Фотоэлектрическийметод измерения энергетических параметров лазерного излучения
Основойфотоэлектрического принципа измерительного преобразования энергетическихпараметров оптического излучения является поглощение фотона, сопровождаемоеэлектрически регистрируемым переходом носителей заряда на более высокие энергетическиеуровни. В качестве первичного измерительного преобразователя (ПИП) используютсяфотоприемники (ФП), которые обычно делят на две группы: с внешним и свнутренним фотоэффектом. Внешний фотоэффект заключается в испускании электроновпод действием фотонов в вакуум, внутренний — в переходе электронов изсвязанного состояния под действием фотонов в свободное, т. е. в возбужденноесостояние внутри материала. Речь идет в обоих случаях о прямом взаимодействииквантов излучения с электронами, поэтому ФП такого типа называют ещеквантовыми. Выходной электрический сигнал таких ФП зависит не от мощностипадающего излучения, а от количества квантов излучения и энергии каждогокванта.
Общеевыражение преобразования входного оптического сигнала в выходной электрическийсигнал можно записать в следующем виде:
/>, (1)
гдеI — полный ток, протекающий через ФП, А; Iфп — ток через ФП,вызванный падающим потоком излучения, А; Iт — темновой ток, А; Sл — спектральный коэффициент преобразования или абсолютная спектральнаячувствительность ФП, А/Вт; Р — мощность падающего на ФП излучения, Вт.
ФПкак ПИП в средствах измерения параметров лазерного излучения требуют детальногоисследования ряда свойств и характеристик, учитывающих их работу в реальныхусловиях. Основными характеристиками ФП являются спектральный диапазон,чувствительность, динамический диапазон, быстродействие, шумовые свойства,стабильность чувствительности, зависимость чувствительности от угла (паденияпотока излучения, зонная неравномерность чувствительности.
Рассмотримкоротко существующие ФП с точки зрения возможности их применения в качестве ПИПв СИ энергетических параметров лазерного излучения с учетом. перечисленных вышехарактеристик.
Фотоприемникина основе внешнего фотоэффекта
Кфотоприемникам на основе внешнего фотоэффекта относятся вакуумные приборы:фотоэлементы (ФЭ) и фотоэлектронные умножители (ФЭУ).
Спектральныйдиапазон вакуумных ФП зависит от материала фотокатода. Наиболее широкораспространены приборы с сурьмяно-цезиевыми мультищелочными исеребряно-кислородно-цезиевымн фотокатодами.
Коротковолноваяграница чувствительности, определяется главным образом прозрачностью входногоокна прибора, длинноволновая зависит от материала фотокатода и определяетсяработой выхода электронов. В настоящее время разработаны фотокатоды на основедвойных и тройных полупроводниковых соединений (GаАs, InАsР) для расширенияспектрального диапазона вакуумных ФП в длинноволновую область.
Однуиз основных метрологических характеристик ФЭ — абсолютную спектральнуючувствительность — для hн>E0 (h– постоянная Планка, н – частота излучения) можно представить следующимобразом:
/> (2)
гдеQэф — эффективный квантовый выход, л -.длина ваяны излучения, мкм.
Абсолютнаячувствительность ФЭ в максимуме спектральной характеристики 10-3-10-1мА/Вт и меняется в зависимости от типа и конструкции прибора.
Динамическийдиапазон, в котором сохраняется линейность преобразования оптического сигнала вэлектрический, для ФЭ сравнительно большой. Нижний предел ограничен шумами итемповым током ФЭ, верхний Ї влиянием пространственного заряда, продольногосопротивления фотокатода, его «утомлением». В режиме непрерывногооблучения нижний предел может достигать 10-14 А, верхний непревышает 10-4 А. В импульсном режиме верхний предел может бытьувеличен до десятков ампер.
Шумыи темновые токи ФЭ сравнительно невелики, однако из-за низкой чувствительностиФЭ нецелесообразно применять их для измерения малых уровней оптическихсигналов. В таких случаях следует использовать другие типы ФП с большейчувствительностью. Временные параметры ФП в импульсном режиме обычноописываются параметрами импульсной (длительность импульса) и переходнойхарактеристик (время нарастания фронта). Для линейных систем эти характеристикиоднозначно связали известными соотношениями и измерение одной из них позволяетточно определить остальные.
Однакореальный ФП в силу внутренних нелинейных эффектов нельзя считать идеальнойлинейной системой, и поэтому выбор того или иного параметра, характеризующегобыстродействие, определяется конкретным применением ФП. Временныехарактеристики ФЭ, предназначенных для измерений в полосе частот до несколькихгигагерц, определяются следующими параметрами: временем ф1 пролетафотоэлектронов от фотокатода к аноду; дисперсией ф2 фотоэлектроновпо времени пролета до анода за счет радиальных начальных скоростей и угловогораспределения выхода из фотокатода; временем ф3 вытекания заряда,образовавшегося на фотокатоде; инерционностью внешнего фотоэффекта ф4.
Оценкубыстродействия (времени нарастания сигнала) ФЭ можно получить из выражения
/> (3)
Поопубликованным данным длительность фотоэмиссии (ф4) меньше 10-12с, а время пролета от катода к аноду (ф1) определяется расстояниеммежду электродами н.приложенным напряжением и также может быть меньше 10-12с, Таким образом, быстродействие ФЭ ограничено в основном разбросом временпролета фотоэлектронов от катода к аноду.и переходными процессами о контурефотоэлемент-нагрузка.
Современныесильноточные временные ФЭ благодаря коаксиальной конструкции позволяют получатьвремя нарастания переходной характеристики (между уровнями 0,1 н 0,9 отмаксимального значения) порядка 10-10 с.
Исследованиястабильности чувствительности для вакуумных ФП обычно сводятся к исследованию процессов«старения» и «утомления» и их влияния на чувствительность.Вопросы, связанные с кратковременной стабильностью (в течение времени,необходимого для проведения измерения энергетических параметров, обычно отнескольких минут до 1-2 ч), практически не рассматриваются. Поэтому приподготовке к измерениям энергетических параметров излучения с помощью ФЭнеобходимо приводить исследования стабильности чувствительности ФЭиндивидуально.
Припостроении СИ энергетических параметров лазерного излучения следует учитыватьзависимости чувствительности от угла падения и расходимости излучения и зоннойнеравномерности чувствительности.
3а.висимостьчувствительности от угла падения и расходимости излучения объясняется,во-первых, зависимостью коэффициента отражения входного окна приборов,во-вторых, неодинаковой глубиной проникновения излучения в фотокатод. Зоннаянеравномерность чувствительности определяется неоднородностями материалафотокатода. Количественных данных о зонной неравномерности чувствительности иее зависимости от угла падения и расходимости потока излучения для ФПпрактически нет, поэтому возникает необходимость индивидуального ихисследования.
ФЭУобладают высокой чувствительностью благодаря наличию умножительной (динодной)системы. Если коэффициент вторичной эмиссии i-го динода уi, коэффициентсбора электронов гi, а m Ї число каскадов усиления, то.коэффициентусиления ФЭУ
/>, (4)
аабсолютная спектральная чувствительность ФЭУ
/>, (5)
гдеSлkЇ абсолютная спектральная чувствительность фотокатода ФЭУ, определяемаяаналогично чувствительности ФЭ по формуле (2).
ЧувствительностьФЭУ может достигать ~105 А/Вт в максимуме спектральнойхарактеристики. В обычных ФЭУ линейность сохраняется до десятков миллиампер, усовременных сильноточных Ї до единиц ампер.
Приизмерениях оптических сигналов большой мощности можно увеличить диапазонлинейности ФЭУ в область больших потоков, частично используя динодную систему иснимая сигнал с промежуточных динодов.
Нижнийпредел динамического диапазона ограничен шумами и темновыми токами ФЭУ.Темновой ток ФЭУ (так же как и ФЭ) принципиально не может быть исключен, егоминимальное значение определяется термоэлектронной эмиссией фотокатода,усиленной динодной системой. При среднем коэффициенте усиления 106 иплощади фотокатода 1 см2 темновой ток ФЭУ составляет 10-11Ї10-5А. Подбором конструкции ФЭУ и напряжения питания темновой ток можно свести кминимуму. Темновой ток и фототок ФЭУ подвержены флуктуациям вокруг среднегозначения. Флуктуации анодного тока ФЭУ определяют минимальное значение потокаизлучения, которое может быть измерено при помощи ФЭУ.
Науровень шума анодного тока ФЭУ влияет много факторов, в зависимости отконструкции прибора и условий его применения. Поэтому при использовании ФЭУ вСИ малых потоков излучения необходимо исследовать его шумовые характеристики врабочих условиях. Инерционность ФЭУ определяют его четыре основных узла: катоднаякамера (tk),входной каскад электронного умножителя (tвх), многокаскадныйусилитель тока (tу)и выходной каскад (tвых).Время нарастания сигнала ФЭУ может быть выражено следующим образом:
/> (6)
Временноеразрешение катодной камеры определяются, главным образом, как и ФЭ, разбросомвремен пролета электронов от катода к первому диноду. Временные свойствасходной камерой многокаскадного усилится, в основном, определяются разбросомвремён пролета электронов в динодной системе. Исследованию факторов,определяющих временные характеристики ФЭУ, посвящены работы. Быстродействиесовременных ФЭУ 30Ї1 нс.
Вопросыизучения стабильности чувствительности ФЭУ обычно сводятся, так же как и дляФЭ, к изучению процессов «старения» и «утомления».Кратковременная стабильность чувствительности (за время, необходимое дляизмерения энергетических параметров) изучена слабо. Для некоторых типов ФЭУ приотборе лучших образцов удается достичь нестабильности ~1% в импульсном режиме.Зонная неравномерность чувствительности и чувствительность ФЭУ определяютсятеми же факторами, что и для ФЭ.
Фотоприемникина основе внутреннего фотоэффекта
КФП па основе внутреннего фотоэффекта относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы,МДП-фотоприемники и другие полупроводниковые ФП. Для измерения энергетическихпараметров излучения более широкое распространение получили фотодиоды (ФД) и.фоторезисторы (ФР).
Общеевыражение для абсолютной спектральной чувствительности ФР может бытьпредставлено в виде
/> (7)
гдее — 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.
Есливремя пролета между контактами носителей, генерируемых излучением, оказываетсяменьше времени жизни ф, ФР является ФП с внутренним усилением. Такой режимвозможен при больших приложенных напряжениях и при определенной конструкции ФР.
Спектральныйдиапазон чувствительности ФП на основе внутреннего фотоэффекта (как ФР, так иФД) определяется шириной запрещенной зоны материала, из которого изготовлен ФП,глубиной залегания примесных уровней и запрещенной зоне. Успехи в технологииполупроводниковых материалов и полупроводниковых приборов позволили создать рядФП, перекрывающих диапазон от УФ до дальнего ИК излучения.
Внастоящее время хорошо отработана технология получения ряда двойных и некоторыхтройных полупроводниковых соединений. Фотоприемники, изготовленные на основетройных полупроводниковых соединений СdxHg1-xTe,РbxSn1-xТепозволяют плавно перекрывать диапазон длин волн от 0,5 до 25 мкм в зависимостиот соотношения компонентов в соединении. Практически все такие ФП охлаждаемые,что вызывает дополнительные трудности при использовании их в измерительнойаппаратуре в качестве ПИП.
Дляболее далекого ИК диапазона разработаны ФР на основе примесного Ge.В зависимости от легирующей примеси область спектральной чувствительностипростирается до 150 мкм. Примесные германиевые приемники работают при глубокомохлаждении {4—5 К), и их применение в СИ широкого применения весьма затруднено.
Несмотряна столь широкий спектральный диапазон современных ФП, изготовленных на остовеполупроводниковых соединений и примесных элементарных полупроводников,применение их для измерений энергетических параметров лазерного излучения ограничено.Это связано с их большой инерционностью, невысокой чувствительностью исложностью применения в аппаратуре из-за низких рабочих температур.
Внастоящее время благодаря разработке большого числа ФП (в основном ФД) наоснове Ge и Siхорошо освоенным можно считать видимый и ближний ИК диапазоны оптическогоизлучения.
Этиполупроводниковые приемники, в отличие от рассмотренных ранее, не требуютохлаждения. Вид типичных спектральных характеристик ФД, изготовленных из Geи Si, показан на рис. 1.
ГерманиевыеФД работают в спектральном диапазоне 0,3—1,8 мкм, кремниевые — в диапазоне0,4—1,2 мкм, максимум спектральной характеристики для германия — в области лmax=1,5мкм, для кремния — в области лmax=0,8—0,9мкм.
/>
Спомощью специальной технологии удается оптимизировать спектральныехарактеристики фотодиодов как в коротковолновой, так и в длинноволновой областиспектра. Использование ФП с расширенным спектральным диапазоном в СИ весьмаперспективно. Применение таких ФП с подобранными коррегирующими фильтрамипозволяет сделать их малоселективными в определенном спектральном интервале идает возможность измерять энергетические параметры без учета неравномерностиспектральной чувствительности.
Внастоящее время технология изготовления ФП из кремния освоена и отработана вбольшей степени, чем из германия. Это обусловило появление в последнее времяширокого ассортимента кремниевых ФД различных типов.
Абсолютнаяспектральная чувствительность ФД
/>, (8)
гдеR — коэффициент отражения; Т—коэффициент пропускания окна прибора; Q — квантовый выход; г — коэффициентсобирания носителей; л — длина волны излучения.
Врабочем спектральном диапазоне абсолютная спектральная чувствительностьсоставляет десятые доли ампера на ватт. В литературе встречается очень малоданных о диапазоне линейности полупроводниковых ФД. Измерения линейностипроводятся в разных условиях, критерий нелинейности также различный и чащевсего вообще не указывается. Поэтому не представляется возможным сопоставитьлитературные данные по линейности ФД. В каждом случае применения ФД в СИэнергетических параметров лазерного излучения необходимо исследовать ихдиапазон линейности в рабочих режимах и условиях.
Темновыетоки ФД определяются концентрацией и диффузионной длиной неосновных равновесныхносителей заряда и зависят от ширины запрещенной зоны материала и температуры.Темновые токи у кремниевых ФД примерно на порядок ниже, чем у германиевых.Темновой ток обычных кремниевых ФД, изготовленных методом диффузии, 10-5—10-7А. Кремниевые р—i—n-фотодиодыблагодаря высокоомному i-муслою обладают меньшими темновыми токами — порядка 10-9 А.Эпитаксиальные кремниевые ФД, не уступающие по своим фотоэлектрическимсвойствам стандартным диффузионным ФД, имеют предельно низкие темновые токи —порядка 10-12 А. ФД обладают сравнительно низким уровнем шумов, чтов сочетании с высокой чувствительностью делает их ФП с низким порогомчувствительности. Это позволяет использовать ФД для измерений весьма слабыхпотоков излучения до 10-12 Вт в непрерывном режиме.
Инерционностьполупроводниковых ФД определяется временем диффузии неосновных носителей,генерируемых оптическим сигналом к p—n-переходу,временем пролета носителей в р—n-переходе,а также временем RС-релаксации. У обычных ФД, в конструкции которых нспредусмотрено специальных мер для повышения быстродействия, временноеразрешение составляет 10-6—10-8 с в зависимости отплощади р—n-перехода, глубины егозалегания. Временное разрешение германиевых и кремниевых лавинных ФД достигает1 нс, кремниевых р—i—n-ФДот 1 до 20 нс.
Зоннаянеравномерность чувствительности полупроводниковых ФП обусловленанеоднородностями материала. Сопоставить литературные данные, касающиесязависимости чувствительности от угла падения излучения и зонной неравномерностичувствительности, не представляется возможным, так как, во-первых, таких данныхмало, а, во-вторых авторы обычно не указывают условий измерений. Поэтому приразработке СИ энергетических параметров лазерного излучения необходимоисследовать эти характеристики для каждого типа ФП.
Зоннаянеравномерность чувствительности зависит от длины волны излучения, что связано,по-видимому, с зависимостью глубины проникновения излучения от длины волны.
Зависимостьчувствительности от угла падения потока излучения полупроводниковых ФПобусловлена зависимостью средней глубины проникновения излучения от углападения и угловой зависимостью коэффициента отражения.
Дляизмерения относительно больших уровней мощности и энергии целесообразноприменять ПИП с невысокой чувствительностью, т. е. ФЭ. Для измерения среднихуровнен энергетических параметров лазерного излучения можно.применять каквакуумные приборы (ФЭУ), так и полупроводниковые (ФР, ФД). Для измерения малыхпотоков требуются приемники с высокой чувствительностью и низкими уровнямишума. Фотодиоды уступают по чувствительности ФЭУ. Однако ФД обладают гораздоболее низким уровнем шума. Это позволяет применять ФД для измерений малыхпотоков не непосредственно, а с помощью усилителя. В этом случае ФД вполнемогут конкурировать с ФЭУ, а в ряде случаев и превосходить их похарактеристикам.
Основныепреимущества ФД по сравнению с ФЭУ: небольшие габариты, низковольтное питание,высокая надежность н механическая прочность, более высокая стабильностьчувствительности, низкий уровень шумов, лучшая помехозащищенность отэлектрических и магнитных полей.
НедостаткиФД по сравнению с ФЭУ: меньшее быстродействие для большинства ФД, более сильноювлияние внешних условий (особенно температура) на параметры и характеристикиприбора.
Дляизмерения временных параметров лазерного излучения следует применять наиболеебыстродействующие фотоэлектрические приемники — ФЭ, для измерения малых потокомЇ ФЭУ и быстродействующие ФД.
/>
Прииспользовании фотоприемников в качестве измерительных преобразователей в СИэнергетических параметров лазерного излучения важным моментом являетсясогласование ФП с электронной схемой преобразования электрического сигналаизмерительной информации. Обычные схемы включения ФП представлены на рис. 2.Фотоэлементы включаются в схему аналогично фотодиодам. Обычно ФП включаютпоследовательно с нагрузкой Rни источником питания Е. В зависимости от подключения «земляной» точки исопротивления нагрузки сигнал ФП может быть получен как положительной (рис.2, а, д), так и отрицательной (рис. 2, б, г) полярности. ФР включают вэлектрическую цепь так же, как н ФД. Для получения сигнала положительнойполярности с ФЭУ можно подключить нагрузку в разрыв между одним из последнихдинодов и точкой подключения делителя к этому диноду. В этом случаечувствительность ФЭУ несколько ниже, чем при обычном включении, так какотсутствует усиление в последних каскадах.
КонденсаторСбл во всех случаях включается для уменьшения внутреннегосопротивления источника питания при импульсном сигнале. Обычно емкость Сблвыбирается довольно большой 0,01—1 мкф. Такие конденсаторы имеют паразитныеиндуктивности, и включение их в оконечных каскадах ФЭУ (см. рис. 2, в) можетприводить к снижению быстродействия. Поэтому при работе в наносекундномдиапазоне длительностей к указанным Сбл следует подключатьпараллельно небольшие малоиндуктивные емкости для обеспечения прохожденияимпульсов с короткими фронтами. Увеличение быстродействия ФЭУ достигаетсяиндивидуальным подбором режима питания, изменением сопротивлений делителя. Приэтом учитываются конструктивные особенности и несовершенства конкретногоэкземпляра ФЭУ. С помощью подбора режима питания добиваются и оптимизацииотношения сигнал-шум.
Фотодиодымогут использоваться как в фотодиодном (с питанием), так и в фотовольтаическом(без питания) режиме. В СИ энергетических параметров обычно используютфотодиодный режим, так как при этом диапазон линейности и быстродействиегораздо больше, чем в фотовольтаическом режиме, важное значение для работы СИэнергетических параметров лазерного излучения имеет согласование с электроннойсхемой.
Дляполучения на нагрузке Rнсигнала, амплитуда которого пропорциональна энергии импульсного излучения,параллельно ей включают конденсатор Сн таким образом, чтобыпостоянная времени ф=RэCнбыла больше длительности импульса излучения (здесь RэЇ эквивалентное сопротивление, составленное из параллельно подключенных Rн,внутреннего сопротивления ФП и входного сопротивления устройства преобразования.электрического сигнала).
Дляполучения на нагрузке Rнсигнала, амплитуда которого пропорциональна мощности импульсного излучения,выбирают с помощью параметров схемы постоянную времени фотоприемного устройстваменьше длительности импульса, чтобы импульсный электрический сигналвоспроизводил форму оптического сигнала.
Дляизмерения мощности лазерного излучения в непрерывном режиме могут бытьиспользованы как вакуумные, так и полупроводниковые ФП. В этом случае нетребуется их высокого быстродействия, как в импульсном режиме. Важную роль приэтом играют такие параметры, как чувствительность, уровень шума, нестабильностьсамих ФП, так как в непрерывном режиме техника измерений электрических сигналовхорошо отработана и на точность измерений метрологические свойства системыобработки и регистрации информации оказывают незначительное влияние.
Схемаизмерения энергетических параметров лазерного излучения в работе представленана рис.1
/>
Рис.1Схема для фотоэлектрического измерения энергетических параметров
1-лазер; 2- светофильтр; 3- положительная линза; 4- матовое стекло;5-фотоприемник; 6-усилитель; 7-осцилограф.
Список использованныхисточников
1. Иващенко П.А. Измерение параметровлазеров. – М.: Издательство стандартов, 1982.
2. Котюк А.Ф. Измерениеэнергетических параметров и характеристик лазерного излучения. – М.: Радио исвязь, 1981.
3. Хирд г. Измерение лазерныхпараметров.: Пер. с англ.//Под ред. Ф.С. Файзуллова. – М.: Мир, 1970.
4. Андрушко Л.М., Байбородин Ю.В.,Блохин С.В. и др. Справочник по лазерной технике. – Киев.: Технiка, 1978.