Политех в Сети

Сайт для Учебы

14.2. Приемники оптического излучения

Рейтинг пользователей: / 5
ХудшийЛучший 

Приемники оптического излучения (п. о. и.) - устройства, изменение состояния которых под действием потока оптического излучения служит для обнаружения этого излучения. ПОИ преобразуют энергию оптического излучения в другие виды энергии (тепловую, электрическую, механическую и т. д.) более удобные для непосредственного измерения. Они реагируют на интенсивность излучения, усредненную по многим периодам колебания поля, т. к. время реакции приемника независимо от того, на каком физическом явлении он основан, определяется процессами переноса и релаксации, которые происходят медленнее, чем колебания светового поля.

Параметры, характеризующие свойства и возможности различных ПОИ:

1) Пороговая чувствительность - минимальный поток излучения (который может быть обнаружен на фоне собственных шумов ПОИ), отнесенный к единице полосы рабочих частот (измеряется в Вт/Гц)

2) Коэффициент преобразования (интегральная чувствительность, относительная чувствительность), который связывает падающий поток излучения с величиной сигнала на выходе ПОИ.

3) Постоянная времени – время, за которое сигнал на выходе ПОИ нарастает до определенного уровня (он служит мерой способности ПОИ регистрировать оптические сигналы минимальной длительности.

4) Спектральная характеристика – зависимость чувствительности от излучения. ПОИ, у которых чувствительность слабо зависит от L в широком диапазоне длин волн, называется неселективными в отличие от селективных, имеющих на спектральной характеристике четко выраженный максимум или минимум.

1)Тепловые приемники: поглощение энергии оптического излучения вызывает повышение температуры вещества чувствительного элемента, что в свою очередь вызывает изменение различных параметров вещества: давления, газа, электропроводности твердого тела, электрической поляризации диэлектрика и т. д. ПОИ теплового типа могут быть:

-металлические, и полупроводниковые балометры и термоэлементы;

-мол. радиометры;

-оптико-акустические;

-пироэлектрические и т. д.

В балометрах при изменении T изменяется сопротивление; термоэлементы – изменение Т их поверхности приводит к появлению термо эдс; пироэлектрические – изготавливаются из сегнетоэлектриков, при взаимодействии с излучением на их поверхности появляются статические электрические заряды; в оптико-акустических и пневматических (газовых, жидкостных) регистрируется либо увеличение объема поглощающей среды (при повышении Т ) либо акустические волны (звук), возникающие в ней при поглощении оптического излучения; дилатометрические - основаны на исследовании теплового расширения твердых тел.

Тепловые ПОИ – обычно неселективны и пригодны для измерения электромагнитной энергии в широкой области спектра (0,2-50 мкм) иногда до 1000 мкм (1 мкм = 10-6 м = 104 А, 1000 мкм = 107 А = 5.103 А) Порог чувствительности лучших – 10-11 – 10-10 Вт/Гц1/2 при постоянной времени 10-3 – 10-1 с.

Сверхпроводящие полупроводниковые балометры с глубоким охлаждением (3-15К) имеют соответственно 10-12 Вт/Гц1/2 и 10-4 с.

Пондеромоторные (механические) - Они реагируют на световое давление, для измерения которого можно использовать различные типы датчиков (емкостный, пьезоэлектрический) или крутильные весы. Их применение ограничено, т. к они очень чувствительны к вибрациям и тепловому излучению окружающей среды.

Фотохимические ПОИ – фотослои, используемые в современной фотографии. В отличие от тепловых и фотоэлектрических приемников, фотослой не только суммирует фотохимическое действие излучения, но и обладает способностью сохранить его в течение длительного времени. Мерой величины поглощенной энергии служит оптическая плотность проявленного фотослоя.

К ПОИ могут быть отнесены и глаза живых существ. Адаптированный в темноте глаз человека имеет пороговую чувствительность 10-7 Вт/с, что соответствует нескольким десяткам фотонов в 1 с. Глаза некоторых насекомых реагируют на поляризацию света.

Для получения двумерного изображения излучающего объекта применяются многоэлементные ПОИ с дискретно или непрерывно распределенными по поверхности приемными элементами. К ним относятся: фотопластинки, фотопленки, электронно-оптический преобразователь, многоплощадочные полупроводниковые болометры и фоторезисторы, эвапорографы (Evaporo – испаряю и Grapho – пишу) – метод получения изображений объектов в их собственном (обычно ИК) тепловом излучении. Предложен немецким физиком Черни в 1929 г. объект проецируют объективом на мембрану. Мембрана зачернена и покрыта летучей жидкостью, которая испаряется при попадании теплового излучения. Изображение получают в виде жидкостного рельефа, соответствующего различным испарениям (или конденсации жидкости из паров, заранее введенной в камеру). Это изображение либо рассматривают в интерференционных цветах, либо фотографируют. На практике, выбирая соответствующие элементы аппарата и зачерняющее покрытие можно получить изображение в ИК области до l  =  10 мкм. Применяются: для наблюдения и фотографии в темноте, регистрирования собственного ИК излучения тел, дистанционные измерения Т и ее распределение на поверхности объекта, визуализация пучков от ИК-лазеров.

Фотоэлектрические ПОИ – непосредственно преобразуют электромагнитную энергию в электрическую. ПОИ с внешним и внутренним фотоэффектом: фотоэлементы, ФЭУ, фоторезисторы, фотодиоды, электронно-оптические преобразователи, ПОИ с фотоэлектромагнитным эффектом, квантовые усилители. Они селективны и их реакция зависит от величины энергии отдельных поглощенных квантов. ПОИ с внешним фотоэффектом имеют характерную длинноволновую (красную) границу в области 0,6 - 1,2 мкм, определяемую природой вещества чувствительного элемента приемника (работа выхода). ПОИ с внутренним фотоэффектом в зависимости от типа чувствительны и в далекой ПК-области (до 10-30 мкм). Порог чувствительности может быть доведен до 10-12 – 10-15 Вт/Гц1/2 при постоянной времени 10-9 с.

Порог чувствительности т. н. счетчиков фотонов (п/п лавинных фотодиодов) еще выше – до 10-17 Вт/Гц1/2. Предельная чувствительность фоторезисторов 10-10 – 10-12 при постоянной времени 10-5 – 10-7 с.

Для регистрации сверхкоротких импульсов лазерного излучения ИК диапазона разработаны ПОИ на Эффекте увлечения светом носителей заряда. При наличии у электромагнитной волны конечного импульса при взаимодействии излучения с веществом возникает направленное движение носителей, которые регистрируются в виде тока или напряжения. Они имеют постоянную времени 10-11 – 10-10 с, не требуют источников питания и принудительного охлаждения. Еще больше временное разрешение (10-14 – 10-13 с) м. б. получено у приемников с микроантенной на основе структур (металл — окисел — металл), работающих как туннельный диод, но у них малая чувствительность.

Эффект увеличения электронов фотонами наблюдается в оптическом и СВЧ-диапазонах в п/п, полуметаллах (Bi) и некоторых металлах. Наиболее изучен в п/п типа (Ge, Si, (A```Bv)), где происходит увлечение связанных электронов (фотоионизация) или электронов проводимости и дырок. Импульс от направленного потока фотонов передается электронам. В п/п существует продольный и поперечный эффект увеличения. Рассмотрим более подробно фотоэлектрические приемники.

Фотоэлектрические приемники излучения.

Они преобразуют световой сигнал в электрический. Разработаны для всего оптического диапазона.

1) Простейший вакуумный ФЭ: Половина откачанного стеклянного или кварцевого баллона покрыто внутри слоем металла, который служит фотокатодом. Для видимой и близкой УФ области обычно применяют Сурьмяно-цезиевые Фотокатоды с максимальной чувствительностью при l = 450 нм.

Для красной и ближней ИК – серебряно-кислородно-цезиевые с lmax = 800 нм. Анод в виде небольшого кольца или сетки в центре. При освещении фотокатода в цепи возникает ток; приложенное напряжение должно быть достаточным для насыщения фототока. Так как фототок насыщения ~ падающему потоку. Иногда используют прерыватель света, так чтобы преобразовать постоянный сигнал в переменный, который удобно дальше усиливать.

2) Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) – здесь фототок усиливается с помощью вторичной электронной эмиссии: при облучении поверхности металла или п/п быстрыми электронами освобождаются дополнительные электроны. Отношение числа освобожденных электронов к числу падающих на поверхность, называемое коэффициентом вторичной эмиссии, зависит от скорости и угла падения пучка электронов, вида и состояния поверхности, и может достигать больших значений ~ 10 и выше. Хорошо использовать сплав сурьмы и цезия.

Схема ФЭУ. Фотоэлектроны, эмиттируемые с поверхности ФК при его освещении, ускоряются электрическим полем и попадают на первый промежуточный электрод (динод) Д1, вызывая эмиссию вторичных электронов. Конфигурация и расположение ФК и Д выбраны так, что создаваемые ими электрические поля обеспечивают попадание большинства фотоэлектронов на (последующие электроды) динод Д1, а большинство вторичных электронов после ускорения попадает на следующий динод Д2 и т. д. Между последующими динодами д. б. приложено определенное напряжение. Оно подается через делители напряжения от высоковольтного стабилизирующего источника. Общий коэффициент усиления в такой системе достигает 109 – 1011, а интегральная чувствительность – тысяч A на люмен, что позволяет измерять очень малые световые потоки.

Однако предельная чувствительность фотоприемника как и других физических измерительных приборов лимитируется не достижимым усилением сигнала, а собственными шумами измерительного устройства. Под собственными шумами понимают случайные нерегулярные изменения (флуктуации) сигнала, вносимые самим прибором. Ясно, что одновременное усиление сигнала и шума не даст никакой выгоды. Поэтому реальные возможности регистрации и измерения слабых световых потоков определяются отношением полезного сигнала к шуму. Если измеряемый поток значительно превосходит предел чувствительности, шумами определяется погрешность измерений.

Источники шумов: 1) технические флуктуации, связанные, например, с небольшой непостоянной утечкой зарядов по поверхности стекла колбы ФЭУ. Такие шумы можно в значительной мере устранить, если выполнить ФЭУ достаточно тщательно и принять необходимые меры предосторожности. 2) Существуют принципиально неустранимые флуктуации, связанные с а) атомной структурой вещества, б) с конечной величиной элементарного заряда и в) с квантовой природой взаимодействия излучения с веществом. Эти собственные шумы рассчитываются на основе статистической механики.

Рассмотрим более подробно шумы вакуумного фотоэлемента. 1) Одна из наиболее очевидных причин возникновения флуктуации фототока связана с тем, что элементарные акты испускания фотоэлектронов происходят в случайные моменты времени, аналогично актам термоэлектронной эмиссии из накаленного катода в вакуумных электрических лампах. Обусловленный этой причиной шум получил название Дробового.

Пусть при постоянной интенсивности падающего излучения за время T на фотокатод (ФК) падает определенное число фотонов NФ, а среднее число испускаемых фотоэлектронов — <N> = hNФ, где H – квантовых квантовых выхода ФК, т. е. число фотоэлектронов (ФЭл) только в среднем остается неизменным, испытывая флуктуации около среднего значения <N>. Вероятность P(N) испускания за время T определенного числа N ФЭл в отдельном измерении дается распределением Пуассона:

, (1)

Где a = <N>. Мерой флуктуации числа ФЭл служит величина DN2<(N-<N>)2>, называемая среднеквадратической флуктуацией. Можно показать, что для пуассоновского случайного процесса, описанного (1), . Тогда флуктуация силы фототока (I = EN/T) равна . Дробовой эффект приводит к появлению на нагрузочном сопротивлении флуктуации напряжения UДр, такой, что

, (2)

Если измеряется модулированный световой поток, то вместо времени измерения T (т. е. постоянной времени прибора) войдет величина 1/(2DF), где DF – полоса пропускания последующей регистрирующей системы, т. е. интервал частот, в пределах которого происходит дальнейшее усиление переменного выходного напряжения:

(3)

2) ФЭ дает некоторый ток даже при отсутствии падающего излучения – это темновой ток. Он обусловлен утечками изоляции электродов, которые в совершенных приборах малы и постоянны, и термоэлектронной эмиссией с ФК. Термоэмиссия, как и фотоэмиссия подвержена флуктуациям, приводящим к дробовому шуму. Мощности шумов от статистически независимых источников флуктуации просто складываются, так что полный дробовой шум определяется предыдущим выражением, где I = IДр + IT.

Если IДр<IT (измеряются слабые световые потоки), то основной вклад в дробовой шум дают флуктуации темнового тока. Тогда прибегают к охлаждению ФК и уменьшению его размеров (до размеров светового пятна).

3) Флуктуации выходного напряжения ФЭ м. б. связаны с хаотическим тепловым движением электронов в нагрузочном сопротивлении R. Средняя плотность теплового шума (был обнаружен Джонсоном в 1927 г.) в области частот  << Kt постоянна, и средний квадрат напряжения тепловых шумов определяется формулой Найквиста:

. (4)

Так что, для отношения сигнал/шум, определяющего теоретические предельные характеристики вакуумного ФЭ, можно написать:

. (5)

Повышение чувствительности и точности:

1) Уменьшение DF, т. е. узкополосный фильтр, настроенный на частоту модуляции переменного светового сигнала или фильтр нижних частот в случае постоянного сигнала позволяет отфильтровать большую часть

Шума, энергия которого в отличие от полезного сигнала равномерно распределена по всем частотам.

Предел чувствительности ФЭ с последующим усилителем определяется обычно тепловыми шумами в нагрузочном сопротивлении R, которые в дальнейшем усиливаются вместе с полезным сигналом и дробовым шумом.

Для ФЭУ:

Здесь ток с фотокатода, т. е. сигнал вместе с дробовым шумом, многократно усиливается уже внутри самого ФЭУ без заметного добавления каких-либо новых шумов. Если используется еще и внешний усилитель, то тепловой шум от нагрузочного сопротивления обычно значительно меньше дробового шума на выходе ФЭУ.

Пороговая чувствительность ФЭУ:

, считаем, что Iф << IT, потоки слабые; если r = 1, то или

.

Так, например, при охлаждении с 1 см2 площади катода вырывается 5 – 10 термоэлектронов в 1 сек., пусть h = 0,01, тогда ~ Несколько сотен фотонов в сек; DF = 1 Гц

При низком уровне собственных шумов для измерения слабых световых сигналов используют работу ФЭУ в режиме счета фотонов. Каждый фотоэлектрон после размножения в динодной системе создает

На выводе ФЭУ импульс тока, которые регистрируется методами, разработанными в ядерной физике.

Обычно на практике достигается такая точность DФ/Ф~10–3 – 10–4.

Фотосопротивление (ФС). Поглощение фотона с энергией большей ширины запрещенной зоны приводит к образованию пары неравновесных носителей тока (электрона и дырки). Ширина запрещенной зоны определяет красную границу внутреннего фотоэффекта. ФС на основе InAs, PbS, PbTe в виде тонких пленок обладает чувствительностью до 7 – 8 мкм.

Фотодиод(ФД) (с односторонней фотопроводимостью для видимой и ближней

ИК-областей) - это Р-N-переход. Внешний источник приложен в затухающем направлении. При освещении области Р-N-перехода в ней появляются неосновные носители (электроны в р-области и наоборот), что приводит к возникновению в цепи тока. Обычно ФД изготавливается так, чтобы свет проходил через тонкий Р-слой в направлении нормали. Спектральная область ФД от УФ до 1,8 мкм у германиевых с hмакс = 0,9, постоянная времени t ~ 1 мкс. Характеристики современных ФД позволяют отдавать им предпочтение перед другими приемниками.

ФД без внешнего источника, называемый вентильным ФЭ, осуществляет непосредственное преобразование энергии падающего излучения в электроэнергию. Неосновные носители тока, возникающие при поглощении света, пространственно разделяются в переходном слое, что приводит к возникновению тока во внешней цепи. ФЭ из кремния имеют высокий к. п.д. (~14-16%) и используются в качестве источника энергии в солнечных батареях космических аппаратов. Для регистрации a =  8-15 мкм разработаны ФД на основе тройных соединений типа HgCdTe, с характеристиками при T = 77° 10-13 Вт/Гц1/2 и t = 10-9 с.

Лавинные ФД (счетчики фотонов) основаны на явлении электрического пробоя p-n-перехода, в результате которого из-за ударной ионизации происходит лавинообразное увеличение числа носителей заряда: коэффициент усиления фототока в лавинных ФД из Ge достигает 3*102 и 104 - 106 в ФД из Si, порог чувствительности – 10-17 Вт/Гц1/2

ЭОП - электронно-оптический преобразователь – вакуумный прибор для преобразования невидимого глазом изображения объекта (В ИК, УФ и рентгеновских лучах) в видимое, либо для усиления яркости видимого изображения. В основе лежит преобразование оптического или рентгеновского изображения в электронное, а затем электронного – в световое (видимое), получаемое на катодолюминесцентном экране. В ЭОП изображение объекта А проецируется с помощью объектива на фотокатод Ф (при использовании рентгеновских лучей теневое изображение объекта проецируется на фотокатод непосредственно). Излучение от

Объекта вызывает фотоэлектронную эмиссию с поверхности ФК, причем величина эмиссии с разных участков последнего изменяется в соответствии с распределением яркости спроецириванного на него изображения. Фотоэлектроны ускоряются электрическим полем на участке между ФК и экраном, фокусируются электронной линзой (ФЭ - фокусирующий электрод) и бомбардируют экран Э, вызывая его люминесценцию. Интенсивность свечения отдельных точек экрана зависит от плотности потока фотоэлектронов, вследствие чего на экране возникает видимое изображение объекта.

Различают ЭОП одно - и многокамерные (каскадные) последние представляют собой последовательное соединение двух или более однокамерных ЭОП.

Интегр. чувствительность ЭОП определяется главным образом свойствами используемого ФК, например, с кислородно-серебряно-цезиевым ФК, применяемых в ИК-диапазоне, чувствительность достигает 70 мкА/лм; с многокомпонентным ФК-ом, используемый в ЭОП для усиления яркости видимого изображения, обладает чувствительностью до 103 мкА/лм.

Разрешающая способность ЭОП лежит в пределах 25-60 мтр/мм. Коэффициент преобразования (Фпаф/Физл) у каскадных ЭОП достигает 106

И более.

Основной недостаток каскадных ЭОП - малая разрешающая способность

И сравнительно высокий темновой фон.

Эти недостатки устраняют, применяя волоконнооптические пластины, состоящие из световодов диаметром 10-20 мкм и ЭОП с микроканальным усилителем. В ЭОП этого типа на пути фотоэлектронов вместо электронной фокусирующей системы располагается стеклянная пластина, пронизанная множеством каналов диаметром 15-25 мкм, внутренняя поверхность которых покрыта материалом с большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии. Каждый такой канал является по существу ФЭУ, усиливающий фототок элемента изображения в 105 – 106 раз. Электроны от каждого канала попадают в соответствующую точку экрана, формируя видимое изображение. В микроканальных ЭОП отпадает необходимость применения электронной фокусировки.

В некоторых типах ЭОП изображение регистрируется матрицей из электроночувствительных элементов (в кол-ве 10 ~ 100), установленной вместо люминесцентного экрана.

ЭОЛ применяются в ИК-технике, спектроскопии, медицине, ядерной физике, астрономии, телевидении, для преобразования УЗ-изображения в видимое. Современные многокамерные ЭОП позволяют регистрировать вспышки (сцинцилляции) от одного электрона, испускаемого входным ФК.