Detektory optického záření

Transkript

1 Detektory optického záření Vrbová, Jelínková, Gavrilov, Úvod do laserové techniky, ČVUT FJFI, 1994 Kenyon, The light fantastic, Oxford Goldman, Lasers in Medicine, kapitola Optická a tepelná dozimetrie

2 Zjišťování optického záření : v daném místě v daném čase Přímá detekce : frekvence vlny stejná s rezonanční frekvencí obvodu připojeného k anténě (pro opt. záření nevhodné, anténa velikosti mikrometrů) Nepřímá detekce : založena na absorpci záření a přeměně vnitřní energie kvantové soustavy na energii tepelnou, elektrickou nebo chemickou.

3 Základní parametry optických detektorů (detektivita, konverzní účinnost, časová odezva, spektrální charakteristika) DETEKTIVITA minimální výkon optického záření je úměrný druhé odmocnině ze šířky frekvenčního pásma detekčního zařízení P min = f/d [W -1 Hz 1/2 ] U většiny plošných detektorů je minimální detekovatelný výkon P min úměrný také druhé odmocnině z plošného obsahu S fotocitlivé plochy detektoru P min = f S/D [W -1 mhz 1/2 ]

4 Základní parametry optických detektorů (detektivita, konverzní účinnost, časová odezva, spektrální charakteristika) KONVERZNÍ ÚČINNOST poměr výsledné (využité energie) k energii do procesu vstupující Je li detektor založen na fotoeletrickém jevu, pak se namísto konverzní účinnosti uvádí kvantová účinnost, tj. poměr počtu uvolněných fotoelektronů k počtu fotonů záření dopadajích na fotokatodu

5 Základní parametry optických detektorů (detektivita, konverzní účinnost, časová odezva, spektrální charakteristika) ČASOVÁ ODEZVA detektoru je časový interval, za který se podstatně změní výstupní signál detektoru, jestliže se na počátku změnila skokem intenzita signálu dopadajícího na detektor SPEKTRÁLNÍ CHARAKTERISTIKA je závislost výstupní veličiny detektoru optického záření na frekvenci (vln. délce) dopadajícího optického záření

6 TEPELNÉ DETEKTORY Kalorimetr teplo Termočlánek termoel. napětí Bolometr změna el. vodivosti Termistor změna el. vodivosti Pyroelektrický detektor změna polarizace Pyromagnetický detektor změna permeability Golayova cela tepelná roztažnost plynu Evaporograf kondenzované páry na tenké membráně Tekuté krystaly změna optických vlastností Termionický detektor změna rychlosti emise z katody

7 TEPELNÉ DETEKTORY = Fototermální detektory Založené na absorpci dopadajícího světla povrchem černého tělesa blackbody (tj. 100% absorpce) a měření výsledného nárůstu teploty povrchu konverzí do elektrického signálu. Hlavní výhodou takovýchto detektorů je že mají téměř plochou spektrální odezvu v širokém rozsahu vlnových délek, nezávisí na charakteristikách pulzu dopadajícího světla, a mohou být použity pro vysoké hodnoty výkonu. Obráceně, mají pomalou časovou odezvu (což limituje jejich užití když se mění světlo na srovnatelné časové škále) a relativně špatnou citlivost. Jsou tudíž nejčastěji používány pro měření středního (průměrného) výkonu laserů. Citlivé prvky mohou být různých rozměrů a tvaru pro různé aplikace a detektorové hlavy jsou často napojeny na kabel vzdáleného čtecího zařízení, což dává flexibilitu v umístění detektoru.

8 TEPELNÉ DETEKTORY- fotoodpor založen na vnitřním fotoelektrickém jevu tvořen Si nebo Ge destičkou s naneseným kovem ve tvaru meandru elektrický odpor se snižuje se zvyšující se intenzitou dopadajícího světla lze detekovat VIS, IR, UV v závislosti na použitém materiálu velká citlivost, nízká cena, dlouhá doba odezvy, velká teplotní závislost ČVUT v Praze - Fakulta biomedicínského inženýrství

9 FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY Jsou založeny na přeměně optického záření na elektrickou energii (fotovodivostní změny, fotodielektrický jev tj. změně permitivity excitací atomů, nebo na vnitřním nebo vnějším fotoelektrickém jevu) Vnější fotoelektrický jev je emise elektronů z pevných látek a kapalin a je vyvolána absorpcí záření Vnitřní fotoelektrický jev je změna populace elektronových energetických hladin v pevné látce dochází k ní po absorpci optického záření jedná se o přirůstek počtu uvolňovaných elektronů

10 FOTOELEKTRICKÝ JEV Fotoelektrický jev či fotoefekt je fyzikální jev, při němž jsou elektrony uvolňovány (vyzařovány, emitovány) z látky (nejčastěji z kovu) v důsledku absorpce elektromagnetického (např. rentgenové záření nebo viditelného světla) látkou. Emitované elektrony jsou pak označovány jako fotoelektrony a jejich uvolňování se označuje jako fotoelektrická emise (fotoemise). Pokud jev probíhá na povrchu látky, tzn. působením vnějšího elektromagnetického záření se elektrony uvolňují do okolí látky, hovoří se o vnějším fotoelektrickém jevu. Fotoelektrický jev však může probíhat i uvnitř látky, kdy uvolněné elektrony látku neopouští, ale zůstávají v ní jako vodivostní elektrony. V takovém případě se hovoří o vnitřním fotoelektrickém jevu.

11 FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, VAKUOVÁ DIODA, FOTONÁSOBIČ, POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR zvětšení vodivosti materiálu účinkem opt. záření- v důsledku vnitřního fotoelektrického jevu. U polovodičů. Spektrálně selektivní v pásmu 0.6 až 12 mikrometrů. Detektivita v rozmezí až W -1 Hz 1/2

12 FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, VAKUOVÁ DIODA, FOTONÁSOBIČ, POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD Fotovodiče (fotovodivostí detektory) Základem je polovodič aplikováno napětí. Ve tmě mají vysoký odpor. Foton, jehož energie je větší než energie zakázaného pásu, dokáže vyrazit elektron z valenčního do vodivostního pásu a zanechat za sebou díru, čímž se produkují další nábojové nosiče. Vln. délka fotonu musí být kratší než : c hc 1,24 [ m ] E E ( ev ) g g

13 FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, FOTONÁSOBIČ, VAKUOVÁ DIODA, POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD FOTOKATODA je základem vakuové fotodiody, fotonásobiče, Je založena na vnějším fotoelektrickém jevu. Fotokatoda je tvořena tenkou vrstvou materiálu. Dopadající záření uvolňuje fotoelektron z katody do vakua.

14 FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, FOTONÁSOBIČ, VAKUOVÁ DIODA, POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD pro detekci velmi slabých signálů Fotonásobič scintilátor a fotokatoda přemění dopadající foton na elektron elektron je urychlován napětím mezi dynodami a vyvolává na nich sekundární emisi elektronů po sérii zesílení dopadají elektrony na anodu ČVUT v Praze - Fakulta biomedicínského inženýrství zesílení až 10 8, doba odezvy jednotky ns

15 FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, VAKUOVÁ DIODA, FOTONÁSOBIČ, POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD VAKUOVÁ FOTODIODA skládá se z fotokatody a anody. Elektrony uvolněné zářením z fotokatody jsou urychlovány přiloženým napětím. Časová odezva 0.1 ns. POLOVODIČOVÁ FOTODIODA- využívá vnitřní fotoelektrický jev a jednosměrné vodivosti na PN přechodu polovodičové diody. Působením opt. záření vznikají v PN přechodu volné nosiče. Proud v závěrném směru je je úměrný intenzitě dopadajícího záření. Časová odezva několik pikosekund.

16 FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, FOTONÁSOBIČ, VAKUOVÁ DIODA, POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD Fotodioda založena na vnitřním fotoelektrickém jevu polarizovaná v závěrném směru pro detekci má pracovní bod ve 3. kvadrantu V-A charakteristiky záření dopadá na PN přechod vznik páru elektron - díra, který zvyšuje vodivost polovodiče krátká doba odezvy (jednotky ps) ČVUT v Praze - Fakulta biomedicínského inženýrství

17 FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, VAKUOVÁ DIODA, FOTONÁSOBIČ, POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD SCHOTTKYHO FOTODIODA měření slabých a krátkých signálů. Podobné vlastnosti jako přechod PN u polovodičů má i přechod kov- polovodič, který se využívá u Schottkyho fotodiody. Mají velmi rychlou odezvu. Schopné pracovat při frekvencích 100 GHz. LAVINOVÝ DETEKTOR (fotodioda) - je polovodičová součástka využívající vysokého elektrického pole k urychlení volných nábojů na dostatečnou energii k ionizaci atomů (tím dojde k lavinovým procesům) v polovodiči a k zesílení fotoproudu. Mají velkou detektivitu a krátkou časovou odezvu (10-10 až s). Používají se k měření slabých a krátkých signálů.

18 Lavinová fotodioda zesílení fotoproudu přiložením velkého závěrného napětí urychluje vzniklé nosiče tak, že produkují sekundární elektrony složitější konstrukce, kvalitní stabilizovaný zdroj napětí rychlá odezva, vysoká citlivost, zesílení kolem 100 Absorpce se odehrává napříč šířkou slabě dotované π-dotované vrstvy. Pak tedy závěrný směr nabývá do bodu, kdy elektrické pole přeteče přes p-vrstvu a dosahuje přímo skrz slabě dotovanou π- vrstvu. Elektrony generované v π-vrstvě jsou vmeteny do úzké oblasti elektrického pole kolem p-n + přechodu, kde spustí lavinový efekt. ČVUT v Praze - Fakulta biomedicínského inženýrství

19 superccd CCD je akronym z anglického názvu technologie Charge Coupled Device neboli nábojově vázané prvky

20 CCD využívá podobně jako všechny ostatní světlocitlivé součástky fyzikálního jevu známého jako fotoefekt. Tento jev spočívá v tom, že částice světla foton při nárazu do atomudokáže převést některý z jeho elektronů ze základního do tzv. Excitovaného stavu. Odevzdá mu přitom energii E=ν.h, kde ν je frekvence fotonu (u viditelného světla v řádu stovek THz) a h je tzv. Planckova konstanta. U CCD je ovšem elektroda od polovodiče izolována tenoučkou vrstvičkou oxidu křemičitého SiO 2, který se chová jako dokonalý elektrický izolant, takže fotoefektem uvolněné elektrony nemohou být odvedeny pryč. Na elektrody označené na obrázku číslem 1 se přivede kladné napětí a na CCD se nechá působit světlo. Dopadající fotony excitují v polovodiči elektrony, které jsou pak přitahovány ke kladně nabitým elektrodám. Po elektronech zbudou v polovodiči tzv. díry, které vůči svému okolí vykazují kladný náboj a ty jsou naopak přitahovány elektrodou na spodku CCD. Hranice pixelů jsou na obrázku znázorněny svislými tečkovanými čarami. Protože na pixel vlevo dopadlo více fotonů, je u jeho elektrody shromážděno více elektronů než u pixelu vpravo.

21 DETEKTORY OPTICKÉHO ZÁŘENÍ Lidské oko Fotodioda (fotovoltaické články) CCD snímač UV a IR detektory

22 Lidské oko Nejstarší detektor optického záření Spektrálně selektivní v pásmu vlnových délek 400 až 800nm Max citlivost na 555nm Dva typy receptrorů (tyčinky a čípky) Oko je adaptivní Citlivost není konstantní

23 Lidské oko Dva typy receptorů : Tyčinky (průměr 2 mikrometry, počet 1.8 x 10 8 ) Čípky (průměr 4 mikrometry, počet 7 x 10 6 ) ČÍPKY Převážně v oblasti žluté skvrny Malé zorné pole Velká ostrost vidění Barevné vidění Nižší citlvost TYČINKY větší hustota mimo žlutou skvrnu velké zorné pole nižší ostrost vidění šedé (nebarevné) vidění vyšší citlivost

24 FOTOČLÁNKY (= zdroj fotoelektrického napětí) Příčiny vzniku fotoelektrického napětí : Důsledkem nehomogenního ozáření krystalu (difúzní elektromotorické napětí) Důsledkem ozáření přechodu PN nebo přechodu polovodič kov (Diodové fotoelektrické napětí) Důsledkem fotopiezoelektrického jevu (za přítomnosti tlaku) Důsledkem fotomagnetického jevu (za přítomnosti magnetického pole) Tlakem dopadajícího optického záření (předávání hybnosti záření elektronům v polovodičích)

25 OTÁZKY 1. Definice základních parametrů optických detektorů (detektivita, konverzní účinnost, časová odezva, spektrální charakteristika) 2. Tepelné detektory 3. Fotoelektrické detektory (princip, představitelé) 4. Fotonásobič 5. Fotodiody (vč. Lavinové a Schottky) 6. Princip CCD 7. Vnitřní a vnější fotoelektriký jev