UNIVERZITY PALACKÉHO V OLOMOUCI. Katedra optiky. Konstrukce detektoru

PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA UNIVERZITY PALACKÉHO V OLOMOUCI Katedra optiky Konstrukce detektoru v geometrii zachycující světlo BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Petra Doležalová 2005

PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA UNIVERZITY PALACKÉHO V OLOMOUCI Katedra optiky Konstrukce detektoru v geometrii zachycující světlo BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Vypracovala Petra Doležalová Vedoucí bakalářské práce Mgr. Miroslav Ježek Studijní obor Optika a optoelektronika, 3. ročník Práce odevzdána dne...

Poděkování: Děkuji vedoucímu práce Miroslavu Ježkovi za věcné rady a odbornou pomoc. Dále děkuji za podporu, umožnění experimentu a poskytnutí vybavení laboratořím 111 a 122, jmenovitě RNDr. Ondřeji Haderkovi, Ph.D., Mgr. Janu Soubustovi, Ph.D. a Vladimíru Urbáškovi. Prohlášení: Prohlašuji, že jsem práci napsala samostatně s použitím uvedené literatury. Souhlasím, aby byla práce použita pro potřeby výuky a prezentována na internetových stránkách katedry optiky. V Olomouci dne 15. 8. 2005...

Obsah 1 Úvod 4 2 Návrh detektoru v geometrii zachycující světlo 5 3 Měření a příprava svazku 6 4 Měření vlastností optických prvků 10 5 Kvantová účinnost PIN diod S3883 11 6 Realizace detektoru v geometrii zachycující světlo 17 6.1 Detektor s použitím dvou PIN diod...................... 19 6.2 Detektor s použitím PIN diody, zrcátka a čočky............... 23 6.3 Detektor s použitím PIN diody a zrcátka................... 25 6.4 Časová odezva detektoru............................ 28 7 Závěr 29 Reference 30 A Fotodokumentace 31 B PIN diody S3883 34 C Průběh pulzů z osciloskopu 37 3

1 Úvod Cílem práce je konstrukce rychlého fotodetektoru v geometrii zachycující světlo s vysokou kvantovou účinností s použitím křemíkových fotodiod. Tyto detektory se používají v moderních komunikačních a měřících optických systémech a každé zvýšení jejich účinnosti hraje podstatnou roli [1]. Pokud je k dispozici světlo s malou intenzitou, využívá se k detekci převážně lavinových fotodiod. Máme-li možnost pracovat s dostatečně intenzivním světlem, detekujeme ho pomocí PIN fotodiod, které mají vysokou kvantovou účinnost, malou kapacitu a velkou rychlost odezvy. Právě kvantová účinnost vyjadřuje kvalitu konverze fotonů na elektrony. Dosáhneme-li vysoké kvantové účinnosti, dochází k malým ztrátám a získáme větší přesnost a bezpečnost, zvláště v případě použití neklasických stavů světla. Křemík, který je používán k výrobě detektorů, má obecně při indexu lomu 3,5 a vlnové délce 800 nm odrazivost 31 %. Díky struktuře tenkých vrstev může být tato vysoká hodnota výrazně snížena. Pokud by nebyly použity antireflexní vrstvy, je tu ještě možnost detektor naklonit pod Brewsterovým úhlem. Pro křemík je to 74, takže by detektor musel být velký a bez krycího okénka. I přes všechny tyto snahy je tu určité procento světla, které se od křemíkového povrchu diody nebo od okénka odráží. Zvýšení účinnosti můžeme tedy dosáhnout tak, že budeme detekovat i tento odraz. Způsobů detekce je více a budou rozebrány v další kapitole. Složený detektor pro viditelné světlo, při jehož konstrukci bylo použito křemíkových diod, poprvé popsali Zalewski a Duda [2]. Tento detektor využíval čtyři křemíkové fotodiody bez okénka a pracoval s kvantovou účinností (99,9 ± 0,2) % pro světlo 400 700 nm. Diody byly povrstvené antireflexní vrstvou pro viditelné světlo. Gardner [3] sestavil detektor s šesti diodami S1337 (Hamamatsu). Neabsorbované odražené světlo procházelo podél pěti hran krychle, v jejímž vrcholu byla vždy jedna dioda. Předpokládal, že ztráty vzniklé rozptylem světla jsou zanedbatelné. Jeho detektor pracoval s kvantovou účinností (99,8 ± 0,2) % v rozsahu vlnových délek 400 800 nm a vyšší než 99,9 % pro 600 800 nm. V obou případech byly použity diody s velkou aktivní plochou a tedy malou rychlostí odezvy vhodné pouze pro metrologické aplikace. Dále bylo provedeno měření s lavinovými fotodiodami. Tento experiment realizoval například Kwiat [4]. Použitím zrcátka u detektoru SSPM (Rockwell) [5] byla zvýšena kvantová účinnost faktorem 1,19 na výslednou hodnotu 71 % pro vlnovou délku 633 nm. V následující kapitole budou navrženy tři možnosti konstrukce detektoru v geometrii zachycující světlo. Budou uvedeny i problémy, se kterými se můžeme při realizaci detektoru setkat. Dále je popsán zdroj světla a práce se svazkem. Protože při konstrukci jsou potřeba optické prvky, budou jejich vlastnosti popsány v kapitole čtvrté. V páté kapitole bude diskutováno měření kvantové účinnosti použitých PIN diod. V šesté kapitole je rozebrána samotná konstrukce detektorů. Získané výsledky jsou zhodnoceny v závěru. Dodatek obsahuje obrazovou dokumentaci. 4

2 Návrh detektoru v geometrii zachycující světlo Uvažujeme-li, že samotná dioda má externí kvantovou účinnost η < 1, znamená to, že dochází ke ztrátám 1 η. Zvýšení kvantové účinnosti může být dosaženo zachycením odrazu od diody. Při konstrukci detektoru v geometrii zachycující světlo se nabízí několik možností realizace. Jednotlivé realizace se liší tím, jak detekujeme odraz. Na obrázku 1 jsou znázorněny dvě možnosti. První možností je zachycení odrazu od diody další diodou. Další možnost máme, pokud odrazíme zrcátkem svazek zpět na diodu. Protože aktivní plocha diod použitých ke konstrukci složeného detektoru má průměr 1,5 mm a svazek je rozbíhavý, je nutné brát jako součást detektoru čočku, která svazek na diodu fokusuje. V první konfiguraci musí být použity dvě čočky. Druhá čočka musí být umístěna před druhou diodou, aby byl fokusovaný odraz od první diody. Tím je zaručeno, že pološířka svazku dopadajícího na druhou diodu nebude větší než detekční křemíková plocha diody. U druhé konfigurace můžeme, ale nemusíme druhou čočku použít. Provedeme-li obecný odhad pro navýšení účinnosti realizací detektoru v geometrii zachycující světlo, dostaneme výsledné účinnosti η T po řadě popsaných detektorů, η T = ηt [1 + T (1 η)], η T = ηt [ 1 + T 2 R(1 η) ], η T = ηt [1 + (1 η)r], (1) kde T je propustnost čoček, R odrazivost zrcátka a η značí kvantovou účinnost. První odhad je proveden pro detektor sestrojený použitím dvou diod (transmisní uspořádání). Druhý odhad určuje kvantovou účinnost η T pro detektor sestavený z diody, čočky a zrcátka. Poslední odhad dává účinnost pro detektor konstruovaný pomocí diody a zrcátka (oba reflexní uspořádání). Obrázek 1: Návrh detektorů v geometii zachycující světlo v transmisním a reflexním uspořádání). Křemík sloužící jako materiál pro výrobu detektorů má účinnost 99 % na vlnové délce 800 nm [6]. Diody použité ke konstrukci detektoru v geometrii zachycující světlo mají kvantovou účinnost přibližně 92 % (udanou výrobcem). Proto uvažujeme, že se od první diody odráží 7 % dopadajícího světla. Hodnoty propustnosti čočky a odrazivosti zrcadla uvažujeme 99 %. Pro detektor konstruovaný pomocí dvou diod bychom mohli odhadem získat kvantovou účinnost η T = 97,4 %. Provedeme-li stejný odhad u reflexního uspořádání, je možné navýšit účinnost detektoru na η T = 97,3 %, pokud použijeme čočku, a na η T = 97,4 %, pokud čočku nepoužijeme. 5

3 Měření a příprava svazku Jako zdroj světla byl použit laser MIRA 900 (Coherent), který je opticky čerpán zářením z laseru Verdi V8. Je schopen vyzářit světlo o výkonu 1 W. Vlnová délka světla vycházejícího z laseru je nastavitelná v intervalu od 780 nm do 900 nm. V našem případě bylo měření realizováno vždy na vlnové délce 800 nm. U tohoto typu laseru je možné provádět měření bud v pulzním nebo kontinuálním režimu. Pracovali jsme převážně v režimu pulzním, protože laser vykazoval větší stabilitu. Opakovací frekvence v pulzním režimu je 76 MHz. Světlo vystupující z laseru má horizontální polarizaci. Pro další práci se svazkem ho bylo nutné po výstupu z MIRY upravit. Svazek po výstupu z laseru procházel vždy přes irisovou clonku, díky níž bylo možno kontrolovat polohu svazku. Irisová clonka byla nastavena tak, aby nepropustila nežádoucí části svazku ve vodorovném směru vznikající difrakcí na výstupní štěrbině. Dále svazek procházel přes λ/2 destičku (Eksma) a dva polarizační děliče Glan Laser (GL5, ThorLabs). Pomocí prvního děliče byl regulován výkon, λ/2 destička a v pořadí druhý dělič byly nastaveny tak, aby bylo umožněno měřit ve velkém rozsahu výkonů, a dále s nimi nebylo manipulováno. Byla jimi definována vertikální polarizace. Děliče i λ/2 destička byly upevněny v rotačních montážích PRM1 (ThorLabs). Tyto montáže umožňují jak hrubý tak jemný posun, což je výhodné při nastavování výkonů. Byla měřena pološířka svazku laseru, abychom mohli ze získaných hodnot vypočítat pološířku w 0 v pasu svazku. Pro měření byl použit Profiler Omega Meter Model WM100 (ThorLabs). Tento přístroj měří podle výrobce v rozmezí vlnových délek 400 1000 nm a pološířek svazku min/max: 20 µm/5 mm s přesností ±5 %. Aby nedošlo k poškození přístroje, je důležité dodržovat i rozmezí výkonů, tj. 20 µw 2,5 mw (na 950 nm). Přístroj načítá hodnoty 2w, kde w značí pološířku svazku. Detekční hlava přístroje je umístěna v rotační montáži. Tím je umožněno proměřit pološířku svazku v několika rovinách. Měření proběhlo ve dvou směrech vodorovném a svislém. Hodnoty pološířky ve vodorovném směru jsou větší než ve směru svislém, protože při výstupu svazku z laseru MIRA dochází k difrakci na štěrbině, což se projevuje větším úhlem divergence svazku ve vodorovném směru. Měření proběhlo při výkonu 100 µw. Při měření byla irisová clonka úplně otevřená, aby bylo možné získat věrohodné informace o průběhu svazku. Hodnoty byly zjišt ovány ve třech rovinách kolmých na směr šíření svazku, z nichž dvě sousední byly vzdáleny = 30 cm. První rovina měření měla vzdálenost z = (134 ± 1) cm od výstupu svazku z laseru, jak je vidět na obrázku 2. Pro výpočet stačí hodnoty pološířky měřené ve dvou rovinách, třetí rovina byla měřena pouze pro kontrolu. Pokud předpokládáme, že svazek z laseru lze považovat ve svislém směru za gaussovský, můžeme z naměřených dat v tomto směru určit vzdálenost pasu svazku od první roviny. Pro vyjádření transformace gaussovského svazku použijeme vzorec pro parametr q [7], 1 = 1 i q i R i 2 kw 2 i, (2) kde index i = 0, 1, 2, 3 určuje postupně rovinu pasu, rovinu 1., 2. a 3. měření a w i příslušnou 6

Obrázek 2: Schéma měření polohy a šířky pasu svazku laseru MIRA. pološířku svazku. Vlnové číslo je označené k. V rovině pasu, i = 0, platí pro poloměr křivosti vlnoplochy R 0, proto 1 R 0 0. Soustava optických prvků je charakterizovaná maticí přechodu ( ) A B M =, (3) C D s jednotkovým determinantem (AD BC = 1). Parametr q můžeme v obecné rovině vyjádřit pomocí matice přechodu M a parametru q 0, Po dosazení za q 0 a q i ze vztahu (2) dostáváme rovnost q i = Aq 0 + B Cq 0 + D. (4) 1 i R i 2 kw 2 i = ikw2 0C + 2D ikw 2 0A + 2B. (5) Porovnáním reálných složek rovnice (5) dostaneme vztah pro poloměr křivosti R i v obecné rovině, 1 = k2 w0ac 2 + 4BD R i k 2 w0a 4 2 + 4B. (6) 2 Porovnáním imaginárních částí dostáváme 2 kw 2 i 2kw0 2 = k 2 w0a 4 2 + 4B. (7) 2 Úpravou (7) obdržíme vztah pro pološířku gaussovského svazku w i v obecné rovině, wi 2 = w0a 2 + 4B2. (8) k 2 w0 2 7

Při měření pološířky gaussovského svazku je transformační matice M určena pouze volným šířením na vzdálenost z i, ( ) 1 zi M =, (9) 0 1 Rovnici (8) rozepíšeme pro náš případ, tedy pro 1. a 3. rovinu, na soustavu dvou rovnic w1 2 = w0 2 + 4z2 1, (10) k 2 w0 2 w3 2 = w0 2 + 4z2 3, k 2 w0 2 (11) kde k = 2π λ = 2π 8.10 7 m 1 = 7,854.10 6 m 1, z 3 = z 1 + 2. (12) Odečtením rovnic (10) a (11) získáme vztah pro vzdálenost z 1, z 1 = π2 w 2 0 4 λ 2 (w2 3 w 2 1). (13) Dosadíme-li z 1 do rovnice (10), získáme pro w 0 rovnici 4. řádu, kterou řešíme pomocí substituce jako kvadratickou. Vyloučíme fyzikálně nereálné kořeny a z měřených pološířek z tabulky 1 dostáváme výsledky w 0 = (3,59 ± 0,29).10 4 m, (14) z 1 = (151,2 ± 1) cm. (15) Tyto hodnoty jsou vypočítány z hodnot měřených ve svislém směru v 1. rovině a 3. rovině, protože mají větší vzdálenost a tím se zmenší chyba. Odchylky pro jednotlivá měření byly určeny podle přesnosti přístroje, která činí ±5 %. Výsledná přesnost byla pouze přibližně odhadnuta na ±8 % kvůli složitému vyjádření pološířky svazku w. Výsledky získané z měření v 1. a 2., respektive 2. a 3., rovině se výrazně neliší od hodnot (14), (15). Změřená poloha pasu přibližně odpovídá poloze výstupního rovinného zrcátka laseru MIRA. w [mm] vzdálenost vodorovně svisle z 1,55 ± 0,08 1,13 ± 0,06 z + 1,84 ± 0,09 1,34 ± 0,07 z + 2 2,13 ± 0,10 1,54 ± 0,08 Tabulka 1: Průměry naměřených hodnot pološířky svazku w v různých vzdálenostech od pasu gaussovského svazku měřené v pulzním režimu. 8

Pro srovnání byla změřena pološířka svazku v kontinuálním režimu (CW) při výkonu 100 µw. Stejným způsobem jako v pulzním režimu vypočítáme hodnoty pološířky pasu a vzdálenost první měřené roviny z 1 od roviny pasu, w 0 = (3,57 ± 0,29).10 4 m, (16) z 1 = (149,5 ± 1) cm. (17) Získané výsledky pro pulzní a kontinuální režim se liší pouze minimálně. V katalogu výrobce jsou uvedeny hodnoty pološířky svazku na výstupu z MIRY 2w = (0,8 ± 0,2) mm bez uvedení režimu laseru. Po přepočtu by podle výrobce měl mít svazek v rovině pasu pološířku w 0 = 0,38 mm, což se přibližně shoduje s provedeným měřením. Protože nedílnou součástí detektoru v geometrii zachycující světlo je čočka, vypočtením optického výkonu můžeme následně určit podmínku pro fokusaci svazku. Plošná hustota optického výkonu I(r) gaussovského svazku je v obecné rovině dána vztahem I(r) = 2P TOT πw 2 exp { 2r2 w 2 }, (18) kde r je vzdálenost od optické osy svazku, w udává pološířku svazku v uvažované rovině a P TOT je celkový optický výkon přenášený gaussovským svazkem. Výkon P (R) procházející plochou S o poloměru R získáme integrací hustoty výkonu (18), P (R) = S I(r, z) ds = R 2π 0 0 { } 2P TOT πw exp 2r2 r dr dϕ. (19) 2 w 2 Výpočtem obdržíme výsledný výkon P (R) = P TOT (1 exp { 2R2 w 2 }). (20) Poměr výkonu dopadajícího na plochu o poloměru R a celkového výkonu označíme jako funkci f = f( R ), a platí w f(x) = P (R) P TOT = 1 exp { 2x 2}, x = R w. (21) Pro R < 2,5 dopadá na zvolenou plochu více než 99,9 % celkového optického výkonu. w Při fokusaci svazku na diodu o poloměru R je nutné podle této podmínky volit čočku s vhodnou ohniskovou vzdáleností a zároveň umístit diodu do správné vzdálenosti za čočku tak, aby w < R. 2,5 9

4 Měření vlastností optických prvků Obsahem této kapitoly je popis optických prvků (čoček a zrcátek), které byly při měření používány, a jejich optických vlastností (propustnosti a odrazivosti). Při měření byly využity čočky: BPX 100 (ThorLabs) s ohniskovou vzdáleností f = 0,3 m a BPX 055 (ThorLabs) s ohniskovou vzdáleností f = 3,5 cm. Měření propustnosti T těchto spojných čoček proběhlo pomocí referenčního měřiče výkonu FieldMaster GS (Coherent) s 50 mw detekční hlavou LM2 (Coherent). Pokud byla před FieldMaster vložena čočka, dostali jsme výkon P 1 a jestliže svazek dopadal přímo do FieldMasteru, byl výkon označen jako P 2. Při měření byla čočka vzdálená 1,5 m od roviny pasu svazku. Obě čočky byly proměřovány při výkonech 100, 300,..., 900 µw. Propustnost T je definována poměrem T = P 1 P 2. (22) FieldMaster GS byl při každém měření nastaven na vlnovou délku 800 nm. Firma Coherent udává přesnost zobrazovací jednotky FieldMasteru ±1 %. Detekční hlava LM2 pracuje v rozmezí vlnových délek 400 1064 nm s přesností ±5 % při absolutním měření. Její křemíková detekční plocha má průměr 0,75 cm. FieldMaster GS byl připojen přes sériové rozhraní na počítač. V ovládacím programu bylo možné nastavit parametry měření, jako například časový interval mezi dvěma měřeními, počet načtených hodnot a podobně. Pro čočku BPX 100 byla změřena výsledná propustnost T = (99,1±0,1)% a pro BPX 055 T = (99,4±0,2)%. Protože jsou čočky od stejného výrobce, dalo by se očekávat, že hodnoty propustností se budou rovnat. Jak dále uvidíme načítané hodnoty měřiče výkonu FieldMasteru jsou ovlivněny pološířkou dopadajícího svazku. Protože čočka BPX 055 má krátkou ohniskovou vzdálenost, mění se pološířka svazku za čočkou rychle a to mohlo zapříčinit tento rozdíl. Je také možné, že se nepodařilo při jednotlivých měřeních nastavit měřič výkonu na maximální hodnotu, nebo mohou být čočky jinak povrstvené. Jako další komponenta bylo při měření použito zrcátko BB1-E03 (ThorLabs), které odráží světlo o vlnové délce v rozmezí 700 1150 nm. Měření odrazivosti R zrcátka bylo provedeno pomocí dvou stejných zrcátek, což je znázorněno na obrázku 3. Použití více zrcátek zvyšuje přesnost měření. Výkon byl měřen pomocí měřiče FieldMasteru s 50 mw detekční hlavou, která byla vždy ve stejné vzdálenosti od pasu svazku, což zaručuje stejnou pološířku dopadajícího svazku na FieldMaster. Svazek se odrážel přes dvě zrcátka pod úhlem přibližně (45 ± 1) nebo pod malým úhlem, přibližně (9 ± 1). Při měření dopadal svazek na první zrcátko s vertikální polarizací. Odrazivost R jednoho zrcátka je dána vztahem P1 R =, (23) P 2 kde P 1 je výkon svazku odrážejícího se od zrcátek a P 2 výkon svazku dopadající přímo na detekční hlavu FieldMasteru. Měření bylo provedeno při výkonech 100, 300,..., 900 µw. Z naměřených hodnot byla určena odrazivost R = (99,9 ± 0,1) % při úhlu dopadu přibližně 45. Při úhlu dopadu přibližně 9 je R = (99,6±0,1) %. Podle údajů od výrobce má zrcátko 10

odrazivost R 99,6 %, když svazek dopadá přibližně pod úhlem 45. Pokud dopadá svazek pod úhlem blížícím se k 0, je odrazivost R = 99,8 %. Data od firmy ThorLabs jsou udávána pro úhel dopadu 45 při průměru s a p polarizace. Měření proběhlo pro polarizaci s, takže rozdíl může být způsobený tímto faktem. Obrázek 3: Schéma měření odrazivosti dielektrického zrcátka BB1-E03. 5 Kvantová účinnost PIN diod S3883 Pro srovnání výsledků navýšení účinností detektorů v geometrii zachycující světlo je důležité určit účinnosti jednotlivých diod. Pro konstrukci detektoru byly použity křemíkové diody PIN S3883 (Hamamatsu). Tento typ diod je možné používat pro světlo o vlnových délkách v rozmezí 320 1000 nm. Největší citlivost mají diody při 840 nm a nejvyšší kvantovou účinnost při 780 nm. Průměr aktivní křemíkové plochy je 1,5 mm. Tuto aktivní oblast zakrývá krytka s okénkem z borokřemičitanového skla o průměru 3 mm. Celá krytka má průměr (8,2±0,2) mm a dioda (9,1±0,2) mm. Vzdálenost okénka a aktivní plochy diody je 1,15 mm. Všechny rozměry jsou vyznačeny v dodatku B na obrázku 22. Byly použity dva typy diod PIN S3883. U prvního typu, čtyři kusy značené A, B, C, D, je krytka připevněna a nelze ji odstranit. Ty budou následně značeny jako diody PIN S3883. U druhého typu diod, opět čtyři kusy značené A, B, C, D, je možné okénko sejmout a budou značeny PIN RW (removable window). Diody PIN S3883 byly pořízeny v roce 2004 a diody PIN-RW S3883 v roce 2005. PIN-RW jsou přibližně třikrát dražší než PIN bez snímatelného okénka. Měření účinností PIN diod S3883 probíhalo za různých podmínek podle obrázku 4 (změna rozsahu pouze u diody PIN-RW A v důsledku saturace FM, jak dále uvidíme; změna předpětí; dioda s okénkem a bez okénka). Svazek se odrážel od sklopného zrcátka BB1-E03 do FieldMasteru s 50 mw detekční hlavou, který měřil výkon P. Sklopná montáž typu 9891 (Newfocus) byla umístěna za polarizační děliče. Chyba opakovatelnosti při sklopení a zpětném narovnání je nižší než 200 µrad, což znamená příčnou odchylku 0,1 mm 11

ve vzdálenosti 0,5 m. Jestliže bylo zrcátko sklopené, procházel svazek přes čočku BPX 100, která ho fokusovala na PIN diodu, na které byl zaznamenán proud I. Dioda byla napojena na zesilovač, na kterém bylo možno nastavit rozsah a předpětí diody, viz dodatek. Zesilovač byl napájen ze stabilizovaného laboratorního zdroje. Pokud dopadal na diodu svazek, docházelo k přeměně fotonů na elektrony a vznikal proud. Ten byl zesílen a transformován na napětí. Napětí bylo měřeno pomocí Computing Multimeteru 7151-Solartron. Přístroj byl připojen na počítač, který zaznamenával hodnoty ve formě statistického souboru. Napětí lze přepočítat na proud pomocí nastaveného rozsahu zesilovače. Solartron byl nastaven tak, aby načítal hodnoty po 400 ms. Přesnost v tomto režimu je ±2 LSD (LSD označuje odchylku číslice na posledním místě, tedy nejméně významné číslice). Měření bylo opakováno 40 krát po 0,5 s, tzn. 40 krát/20 s pro diodu PIN-RW S3883 A, pro všechna ostatní měření bylo použito středování přes 60 hodnot odečítaných po 0,5 s. Optický výkon byl nastaven na 100, 300,..., 900 µw. Pouze pro diodu PIN-RW A bylo po nastavení rozsahu na 1 ma/v měřeno také při výkonech 6, 8,..., 18 mw. Citlivost diody S byla určena ze vztahu S = I P, (24) v jednotkách A/W, kde I je proud měřený PIN diodou a P je výkon odečtený z FieldMasteru. Kvantovou účinnost odvodíme ze vzorce pro citlivost S, S = I P = Q t E t = en EL hνn PH, (25) kde Q je náboj, E energie, ν = c je frekvence, N λ EL počet elektronů, N PH počet fotonů a poměr N EL N PH = η udává právě kvantovou účinnost η, η = hc eλ S 1240 S, (26) λ [nm] kde h = 6,626.10 34 J.s je Planckova konstanta, c = 3.10 8 m.s 1 rychlost světla, e = 1,6.10 19 C náboj elektronu a λ = 800 nm vlnová délka dopadajícího světla. V tabulkách jsou uvedeny střední hodnoty z měření při různých výkonech v daném rozsahu při konstantním záporném předpětí a neměnných ostatních podmínkách. Jako chybu měření účinnosti uvažujeme druhou největší střední směrodatnou odchylku (RMS) účinnosti v dané sérii měření. Nejde tedy o směrodatnou odchylku, ale spíše o 2RMS. Konfidenční interval by měl pokrýt 95 % hodnot. Byla uvažována korekce na propustnost a odrazivost optických prvků. Hodnoty kvantové účinnosti by měly být o 0,7 % vyšší než změřené hodnoty. Ve výsledku měříme rozdíly hodnot účinností diod s okénkem a bez okénka, které zůstanou stejné i po opravě. Korekci není třeba provádět také proto, že čočka je nedílnou součástí detektoru. Protože PIN diody mají malou detekční plochu, musí být čočka použita k fokusaci. Korekce nebude dále prováděna a v tabulkách budou uvedena naměřená data bez korekce. V závěru měření účinnosti diody PIN-RW S3883 A došlo zřejmě k jejímu optickému proražení, přestože nebyla vystavena výkonům vyšším, než kolik udává výrobce jako maximální hodnotu, a to 50 mw. Při záporném předpětí 5 V a rozsahu 100 µa/v byly naměřeny 12

Obrázek 4: Schéma měření účinnosti PIN diod S3883. rozsah [ma/v] předpětí [V] η [%](bez okénka) η [%](s okénkem) zvýšení [%] 1,0-10 92,6 ± 0,2 92,1 ± 0,3 0,4 ± 0,3 0,1-10 91,8 ± 0,3 91,4 ± 0,2 0,45 ± 0,3 1,0-5 92,4 ± 0,1 91,3 ± 0,4 1,2 ± 0,4 0,1-5 94,2 ± 0,4 90,8 ± 0,3 3,4 ± 0,5 Tabulka 2: Účinnost diody PIN-RW S3883 A. předpětí [V] η [%](bez okénka) η [%](s okénkem) zvýšení -5 91,9 ± 0,1 91,5 ± 0,1 0,6 ± 0,1-10 92,0 ± 0,1 91,5 ± 0,1 0,5 ± 0,1 Tabulka 3: Účinnost diody PIN-RW S3883 B. předpětí [V] η [%](bez okénka) η [%](s okénkem) zvýšení -5 92,0 ± 0,1 91,5 ± 0,1 0,5 ± 0,1-10 92,1 ± 0,1 91,4 ± 0,1 0,7 ± 0,1 Tabulka 4: Účinnost diody PIN-RW S3883 C. předpětí [V] η [%](bez okénka) η [%](s okénkem) zvýšení -5 92,0 ± 0,1 91,2 ± 0,1 0,8 ± 0,1-10 92,1 ± 0,1 91,3 ± 0,1 0,8 ± 0,1 Tabulka 5: Účinnost diody PIN-RW S3883 D. 13

η Obrázek 5: Účinnosti diody PIN-RW C s okénkem (značeno kolečky) a bez okénka (značeno čtverečky) při záporném předpětí 5 V. Jednotlivé body značí nezaokrouhlenou hodnotu účinnosti η při daném výkonu. U každého bodu je vyznačena úsečka, jejíž délka odpovídá dvěma směrodatným odchylkám naměřené účinnosti. Vodorovné přímky znázorňují střední hodnotu účinnosti. Pro diodu bez okénka je střední hodnota rovna 92,04 % a pro diodu s okénkem 91,47 %. η[%] předpětí dioda -5V -10V A 90,9 ± 0,1 91,0 ± 0,1 B 91,1 ± 0,1 91,0 ± 0,1 C 91,2 ± 0,1 91,3 ± 0,1 Tabulka 6: Účinnosti diod PIN S3883. hodnoty účinnosti až 96%, což se liší od hodnot naměřených za jiných podmínek až o 4 %. Při dalším zapojení diody do zesilovače byla její odezva extrémně vysoká, protože vedla proud i v závěrném směru. S diodou nebylo možné dále pracovat. Aby nedošlo k poškození dalších diod, probíhalo měření účinností diod jen v rozsahu 100 µa/v, to znamená do 1 mw optického výkonu. Pokud bylo zvyšováno záporné předpětí, rozšiřovala se i tloušt ka ochuzené vrstvy PIN diody, kde se absorbují fotony, a naměřené hodnoty účinnosti jsou tedy vyšší. Je to však jen málo vidět, protože docházelo k velkým fluktuacím laseru a tedy k velkým chybám měření. Z teorie je patrné, že závislost na záporném předpětí se projevuje až při vyšších 14

η Obrázek 6: Účinnosti PIN-RW D s okénkem (značeno kolečky) a bez okénka (značeno čtverečky) při záporném předpětí 5 V. Jednotlivé body značí nezaokrouhlenou hodnotu účinnosti η při určitém výkonu. U každého bodu je vyznačena úsečka, jejíž délka odpovídá dvěma směrodatným odchylkám naměřené účinnosti. Vodorovné přímky znázorňují střední hodnotu účinnosti. Pro diodu bez okénka to je 92,01 % a pro diodu s okénkem 91,20 %. výkonech, než při kterých bylo měřeno (měřeno pouze u diody PIN-RW A, kdy již dioda nefungovala tak, jak by měla). Pokud bylo z diody sejmuto okénko, naměřené účinnosti byly vyšší o hodnotu odrazivosti okénka diody, což je v průměru 0,6 % u diody PIN-RW B, 0,6 % u diody PIN-RW C a 0,8 % u diody PIN-RW D. Protože byla použita čočka k fokusaci svazku na detekční plochu diody, docházelo ke změnám pološířky svazku. Bylo nutné ověřit, jestli jsou změřené hodnoty u PIN diody a FieldMasteru ovlivněné pološířkou dopadajícího svazku. Měření závislosti účinnosti diody na pološířce dopadajícího svazku probíhalo s diodou PIN-RW B S3883 bez okénka. Pro fokusaci svazku na aktivní plochu diody byla použita čočka BPX 100. Rozsah na zesilovači u diody byl nastaven na 100 µa/v a záporné předpětí diody bylo 5 V. Měření probíhalo stejně jako měření účinnosti diod. Vzdálenost PIN diody od spojné čočky byla nastavena na 0,28 m, 0,32 m,..., 0,40 m, a tím byla měněna pološířka svazku dopadajícího na aktivní plochu diody. Výkon P nebyl v průběhu měření měněn. Při odečítání jak hodnot výkonu, tak proudu bylo použito středování přes 60 hodnot. Měřením bylo zjištěno, že účinnosti diody nezávisí na pološířce svazku. Důležité je, aby nebyla stopa svazku větší než detekční křemíková plocha diody, tedy aby byla splněna podmínka w < R. 2,5 Je nutné ověřit také změnu odezvy FieldMasteru v závislosti na pološířce dopadajícího svazku. Svazek procházel přes spojnou čočku BPX 100 a dopadal na detekční hlavu měřiče 15

výkonu FieldMaster. Byla nastavena konstantní hodnota výkonu. Měněna byla vzdálenost mezi čočkou a detekční hlavou FieldMasteru. Tím se měnila pološířka svazku dopadajícího na detekční plochu hlavy LM2, jak je vidět na grafech 7 a 8, a docházelo ke změně odezvy FieldMasteru. Při vysokých konstantních dopadajících výkonech (15 mw) docházelo k poklesu naměřených hodnot odezvy FieldMasteru v ohnisku až o 1 mw, to znamená snížení odezvy až o 6 %. Při nízkých výkonech (500 µw, 700 µw) docházelo ke zvýšení naměřených hodnot výkonu v ohnisku svazku řádově o 10 µw, to znamená navýšení až o 1,25 %. Závislost FieldMasteru je malá při nízkých výkonech (do 1 mw), proto byly účinnosti a všechny tři konfigurace detektorů v geometrii zachycující světlo měřeny převážně při těchto nízkých výkonech. Při měření odrazivosti a propustnosti optických prvků porovnáváme dvě minimálně rozdílné hodnoty výkonu, proto je nutné při tomto měření dodržovat stejnou příčnou velikost svazku dopadajícího na detekční hlavu FieldMasteru. Obrázek 7: Relativní odezva měřiče výkonu FieldMaster GS v závislosti na pološířce dopadajícího svazku pro vysoké výkony. Hodnoty jsou vztaženy k odezvě FieldMasteru v pasu svazku, který byl vytvořen spojnou čočkou BPX 100 s ohniskovou vzdáleností f = 30 cm. Pro odezvy při výkonu 5 mw jsou znázorněny typické hodnoty neurčitostí měření. Při měření s FieldMasterem s 50 mw detekční hlavou LM2 docházelo k nečekaným problémům nejenom ohledně popsané závislosti na pološířce dopadajícího svazku. Při měření kvantové účinnosti η diody PIN-RW B s okénkem bylo zjištěno, že při přepínání rozsahu FieldMasteru, se kolem hodnoty 1,2 mw objevilo na zobrazovací jednotce hluché místo, kdy byl odečtený výkon nulový, přestože na detekční plochu dopadal svazek. Když byl výkon zvýšen, a to až na hodnotu 1,28 mw, docházelo naopak k tomu, že hodnota na displeji přeskočila na 10 mw. To tedy znamená, že se během středování přes 60 hodnot 16

µ µ Obrázek 8: Relativní odezva FieldMasteru v závislosti na pološířce dopadajícího svazku pro nízké výkony. Hodnoty jsou vztaženy k odezvě FieldMasteru v pasu svazku, který byl vytvořen spojnou čočkou BPX 100 s ohniskovou vzdáleností f = 30 cm. popsaným způsobem několikrát změnila hodnota odezvy FieldMasteru. Následné vypočtení účinnosti PIN diody dávalo velmi malé výsledky s velkou chybou měření. K poklesu odezvy docházelo kolem hodnoty 1,3 mw a účinnost diody, vzhledem ke které bylo měření prováděno, narostla až o 4 % na 96,4 %, jak je vidět na grafu 9. Při dalším zvyšování výkonu měřená účinnost PIN diody klesala, až se dostala na hodnotu 92,5 % při výkonu kolem 5 mw. Odezva FieldMasteru se tedy během měření měnila, i když byl nastavený konstantní výkon. To je další důvod proto, aby měření probíhala při výkonech do 1 mw. 6 Realizace detektoru v geometrii zachycující světlo Konfigurace detektorů se liší způsobem detekce odrazu od diody. V této kapitole bude popsána konstrukce všech tří uspořádání detektorů v geometrii zachycující světlo a problémy spojené s touto konstrukcí. Výsledky zvýšení účinností pro jednotlivé uspořádání detektoru jsou dané průměrem naměřených hodnot účinností pro různé výkony. Všechny typy detektorů byly proměřovány pro optické výkony 100 µw, 200 µw,..., 900 µw. Celková chyba měření zvýšení účinnosti je dána vzorcem n (δη i ) 2 = i=1 n(n 1), (27) 17

η Obrázek 9: Účinnost η diody PIN-RW B s okénkem při změně rozsahu měřiče výkonu FieldMaster GS. kde δη i je chyba zvýšení účinnosti při daném optickém výkonu a n je počet měření. Vzhledem k linearitě PIN diody nezávisí její účinnost, ani zvýšení účinnosti získané konstrukcí detektorů, na dopadajícím optickém výkonu. Tento fakt umožňuje zpracovat získané hodnoty jako statistický soubor. Při konstrukci detektoru musí být PIN dioda odkloněna, aby bylo možné zachytit její odraz. To znamená, že na ní svazek nedopadá kolmo. Z hlediska rozměrů diody je zde jisté omezení ve velikosti úhlu dopadu dané velikostí detekční plochy a okénka diody. Z parametrů diody byl určen maximální úhel dopadu svazku na diodu. Pokud bereme v úvahu pološířku svazku, vyjde úhel dopadu přibližně 30. Dále musíme počítat s tím, že se stopa svazku při dopadu zploští. To znamená, že jeho pološířka bude větší a úhel dopadu se zmenší. Proto je důležité při odklonění diody držet úhly dopadu pod 20. Snažíme se dodržet co nejmenší úhel, aby při měření diody s okénkem nedošlo k tomu, že svazek nedopadne na aktivní plochu diody celý. To by znamenalo zbytečné ztráty optického výkonu. Při použití diody s okénkem byl detekován odraz jak okénka, tak křemíkové plochy. Při konstrukci detektorů bylo možno tyto dva odrazy pozorovat. Odraz od okénka byl intenzivnější a odrážel se pod menším úhlem než odraz od křemíkové vrstvy. Pokud jsme použili k fokusaci odrazu čočku, nebylo možné tyto dva odrazy rozeznat, protože byly malé a blízko sebe. Vliv polarizace na naměřené hodnoty byl proměřován u každé konfigurace detektoru v geometrii zachycující světlo zvlášt pomocí λ/2 destičky. Neprokázala se žádná závislost. Z Fresnelových vztahů je možné odvodit závislost úhlu dopadu na polarizaci. Pokud uvažujeme pouze rozhraní vzduch křemík (neuvažujeme strukturu tenkých vrstev na okénku a na křemíku), je tato závislost pro úhly pod 15 menší než nejistota měření. Případ reálného rozhraní se strukturou tenkých vrstev je popsán například v práci [8]. 18

Jelikož je svazek jdoucí z laseru rozbíhavý, musí být pro fokusaci svazku na diodu použita čočka. Byla vybrána čočka BPX 100 (ThorLabs) s ohniskovou vzdáleností f = 0,3 m. Čočka byla umístěna do montáže ST1XY-S (ThorLabs), která umožňuje jemný posuv v osách x, y, tedy v rovině kolmé na chod svazku. Při sestavování detektorů byla pro fokusaci odraženého svazku od diody využita čočka BPX 055 (ThorLabs) s ohniskovou vzdáleností f = 3,5 cm, která byla umístěna do montáže CP02/M (ThorLabs). Tato montáž umožňovala získat malý úhel odklonu PIN diody při konstrukci detektoru. Montáž LMR1 (ThorLabs) by byla z tohoto pohledu ještě výhodnější, ale nebyla k dispozici. U reflexního uspořádání bylo do sklopné montáže použito zrcátko BB1-E03. Tato montáž typu 840-0155-01 (Eksma) má vykrojený tvar, který umožňoval zmenšení úhlu při odklonu diody v detektoru. Montáž nebyla používána ke sklápění. 6.1 Detektor s použitím dvou PIN diod U tohoto sestavení detekujeme odraz diody další diodou. Je možno detekovat ještě odraz od druhé diody, ale ten je již velmi slabý, a proto by bylo náročné ho zaznamenat. Kvantová účinnost detektoru by se měřením odrazu od druhé diody výrazně nezvýšila. Toto uspořádání je náročné prostorově i finančně, proto nebyla třetí dioda použita. Měření probíhalo tak, že zeslabený svazek dopadal na sklopné zrcátko BB1-E03, kde se odrážel do měřiče výkonu FieldMasteru s 50 mw detekční hlavou. Naměřený výkon byl označen jako P. V případě, že bylo zrcátko sklopené, procházel svazek přes čočku BPX 100, která sloužila k fokusaci svazku na PIN 1, kde byl zaznamenáván proud I 1. PIN 1 byla 0,32 m za čočkou. Protože se svazek rozbíhal, nejužší místo svazku za čočkou bylo posunulo až na 0,36 m. Dioda PIN 1 byla tedy umístěna před tímto místem, protože v nejužším místě svazku by byla špičková hodnota optického výkonu vysoká a mohlo by dojít k poškození diody. Aby bylo možné zachytit odraz diody, musela být odkloněna. Kvůli montážím dalších komponent je možnost zmenšit úhel dopadu omezena. Konfigurace tohoto detektoru byla pro všechny diody měřena s úhlem dopadu (7 ± 1). Odraz od diody PIN 1 procházel přes čočku BPX 055, jak je znázorněno na obrázku 10, která fokusovala svazek na detekční plochu PIN 2, kde byl měřen proud I 2. Hodnoty byly měřeny v pořadí P, I 1 a I 2. PIN 2 byla použita vždy bez okénka, protože cílem bylo co nejvíce zvýšit kvantovou účinnost celého detektoru a PIN dioda bez okénka má větší účinnost než s okénkem. Její záporné předpětí bylo vždy 5 V, protože na zesilovači, který byl k dispozici pro druhou diodu, nebylo možné nastavit jiné předpětí. Výkon i oba proudy byly středovány přes 60 hodnot načítaných po 0,5 s. Matice přechodu od pasu svazku w 0 až ke druhé diodě byla dána hodnotami ((-0,367;0,067);(-7,28;-1,39)). Pološířka svazku dopadajícího na druhou diodu byla w = 40 µm. Z podmínky pro fokusaci svazku je zřejmé, že pološířka svazku w < R. 2,5 Citlivost S 1 diody PIN 1 je určena poměrem S 1 = I 1 P, (28) 19

citlivost S 2 celého detektoru je dána součtem signálů z obou diod, Kvantová účinnost η i, kde i = 1, 2, byla určena podle vztahu S 2 = I 1 + I 2. (29) P η i = hc eλ S i 1240 λ [nm] S i. (30) Navýšení účinnosti η použitím detektoru v geometrii zachycující světlo je určeno rozdílem η = η 2 η 1. (31) Obrázek 10: Schéma měření zvýšení účinnosti detektoru konstruovaného pomocí dvou PIN diod. η[%] předpětí PIN 1 PIN 1 PIN 2-5V -10V PIN-RW B (s okénkem) PIN-RW C 0,82 ± 0,04 0,81 ± 0,04 PIN-RW B (bez okénka) PIN-RW C 0,25 ± 0,04 0,25 ± 0,04 PIN-RW C (s okénkem) PIN-RW D 0,92 ± 0,04 0,92 ± 0,04 PIN-RW C (bez okénka) PIN-RW D 0,24 ± 0,04 0,24 ± 0,04 PIN A PIN B 1,38 ± 0,04 1,38 ± 0,04 PIN B PIN C 1,22 ± 0,04 1,22 ± 0,04 Tabulka 7: Navýšení účinností konstrukcí detektoru v geometrii zachycující světlo pomocí dvou PIN diod. 20

η Obrázek 11: Zvýšení účinnosti η pro konstruované detektory použitím dvou PIN diod. Byly použity PIN-RW B/PIN-RW C PIN-RW B s okénkem (značeno kolečky) a PIN- RW B bez okénka (značeno čtverečky), PIN-RW C byla vždy bez okénka. V případě, že byly použity diody PIN A/PIN B, byla kvantová účinnost značena trojúhelníčky. Znázorněné hodnoty byly měřeny při záporném předpětí 5 V. V legendě grafu je označena pouze PIN dioda, na kterou dopadá svazek jako první. U každého bodu, který značí navýšení účinnosti při nastaveném výkonu, je vynesena úsečka, jejíž délka odpovídá dvěma směrodatným odchylkám. Vodorovná přímka značí střední hodnotu navýšení účinnosti, což je 0,25 % pro PIN-RW B (bez okénka)/pin-rw C (bez okénka), 0,82 % pro PIN- RW B (s okénkem)/pin-rw C (bez okénka) a 1,38 % pro PIN A/PIN B. η[%] předpětí PIN 1 PIN 1 PIN 2-5V -10V PIN-RW B (s okénkem) PIN-RW C 92,2 92,1 PIN-RW B (bez okénka) PIN-RW C 92,2 92,3 PIN-RW C (s okénkem) PIN-RW D 92,3 92,1 PIN-RW C (bez okénka) PIN-RW D 92,4 92,3 PIN A PIN B 92,2 92,2 PIN B PIN C 92,2 92,2 Tabulka 8: Výsledná kvantová účinnost detektoru v geometrii zachycující světlo s použitím dvou PIN diod. 21

η Obrázek 12: Zvýšení účinnosti η pro detektory konstruované pomocí dvou PIN diod. Byly použity PIN-RW C/PIN-RW D PIN-RW C s okénkem (značeno kolečky) a PIN- RW C bez okénka (značeno čtverečky), PIN-RW D byla vždy bez okénka. V případě, že byly použity diody PIN B/PIN C, byla kvantová účinnost značena trojúhelníčky. Znázorněné hodnoty byly měřeny při záporném předpětí 5 V. V legendě grafu je označena jen PIN dioda, na kterou dopadá svazek jako první. U každého bodu, který značí navýšení účinnosti při nastaveném výkonu, je vynesena úsečka, jejíž délka odpovídá dvěma směrodatným odchylkám. Vodorovná přímka značí střední hodnotu navýšení účinnosti, což je 0,24 % pro PIN-RW C (bez okénka)/pin-rw D (bez okénka), 0,92 % pro PIN- RW C (s okénkem)/pin-rw D (bez okénka) a 1,22 % pro PIN B/PIN C. Pokud byla měřena dioda PIN-RW bez okénka, podařilo se zvýšit její účinnost v nejlepším případě o 0,25 %. Tato hodnota odpovídá odrazu svazku od křemíkového povrchu diody. Jestliže byla zvyšována účinnost diody se snímatelným okénkem, podařilo se ji navýšit nejlépe o 0,9 %. Odečteme-li hodnotu odrazu od křemíkové detekční plochy, získáme odrazivost okénka diody, která je přibližně 0,6 %. To odpovídá rozdílu kvantové účinnosti diody s a bez okénka. Byly měřeny také diody PIN bez snímatelného okénka, u kterých se podařilo zvýšit jejich účinnost nejvíce o 1,4 %. Je to dané tím, že tyto diody jsou z jiné výrobní série a okénko i křemíková aktivní plocha diody mají jiné povrstvení než u diod PIN-RW. Detektor vyžaduje dvě PIN diody, zdvojenou elektroniku a mechanické montáže, což jej činí finančně a prostorově náročným. 22

6.2 Detektor s použitím PIN diody, zrcátka a čočky Jinou možností konstrukce složeného detektoru je použítí zrcátka, které vrací odražený svazek od diody zpět na její aktivní plochu. Měření probíhalo podobně jako v předchozím uspořádání. Svazek se odrážel od sklopného zrcátka BB1-E03 do měřiče výkonu Field- Master GS. Naměřený výkon byl označen P i, kde i = 1, 2 určuje výkon podle toho, jaký byl následně měřen proud. Hodnoty byly měřeny v tomto pořadí: P 1, I 1, P 2, I 2. Důvodem pro tento postup je zkrácení doby mezi měřením fotoproudu a příslušného referenčního výkonu. Kdyby byl laser stabilní, bylo by možné měřit výkon jenom jednou. V případě, že bylo zrcátko sklopené, procházel svazek přes čocku BPX 100 na diodu PIN S3838. Úhel dopadu byl (14±1) pro všechny konfigurace kromě měření s diodou PIN-RW C, při kterém se podařilo změnšit úhel dopadu na (10±1). Odraz od diody procházel přes čočku BPX 055 na zrcátko, kde se odrážel a procházel zpět přes čočku do diody, jak vidíme na obrázku 13. Čočka byla mezi diodou a zrcátkem umístěna kvůli potřebné fokusaci svazku na aktivní plochu diody. Důležité bylo správně čočku najustovat, aby byl svazek pořád ve stejné rovině a při měření diod s okénkem splynul odraz od okénka i od křemíkové plochy diody přibližně do jednoho bodu. Zastíníme-li odraz od první diody, byl proud naměřený touto diodou, tedy bez příspěvku odrazu, označen jako I 1. Pokud byl průchod svazku umožněn, byl naměřený proud označený I 2. Data byla středována přes 60 hodnot načtených po 0,5 s, jen při měření diody PIN-RW B bez okénka laser více fluktuoval a proto byly hodnoty středovány přes 80 hodnot po 0,5 s. Matice přechodu od pasu svazku w 0 laseru přes zrcátko až po dopad odraženého svazku na diodu byla dána hodnotami ((0,185;0,069);(0,612;5,63)). Pološířka svazku na diodě po odrazu svazku od zrcátka byla w = 90 µm. Podmínka fokusace je splněna. Citlivost diody je určena vztahem (24). Citlivost diody bez příspěvku odrazu je označena indexem 1 a indexem 2 značíme citlivost celého detektoru v geometrii zachycující světlo. Z těchto citlivostí vypočítáme kvantovou účinnost podle (26). Z (31) dostaneme navýšení účinnosti konstruovaného detektoru. η[%] předpětí PIN -5V -10V PIN-RW B (s okénkem) 0,85 ± 0,04 0,91 ± 0,05 PIN-RW B (bez okénka) 0,3 ± 0,07 0,36 ± 0,07 PIN-RW C (s okénkem) 0,89 ± 0,04 0,9 ± 0,05 PIN-RW C (bez okénka) 0,31 ± 0,04 0,32 ± 0,05 Tabulka 9: Navýšení účinností konstrukcí detektoru v geometrii zachycující světlo s použitím PIN diody, čočky a zrcátka. 23

Obrázek 13: Schéma měření zvýšení účinnosti detektoru konstruovaného pomocí PIN diody, zrcátka a čočky. η Obrázek 14: Zvýšení účinnosti η pro konstruované detektory s PIN-RW C s okénkem (značeno kolečky) a bez okénka (značeno čtverečky), čočkou a zrcátkem při záporném předpětí 5 V. U každého bodu, který značí účinnost při nastaveném výkonu, je vynesena úsečka, jejíž délka odpovídá dvěma směrodatným odchylkám. Vodorovná přímka znázorňuje střední hodnotu navýšení účinnosti, a to 0,31 % pro PIN-RW C (bez okénka), 0,89 % pro PIN-RW C (s okénkem). 24

η[%] předpětí PIN -5V -10V PIN-RW B (s okénkem) 92,4 92,6 PIN-RW B (bez okénka) 92,2 92,2 PIN-RW C (s okénkem) 92,4 92,4 PIN-RW C (bez okénka) 92,3 92,3 Tabulka 10: Výsledná kvantová účinnost detektoru v geometrii zachycující světlo s použitím PIN diody, čočky a zrcátka. Jestliže byla použita dioda PIN-RW bez okénka, odraz od křemíkové plochy byl 0,3 %, pokud dioda s okénkem, celkový odraz byl 0,9 %. Při měření PIN-RW B bez okénka docházelo k fluktuacím laseru, takže konečná chyba měření je větší než u ostatních měření. Navýšení účinnosti tohoto typu detektoru se shoduje s předešlou konstrukcí s PIN diodami. Je však méně nákladnější, protože místo druhé diody používáme zrcátko a čočku. Při konstrukci je nejobtížnější nastavit čočku do správné polohy tak, aby přes ní procházel svazek zpět do diody ve stejné výšce. Při konstrukci bylo dosaženo největších úhlů dopadu ze všech konfigurací. Je to dané tím, že byly k dispozici jen takové montáže, které neumožňovaly tento úhel více zmenšit. Takto zkonstruovaný detektor je tedy méně vhodný pro další použití. 6.3 Detektor s použitím PIN diody a zrcátka Poslední možností konstrukce detektoru v geometrii zachycující světlo je opět reflexní uspořádání. V tomto případě nebyla použita čočka mezi zrcátkem a PIN diodou, abychom zmenšili prostor, který zabírá detektor. Tím byl zároveň zmenšen úhel dopadu a zkrácena časová odezva mezi detekcí dopadajícího světla na diodu a detekcí odraženého světla. Úhel dopadu při této konfiguraci se díky vykrojené montáži zrcadla podařilo snížit přibližně na 2 30 ± 1. Jednotlivé veličiny byly měřeny stejně jako v předešlém případě. Byly použity i totožné komponenty, viz obrázek 15. Odraz od diody procházel tentokrát přímo na zrcátko. V tomto uspořádání bylo důležité, aby zrcátko odrážející svazek zpět na diodu bylo umístěno co nejpřesněji v ohnisku čočky BPX 100 a odražený svazek nepřesahoval detekční plochu diody. Díky tomu nebylo potřeba další čočky pro fokusaci. Přestože se podařilo nastavit velmi malý úhel dopadu, dopadal svazek na zrcátko blízko středu reflexní plochy. Kdyby dopadal na okraj zrcátka, docházelo by ke ztrátám, protože zrcátko má na okraji horší povrstvení a odrazivost je menší. Hodnoty byly načítány v pořadí P 1, I 1, P 2, I 2, stejně jako v případě uspořádání s čočkou. Oba proudy i výkony byly středovány opět přes 60 hodnot načítaných po 0,5 s. Matice přechodu od pasu w 0 svazku laseru přes zrcátko až po dopad odraženého svazku na diodu byla dána hodnotami (( 0,233; 0,02); ( 3,33; 4)). Pološířka w svazku dopadajícího na diodu po odraze od zrcátka je rovna 140 µm. Tím je podmínka fokusace splněna. Navýšení kvantové účinnosti bylo určeno pomocí vztahu (31). 25

Obrázek 15: Schéma měření zvýšení účinnosti detektoru konstruovaného pomocí PIN diody a zrcátka. η Obrázek 16: Zvýšení účinnosti η pro konstruované detektory s PIN-RW B, s okénkem (značeno kolečky) a bez okénka (značeno čtverečky), a se zrcátkem při záporném předpětí 5 V. U každého bodu, který značí navýšení účinnosti při nastaveném výkonu, je vynesena úsečka, jejíž délka odpovídá dvěma směrodatným odchylkám. Vodorovná přímka znázorňuje střední hodnotu navýšení účinnosti, a to 0,31 % pro PIN-RW B (bez okénka), 0,84 % pro PIN-RW B (s okénkem). Při měření zvýšení účinnosti detektoru konstruovaného pomocí PIN diody a zrcátka vyšly účinnosti přibližně stejné jako v předchozích případech. Detektor je prostorově velmi úsporný vzhledem k prakticky kolmému dopadu svazku na PIN diodu a vzdálenosti zrcátka pouhé 4 cm od diody. Použitím jedné PIN diody a zrcátka dojde i ke snížení ceny. Detektor v geometrii zachycující světlo konstruovaný s PIN diodou a zrcátkem je tedy velmi výhodný. 26

η Obrázek 17: Výsledná celková účinnost η pro detektor v geometrii zachycující světlo s PIN- RW B bez okénka a se zrcátkem při záporném předpětí 5 V. U bodů, které značí hodnotu účinnosti při nastaveném výkonu, je vyznačena střední směrodatná odchylka. Vodorovná přímka znázorňuje střední hodnotu účinnosti, což je 92,45 %. η[%] předpětí PIN -5V -10V PIN-RW B (s okénkem) 0,84 ± 0,04 0,83 ± 0,04 PIN-RW B (bez okénka) 0,31 ± 0,04 0,29 ± 0,04 Tabulka 11: Navýšení účinností konstrukcí detektoru v geometrii zachycující světlo pomocí PIN diody a zrcátka. η[%] předpětí PIN -5V -10V PIN-RW B (s okénkem) 92,3 92,3 PIN-RW B (bez okénka) 92,5 92,5 Tabulka 12: Výsledná kvantová účinnosti detektoru v geometrii zachycující světlo s použitím PIN diody a zrcátka. 27

6.4 Časová odezva detektoru Aby bylo možné zjistit časové rozposunutí pulzu dopadajícího na PIN diodu přímo a pulzu odraženého zrcátkem, proběhlo měření poslední konfigurace detektoru v geometrii zachycující světlo pomocí osciloskopu. Byl použit osciloskop Tektronix-TDS 3054B se vzorkovací frekvencí 5 GS/s a šířkou pásma 500 MHz. Byl vybrán režim středování přes 16 průběhů pulzů. Pro měření byla použita dioda PIN-RW B s okénkem. Fotoproud vytvářel na zatěžovacím rezistoru napětí, které bylo přivedeno na vstup (50 Ω, DC vazba) osciloskopu. Obrázek 25 v dodatku C znázorňuje po řadě měření průběhu pulzů v případě samotné diody a měření průběhu pulzů v případě detektoru konstruovaného pomocí PIN diody a zrcátka. Kvantovou účinnost celého detektoru se podařilo zvýšit o 0,6 %. Je to patrné z údajů na zobrazovací jednotce osciloskopu. Protože při sestavování detektoru se bylo možné řídit jen hodnotami z osciloskopu, nepodařilo se najít správnou polohu zrcátka. To vysvětluje nižší hodnotu zvýšení účinnosti detektoru. Výhodou tohoto uspořádání je malé časové zpoždění mezi optickým pulzem detekovaným přímo a pulzem zaznamenaným po odrazu od zrcátka. Toto zpoždění by také mohlo způsobit nižší hodnotu zvýšení účinnosti v geometrii zachycující světlo. V případě konstruovaného detektoru je časové zpoždění τ = 0,13 ns malé ve srovnání s šířkou pulzu přibližně 2,25 ns. 28

7 Závěr Cílem práce bylo zkonstruovat rychlý fotodetektor v geometrii zachycující světlo. Jako elementární detektory byly použity křemíkové PIN diody S3883 (Hamamatsu) s rychlou odezvou a malou detekční plochou o průměru 1,5 mm. Byly provedeny tři možné realizace detektoru v geometrii zachycující světlo, které se lišily způsobem detekce odrazu svazku od PIN diody. V první realizaci byly použity dvě PIN diody. Další dvě uspořádání s použitím jedné PIN diody a zrcátka se odlišovaly tím, že mezi diodou a zrcátkem byla, případně nebyla umístěna čočka sloužící pro dodatečnou fokusaci odraženého svazku. Kvantovou účinnost detektorů se podařilo zvýšit jen o relativně malou hodnotu. Toto zvýšení však může být podstatné pro detekci neklasického světla. Pokud byla měřena účinnost diod PIN-RW S3883 bez okénka a s okénkem, byl rozdíl hodnot účinností v průměru 0,6 %. To znamená, že odrazivost okénka je právě 0,6 %. Při měření účinností detektorů v geometrii zachycující světlo byla stanovena odrazivost okénka diod také na 0,6 %. Z toho plyne, že při konstrukci detektorů v geometrii zachycující světlo se podařilo zvýšit kvantovou účinnost také o odraz od okénka diody, což je velmi podstatné. Nejvýhodnější uspořádání detektoru v geometrii zachycující světlo je to, ve kterém odrážíme odraz diody zrcátkem zpět do diody a nepoužíváme pro fokusaci svazku čočku. Pracujeme zde s velmi malým úhlem, takže je vyloučeno, že okénko diody bude ořezávat svazek. Naměřené hodnoty nejsou ovlivněny polarizací světla. Tento detektor je prostorově a finančně nenáročný. Jediný problém by mohl nastat při konstrukci detektoru, protože je důležité, aby bylo zrcátko nastaveno co nejpřesněji v ohnisku a co nejblíže diodě. Jestliže byly pro konstrukci detektoru použity PIN diody bez snímatelného okénka, podařilo se navýšit účinnost přibližně na 92,2 %. To je skoro stejná hodnota, jaké bylo dosaženo při použití diody PIN-RW se snímatelným okénkem. Je tedy zbytečné používat asi třikrát dražší diody PIN-RW. Relativní hodnoty zvýšení kvantové účinnosti jsou měřeny s velmi malou nejistotou, menší než 0,1 %. Absolutní hodnoty kvantové účinnosti jsou ovlivněny kalibrací referenčního měřidla, tedy FieldMasteru GS. Nyní je k dispozici nová detekční hlava LM2. Při měření s touto nově nakalibrovanou detekční hlavou byly absolutní hodnoty kvantové účinnosti přibližně o 3,5 % vyšší. Celková účinnost detektoru by se zvýšila přibližně na 96 %. Byla ověřena také časová odezva detektoru v geometrii zachycující světlo pro uspořádání s PIN diodou a zrcátkem. Dosažené navýšení kvantové účinnosti využitím geometrie zachycující světlo je menší než teoreticky odhadnutá hodnota. Tento rozdíl lze vysvětlit přítomností dalších ztrát kromě ztrát odrazem, které byly vykompenzovány geometrií zachycující světlo. Může jít o ztráty vzniklé rekombinací nosičů proudu nebo absorbcí fotonů v substrátu PIN diody. 29

Reference [1] Deborah J. Jackson, George M. Hockney, Detector Efficiency Limits on Quantum Improvement, arxiv.org/quant-ph/0402201 (2004). [2] E. F. Zalewski, C. R. Duda, Silicon photodiode device with 100 % external quantum efficiency, Applied Optics 22, 2867-2873 (1983). [3] J. L. Gardner, Transmission trap detectors, Applied Optics 33, 5914-5918 (1994). [4] P. G. Kwiat, A. M. Steinberg, R. Y. Chiao, P. H. Eberhard, M. D. Petroff, Absolute efficiency and time-response measurement of single-photon detectors, Applied optics 33, 1844-1853 (1994). [5] M. D. Petroff, M. G. Stapelbroek, W. A. Kleinhans, Detection of individual 0,4 20 µm wavelength photons via impurity-impact ionization in a solid-state photomultiplier, Applied Physics Letters 51, 406-408 (1987). [6] H.-A. Bachor, A Guide to Experiments in Quantum Optics, Wiley, New York, 1998, strany 148-149. [7] Bahaa E. A. Saleh a Malvin Cark Teich, Základy fotoniky I., II., MATFYZPRESS, Praha, 1994. [8] A. Haapalinna, P. Kärhä, E. Ikonen, Spectral reflectance of silicon photodiodes, Applied Optics 37, 729-732 (1998). 30