Сборник технических статей

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта

Фотоприемные устройства

Печать

Одним из важнейших элементов лазерных систем является фотоприемное устройство. Для приема излучения в лазерных информационных системах и приборах контроля и проверки работоспособности их используются преобразователи оптического излучения в электрический сигнал. Устройства преобразования — фотоприемники строятся на основе использования внешнего или внутреннего фотоэффекта, т.е. явления, при котором падающие на материал приемника фотоны переводят электроны этого материала в такое возбужденное состояние, при котором может быть осуществлена их регистрация. Кроме указанных, фотонных, фотоприемников существуют также тепловые, однако они уступают фотонным по ряду параметров и в авиационной аппаратуре не используются.

Приемники на основе фотоэффекта характеризуются спектральным диапазоном работы, который определяется, с одной стороны, красной границей фотоэффекта (в области больших длин волн), а с другой, коротковолновой,— спаданием чувствительности фотоприемника по ряду других причин. Поскольку различные типы лазеров генерируют в широком диапазоне длин волн (от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного), то для каждого вида лазеров в зависимости от диапазона генерации и режима работы (импульсного или непрерывного) наилучшим оказывается определенный вид фотоприемника. Так, для лазеров видимого диапазона наиболее чувствительными являются приемники на основе внешнего фотоэффекта — фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Для лазеров инфракрасного диапазона невозможно создать фотоприемник с внешним фотоэффектом, и для приема их излучения используются полупроводниковые приборы с внутренним фотоэффектом — фоторезисторы и фотодиоды.

Принцип работы ФЭУ состоит в следующем. Фотоны лазерного излучения, падающие на фотокатод ФЭУ, поглощаются материалом этого фотокатода. Возбужденные при поглощении электроны в случае, когда энергия фотона hf превосходит работу выхода материала, покидают поверхность фотокатода и разгоняются приложенным электрическим полем. Секция умножения, состоящая обычно из 8—14 динодов, производит усиление фототока за счет явления вторичной электронной эмиссии. Коэффициент усиления в ФЭУ достигает 107—108. Высокая чувствительность ФЭУ обусловливается тем, что на шумящие каскады усилителей поступает существенно усиленный в динодной секции сигнал.

Спектральная кривая чувствительности ФЭУ определяется используемым материалом фотокатода. Для приема излучения лазеров видимого диапазона целесообразно использовать ФЭУ с мультищелочными катодами: они имеют в этом диапазоне квантовый выход, близкий к теоретически возможному, — до 30% и более. Для лазеров ближнего ИК диапазона (полупроводниковых арсенид-галлиевых и твердотельных неодимовых) необходимо использовать ФЭУ с кислородно-цезиевым фотокатодом. При этом квантовая эффективность может составлять единицы процентов в диапазоне λ = 0,7÷0,9 мкм и 0,1% в области λ = 1,06 мкм. Сравнительно недавно появились фотокатоды, в которых используется арсенид галлия и цезий. Их квантовый выход может составить 1,2% в диапазоне до λ ≈ 1,4 мкм.

В авиационных лазерных системах для приема излучения на длине волны λ = 1,06 мкм обычно используют кремниевые или германиевые фотодиоды. Это приборы с внутренним фотоэффектом. В этом классе фотоприемников поглощенные фотоны излучения разрывают связи между электроном и кристаллической решеткой материала. Появляющиеся свободные электроны и дырки начинают двигаться направленно под действием поля в р-n-переходе фотодиодов (или приложенного внешнего поля в фоторезисторах), чем и обусловливается фототок прибора. Для улучшения временных характеристик фотодиодов между слоями p и n типов располагают слой чистого, беспримесного материала — i-го слоя. Такие фотодиоды называют PIN диодами. Для повышения чувствительности приемников применяют лавинные фотодиоды. Они работают в предпробойном режиме, и лавинное размножение фотоэлектронов используется для внутреннего усиления сигнала. На выбор того или иного типа фотодиодов влияют технические и эксплуатационные требования. Кремниевые фотоприемники более чувствительные, однако, и более инерционные приборы. Лавинные фотодиоды предъявляют высокие требования к стабильности температуры и питания.

Кремниевые и германиевые фотодиоды используются также в системах с полупроводниковыми арсенид-галлиевыми лазерами. В диапазоне работы химических лазеров хорошие характеристики могут быть получены у приемников на фоторезисторах из материалов, используемых в современной ИК технике: PbS, PbSe, InSb, InAs. При построении систем с газовыми лазерами на CO2 используются фоторезисторы из германия с примесью золота или ртути. Однако такие фотоприемники требуют охлаждения до температур ниже азотных. Наиболее распространенными фотоприемниками диапазона λ ˜ 10мкм являются фоторезисторы и фотодиоды на соединениях PbSnTe и HgCdTe. Эти приборы хорошо работают при азотном охлаждении и имеют чувствительность, близкую к теоретически возможной. Для сравнения фотоприемников между собой используются следующие характеристики.

Квантовая эффективность η — это отношение среднего числа фотоэлектронов, эмиттированных фотокатодом или образовавшихся в теле полупроводникового фотоприемника (ñ), к среднему количеству упавших на прибор фотонов (Ñ):

Спектральная чувствительность Sλ — это отношение фототока iф к мощности монохроматического излучения Pλ, падающего на фотоприбор: Sλ = iф/Pλ. Зависимость Sλ(λ) или η(λ) называется спектральной характеристикой фотоприемника.

Пороговая чувствительность, или эквивалентная мощность шума Рпор, которая равна потоку излучения, необходимому для получения выходного сигнала, равного шуму приемника. Наряду с Рпор используется также такая характеристика, как обнаружительная способность приемника Доб= 1/Рпор. Обнаружительная способность зависит от полосы частот приемного устройства и площади поверхности фотоприемника и является характеристикой конкретного типа фотоприемника в конкретных условиях работы. Для того чтобы характеризовать материал фотоприемника или класс фотоприемников, используется величина удельной обнаружительной способности:

где А — площадь поверхности фотоприемника, см2; Δf — полоса пропускания устройства, Гц.

Таким образом, Доб является характеристикой эквивалентного приемника площадью 1 см2 при полосе усиления сигнала Δf = 1 Гц.

Для того чтобы характеризовать чувствительность приемников к излучению различных длин волн, вводится понятие спектральной обнаружительной способности Д* λоб.

В качестве величин, характеризующих инерционность фотоприемного устройства, используется полоса пропускания фотоприемника  Δf max. Эта характеристика удобна при использовании фотоприемников в устройствах приема непрерывного модулированного излучения и в гетеродинных приемниках. В приемниках лазерных систем, работающих с редкими импульсными посылками, более удобной для использования является постоянная времени фотоприемника τ.

p style=

Спектральная чувствительность