Ллойд Дж. Системы тепловидения (1978) (1095910), страница 50
Текст из файла (страница 50)
Падающая волна с частотой согв при наличии частоты накачки юр преобразуется в волну видимого света с частотой юг, равной (8.45) юг = югя + «ор. Такое преобразование в кристалле осуществляется только при выполнении целого ряда требований. Первое, наиболее важное требование заключается в том, чтобы волновые векторы были согласованы по эффективной длине взаимодействия в кристалле и обеспечивалось сохранение количества движения (8.46) К =К«в+К . Поскольку показатели преломления для инфракрасного излучения и излучения накачки различны, это условие может выполнять- 2«« 324 ГЛАВА 8 ся только в случае, когда кристалл двоякопреломляющий, т.
е. показатели преломления для обыкновенного н необыкновенного лучей различны. В зависимости от отношения этих показателей можно ноляризовать излучение накачки в направлении обыкновенного или необыкновенного лучей, так что оно оказывается согласованным по фазе с компонентой инфракрасного иалучения, поляризованного в другом направлении. Второе требование заключается в том, чтобы кристалл был прозрачен для всех трех длин волн и обеспечивал тем самым высокую эффективность преобразования. В соответствии с третьим требованием необходим подходящий усилитель яркости создаваемого изображения, не вносящий дополнительных шумов. Поток фотонов видимого излучения пе может быть болыпе потока фотонов падающего инфракрасного излучения, и эффективность преобразования в действительности невелика, а полученный видимый свет слабый. Четвертое требование заключается в том, что должен использоваться подходящий фильтр, который мог бы отделить слабый пучок видимого света от мощного излучения накачки.
Выбор фильтра осложняется тем, что по длинам волн эти излучения отличаются только на доли микрометра: йр 2г х (8.47) Ар+ АПВ Ярив вывел выражение для эффективности преобразования с повышением частоты по мощности Рг(Ргя, пренебрегая потерями на отражение и поглощение в кристалле: (8.48) где ыт — частота видимого света, ) — эффективная длина взаимодействия, п — показатель преломления, ра — магнитная проницаемость в вакууме, е, — диэлектрическая проницаемость в вакууме, Рр — мощность накачки, А — эффективное сечение взанмодеиствия и о — коэффициент оптической нелинейности, определяемый по Яриву. Очевидно, что эффективность возрастает с увеличением плотности мощности накачки и эффективной длины взаимодействия в кристалле. При применении метода преобразования с повышением частоты для получения теплового изображения в широкой полосе возникает множество проблем.
Самая трудная связана с тем, что угловое увеличение при таком преобразовании зависит от длины волны и определяется выражением (8.49) Если выбрать материал, обеспечивающий постоянство этого отношения для всех представляющих интерес аначений ) яг (т. е. про- 325 ТИПЫ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ СИСТЕМ Раси ееее нее Те иеа Лриеиаае Фнг. 8.20. Г!риннипнальная схема параметрического преобразователя изображения с повышением частоты.
извести согласование по дисперсии), то компоненты изображения на всех длинах волн сфокуснруются в одном месте. В противном случае для каждой длины волны будет свое угловое увеличение, что эквивалентно наличию поперечной хроматической аберрации. Однако, если провести согласование по дисперсии, на величину поля зрения наложатся ограничения, связанные с условием согласования по фаае.
Наиболее подходящим материалом для преобразования излучения в окрестности длины волны 10 мкм в видимый свет является прустит АязАЗВз. Основные элементы системы преобразования с повышением частоты показаны на фиг. 8.20. Сторонники метода параметрического преобразования иаображения с повышением частоты указывают на следующие его преимущества по сравнению с обычными методами сканирования: 1. Пространственно-непрерывное (без выборки) иэображение.
2. Отсутствие системы охлаждения. 3. Потенциальная возможность получать изображение без дополнительных шумов. 4. Потенциальная возможность обойтись без инфракрасной оптической системы. 5. Отсутствие механических движущихся частей, обеспечи- вающее простоту устройства. Однако основным недостатком метода является, по-видимому, потребность в очень высокой мощности накачки.
Например, согласно оценке Уорнера )38), для получения тепловой чувствительности 1'С в преобразователе с повышением частоты с числом элементов в изображении 100 х 100 требуется источник накачки, произведение мощности которого на постоянную времени приемника видимого света равно 1000 Вт с. Ясно, что это довольно пло- ГЛАВА 8 326 хне характеристики системы при столь большом расходе мощности. По результатам анализа, проведенного Мильтоном [391 с учетом как практических, так и теоретических ограничений, конкурентоспособность систем преобразования с повышением частоты с обычными системами ЕЫВ маловероятна по следующим причинам: 1. Слишком низка квантовая эффективность обнаружения. 2. Слишком высока требуемая мощность накачки. 3. Слишком жестки присущие методу ограничения поля зрения.
4. Требуется специальное устройство для вычитания потока от фона. 5. Существуют присущие данному методу ограничения в разрешающей способности. Мильтон также сделал вывод, что метод параметрического преобразования с повышением частоты больше подходит для лазерной инфракрасной локации и для активных средств получения изображения с импульсной лазерной подсветкой. Подробные обобщающие сведения о данном методе содержатся в статьях [40 — 421. 8.12.
Инфракрасные квантовые счетчики Инфракрасные квантовые счетчики (ИККС) являются преобразователямн инфракрасного излучения в видимое, в которых используется обмен энергии излучения с энергией электронных уровней для получения твердотельного преобразователя изображения. Принцип действия ИККС был предложен в 1959 г. Блом- бергеном [43! и подробно проанализирован Эстеровицем и др.
[441. Он основан на предположении, что в примесных редкоземельных соединениях структура ионных энергетических уровней такова, что существуют переходы, соответствующие как видимому, так и инфракрасному излучению, и заключается в том, что ион, возбужденный в результате поглощения фотона инфракрасного излучения, может быть переведен с помощью лазерного гетеродина еще на более высокий энергетический уровень, с которого спонтанно излучается видимый свет.
Простейшая модель трехуровневого ИККС показана на фиг. 8.21. Трехуровневый ИККС непригоден для практического использования по причинам, наложенным Эстеровицем и др. [44!. На практике используется пятиуровневая схема, показанная яа фиг. 8.22. Наиболее подходящий материал для демонстрации действия ИККС вЂ” трихлорид лантана 1 аС[8, активированный празеодимом Рга+. В этом соединении имеется достаточное число пере- 2 Р а О3 х 2 Ф Ф Ф о Ф В$ 5' ~( вй ф ~ $ $ а,ФЬ ь ~ ь~ ~~В'Г В ! ~ ~ ~® ~1ъ ф~ь Ф~~ ~~1 ~ФМ к ело.
ь т'" сю Э Ъ %, си ф 4 Ф-И о Ф Ф Ю Ф Р б Д Ф о о Р3 Ф Ф о О М Я Б Ц о н ФФ Х 6' ~ Ф ° о О3 ..Й ГЛАВА В 328 ходов, чтобы обеспечить чувствительность в широкой полосе от 3 до 5 мкм. Квантовая эффективность и выходной световой поток ИККС столь низки, что для достижения приемлемой яркости изображения необходимо применение усилителя яркости изображения или другого аналогичного прибора. Достаточно эффективный ИККС будет весьма сложным прибором даже по сравнению с приборами с механической разверткой. Для подавления маскирующих изображение сигналов помехи от переходов, обусловленных температурой кристалла, кристалл необходимо охлаждать.
Для достижения эффективного преобразования инфракрасного излучения в видимое нужно попользовать накачку относительно большой мощности, к тому же в такой спектральной области, где лазеры неэффективны. Наконец, ИККС является прибором с линейным преобразованием числа фотонов по постоянной составляющей, поэтому для улучи!ения контраста изобрая!ения требуется специальное устройство для вычитания фона.
Источниками шумов теоретически идеального ИККС являются квантовые шумы инфракрасногоо сигнала, автоэмиссионный шум перехода, шум накачки и шум усилителя яркости. Ограничения нз-за неоднородностей чувствительности по поверхности кристалла пока не определялись. Эксперименты с ИККС описаны в статьях !45, 46). ЛИТЕРАТУРА 1. Ав!Ьеппег К.
Ч'., Чуоппвег Е. М., 1пв!пппеп1 1ог ТЬсппв1 1'Ьо1овгврЬу УОТА, 49, 184 — 187 (1959). 2. А 1Ьеппсг К. )Ч., 8сЬъвгв Р., ТЬеппв! 1гпв8!пл Иып8 Ругов!ес1г!с Ве1ес!огв, А рр!. О!!., 7, 1687 — 1695 (1968). 3. )Ч!сЬо!в Е. ЧЧ„Евгпвг 1., Сопчегюоп о1 !п1гвгед 1гпвлев 1о Ч!в!Ые !и Со1ог, А рр!. Орг., 7, 1757 — 1762 (1968). 4. Кп!гсЬег Е. ЧЧ., Хпптпеппвпп К. Н., А 8свпе!п8 !пйвгед 1пвреспоп 8уыет Арр1!ед 1о Нопдеыгпспче Тев!!пк о1 Вопдед Аеговрвсе я!гпс1пгев, А рр!. Ор!., 7, 1715 — 1719 (1968). 5. АМЬеппсг К. ~Х., 1п1гвгед го Ч!в!Ые Сопчегв!оп Вечыев, Рьаг.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
