ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.10.2024
Просмотров: 112
Скачиваний: 0
М Е Т О Д Ы И З М Е Р Е Н И И |
49 |
эксплуатационных качествах этих приборов 1). Эквивалентная мощность шума Р N определяется как мощность излучения, вызы вающая сигнал с напряжением, равным шумовому напряжению приемника. Эквивалентная мощность шума может быть записана в виде
PN = FA(VN/Vs)(6f)~y\ |
(2.1) |
где F — интенсивность излучения, падающего на приемник с пло щадью A, VN — среднеквадратичное шумовое напряжение в изме ряемой полосе частот б/, F s — среднеквадратичное напряжение сигнала. Единицей измерения эквивалентной мощности шума слу жит Вт/Гц1/2. Так как для большинства приемников эквивалентная мощность шума пропорциональна квадратному корню из площади приемника, то можно ввести показатель качества, не зависящий от площади, разделив эквивалентную мощность шума на корень квадратный из площади. В результате мы получим величину D *, называемую нормированной пороговой чувствительностью:
/)* = |
■/ » |
, 2 . 2) |
|
Pni V |
|||
|
Величина/)* измеряется в см*Гц1/г/Вт. Частотный интервал здесь принят равным 1 Гц. Величина D* является существенной харак теристикой инфракрасных приемников. Большое значение пара метра D* означает, что приемник пригоден для детектирования слабых сигналов на фоне шума. |\^j
Приемники видимого диапазона, такие, как фотоумножители, обычно характеризуются чувствительностью, зависящей от длины волны. Чувствительность определяется как среднеквадратичное напряжение сигнала на единицу среднеквадратичной мощности падающего на приемник излучения. Единицей измерения чувст вительности служит В/Вт. Чувствительность R связана с эквива лентной мощностью шума и параметром/)* следующим соотноше нием:
R = Vn/Pn (S/)Vz= D*VN/(A8f)Vs. |
(2.3) |
Иногда указывают спектральную чувствительность R}., т. е. чув ствительность к монохроматическому излучению с длиной волны Я.
Важным параметром приемника является его частотная харак теристика. Для большинства используемых ппиемнпков она может быть представлена следующей формулой:
R'(f) = |
R0r(1 + 4я2/2т2)_1/2, |
_.(,2.4) |
г) Систематическое |
изложение вопросов регистрации лазерного |
излучения |
с подробным анализом характеристик различных приемников содержится в монографии [66]. Вопросам обнаружения и измерения инфракрасного излучения посвящены также монографии [67, 68].— Прим. ред.
4 —023
ГЛАВА 2 |
50 |
где R (/) — чувствительность ыа частоте f , R 0 — чувствительность на нулевой частоте, т — время отклика, или постоянная времениприемника. Выражение (2.4) справедливо не для всех приемников,, но для многих приемников оно оказывается полезным. При малых частотах чувствительность ие зависит от частоты, на высоких же-
частотах чувствительность падает. При / |
= (2лт)-1 |
имеем R = |
|
= 0,71 |
R 0. |
измерении |
параметров:- |
Одна |
из проблем, возникающих п р и |
||
лазерного излучения, заключается в том, что мощность и энергия <глуча могут изменяться в широких пределах, Задача измерения осложняется еще и тем, что лазеры работают в ш и р о к о м и н т р р н ал п частот и длительностей' идшульсов излучения. Единого для всех лазеров метода измерения мощности и энергии не существует^ \)днако при исследовании действия мощного лазерного излучения имеется ряд обстоятельств, упрощающих измерения. Энергия и мощность в этом случае велики, поэтому нет необходимости учи тывать шумы приемника и не возникает проблемы обнаружения слабых сигналов на фоне шума. Поэтому мы ие будем касаться
таких методов, как оптическое гетеродинирование.
Приемники, которые мы будем рассматривать, являются так называемыми квадратичными детекторами. Величина получаемогоот них сигнала пропорциональна квадрату электрического поляг т. е. мощности луча. Этим они отличаются, например, от микровол новых детекторов, с помощью которых можно непосредственноизмерять напряженность поля. Все типы рассматриваемых нижеприемников, включая фотоэмиссионные приемники, приемники, основанные на фотопроводимости, фотографическую пленку и чело веческий глаз, имеют квадратичную характеристику.
В фотоэмиссиоиных приемниках используется катод, покрытый материалом, который испускает электроны при воздействии на него излучения с длиной волны, меньшей некоторой характерной вели чины. Испускаемые катодом электроны можно ускорить, прило жив к аноду напряжение, что приводит к появлению тока во внешней цепи. Разумеется, такие приборы являются вакуумными. Их постоянная времени мала, часто порядка 10“8 с. Подобные при емники получили широкое распространение. Они составляют боль шой класс приемников, представляющих интерес для измерения параметров лазерного излучения. Типичные спектральные харак теристики фотоэмиссиоиных приемников показаны на фиг. 2.1, Чаще всего применяют трубки с фотокатодом типа S-1, спектраль ная чувствительность которого простирается в инфракрасную область дальше, чем у других фотокатодов, и который является един ственным эмиттером, пригодным для регистрации излучения лазе ров на неодимовом стекле. Для регистрации излучения рубиново го и гелий-неонового лазеров обычно используют фотокатод типа S-20, имеющий большую чувствительность на соответствующих
М Е Т О Д Ы И З М Е Р Е Н И Й |
51 |
Чувствительность, мА/Вт'
о
Длина волны, А
ФИГ , 2.1,
Спектральная чувствительность применяемых фотоэмпсспонных поверхностей.
длинах волн. Приемники фотоэмиссионного типа могут работать в диапазоне от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной обла сти. На длинах волн больше 1,2 мкм чувствительность фотоэмиссиовных приемников резко падает.
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — это вакуумный фотоэмиссионный приемник, имеющий несколько последовательно расположенных поверхностей, называемых динодами, которые испускают вторичные электроны. Испущенные фотокатодом элект роны ускоряются напряжением, приложенным к первому диноду, и, попадая на него, выбивают вторичные электроны. Этот процесс
4*
ГЛ А В А 2 |
52 |
продолжается на следующих динодах, в результате чего достига ется значительное усиление. Располагая последовательность динодов с таким расчетом, чтобы все электроны с предыдущего динода попадали на последующий, можно получить очень большой коэф фициент заиления (порядка 104 или 105). Вследствие высокого коэф фициента заиления ФЭУ имеют наибольшую достижимую чувст вительность в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной ■областях спектра. Разброс во времени пролета электронов устанав ливает верхнюю границу воспроизводимых частот, равную при близительно 100 МГц. При исследовании лазерного воздействия приходится измерять большие мощности, и поэтому нет необ ходимости в высокой чзшствительности, которую обеспечивают фотоз^множители. Свет, попадающий на фотоумножитель, фактиче ски приходится значительно ослаблять, так как при большой мощ ности падающего излучения выходной сигнал насыщается. Поэтому при изз'чении действия^лазерного излзшения чаще всего использу ют не фотоумножители, а однокаскадные вакуумные фотоэлементы.
Особый тип фотоэмпссионной трз^бки, о котором следует упомя нуть, представляет двухплоскостной диод. Выпускаемые прием ники этого типа имеют спектральные характеристики, приведен ные на фиг. 2.1. Они обладают очень высокими выходными токами и поэтому насыщаются при больших интенсивностях, чем фото умножители. Широкий динамический диапазон выходного сигнала этих фотодиодов делает их полезными в лазерных исследованиях. Фотодиоды этого типа имеют малую постоянную времени (менее
1 нс).
Другим типом приемника, который представляет интерес для лазерных исследований, в особенности для изучения модовой струк туры лазерного луча, является лампа бегущей волны с фотокато дом. Поток электронов, испущенных фотокатодом, промодулироваи с частотами межмодовых биений. Электроны проходят через спиральную замедляющую структуру; при этом электронный пучок возбуждает в замедляющей системе электромагнитную волну с частотой, равной частоте модуляции электронного потока. Воз никающий сигнал лежит в микроволновом диапазоне. Усиления электронного пучка не происходит. В такой системе возможно ползшение очень короткого времени отклика (менее 1 нс). Эти приборы нашли применение при иззгчении фотосмешения [4].
Другим широко распространенным типом фотоприемника явля ется полупроводниковый фотогальванический диод с р — «-пере ходом [5]. Свет, попадающий на фотогальванический приемник, приводит к появлению разности потенциалов на переходе даже в отсутствие каких-либо внешних управляющих напряжений. Фотогальванический элемент можно использовать и в качестве фотодиода, если к нему приложить внешнее управляющее напря жение и последовательно с ним включить нагрузочное сопротив
М Е Т О Д Ы И З М Е Р Е Н И Й |
53 |
ление. Когда свет попадает на запертый диод, обратный ток резко возрастает.
Имеется целый ряд полупроводниковых фотодиодов, разрабо танных для использования в качестве приемников лазерного излу чения. Они имеют небольшие размеры, неприхотливы в обращении, обладают хорошими частотными характеристиками и чувствитель ностью, достаточной для регистрации лазерного излучения. Типичные характеристики некоторых выпускаемых полупроводни ковых фотодиодов приведены в табл. 2.1. Образцы, работающие при
ТАБЛИЦА 2.1
Фотогальванические полупроводниковые диоды
|
Обратное |
Рабочая |
Граничная |
Спектраль |
D* в максимуме |
|
Диод |
чувствительно |
|||||
напряже |
температура |
частота, |
ный диапа |
|
сти, |
|
|
ние, В |
|
ГГц |
зон, мкм |
см *Гц1^2• Вт-1 |
|
|
|
|
|
|
||
Si |
6 |
Комнатная |
25 |
0 ,5 -1 ,0 |
-1012 |
|
Ge |
6 |
» |
1,5 |
0 ,5 -1 ,8 |
~ 5-10Ю |
|
InAs |
1 |
» |
4 |
0,4—3,6 |
-8 -1 0 3 |
|
InSb |
0,1 |
77 К |
3 |
0 ,4 -5 ,7 |
~ |
108 |
GaAs |
— |
Комнатная |
|
0 ,3 -0 ,9 5 |
~ |
2- ЮЮ |
комнатной температуре, перекрывают диапазон от видимой области до приблизительно 3,6 мкм, а образцы, работающие при температу ре жидкого азота,— до 5,7 мкм. Многие образцы полупроводнико вых диодов имеют характеристики, меняющиеся в широких пре делах. В частности, значительное влияние на величину времени отклика оказывают сопротивление нагрузки и геометрический раз мер диода.
Некоторые типичные характеристики полупроводниковых галь ванических диодов показаны на фиг. 2.2. Свойства выпускаемых диодов в большой степени определяются изготовителем^и зависят от того, предназначены ли они для^получения высокой чувстви тельности нли малого времени отклика. Для получения более высокой чувствительности можно пойти на уменыпение'быстродействия. Важным фактором является рабочая температура диода. Так, например, чувствительность диодов из InAs при комнатной температуре невысока, но при охлаясденни до 196 К она может быть значительно повышена.
Существует еще один тип инфракрасных приемников, действие которых основано на эффекте фотопроводимости. При тепловом равновесии в полупроводнике имеются как свободные электроны, так и дырки. При поглощении света концентрация электронов и дырок в полупроводнике изменяется. Энергия фотона должна