Фотоэлектрический метод измерения энергетических параметров лазерного излучения

Абсолютная спектральная чувствительность ФД

, (8)

где R — коэффициент отражения; Т— коэффициент пропускания окна прибора; Q — квантовый выход; г — коэффициент собирания носителей; л — длина волны излучения.

В рабочем спектральном диапазоне абсолютная спектральная чувствительность составляет десятые доли ампера на ватт

. В литературе встречается очень мало данных о диапазоне линейности полупроводниковых ФД. Измерения линейности проводятся в разных условиях, критерий нелинейности также различный и чаще всего вообще не указывается. Поэтому не представляется возможным сопоставить литературные данные по линейности ФД. В каждом случае применения ФД в СИ энергетических параметров лазерного излучения необходимо исследовать их диапазон линейности в рабочих режимах и условиях.

Темновые токи ФД определяются концентрацией и диффузионной длиной неосновных равновесных носителей заряда и зависят от ширины запрещенной зоны материала и температуры. Темновые токи у кремниевых ФД примерно на порядок ниже, чем у германиевых. Темновой ток обычных кремниевых ФД, изготовленных методом диффузии, 10-5—10-7 А. Кремниевые р—i—n-фотодиоды благодаря высокоомному i-му слою обладают меньшими темновыми токами — порядка 10-9 А. Эпитаксиальные кремниевые ФД, не уступающие по своим фотоэлектрическим свойствам стандартным диффузионным ФД, имеют предельно низкие темновые токи — порядка 10-12 А. ФД обладают сравнительно низким уровнем шумов, что в сочетании с высокой чувствительностью делает их ФП с низким порогом чувствительности. Это позволяет использовать ФД для измерений весьма слабых потоков излучения до 10-12 Вт в непрерывном режиме.

Инерционность полупроводниковых ФД определяется временем диффузии неосновных носителей, генерируемых оптическим сигналом к p—n-переходу, временем пролета носителей в р—n-переходе, а также временем RС-релаксации. У обычных ФД, в конструкции которых нс предусмотрено специальных мер для повышения быстродействия, временное разрешение составляет 10-6—10-8 с в зависимости от площади р—n-перехода, глубины его залегания. Временное разрешение германиевых и кремниевых лавинных ФД достигает 1 нс, кремниевых р—i—n-ФД от 1 до 20 нс.

Зонная неравномерность чувствительности полупроводниковых ФП обусловлена неоднородностями материала. Сопоставить литературные данные, касающиеся зависимости чувствительности от угла падения излучения и зонной неравномерности чувствительности, не представляется возможным, так как, во-первых, таких данных мало, а, во-вторых авторы обычно не указывают условий измерений. Поэтому при разработке СИ энергетических параметров лазерного излучения необходимо исследовать эти характеристики для каждого типа ФП.

Зонная неравномерность чувствительности зависит от длины волны излучения, что связано, по-видимому, с зависимостью глубины проникновения излучения от длины волны.

Зависимость чувствительности от угла падения потока излучения полупроводниковых ФП обусловлена зависимостью средней глубины проникновения излучения от угла падения и угловой зависимостью коэффициента отражения.

Для измерения относительно больших уровней мощности и энергии целесообразно применять ПИП с невысокой чувствительностью, т. е. ФЭ. Для измерения средних уровнен энергетических параметров лазерного излучения можно .применять как вакуумные приборы (ФЭУ), так и полупроводниковые (ФР, ФД). Для измерения малых потоков требуются приемники с высокой чувствительностью и низкими уровнями шума. Фотодиоды уступают по чувствительности ФЭУ. Однако ФД обладают гораздо более низким уровнем шума. Это позволяет применять ФД для измерений малых потоков не непосредственно, а с помощью усилителя. В этом случае ФД вполне могут конкурировать с ФЭУ, а в ряде случаев и превосходить их по характеристикам.

Основные преимущества ФД по сравнению с ФЭУ: небольшие габариты, низковольтное питание, высокая надежность н механическая прочность, более высокая стабильность чувствительности, низкий уровень шумов, лучшая помехозащищенность от электрических и магнитных полей.

Недостатки ФД по сравнению с ФЭУ: меньшее быстродействие для большинства ФД, более сильною влияние внешних условий (особенно температура) на параметры и характеристики прибора.

Для измерения временных параметров лазерного излучения следует применять наиболее быстродействующие фотоэлектрические приемники — ФЭ, для измерения малых потоком Ї ФЭУ и быстродействующие ФД.

При использовании фотоприемников в качестве измерительных преобразователей в СИ энергетических параметров лазерного излучения важным моментом является согласование ФП с электронной схемой преобразования электрического сигнала измерительной информации. Обычные схемы включения ФП представлены на рис. 2. Фотоэлементы включаются в схему аналогично фотодиодам. Обычно ФП включают последовательно с нагрузкой Rн и источником питания Е. В зависимости от подключения «земляной» точки и сопротивления нагрузки сигнал ФП может быть получен как положительной (рис. 2,а,д), так и отрицательной (рис. 2,б, г) полярности. ФР включают в электрическую цепь так же, как н ФД. Для получения сигнала положительной полярности с ФЭУ можно подключить нагрузку в разрыв между одним из последних динодов и точкой подключения делителя к этому диноду. В этом случае чувствительность ФЭУ несколько ниже, чем при обычном включении, так как отсутствует усиление в последних каскадах.

Конденсатор Сбл во всех случаях включается для уменьшения внутреннего сопротивления источника питания при импульсном сигнале. Обычно емкость Сбл выбирается довольно большой 0,01—1 мкф. Такие конденсаторы имеют паразитные индуктивности, и включение их в оконечных каскадах ФЭУ (см. рис. 2,в) может приводить к снижению быстродействия. Поэтому при работе в наносекундном диапазоне длительностей к указанным Сбл следует подключать параллельно небольшие малоиндуктивные емкости для обеспечения прохождения импульсов с короткими фронтами. Увеличение быстродействия ФЭУ достигается индивидуальным подбором режима питания, изменением сопротивлений делителя. При этом учитываются конструктивные особенности и несовершенства конкретного экземпляра ФЭУ. С помощью подбора режима питания добиваются и оптимизации отношения сигнал-шум.

Фотодиоды могут использоваться как в фотодиодном (с питанием), так и в фотовольтаическом (без питания) режиме. В СИ энергетических параметров обычно используют фотодиодный режим, так как при этом диапазон линейности и быстродействие гораздо больше, чем в фотовольтаическом режиме, важное значение для работы СИ энергетических параметров лазерного излучения имеет согласование с электронной схемой.

Для получения на нагрузке Rн сигнала, амплитуда которого пропорциональна энергии импульсного излучения, параллельно ей включают конденсатор Сн таким образом, чтобы постоянная времени ф=RэCн была больше длительности импульса излучения (здесь Rэ Ї эквивалентное сопротивление, составленное из параллельно подключенных Rн, внутреннего сопротивления ФП и входного сопротивления устройства преобразования .электрического сигнала).

 Скачать реферат