Файл: Применения лазеров..pdf

ной модуляции рассеяние пренебрежимо мало. Из осталь­ ных видов потерь мощности следует остановиться на поте­ рях в модуляционном кристалле и потерях на радиочас­ тотное излучение. Можно предположить, что потери в модуляционном кристалле будут невелики, поскольку зна-

чения тангенса угла потерь для большинства наиболее пригодных для модуляции материалов малы. Обычно эти потери не превышают 1 Вт.

До сих пор мы обсуждали модуляционные материалы, применимые в видимом или ближнем ИК-диапазонах. Для модуляции инфракрасного излучения на рабочей длине

волны С02-лазера перспективны арсенид галлия и теллурид кадмия. При этом требования к величине модулирующей мощности можно выразить в ваттах на мегагерц. Для мо­ дуляции ИК-излучения требуется большая мощность, чем для модуляции видимого излучения, при одинаковой шири­ не модуляционной полосы. Наиболее распространенный из двух названных выше материалов арсенид галлия обес­ печивает удельную полосу 0,5 МГц/Вт, если кристалл помещается внутри лазерного резонатора; при тех же усло­ виях теллурид кадмия обеспечивает 2,0 МГц/Вт. Если эти материалы использовать для внешней модуляции, то потребуется гораздо большая управляющая мощность.

Для создания практически приемлемой системы связи требуются тщательные исследования, поскольку успехи в разработке эффективного передатчика зависят во многом от величины модулирующей мощности. Повышение эффек­ тивности передатчика не будет давать существенного выи­ грыша до тех пор, пока не будут снижены требования к величине мощности, потребляемой модулятором.

8. ФОТОДЕТЕКТОРЫ

Эффективное фотодетектирование в видимой и ближней ИК-областях спектра можно осуществить с помощью фото­ электронных умножителей, твердотельных фотодиодов и фотосопротивлений. В лазерных системах, как правило, от фотодетектора требуются высокое быстродействие и высокая чувствительность; в наибольшей мере этим требо­ ваниям отвечают фотоэлектронные умножители и лавинные фотодиоды. С помощью этих приборов удается преодолеть ограничения чувствительности, обусловленные тепловы­ ми шумами нагрузки фотодетектора и шумами входных каскадов последующих радиотехнических трактов прием­ ников.

Свойства фотоумножителей зависят от фотоэмиссионных характеристик материалов, которые используются для создания фотокатода. Последний при попадании на него светового излучения испускает (эмиттирует) фотоэлектро­ ны (это явление называется внешним фотоэффектом).

Для понимания работы приборов, действие которых ос­ новано на внешнем фотоэффекте, необходимо сначала рас­

смотреть некоторые свойства фотоэлектронной эмиссии. Если фотон, имеющий частоту /, взаимодействует с элек­ троном фотокатода, то квант энергии hf будет преобразован в кинетическую энергию электрона. Эта кинетическая энергия позволяет электрону покинуть поверхность фото­ катода, т. е. быть эмиттированным, с энергией

где q<p = w — работа выхода фотокатода, q — заряд элек­ трона.

Очевидно, что для того чтобы фотоэлектрон покинул поверхность фотокатода, должно выполняться условие

hf = q<fi, часто называют длинноволновой границей фото­ эффекта, поскольку при более низких частотах энергии отдельного кванта уже не хватает для высвобождения электрона из фотокатода. Можно показать, что

где длина волны >.0 выражена в микронах. В общем случае длинноволновая граница фотоэффекта для фотоэмиссионных поверхностей лежит в пределах 0,6—1,2 мкм.

Важно подчеркнуть, что фотоэффект зависит не от общей принимаемой энергии, а от энергии отдельных фото­ нов, т. е. фотоэлектрические приемники являются фотон­ ными детекторами, а не детекторами энергии. Однако в тех пределах, где они работают в качестве фотонных детекто­ ров, их можно рассматривать как приборы, чувствитель­ ные к мощности, в том смысле, что они полностью теряют информацию о фазе принимаемого излучения.

Из сказанного выше следует, что хороший фотоэмиссионный материал в первую очередь должен обладать высо­ кой квантовой эффективностью. Квантовая эффективность, или квантовый выход, определяется как среднее число эмиттированных фотоэлектронов, приходящихся на один падающий фотон. Отдельный фотон может вызвать, а мо­ жет и не вызвать эмиссию фотоэлектрона. Однако средне-

статистические данные позволяют охарактеризовать любой материал определенной величиной квантового выхода для заданной длины волны. Значения квантового выхода лежат в пределах 30%—0%. Тем не менее некоторые фотоэмиссионные приборы могут обладать наивысшей теоретически достижимой квантовой эффективностью, равной 1, или 100% (т. е. на каждый приходящий фотон испускается один фотоэлектрон).

0,0002

Каждый материал может быть охарактеризован кривой зависимости квантового выхода от длины волны. Подобные кривые для нескольких типов фотокатодов приведены на фиг. 21. Эти кривые представляют собой спектральные

характеристики стандартных серийных фотокатодов. Послед­ ние достижения в технологии фотокатодов, включая созда­ ние фотокатодов с многократным отражением принимае­ мого излучения и применение полупроводниковых фотока­ тодов, позволили существенно увеличить квантовый выход в ближней ИК-области. Например, сообщалось о получе­ нии квантового выхода 2% на длине волны 1,06 мкм. Это

Ф и г . 22. Схема электростатического фотоэлектронного умножи­ теля.

значительно повышает эффективность применения лазерных источников, работающих в ближнем ИК-диапазоне, по сравнению с оценками, вытекающими из рассмотрения кривых на фиг. 21.

Использование вторичной электронной эмиссии в ваку­ умном приборе позволяет построить фотоэлектронный ум­ ножитель (ФЭУ). Принцип работы ФЭУ показан на фиг. 22. Фотоэлектроны, испускаемые фотокатодом, ускоряются на­ пряжением Ех и фокусируются на соседнем электроде (диноде Di), отличительным свойством которого является способность эмиттировать несколько вторичных электронов на каждый приходящий электрон. Вторичные электроны ускоряются напряжением Е2и фокусируются на следующем диноде Dä и т . д ., пока, наконец, на последнем этапе элек­ тронный поток не будет собран анодом, находящимся под положительным потенциалом.

Таким образом, величина коэффициента умножения Gc тока в ФЭУ задается количеством каскадов умножения

б , определяемой как среднее число вторичных электронов, испускаемых поверхностью динода в результате поглоще­ ния одного первичного электрона. 'Величина б изменяется в зависимости от разности потенциалов между соседними динодами, геометрии динодной системы и от состава вто­ рично-эмиссионного материала динодов. Коэффициент вто­ ричной эмиссии может достигать значения 10, хотя для большинства промышленных приборов он намного меньше 10. Усиление тока определяется выражением

где М — число динодов.

Выпускаемые промышленностью ФЭУ имеют от 9 до 14 каскадов умножения и обладают коэффициентом уси­

Можно создать ФЭУ и с гораздо большим умножением. Одной из наиболее важных проблем, возникающих при

конструировании фотоэлектронного умножителя, является фокусировка электронов на динодах. Хотя почти во всех промышленных ФЭУ используются электростатические фо­ кусирующие системы, фокусировку электронов с одного динода на последующий можно осуществить и с помощью магнитного поля. Поскольку коэффициент вторичной эмиссии зависит от напряжения, то и усиление оказывается зависящим от разности потенциалов между каскадами.

Обычные ФЭУ имеют плоскую частотную характерис­ тику вплоть до 100 МГц. Эффекты, обусловленные време­ нем пролета, приводят к резкому спаду частотной харак­ теристики за пределами 100 МГц, хотя специальными ме­ рами можно обеспечить работоспособность ФЭУ на час­ тотах в несколько сотен мегагерц. Частотные ограничения определяются двумя факторами: временной задержкой между входным и выходным сигналами и разбросом времен пролета. Временная задержка обусловлена конечным вре­ менем пролета электронов через прибор, а временная дис­ персия — разбросом начальных скоростей эмиттируемых электронов и разностью длин их траекторий.

Было создано два типа сверхбыстродействующих фото­ электронных умножителей, в которых разброс длин тра­

екторий устраняется с помощью поперечного магнитного поля: статический ФЭУ со скрещенными полями [36] и динамический ФЭУ со скрещенными полями [16, 32]. Статический фотоэлектронный умножитель (фиг. 23) имеет раздельные диноды, каждый из которых размещается нес­ колько ближе к электроду с нулевым потенциалом, чем пре­ дыдущий. В этом приборе очень важное значение имеет

ѵ=-к>

Ф и г . 23. Схема статического фотоэлектронного умножителя со скрещенными полями.

точная юстировка положения каждого динода. Сильное электростатическое поле создается высокой постоянной разностью потенциалов, приложенной между динодной системой и нулевым электродом; напряженность магнит­ ного поля равна нескольким сотням гаусс. Промышленные статические ФЭУ со скрещенными полями имеют полосу свыше 4 ГГц при усилении более ІО5. Активная поверхность фотокатода у этих ФЭУ очень мала (~ 4 мм2).

Динамический ФЭУ со скрещенными полями обладает рядом достоинств, которые делают его особенно привлека­ тельным для применения в высокоинформативных линиях, работающих на излучении лазеров с синхронизацией мод с импульсно-кодовой модуляцией. К их числу относятся:

высокая чувствительность в видимой области спектра; высокое вторично-электронное умножение, позволяющее исключить влияние шума последующего усилителя; субна­ носекундное быстродействие;

субнаносекундное стробирование, отсекающее фоновый и внутренний шумы; большие размеры фотокатода, позво­ ляющие снизить требования к оптическому тракту прием­ ника.

Первыми тремя из перечисленных достоинств обладают как динамические, так и статические ФЭУ со скрещенными полями, но весь комплекс этих особенностей присущ только динамическим ФЭУ. Проведенные эксперименты подтвер­ дили способность этих ФЭУ дискриминировать фон.

Процесс фотодетектирования в динамическом ФЭУ со скрещенными полями состоит в отборе фотоэлектронов с фотокатода с частотой изменения приложенного электри­ ческого поля, в формировании отобранных электронов в отдельные сгустки и затем в последовательном умножении каждого сгустка посредством вторично-электронной эмис­ сии. Электронные сгустки не только фокусируются в про­ странстве, но также группируются во времени, так что даже при очень большом усилении тока не возникает пере­ крытия отдельных сгустков.

Схема динамического ФЭУ со скрещенными полями показана на фиг. 24. Этот ФЭУ состоит из двух парал­ лельных металлических пластин, между которыми прило­ жены переменное радиочастотное и постоянное электричес­ кое поля. Перпендикулярно электрическому полю и про­ дольной оси прибора направлено статическое магнитное поле, так что траектории электронов, движущихся между пластинами, оказываются ориентированными по продоль­ ной оси. На одном конце нижней пластины расположен фотокатод, а на другом — коллектор; сама пластина покры­ та слоем, обладающим хорошими вторично-эмиссионными свойствами.

Вылетающие с фотокатода фотоэлектроны в положитель­ ном полупериоде переменного смещения устремляются к верхней пластине, а магнитное поле закручивает их траектории по циклоиде в направлении коллектора. В другом полупериоде электроны возвращаются к нижней пластине; при этом их энергия достаточно высока для того, чтобы каждый из них вызвал эмиссию нескольких вторич­ ных электронов. Для вторичных электронов описанный процесс повторяется до тех пор, пока электронный сгусток не дойдет до коллектора на противоположном конце нижней