Фотоэлектрический метод измерения энергетических параметров лазерного излучения

ФЭУ обладают высокой чувствительностью благодаря наличию умножительной (динодной) системы. Если коэффициент вторичной эмиссии i-го динода уi, коэффициент сбора электронов гi, а m Ї число каскадов усиления, то .коэффициент усиления ФЭУ

, (4)

а абсолютная спектральная чувствительность ФЭУ

, (5)

где Sлk Ї абсолютная спектральная чувствительность фотокатода ФЭУ, определяемая аналогично чувствительности ФЭ по формуле (2).

Чувствительность ФЭУ может достигать ~105 А/Вт в максимуме спектральной характеристики. В обычных ФЭУ линейность сохраняется до десятков миллиампер, у современных сильноточных Ї до единиц ампер.

При измерениях оптических сигналов большой мощности можно увеличить диапазон линейности ФЭУ в область больших потоков, частично используя динодную систему и снимая сигнал с промежуточных динодов.

Нижний предел динамического диапазона ограничен шумами и темновыми токами ФЭУ. Темновой ток ФЭУ (так же как и ФЭ) принципиально не может быть исключен, его минимальное значение определяется термоэлектронной эмиссией фотокатода, усиленной динодной системой. При среднем коэффициенте усиления 106 и площади фотокатода 1 см2 темновой ток ФЭУ составляет 10-11Ї10-5 А. Подбором конструкции ФЭУ и напряжения питания темновой ток можно свести к минимуму. Темновой ток и фототок ФЭУ подвержены флуктуациям вокруг среднего значения. Флуктуации анодного тока ФЭУ определяют минимальное значение потока излучения, которое может быть измерено при помощи ФЭУ.

На уровень шума анодного тока ФЭУ влияет много факторов, в зависимости от конструкции прибора и условий его применения. Поэтому при использовании ФЭУ в СИ малых потоков излучения необходимо исследовать его шумовые характеристики в рабочих условиях. Инерционность ФЭУ определяют его четыре основных узла: катодная камера (tk), входной каскад электронного умножителя (tвх), многокаскадный усилитель тока (tу) и выходной каскад (tвых). Время нарастания сигнала ФЭУ может быть выражено следующим образом:

(6)

Временное разрешение катодной камеры определяются, главным образом, как и ФЭ, разбросом времен пролета электронов от катода к первому диноду. Временные свойства сходной камерой многокаскадного усилится, в основном, определяются разбросом времён пролета электронов в динодной системе. Исследованию факторов, определяющих временные характеристики ФЭУ, посвящены работы. Быстродействие современных ФЭУ 30Ї1 нс.

Вопросы изучения стабильности чувствительности ФЭУ обычно сводятся, так же как и для ФЭ, к изучению процессов "старения" и "утомления". Кратковременная стабильность чувствительности (за время, необходимое для измерения энергетических параметров) изучена слабо. Для некоторых типов ФЭУ при отборе лучших образцов удается достичь нестабильности ~1% в импульсном режиме. Зонная неравномерность чувствительности и чувствительность ФЭУ определяются теми же факторами, что и для ФЭ.

Фотоприемники на основе внутреннего фотоэффекта

К ФП па основе внутреннего фотоэффекта относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, МДП-фотоприемники и другие полупроводниковые ФП. Для измерения энергетических параметров излучения более широкое распространение получили фотодиоды (ФД) и .фоторезисторы (ФР).

Общее выражение для абсолютной спектральной чувствительности ФР может быть представлено в виде

(7)

где е — заряд электрона; V — объем освещенной части полупроводника; Q —квантовый выход внутреннего фотоэффекта; м — подвижность фотоносителей; ф — время жизни фотоносителей; l — расстояние между контактами; U —напряжение, приложенное к ФР, В.

Если время пролета между контактами носителей, генерируемых излучением, оказывается меньше времени жизни ф, ФР является ФП с внутренним усилением. Такой режим возможен при больших приложенных напряжениях и при определенной конструкции ФР.

Спектральный диапазон чувствительности ФП на основе внутреннего фотоэффекта (как ФР, так и ФД) определяется шириной запрещенной зоны материала, из которого изготовлен ФП, глубиной залегания примесных уровней и запрещенной зоне. Успехи в технологии полупроводниковых материалов и полупроводниковых приборов позволили создать ряд ФП, перекрывающих диапазон от УФ до дальнего ИК излучения.

В настоящее время хорошо отработана технология получения ряда двойных и некоторых тройных полупроводниковых соединений. Фотоприемники, изготовленные на основе тройных полупроводниковых соединений СdxHg1-xTe, РbxSn1-xТе позволяют плавно перекрывать диапазон длин волн от 0,5 до 25 мкм в зависимости от соотношения компонентов в соединении. Практически все такие ФП охлаждаемые, что вызывает дополнительные трудности при использовании их в измерительной аппаратуре в качестве ПИП.

Для более далекого ИК диапазона разработаны ФР на основе примесного Ge. В зависимости от легирующей примеси область спектральной чувствительности простирается до 150 мкм. Примесные германиевые приемники работают при глубоком охлаждении {4—5 К), и их применение в СИ широкого применения весьма затруднено.

Несмотря на столь широкий спектральный диапазон современных ФП, изготовленных на остове полупроводниковых соединений и примесных элементарных полупроводников, применение их для измерений энергетических параметров лазерного излучения ограничено. Это связано с их большой инерционностью, невысокой чувствительностью и сложностью применения в аппаратуре из-за низких рабочих температур.

В настоящее время благодаря разработке большого числа ФП (в основном ФД) на основе Ge и Si хорошо освоенным можно считать видимый и ближний ИК диапазоны оптического излучения.

Эти полупроводниковые приемники, в отличие от рассмотренных ранее, не требуют охлаждения. Вид типичных спектральных характеристик ФД, изготовленных из Ge и Si, показан на рис. 1.

Германиевые ФД работают в спектральном диапазоне 0,3—1,8 мкм, кремниевые — в диапазоне 0,4—1,2 мкм, максимум спектральной характеристики для германия — в области лmax=1,5 мкм, для кремния — в области лmax=0,8—0,9 мкм.

С помощью специальной технологии удается оптимизировать спектральные характеристики фотодиодов как в коротковолновой, так и в длинноволновой области спектра. Использование ФП с расширенным спектральным диапазоном в СИ весьма перспективно. Применение таких ФП с подобранными коррегирующими фильтрами позволяет сделать их малоселективными в определенном спектральном интервале и дает возможность измерять энергетические параметры без учета неравномерности спектральной чувствительности.

В настоящее время технология изготовления ФП из кремния освоена и отработана в большей степени, чем из германия. Это обусловило появление в последнее время широкого ассортимента кремниевых ФД различных типов.

 Скачать реферат