книги из ГПНТБ / Зубов В.А. Методы измерения характеристик лазерного излучения

два режима работы пироэлектрического приемника. Пер­ вый режим связан с использованием больших нагрузоч­ ных сопротивлений и, следовательно, с большой чувст­ вительностью, но зато в этом случае RC )> т, т. е. быстро­ действие определяется используемой схемой. Второй режим при малом нагрузочном сопротивлении и меньшей чувствительности позволяет работать с быстродействием, определяемым приемником (~ )> RC).

В табл. 3 приведены характеристики некоторых типов пироэлектрических приемников, разработанных в Ин­ ституте физики АН УССР [34].

§ 3. Измерения с фотоэлектрическими приемниками

Фотоэлектрические приемники излучения характери­ зуются тем, что в результате воздействия излучения иа приемную поверхность возникает электрический сигнал, т. е. лучистая энергия непосредственно превращается в электрическую, которая затем измеряется. Приемники, работающие на таком принципе, чрезвычайно многочис­ ленны, и поэтому свойства их весьма разнообразны.

На практике в основном используются четыре группы фотоэлектрических приемников, работа которых осно­ вана на различных физических принципах: фотоэле­ менты с внешним фотоэффектом, фотосопротивления, фотоэлементы с запирающим слоем, фотодиоды. Гово­ рить о преимуществах или недостатках таких приемни­ ков можно лишь для определенных групп. Тем не меиее укажем следующие преимущества фотоэлектрических приемников: значительно бблыпая чувствительность, чем у тепловых приемников, линейность световых характе­ ристик для большей части приемников, возможность перекрытия довольно широкого диапазона спектра (~0,3—40 мкм) путем соответствующего подбора прием­ ников, малая инерционность некоторых типов прием­ ников (фотоэлементы с внешним фотоэффектом).

К недостаткам фотоэлектрических приемников сле­ дует отнести большую селективность приемников (для перекрытия сравнительно широкого участка спектра при­ ходится использовать несколько приемников разных ти­ пов),' трудность калибровки приемников для проведения абсолютных измерений, большие постоянные времени для некоторых типов приемников (фотоэлементы с запи­ рающим слоем).

30

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Явление внешнего фотоэффекта заключается в эмиссии электронов из металла в вакуум под действием электромагнитного излучения. Величина фототока, образованного потоком электронов, зависит от интенсивности светового потока. Кроме того, коэффициент преобразования излучения в поток электронов (квантовый выход фотоэффекта) за­ висит от материала катода и от спектрального состава излучения.

Рассмотрим некоторые характеристики приемников данного типа [7].

Спектральные характеристики. Спектральная чувст­ вительность приемников, работающих на основе внеш­ него фотоэффекта, ограничена сравнительно узкой об­ ластью длин волн, обусловленной красной границей фотоэффекта. Некоторые характеристики фотокатодов при­ ведены в табл. 4' [7].

Световые характеристики показывают зависимость фототока от мощности, излучения Р или от светового потока при неизменном спектральном составе излучения и при постоянном напряжении питания приемника. Для фотоэлектрических приемников рассматриваемого типа эти характеристики линейны при не слишком больших освещенностях. При больших освещенностях линейность может нарушаться из-за эффектов утомления катода, появления паразитного заряда на стекле баллона, при появлении паразитного пространственного заряда.

Частотные или временные характеристики описы­ вают те свойства приемников, которые связаны с инер­ ционностью процесса преобразования световой энергии в электрическую и с разбросом времен пролета фото­ электронов между электродами. Время, характерное для процесса фотоэмиссии, порядка ІО-14 сек. Разброс времен пролета электронов между электродами приблизительно 10~9—ІО-11 сек [7]. Таким образом, фотоэлектрические

10в—ІО11 гц или для измерений с временным разрешением до ІО- 9—ІО-11 сек.

г Шумовые характеристики. Мы не будем проводить подробного анализа шумовых характеристик, укажем только, что шумы связаны с корпускулярной природой света и электричества. Ниже приводятся некоторые соот­ ношения, характеризующие шумовые характеристики.

31

32

34

большой крутизне фронта фототока [36]. Необходимость таких характеристик будет выяснена в дальнейшем.

Газонаполненные фотоэлементы [7], работающие на основе внешнего фотоэффекта, обладают большей чувст­ вительностью, чем вакуумные. Повышение чувствитель­ ности достигается созданием в фотоэлементе несамо­ стоятельного газового разряда, который осуществляется за счет свободных электронов, эмиттируемых с катода. Спектральные характеристики газонаполненных фото­ элементов определяются только характеристиками ка­ тода и потому не отличаются от тех, которые имеются у вакуумных фотоэлементов. Световые характеристики газонаполненных фотоэлементов при работе на нагрузоч­ ное сопротивление нелинейны. Постоянная времени для них X~ ІО-4—ІО-5 сек значительно больше, чем для вакуумных, так как для развития и гашения разряда требуется время. Для газонаполненных фотоэлементов характерно отсутствие участка насыщения на вольтамперной характеристике, что приводит к нестабильности в работе.

Особую группу вакуумных фотоэлектронных приемни­ ков с внешним фотоэффектом составляют фотоэлектрон­ ные умножители (ФЭУ) [7]. В приемниках этого типа происходит усиление фототока за счет вторичной эмис­ сии электронов при попадании их на дополнительные электроды — эмиттеры. Коэффициент усиления каскада 2 -ф- 10 в зависимости от материала эмиттеров и напряже­ ния питания. Фотоумножители по сравнению с вакуум­ ными фотоэлементами регистрируют значительно более слабые сигналы, детектирующая способность фотоумно­ жителей достигает ~1014 сж-гц'^-jem.

Фотоумножители, предназначенные для измерения ха­ рактеристик ОКГ, характеризуются хорошим временным разрешением и позволяют получать большие выходные токи. Некоторые сведения по таким фотоумножителям приведены в табл. 6 [38].

Фотосопротпвленпя. Действие этих приемников осно­ вано на явлении возникновения фотопроводимости. Под действием, света в некоторых полупроводниках и диэлек­ триках возникают свободные заряды, способные пере­ мещаться внутри образца, изменяя его электропровод­ ность. Сопротивление образца при освещении, как

3* 35

4) Приведенные цифры для детектирующей способности соответствуют области спектра, в которой чувствительность максимальна.

36

правило, уменьшается [39]. Приемники этого типа имеют следующие характеристики.

Спектральные характеристики фотосопротивлений се­ лективны, т. е. каждая группа приемников характери­ зуется чувствительностью лишь в определенной области спектра, причем фотопроводимость обусловлена не только собственным поглощением образца, но и примесным, которое соответствует длинноволновой области спектра. В настоящее время получен большой набор фотосопро­ тивлений, который позволяет перекрыть широкий диапа­ зон длин волн (0,3—40 мкм). В табл. 7 приведены спек­ тральные характеристики образцов фотосопротивлений, в ней же указаны постоянные времени и детектирующие способности этих приемников [7, 10, 40].

Световые характеристики фотосопротивлений су­ щественно нелинейны [39]. Относительное изменение проводимости А а/а при освещении в общем случае свя­ зано с величиной светового потока или с мощностью излучения Р соотношением

Ао/о = СР\

где показатель х меньше единицы. Если фотосопротивле­ ние работает на нагрузку и питается напряжением U, то изменение напряжения на нагрузке при освещении

А UП’— иД„Ят СР\ (Дт + Л„)*

Чувствительность фотосопротивления

Таким образом, чувствительность фотосопротивления определяется питающим напряжением и температурой Т окружающей среды, так как темновое сопротивление Дт, входящее в выражение для чувствительности,

37

меняется в зависимости от температуры. Следует иметь в виду, что различные составляющие шума фотосопротивлеиия, которые бзщут рассмотрены дальше, по-раз­ ному зависят от питающего напряжения, поэтому уве­ личение питающего напряжения целесообразно лишь до такой величины, начиная с которой составляющие

ставляющие шума уменьшаются с понижением тем­ пературы.

Частотные или временные характеристики. Постоян­ ная времени и, следовательно, диапазон рабочих частот фотосопротивлений определяются скоростями процессов накопления свободных носителей тока и их исчезновением после прекращения действия излучения. Для разных типов фотосопротивлений скорости этих процессов су­ щественно отличны. Постоянные времени рассматривае­ мых приемников меняются в диапазоне от ІО-4 до ІО-10 сек (см. табл. 7).

Шумовые характеристики. Шум фотосопротивления складывается из нескольких составляющих, вклад кото­ рых может меняться в зависимости от режима работы приемника [15, 18].

Фотонный шум обусловлен случайными флуктуациями потока фотонов, падающих на приемную площадку F из окружающей среды. Этот поток фотонов создается главным образом исследуемым сигналом, но, кроме того, могут иметь место составляющие, обусловленные посто­ ронними засветками приемного элемента. Если на прием­ ник попадает монохроматическое излучение частоты ѵ мощ­

38

ш’ где ^ — квантовая эффективность приемника.

На сопротивлении нагрузки R n будем иметь средний квадрат флуктуаций напряжения

S= U JP .

Температурный шум обусловлен случайными флук­ туациями температуры приемного элемента. Эти флук­ туации температуры вызывают флуктуации напряяшния па выходе приемника и соответственно на нагрузке при­ емника R„:

где R — сопротивление приемника, S' характеризует чувствительность приемника к преобразованию изме­

нения температуры в электрический сигнал, VР* ш— плот­ ность флуктуаций температуры, с — константа тепловых потерь приемника, С — теплоемкость приемника, А/ — полоса частот, ѵ — частота, которую можно принять равной частоте, соответствующей максимуму излучения абсолютно черного тела с температурой Т. В обычных

Джонсоновский шум обусловлен тепловыми флуктуа­ циями движения электронов в цепи приемника. Этот шум свойствен любым сопротивлениям. Он носит название также шума сопротивления, или шума Найквиста. Шум

30