Termografia i spektrometria w podczerwieni. Отсутствует

Termografia i spektrometria w podczerwieni - Отсутствует


Скачать книгу
(rys. 1.60):

Obraz372605.gif(1.70)

      gdzie ωPωI (ω = 2πf) oznaczają pulsacje mocy wydzielanej w obiekcie badanym i natężenia oświetlenia ledowego.

      Odbicie promieniowania prowadzi do mnożenia sygnału promieniowania i temperatury. Zgodnie z zależnościami (1.70), sygnał docierający do kamery przyjmuje postać:

Obraz372614.gif(1.71)

      gdzie A jest stałą kalibracji metody pomiaru temperatury.

      Rys. 1.61. Przykładowy system wyznaczania dyfuzyjności lub impedancji cieplnej dla różnych częstotliwości wymuszenia metodą heterodynową

      Jeśli różnica częstości kątowych ωpωI będzie znacznie mniejsza niż częstotliwość pracy kamery CCD, to można wyznaczać mapy temperatury na powierzchni badanych obiektów. Stosując mikroskop optyczny można mierzyć wartości temperatury i parametrów cieplnych struktury z rozdzielczością mikrometryczną.

      1.8. Zastosowanie światłowodów w termometrii radiacyjnej

      Jednym z najbardziej czułych termometrów jest sensor z interferencyjnym układem pomiaru temperatury. Można do tego celu stosować światłowody. Ze względu na omawiany wcześniej wpływ temperatury na współczynnik załamania materiału, wraz z temperaturą zmienia się droga optyczna światła w światłowodzie. Termometry światłowodowe charakteryzują się dużą czułością. Ponadto, zaletą termometrów światłowodowych jest możliwość pracy w środowiskach niebezpiecznych i wybuchowych, przy dużej odległości między sensorem i układem rejestracji i przetwarzania danych pomiarowych. Światłowodowy interferometr składa się z dwóch ramion światłowodowych, z których jedno jest ramieniem referencyjnym, a drugie pomiarowym – rys. 1.62.

      Rys. 1.62. Zasada interferencyjnego pomiary temperatury

      Powszechnie stosuje się światłowodowe termometry z detektorem, np. z arsenku galu (GaAs) umieszczonym na końcu światłowodu, rys. 1.63 [1.26]. Półprzewodnik GaAs charakteryzuje się przerwą energetyczną (pasmem zabronionym) Eg = 1,423 eV, która odpowiada długości fali w zakresie NIR, λ = 877 nm w temperaturze T = 300 K. Szerokość pasma zabronionego w półprzewodniku zależy od temperatury, a dla arsenku galu dEg/dT = 0,45 meV/K dla T = 300 K. Powoduje to, że materiał termoczuły pochłania silnie promieniowanie z wąskiego przedziału długości fali dla λ < 877 nm, a jest przezroczysty dla dłuższych fal promieniowania NIR. Za pomocą światłowodu doprowadza się światło, np. o długości fali ok. λ ≈ 900 nm i mierzy się natężenie światła odbitego. Stosując spektrometr NIR można wyznaczyć zmianę widma promieniowania odbitego, wynikającą ze zmiany temperatury półprzewodnika. Termometry z półprzewodnikiem na końcu światłowodu charakteryzują się typową rozdzielczością na poziomie 0,1 K.

      Rys. 1.63. Zasada działania światłowodowego czujnika pomiarowego z półprzewodnikiem o zależnej od temperatury przerwie energetycznej

      Ostatnio pojawiają się termometry światłowodowe, w których korzysta się ze zjawiska rozpraszania Ramana. Rozpraszanie w światłowodowych materiałach optycznych dzielimy na rozpraszanie Rayleigha, Brillouina i Ramana. Z punktu widzenia zjawisk kwantowych zachodzących w materiale, rozpraszanie może mieć charakter spontaniczny lub wymuszony. Jeśli w materiale energia fotonów jest mniejsza niż różnica poziomów elektronowych (E1 i E2), to występuje rozpraszanie Rayleigha – rys. 1.64a. Oznacza to, że niektóre fotony zmieniają kierunek ruchu, a nawet mogą się poruszać w kierunku przeciwnym do promieniowania pierwotnego. Ze względu na istnienie w niektórych materiałach poziomów wibracyjnych i rotacyjnych (Ew), zachodzi także rozpraszanie Ramana, które wiąże się ze zmianą długości fali – rys. 1.64b,c. Jest to rozpraszanie nieelastyczne, w odróżnieniu od elastycznego – Rayleigha. Nieelastyczne rozpraszanie Ramana zmienia energię fotonów wtórnych – rozproszonych.

      Rys. 1.64. Rozpraszanie Rayleigha (a), stokesowskie (b), antystokesowskie Ramana (c)

      W zależności od energii poziomów, które biorą udział w rozpraszaniu, rozróżniamy rozpraszanie stokesowskie i antystokesowskie – rys. 1.64. Natężenie promieniowania rozproszonego Ramana stokesowskiego i antystokesowskiego jest wielokrotnie mniejsze w porównaniu z rozproszonym promieniowaniem Rayleigha i Brillouina – rys. 1.65.

      Rozpraszanie Brillouina wynika z oddziaływania fotonów z siecią krystaliczną, w wyniku czego powstają fonony akustyczne – kwazicząstki propagujące w materiale z prędkością dźwięku. W tym przypadku także ma miejsce rozpraszanie typu stokesowskiego i antystokesowskiego. Przesunięcie częstotliwości fali padającej, wynikające z rozpraszania Brillouina jest dużo mniejsze w porównaniu z rozpraszaniem ramanowskim, co odpowiada mniejszym długościom fali.

      Rozpraszanie Ramana zależy od wartości temperatury światłowodu. Wynika to z natury drgań oraz wibracji i rotacji cząstek, których energia zależy od wartości temperatury. Temperatura wpływa znacznie silniej na promieniowanie antystokesowskie w porównaniu z promieniowaniem stokesowskim, choć natężenie promieniowania antyskokesowskiego jest znacznie mniejsze od stokesowskiego [1.13, 1.15]. Ramanowskie przesunięcie promieniowania nie zależy od częstotliwości i długości fali promieniowania padającego – pierwotnego, które podlega rozpraszaniu. Rozproszone promieniowanie Rayleigha ma tę samą częstotliwość, co promieniowanie pierwotne (przechodzące przez światłowód). Promieniowanie Ramana jest przesunięte względem częstotliwości i długości fali promieniowania padającego o stałą wartość. Dla światłowodów telekomunikacyjnych wykonanych z krzemionki SiO2, przesunięcie częstotliwości wynosi Δν = 13,2 THz, co odpowiada długości fali Δλ ≈ 110 nm – rys. 1.65.

      Rys. 1.65. Przesunięcie promieniowania w wyniku rozpraszania Ramana w światłowodzie szklanym SiO2

      Można wykazać, że stosunek natężenia rozproszonego promieniowania antystokesowskiego i stokesowskiego Ramana Ias/Is zależy od wartości temperatury [1.15]:

Obraz372623.gif(1.72)

      gdzie ννw oznaczają odpowiednio częstotliwości promieniowania padającego i powstałego w wyniku rozpraszania.

      Rys. 1.66. System reflektometrii czasowej do pomiaru temperatury

      Dzięki zastosowaniu bardzo czułych fotodetektorów oraz zaawansowanemu przetwarzaniu promieniowania rozpraszanego, można zredukować szum i wyznaczyć wartość temperatury w określonym miejscu światłowodu. Przykładowy system optyczny do pomiaru wartości temperatury, który działa w zakresie bliskiej podczerwieni NIR, przedstawiono na rys. 1.66 [1.13]. Wykorzystano szklany światłowód gradientowy. Zmianę wartości współczynnika załamania uzyskano przez domieszkowanie germanem. W takim światłowodzie przesunięcie falowe rozpraszanego promieniowania ramanowskiego wynosi ok. 400 cm–1. System działa w zakresie bliskiej podczerwieni, na granicy promieniowania widzialnego. Długość fali promieniowania inicjującego rozpraszanie Ramana wynosi λ = 805 nm. W takim przypadku fale antystokesowska i stokesowska mają odpowiednio długości λas = 780 i λs = 832 nm. Do pomiaru wartości temperatury wykorzystuje


Скачать книгу