплофизическнх и конструкционных параметров, что дает возможность количественного анализа откликов ТМП и АТП на импульсные лучистые воздействия и исследования характеристик приборов в импульсном режиме регистрации. Результаты расчетов сопоставляются с экспериментальными данными, полученными на опытных серийных образцах пленочных регистраторов.
Научная новизна работы. Проведен анализ тепловых характеристик новых пленочных преобразователей лазерного излучения. Для расчетов температурных полей в этих преобразователях выбраны и отработаны тепловые модели, отличающиеся от использовавшихся ранее большей адекватностіч> отображения, тепловых процессов в импульсном режиме регистрации. Впервые получены аналитические выражения для тепловых откликов ТПП на различные импульсные воздействия, что дает возможность анализа динамики температурных полей в чувствительных слоях пленочных регистраторов на основе формул, удобных для инженерных расчетов.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
решения задач теплопроводности для двухслойной модели ТМП при воздействии импульсов излучения различной пространственно-временной формы;
результаты теоретического исследования влияния различных факторов на энергетические, временные и контрастные характеристики ТМП;
методика расчета интерференции электромагнитных волн в слоистой структуре и тепловыделения в АТП при поглощении излучения;'
решение задачи теплопроводности для двухслойной структуры АТП;
результаты расчетов температурных состояний АТП и проведенный на их -основе анализ влияния конструкционных и теплофизическнх параметров на чувствительность и быстродействие приборов.
Достоверность модельных представлений и полученных на их основе результатов подтверждается количественным совпадением с экспериментальными данными о характеристиках исследуемых приборов.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Результаты, полученные на основе аналитических расчетов тепловых процессов в тонкопленочных регистраторах импульсных лазерных воздействий, предназначались и были применены при разработке и оптимизации конструкции преобразователей на основе тонких магнитных пленок и приемников с анизотропной тер-моЭДС, при отработке режима регистрации и исследовании основных характеристик разрабатываемых приемопреобразующих устройств.
По результатам анализа энергетических характеристик и пространственно-временных зависимостей температурных откликов на импульсные тепловые воздействия выработаны практические рекомендации для разрабатываемых тонкопленочных преобразователей, в частности, по оптимизации параметров приемника с анизотропной термоЭДС, предназначенного для измерения интенсивности лазерных излучений.
Результаты анализа температурных откликов исследованных устройств и их характеристик, выработанные рекомендации применялись и внедрялись в НПО «ВНИИОФИ», г.Москва.
Регистрирующие устройства на основе ТМП, датчики на основе АТП, разработанные во ВНИИОФИ, нашли применение в ГОИ, (Санкт-Петербург), В НИИ газоразрядных приборов (Рязань), в НИЦ лазерных технологий при Академии наук (Шатура), в Курчатовском институте атомной энергии и в его филиале (Самара), в Саратовском госуниверситете. Прибор РСИ-60, разработанный во ВНИИОФИ на основе АТП, внесен в метрологический реестр.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научных семинарах ВНИИОФИ, (Москва 1976-1991), кафедры общей физики Воронежского госпедуниверситета (1995), кафедры математической физики Воронежского госуниверситета (1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Структура и объем работы. Диссертация содержит общую характеристику работы, три главы, выводы, приложение, список цитируемой литературы из 71 наименования. Общий объем работы составляет 102 страницы, включая 28 рисунков, 2 таблицы.
