Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 77
Текст из файла (страница 77)
На носителях заряда (электронах) возникает обедненная зона, глубина которой может быть уменьшена за счет фотонов, инициирующих внутренний фотоэффект. При этом образуются электроны и положительные дырки. Под действием приложенного напряжения электроны уходят, а положительно заряженные дырки остаются на границе раздела. Вся оптическая информация при этом накапливается в виде электрического заряда. Металлический элекзрод 81О Зона,свободнал 2 от носителеи заряда Свет Рве. 21.
11. Структура отдельного М ОП-фотоди ода из легированного донорны ми примесями кремния. В результате внутреннего фотоэффекта на границе раздела между полупроводником и окснлом образуются положительные заряды В ПЗС-матрице диоды располагаются по линейному принципу. Чаще всего они находят применение в сканерах и факс-аппаратах. Для считывания оптической информации с обеих сторон матрицы иногда предусматривают по одному сдвиговому регистру для четных и нечетных пикселей (рис. 21.12). После пускового сигнала сохраненный в каждом диоде заряд одновременно передается в регистр сдвига.
Эти (366 Г тйв д р т ре р р заряды затем последовательно перемещаются к выходу, где они преобразуются в напряжение, представляющее собой видеосигнал. Сдвиговой регистр (нечетные пикеепи) пзсдиоды Сдвиговой регистр (четные пиксепи) Рнс. 21.12. Структура ПЗС-матрицы (поданным инженерно-конструкторского бюро Штрезинг, Берлин) В цифровых и видеокамерах ПЗС-диоды компонуются на чипе по двухмерному принципу На основе сдвиговых регистров многие сенсоры имеют коэффициент заполнения порядка 10 %, то есть 90 % плошади не чувствительны к свету. Но сушествуют и сенсоры, вообще не имеющие не чувствительных к свету зон, — с коэффициентом заполнения почти 100 %. Но тогда считывание заряда отдельных диодов осуществляется не параллельно, а последовательно, по типу фотодиодных матриц.
Поэтому в случае непрерывных сигналов приходится предусматривать механический затвор, а при импульсах — элемент точного включения процесса считывания. Типовые размеры диода с МОП-структурой составляют 1О мкм х 10 мкм, проводник имеет толщину в несколько десятых миллиметра, а оксидный слой — около 0,1 мкм. Самый распространенный формат чипа 2048 х 2048 пикселей обладает размерами в сантиметровом диапазоне и может быть легко встроен в видеокамеру. При одномерном применении, например, для оптического спектрометра (орйса! пш111сЬаппе) апа!ухег) пиксели могут иметь электронную связь в одном направлении.
Спектральная область задается межзонным интервалом полупроводника (8!) и прозрачностью материала слоев, составляя от 200 нм (и ниже) до 1100 нм. В максимуме чувствительности (600 — 800 нм) квантовая эффективность достигает 50 %, чувствительность обнаружения составляет около 4 фДж/см', предел насыщения — примерно 250 пДж/см'. Это соответствует динамическому диапазону порядка 16 битов. Отношение сигнал/шум составляет 900:1. Так как темновой ток нарастает экспоненциально с температурой, путем охлаждения (элемент Пельтье либо жидкий азот) удается добиться определенного улучшения. Наряду с описанными конструкциями на ПЗС существует и множество других вариантов. Например, можно использовать легированную акцепторной примесью кремниевую подложку (и-сЬаппе! ССО), причем тогда управляющие напряжения на электродах будут положительными.
В этом случае оптическая информация сохраняется и передается в виде электронов, что дает преимущество более высокой скорости. При другой конструкции со специальным профилем распределения легируюшей примеси (Ьцг!ес)-сЬаппе1 ССР) носители заряда накапливаются не 21.5. Иа мерекав сверхкоротких со товьа имлгньсов с ломоасляо автокоррелятора 367~1) /ф непосредственно на границе ра вдела. а в среде ниже ьлтой л'раницы. В результате происходит снижение конпептрапии возлложнлях рекочбинапионных глеллтрлов лля накопленных носителей ларяда. В полях повышения чувствительносли сенсоры на ПЗС ллоглт быть соединены с каншльллой платой. Формирователь видеосигнала с КМОП-структурой ~~~368 Глава 21.
Фотодетекторы и устройства измерения энергии линии задержки один импульс сдвигается по времени относительно другого импульса. Оба луча накладываются тогда в нелинейной среде (например, в кристалле ВНО = генерация второй гармоники). Если оба импульса перекрываются во времени, в кристалле генерируется суммарная частота. Интенсивность сигнала такой суммарной частоты есть функция запаздывания между этими двумя импульсами (функция автокорреляции) и может индицироваться посредством «медленного» фотодиода. суммарная частота Рве.
21.14. Конструктивное исполнение автокорреляторадля измерения сверхкоротких лазерных импульсов. При перекрытии запаздывающего и незапаздывающето импульсов в нелинейном кристалле формируется сигнал удвоенной частоты Следует, однако, отметить, что на основе функции автокорреляции нельзя получить информацию о спектральных распределениях внутри импульса, а также об асимметриях в формах импульсов. Поэтому для получения полной характеристики приходится определять как интенсивность, так и фазу лазерного импульса. ЗАДАЧИ 21.1.
Допустим, на термобатарее с 20 местами спайки лазер вызывает повышение температуры = 1,5 'С. Какое напряжение при этом индицируется (термоэдс = 10' В/К)? 21.2. Для измерения высоких мощностей лазерного излучения лучи поглощаются в полом пространстве, охлаждаемом водой (удельная теплоемкость с = 4,2 10' Дж/кг К, расход = 1 л/мин). Какова разность температур втекаюшей и вытекаюшей воды при мощности! кВт? 21.3. Какие полупроводниковые детекторы используются для СО,-лазеров? Можно ли здесь применять Ое- или 51-диоды? 21.4. Мощность гелий-неонового лазера измеряется люксметром (плошадь 0,5 м') с результатом 1000 лк. Какова мощности лазерного излучения в ваттах? ГЛАВА 22 СП Е КТ РАЯ ЬН Ы Е ПРИБОРЫ И ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ Самыми популярными устройствами для спектрального разложения света считаются призменные и дифракционные спектрометры, а также интерферометр Фабри — Перо. Еше одним способом прямого измерения частоты является оптическое гетеродинирование (англ.
орйса! )1е1егодуп(пй). Для характеристики различных спектральных приборов используются такие показатели, как линейная дисперсия и спектральное разрешение. Линейная дисперсия (с единицей измерения, например, нм/м м) показывает, насколько две спектральных линии с определенным интервалом цл. пространственно удалены друг от друга. Спектральное разрешение Х/~й указывает расстояние между двумя, пока еще разделимыми, длинами волн )ь и Х +цл..
22.1. Призменный спектрометр В случае призмы зависимость показателя преломления от длины световой волны, так называемая дисперсия, используется в целях спектрального разложения света (см. здесь рис. 18.5). Световой пучок, падающий на призму в спектрометре, может иметь — в зависимости от длины волны — разное по силе отклонение. Поскольку показатель преломления понижается с увеличением длины волны, то синий свет имеет большее преломление, чем красный. Входная щель ! $-2.. Ряс. 22Л.
Принцип действия прнзменного н днфракпнонного спектрометров В призменном спектрометре узкая щель освещается подлежащим измерению светом (рис. 22.1). Эта щель находится обычно в фокусе линзы или вогнутого зеркала, так что на призму падает почти параллельный световой пучок. После зависимого от длины волны преломления этот пучок фокусируется второй такой же линзой или ~~~то г,,гг. с;,~;~ ь р .рР.р вогнутым зеркалом.
При этом для каждой длины волны получается иное изображение щели. Эти изображения представляют собой спектральные линии, из которых и формируется спектр. Согласно рис. 22.1 поверхность призмы может быть снабжена отражающим покрытием, так что свет через нее проходит дважды.
Призменные спектрометры относительно просты в исполнении, но дают довольно низкое спектральное разрешение Х/ЬХ= от 10" до 1О'. Их разрешающая способность ограничена дифракцией. В силу конечного размера призмы падающий световой пучок отсекается сбоку, то есть призма действует по принципу щели. Это означает, что даже при параллельном, монохроматическом световом пучке дифракция вызывает его дивергенцию, чем и определяется спектральное разрешение. Это зависит от высвеченной базовой длины г призмы и дисперсии г)п/Ж;. (22.
1) Х/Ь), = С г)п/Ж~. Для тяжелого флинта имеем: г)п/оХ =! 730 см ', для легкого флинта = 960 см ~ и для тяжелого кронгласа = 530 см'. При этом получаем, согласно таблице 22.1, при базе г=!Осм разрешающую способностью/ЬХ=17300. Дальнейшее повышение разрешающей способности представляется весьма затруднительным, ибо здесь невозможно создавать призмы любого размера.
Дисперсия призменных спектрографов зависит от эпюры показателя преломления и, следовательно, не является простой функцией длины волны, поэтому в данном случае требуется калибровка с эталоном длины волны. Более высокое разрешение достигается с помощью дифракционного спектрометра. 22.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
