Введение и общие принципы лазерной термометрии
(данный раздел подготовлен по материалам, предоставленным
д. ф-м. н. Магуновым Александром Николаевичем)
Лазерная термометрия это новое направление в технике измерения температуры, включающее активные (с внешним зондированием) бесконтактные методы измерения.
Методами лазерной термометрии измеряют температуру пламени и взрывов, газоразрядной плазмы, твердых тел и жидкостей. Роль термочувствительного элемента играет сам исследуемый объект, показания которого стимулируются и/или считываются зондирующим оптическим (лазерным) пучком.
Лазерный пучок не подвержен влиянию электромагнитных помех, высоких электрических потенциалов, химически активных сред, вибрации и других факторов, затрудняющих измерение температур контактными методами.
Лазерный пучок имеет ряд характерных признаков (длина волны, поляризация, направление распространения, модуляция интенсивности), позволяющих достоверно различать его на фоне оптических помех.
В отличие от оптической пирометрии собственное тепловое излучение исследуемого объекта в лазерной термометрии не используется.
Лазерная термометрия твердых тел:
- совокупность методов, использующих дистанционное измерение какого-либо температурно-зависимого параметра твердого тела и определение искомой температуры по заранее известной температурной зависимости измеряемого параметра;
- появилась и развивается вследствие возрастающих требований к температурной диагностике в новых технологиях (микротехнологии интегральных схем, диагностике микроприборов);
- позволяет измерять температуру полупроводниковых и диэлектрических кристаллов, стекол, тонких полупроводниковых, диэлектрических и металлических пленок, микрообъектов (элементов интегральных схем электроники и оптоэлектроники, частиц микронных размеров в газовых потоках и плазме);
- полностью устранила проблему ненадежности теплового контакта чувствительного элемента с исследуемым объектом: наличие контакта зондирующего пучка с образцом в буквальном смысле очевидно.
Разнообразие явлений, происходящих при взаимодействии света с твердым телом, позволило создать как широкодиапазонные методы с невысокой чувствительностью, так и высокочувствительные методы с узким диапазоном измеряемых температур, а иногда объединять в одном методе широту температурного диапазона и высокую чувствительность (на 1-2 порядка более высокую, чем у термопар).
Лазерная термометрия твердых тел основана на использовании методов и моделей оптики и спектроскопии полупроводников, диэлектриков и металлов. В основе любого из методов лазерной термометрии лежит определенный способ оптического зондирования объекта и регистрации сигнала, содержащего информацию о температуре.
Экспериментальная процедура включает:
- дистанционное измерение температурно-зависимого оптического параметра твердого тела;
- определение искомой температуры по известной (вычисленной или измеренной) температурной зависимости измеряемого параметра.
Температурно-зависимые оптические параметры твердых тел:
- действительная и мнимая части комплексного показателя преломления;
- ширина запрещенной зоны полупроводниковых кристаллов;
- заселенность возбужденных состояний (фононный спектр и т.д.);
- скорость безызлучательной релаксации электронных возбужденных состояний;
- концентрация свободных носителей заряда;
- геометрия микрорельефа поверхности.
Температурная зависимость любого из перечисленных оптических параметров лежит в основе одного или нескольких методов лазерной термометрии
Регистрируемые оптические свойства:
- коэффициенты отражения или пропускания света для фиксированной длины волны;
- спектры отражения или пропускания света;
- спектр комбинационного рассеяния;
- спектр и время затухания фотолюминесценции;
- интенсивность второй гармоники зондирующего излучения;
- параметры эллипса поляризации отраженного света;
- угол дифракции света при облучении периодической структуры;
- параметры спекл-структуры в отраженном пучке.
Регистрация любого из перечисленных оптических свойств позволяет определить температуру исследуемого объекта.