Все о датчиках температуры.
Первый универсальный русскоязычный портал

Символ нового года

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.