Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 76
Текст из файла (страница 76)
Минимальная измеряемая энергия светового импульса составляет в случае коммерческих пироэлектрических детекторов около 10 'Дж. 21.3. Вакуумные фотодетекторы Вакуумные диоды„фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи и передающие телевизионные камеры с Шелевой разверткой основаны на внешнем фотоэффекте. При этом под действием падаюшего света из катода в вакууме излучаются фотоэлектроны. Число фотоэлектронов на поступающий квант света обозначается как квантовая эффективность гв. Спектральная чувствительность равна оэе/й2, где е означает заряд электрона, а 1(г — энергию фотона.
Квантовая эффективность и спектральная чувствительность сильно зависят от используемых веществ и длины волны (рис. 21.4). Некоторым материалам для фотокатодов присвоены унифицированные обозначения (Я-номер, например: Ы и $20 на рис. 21.4). В других случаях прямо указывается состав используемого соединения (например, СаАз (Сз) с очень плоской кривой спектральной чувствительности).
К указанию кривой спектральной чувствительности нередко добавляется и обозначение материала окна, на котором размещен катод. Внешний фотоэффект требует определенной минимальной энергии фотонов (работы выхода) и поэтому проявляется, прежде всего, в ближнем ИК-диапазоне, в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. В связи с этим применение вакуумных фотодетекторов ограничено именно этими зонами. |оо мАlвт л 1о Х а й У ол 200 400 600 800 1000 Длина волны, нм Рвс.
2 Ь4. Спектральная чувствительность некоторых фотокатодов, например, для вакуумных фотодиодов и фотоэлектронных умножителей гг.в. в гг и и,,,в„гД~~в~~ Вакуумный диод Самым простым детектором, основанном на внешнем фотоэффекте, является вакуумный диод (рис. 21.5), при котором фотоэлектроны вытягиваются из катода противолежащим анодом. На основе подобных фотодиодов достигается временное разрешение до ! 00 пс, причем здесь протекают кратковременные фототоки до нескольких ампер. Электропитание †! кв Сигнал Рнс. 2!.5.
Схема вакуумного фотодиода Фотоэлектронный умножителв Значительно более высокая чувствительность, чем с фотодиодами, достигается с помощью (вторичных) фотоэлектронных умножителей (ВЭУ); см. рис. 21.6. Здесь выходящие из фотокатода электроны ускоряются и направляются на первый динод, откуда выходит определенное число вторичных электронов.
Такой процесс усиления повторяется целым рядом динодов, В результате достигаются 10'-кратные коэффициенты усиления. Усиление протекает очень быстро, благодаря чему удается получить время нарастания в наносекундном диапазоне. Столь благоприятным сочетанием высокого усиления, большой ширины полосы и низкого шума не может похвастать никакая другая детекторная система.
Фотон гнал. =в ' Рис. 21.б. Конструктивное исполнение фотоэлектронного умиожителя ~~~ 362 Глава 22 Фотодеотеязлоры и устройства измерении энергии Канальная плата (с)залпе) р)а~е) Для умножения вторичных электронов используются и канальные трубки. Речь идет о стеклянной трубке (например, с внутренним диаметром 2мм и длиной 50мм), внутренняя стенка которой покрыта слабо проводящим материалом, обладающим, кроме прочего, высоким коэффициентом вторичной эмиссии. Между концами проводящего покрытия вдоль стеклянной трубки подается напряжение.
Падающий электрон сначала ускоряется посредством поля и наконец сталкивается со стенкой, где он испускает вторичные электроны, которые, тоже ускоряясь, излучают следующие вторичные электроны, что и создает эффект умножения, как в случае умножителя с множеством отдельных динодов. Несколько микроканальных трубок (с внутренним диаметром от 10 до 30 мкм) могут быть скомпонованы в так называемую канальную плату, позволяющую усиливать пространственные распределения плотности потока электронов, в результате чего создается новый способ отображения входной стороны на выходной стороне.
Электронно-оптический преобразователь (ЭОП) Электронно-оптические преобразователи служат для преобразования изображений (распределений интенсивности) в одной области спектра (например, в инфракрасной) в изображения другой области спектра (например, видимой). Такие преобразователи состоят из фотокатода, на котором отображается подлежащее преобразованию распределение интенсивности.
Число излученных фотоэлектронов пропорционально интенсивности света в соответствующем месте. Под действием электронно-оптической линзы (конусообразный анод на рис. 21.7) электроны ускоряются в направлении люминесцентного экрана и снова испускают там фотоны, пространственное распределение которых соответствует первоначальному изображению. С преобразованием изображения может сочетаться усиление его яркости, то есть яркость изображения на люминесцентном экране будет превышать поступающую интенсивность.
В лазерной технике электронно-оптические преобразователи находят применение, например, в тепловизорах для юстнровки хода инфракрасных лучей в диапазоне длин волн до ! 500 им. Контакт с катодом дно токатод Воп оптика Люмннесцентнмй экран Рнс. 2к7. Принцип действия электронно-оптического преобразователя 2г.д в г д д д д Здддд) Камера с щелевай разверткой Камеры с щелевой разверткой представляют собой устройства, близкие к осциллографам, и предназначены для отображения временной характеристики коротких световых импульсов (временное разрешение < 500 фс).
В передающей телевизионной камере с щелевой разверткой электроны, выпущенные световым импульсом на фотокатоде, отображаются на люминесцентном экране, иногда — через канальную плату для умножения электронов. Фотокатод освещается через щель, так что на люминесцентном экране возникает изображении щели. Образующийся на фото- катоде поток электронов, а с ним и изображение щели, под действием временно нарастающего напряжения с помощью отклоняющих пластин развертывается перпендикулярно направлению щели.
Поэтому пространственное распределение интенсивности формирующегося следа щели на люминесцентном экране соответствует временному распределению интенсивности. Так как фотодетектор и индикаторная система встроены в одну трубку, здесь получается более высокое временное разрешение, чем при комбинации фотодетектора и осциллоскопа. Щель может освещаться не только с пространственно постоянной интенсивностью в направлении щели (одноканальный режим), но и с распределением интенсивности, которое пространственно варьируется в одной размерности (например, в одном спектре). Таким образом, с помощью камеры с шелевой разверткой удается отображать временное разложение одномерного поля интенсивности (многоканальный режим). Пусковой сит гтриггер) инесцентны" н Входная интенсивность Рве. 21.8.
Камера с щелевой разверткой 21.4. Полупроводниковые детекторы В случае полупроводников обычно используют внутренний фотоэффект для измерения света. При этом под «внутренним фотоэффектом» понимается появление подвижных носителей заряда в веществе под действием видимого излучения. Посредством фотона электрон может подниматься из валентной зоны в зону проводимости, благодаря чему образуются подвижный электрон и также подвижная положительно заряженная дырка. (136 ° Г УУ. Ф Р и у рн р Фопзорезиатзор Фотодиод Для видимой и инфракрасной областей спектра находят применение 51- и бе-фотодиоды (рис.
21.9). Они состоят изр — л-перехода, действующего в направлении запирания (рис. 21.10). В результате поглощения света в запирающем слое образуются электроны и дырки, проявляющиеся в виде тока. В отличие от однородного фоторезистора, здесь темновой ток очень мал. Если толщина запирающего слоя меньше глубины проникновения света, то между р- и и-зонами вводится еще нелегированная (внутренняя) зона.
Например, в кремнии используют внутреннюю зону толщиной около 700 мкм, чтобы свет мог проявляться еше при 1,1 мкм. Верхняя граница длины волны определяется межзонным интервалом полупроводникового материала. Квантовая энергия тогда становится слишком мала для обеспечения перехода в зону проводимости. Фотодиодные матрицы состоят из серии диодов с типовым размером элемента изображения, например, 25 мкм х 2500 мкм. Отдельные элементы при этом считываются последовательно друг за другом.
Такие матрицы используются в спектроскопии, причем щель спектрометра примерно равна размеру элемента изображения. 1,О л ИЙ О а 0,2 Ф О1 Ф О КМ ФФ 005 км О. 0 02 О су О,О! 0 0,2 0,4 О,б 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 ДЛИНа ВОЛНМ, МКМ Рнс. 21МХ Спектральная чувствительность кремниевого и гсрманисвого фотодиодов В равномерно легированном полупроводниковом соединении в результате поглощения света возникают подвижные носители заряда. При этом понижается сопротивление, что и используется для измерения света. Разная ширина запрещенных зон и, соответственно, разная энергия примесей определяют спектральную чувствительность, например: Сбб (длина волны максимальной чувствительности 0,5 мкм), РЬВ (2,5 мкм), 1ОБЬ (6 мкм), Ое: Сц (20 мкм).
Фоторезисторы используются преимущественно для измерения инфракрасного света. При этом обязательным условием нередко является охлаждение, в противном случае носители заряда могут возникать и в результате теплового воздействия. Временное разрешение фоторезисторов часто не столь велико, и все же в случае правильно рассчитанной конструкции оно может составлять до 10 " сек.
ю л ряжение ала Рис. 21.10. Конструкция и схема фотоднодар - Ь л-структуры ПЗС-камера Прибор с зарядовой связью (англ. сЬагяе-совр!ед с(еч(се = ССО) представляет собой микроэлектронную систему, используемую в качестве детектора с двухмерным пространственным расплыванием и состоящую из нескольких плотно прилегающих другу к другу диодов МОП-структуры (структура металл — окисел — полупроводник, англ.
гпе1а1-охЫе-зеппсопс(цсгог= МОо). рис. 21.11 демонстрирует принцип действия отдельного светочувствительного МОП-диода, причем полупроводник и оксид обычно состоят из В1 и В(Оз. Когда на металлический электрод подается отрицательное напряжение, основные носители заряда — в поле легированного донорной примесью кремния это будут электроны — дрейфуют в сторону от границы раздела между полупроводником и оксидом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
