Приемники оптического излучения. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Приемники оптического излучения - устройства, предназначенные для обнаружения или измерения оптического излучения и основанные на преобразовании энергии излучения в др. виды энергии (тепловую, механическую, электрическую и т. д.), более удобные для непосредств. измерения. Они реагируют на интенсивность излучения, усреднённую по мн. периодам колебаний светового поля, т. к. время релаксации приёмника, независимо от того, на каком принципе он основан, определяется процессами переноса и релаксации, к-рые происходят за время, много большее периода колебания светового поля.

Разнообразие типов приемников оптического излучения определяется многочисленностью способов преобразования энергии и невозможностью создать приемники оптического излучения, одинаково чувствительные во всём оптич. диапазоне. По принципу действия приемники оптического излучения делятся на следующие группы: тепловые (термоэлементы, пироэлектрич. приёмники, болометры, оп-тико-акустнч. приёмники), фотонные, или фотоэлектрические (фотоэлементы, фотоумножители, вентильные фотоэлементы, фотодиоды, фототриоды, приёмники на эффекте увлечения), пондеро моторные, фотохимические, а также глаза живых существ. По спектральному диапазону чувствительности приемники оптического излучения разделяют на неселективные, чувствительность к-рых не зависит от длины, волны падающего излучения в широком диапазоне, и селективные, чувствительность к-рых ограничена определ. участком спектра. Различают также одноэлементные и многоэлементные, неохлаждаемые и охлаждаемые приемники оптического излучения.

Параметры приёмников оптического излучения. Свойства и возможности приемников оптического излучения различных типов характеризуют следующими параметрами. По роговая чувствительность - мин. поток излучения, вызывающий на выходе приёмника сигнал, равный напряжению собств. шумов или превышающий их в заданное число раз. Шумами наз. хаотич. сигналы со случайными амплитудами и частотами, возникающими в цепи включения приёмника при отсутствии измеряемого потока излучения. Т. к. мощность шумов приёмника зависит от площади чувствит. площадки приёмника и существенна в полосе частот усилителя сигнала, то для сравнения разл. приёмников служит пороговая величина потока излучения, отнесённая к единичной полосе пропускания (1 Гц), единичной площади

и измеряемая в Вт/Гп

На практике используют обратную величину, измеряемую в см · Гц

Вт и называемую обнаружите львов способностью. Эта характеристика, будучи независимой от размера чувствит. площадки, удобна для сравнения разл. типов приёмников.

Интегральная чувствительность (коэф. преобразования) - отношение сигнала на выходе приёмника (тока или напряжения) к величине мощности оптич. излучения сложного спектрального состава, вызвавшего появление этого сигнала; измеряется в А/Вт, В/Вт. В ряде случаев интегральная чувствительность выражается как отношение сигнала приёмника к значению освещённости его входного окна; измеряется в А/лм, В/лм.

Постоянная времени - время, за к-рое сигнал на выходе приёмника нарастает от нуля до значения, равного 0,63 от стационарного значения. Этот параметр служит мерой способности приемников оптического излучения регистрировать оптические сигналы мин. длительности, а также определяет максимально возможную частоту модуляции потока излучения, регистрация к-рого происходит ещё без искажения.

Спектральная чувствительность характеризует реакцию приёмника при действии на него монохроматич. (с длиной волны l) потока излучения. Область спектральной чувствительности охватывает такой диапазон длин волн около данной конкретной l, в к-ром чувствительность приемника оптического излучения составляет не менее 10% своего макс. значения. Относит. спектральная чувствительность - зависимость отношения монохроматич. спектральной чувствительности к спектральной чувствительности в максимуме кривой спектральной чувствительности.

Приемники оптического излучения обладают и частотной характеристикой - зависимостью чувствительности приёмника от частоты модуляции падающего на него излучения. Вид этой характеристики определяется постоянной времени и видом модуляции.

Тепловые приёмники оптического излучения реагируют на энергию, поглощённую чувствительным приёмным элементом. Поглощённая энергия приводит к нагреванию чувствит. элемента и повышению его температуры, к-рая может быть измерена непосредственно. Возможна регистрация и вызванных нагревом изменений к--л. др. физ. параметров вещества этого чувствит. элемента, напр. электропроводности, давления газа и т. п. Совр. тепловые приёмники позволяют обнаруживать повышение температуры термочувствит. элемента при его облучении на

К и измерять мощности Вт.

Такое изменение температуры нельзя измерить непосредственно, применяют разл. косвенные методы. По принципу такого преобразования тепловые приёмники разделяются на неск. типов. Термоэлементы (термопары) - приемники оптического излучения, основанные на термоэлектрич. Зеебека эффекте - возникновении эдс в контуре из разл. материалов, спаи к-рых имеют неодинаковую температуру. На один из спаев контура направляется измеряемое излучение, что приводит к повышению температуры этого спая по сравнению с температурой другого (холодного) спая. Возникающая при этом эдс служит мерой измеряемого потока излучения. Металлич. термоэлементы изготовляют из Си, Ni, Pt, константана и др.; в полупроводниковых элементах применяют Sb, Si, Те и др. Для увеличения первонач. электрич. сигнала вместо одного термоэлемента используют систему последовательно включённых термоэлементов. Такие системы наз. термостолбиками. Результирующая эдс термостолбика равна сумме эдс входящих в него термоэлементов. Для уменьшения уровня помех термоэлементы (термостолбики) помещают в вакуум, окружают охлаждаемыми экранами, применяют компенсац. схемы, в к-рых два одинаковых термоэлемента включены навстречу друг другу. Лучшие термоэлементы имеют следующие параметры: постоянная времени (1-3)·

с, порог чувствительности (4-6)·

коэф. преобразования 5-20 В/Вт.

Пироэлектрич. приёмники основаны на способности сегнетоэлектрич. материалов создавать электрич. заряды на своей поверхности при вызванных нагревом механич. деформациях. Приёмники этого типа представляют собой тонкую пластинку, вырезанную определ. образом из пироэлектрич. кристалла, на к-рую нанесены металлич. электроды и слой поглощающей черни. Излучение, падающее на чернь, вызывает нагрев кристаллич. пластинки и появление зарядов на электродах. Пороговая чувствительность пироэлектрич. при-ёмнпков не зависит от размеров площадки чувствит. элемента (изменяется от 0,25 до 400

), и потому они могут иметь разл. конструктивные формы. Пироэлект-рич. эффектом обладают кристаллы триглицинсульфа-та, ниобата лития, керамики типа цирконата-титоната бария или свинца и др. Параметры пироэлектрич. приёмников изменяются в широких пределах: постоянная времени 2·

-2·

с, порог чувствительности 1 ·

- 1 ·

коэф. преобразования 5-

В/Вт. В длинноволновой области спектра этот приёмник является единственным, работающим при ВЧ-моду-ляции без охлаждения. Спектральная область работы определяется областью поглощат. способности черни.

Болометры - приёмники, действие к-рых основано на изменении нек-рых физ. параметров чувствит. элемента при его нагревании вследствие поглощения потока излучения. Наиб. распространение получили болометры сопротивления, основанные на зависимости электрич. сопротивления металлич. и полупроводниковых материалов от температуры. Термочувствит. элемент болометра представляет собой тонкий слой металла (Ni, Au, Bi и др.), поверхность к-рого покрывается слоем черни, имеющей большой коэф. поглощения в широкой области длин волн. Полупроводниковые болометры (термисторы) изготовляются из Ge и Si, a также из окислов Ni, Mn, Co. Сверхпроводящие болометры работают при глубоком охлаждении (3-15 К). Они основаны на использовании резкого изменения электрич. сопротивления металла в области перехода его от нормального состояния к сверхпроводящему. Для уменьшения влияния тепловых помех совр. болометры делают компенсац. типа, когда в два плеча мостовой схемы включены одинаковые термочувствит. элементы. Излучение направляется на один элемент, а другой служит для компенсации изменения температуры окружающей среды и радиац. помех. Для уменьшения порога чувствительности площадь болометрич. полоски делается небольшой, а для уменьшения постоянной времени - очень тонкой. Типичные размеры болометра: площадь 0,3

толщина 0,1-0,01 мкм. Порог чувствительности металлич. болометров, работающих без охлаждения, при собств. сопротивлении 5-50 Ом составляет

при коэф. преобразования 5-25 В/Вт и постоянной времени 2·

с. Типичные параметры полупроводниковых болометров, работающих как без охлаждения, так и с глубоким охлаждением: собств. сопротивление 2-10 МОм, коэф. преобразования 50-5000 В/Вт, пороговый поток

постоянная времени (1-5)·

с. Для сверхпроводящих болометров из нитрида ниобия, Pt и Ge порог чувствительности составляет

постоянная времени

с.

Оптико-акустич. приёмники. К ним относятся приёмники, у к-рых повышение температуры, вызванное поглощением излучения, непосредственно преобразуется в механич. работу регистрирующего устройства. Оптико-акустич. приёмник представляет собой небольшую герметич. камеру, наполненную газом (гелием; двуокисью углерода), в к-рой расположена зачернённая пластинка. Одной из сторон камеры служит окно, прозрачное для излучения, а другой - гибкая мембрана. Излучение, падающее на зачернённую пластинку, нагревает её, что приводит к повышению температуры и давления газа в камере. Обычно в оптико-аку-стич. приёмник направляют модулиров. излучение, и потому мембрана колеблется с амплитудой, зависящей от мощности потока излучения. Изменение кривизны мембраны преобразуется в электрич. сигнал, к-рый может быть измерен. Оптико-акустич. приёмники без зачернённой пластинки основаны на поглощении оптич. излучения непосредственно газом, заполняющим камеру. Пульсации давления газа улавливаются микрофоном, сигнал с к-рого усиливается и измеряется. В этом случае оптико-акустич. приёмник является селективным, т. к. он обладает чувствительностью только в оп-редел. областях спектра (в полосах поглощения газа). Постоянная времени оптико-акустич. приёмников (2- 3)·

с, порог чувствительности 1·

коэф. преобразования 4·

В/Вт.

Фотоэлектронные приёмники оптич. излучения непосредственно преобразуют эл--магн. энергию излучения в электрическую. Их разделяют на приемники оптического излучения с внешним и внутренним фотоэффектом.

Фотоэлемент - эл--вакуумный прибор, преобразующий оптич. излучение в электрич. сигнал; основан на явлении эмиссии электронов с поверхности твёрдого тела при поглощении фотонов. "Красная граница" чувствительности таких приёмников определяется работой выхода электронов с поверхности твёрдого тела. Для большинства металлов она лежит в видимой и ближней УФ-областях, для полупроводников - в видимой и ближней ИК-областях, для диэлектриков - в области вакуумного ультрафиолета. Простейший фотоэлемент с внеш. фотоэффектом представляет собой вакуумированный стеклянный баллон, на часть внутр. поверхности к-рого нанесён фоточувствит. слой (фотокатод). В центре баллона находится анод в виде сетки или кольца; между анодом и катодом приложена разность потенциалов, создающая ускоряющее электрич. поле. Электроны, вылетающие из фотокатода при его освещении, попадают под действием поля на анод, создавая ток во внеш. цепи. Область спектральной чувствительности фотоэлемента зависит от материала фотокатода. Всего существует 15 типов спектральных характеристик фотокатодов. Широкое распространение получили три типа фотокадов: Sb - Cs с областью чувствительности 160-250 нм; Ag - О - Cs - 400-1000 нм; мультищелочной (Sb, К, Na, Cs) - 400-80 нм. В отсутствие освещения в цепи фотоэлемента течёт ток (наз. темновым), вызванный спонтанной термоэмиссией с фотокатода. Порог чувствительности фотоэлемента определяется флуктуациями темнового тока, на фоне к-рого измеряется фототок. Ср. величина темнового тока зависит от типа фотокатода и разности потенциалов между анодом и катодом. При комнатной температуре плотность темнового тока у мультищелочного фотокатода составляет

у фотокатода типа Ag - О - Cs -

Охлаждение фотокатода до температуры жидкого азота (77К) приводит к снижению темнового тока на три-четыре порядка, но и к одноврем. уменьшению порога чувствительности. Постоянная времени вакуумных фотоэлементов составляет

с.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - эл--вакуумный прибор, преобразующий оптич. излучение в электрич. сигнал с последующим его усилением за счёт вторичной эмиссии, суть к-рой состоит в испускании электронов поверхностью твёрдого тела при её бомбардировке электронами большой энергии. Т. к. число вторичных электронов превышает число первичных, то, многократно повторяя такой процесс, можно получить значит. усиление первичного электрон-ноге тока. У совр. ФЭУ с 12 каскадами (динодами) ко-эф. усиления достигает

Спектральная чувствительность ФЭУ определяется типом фотокатода и полосой пропускания материала входного окна. Постоянная времени ФЭУ составляет

с. Порог чувствительности ФЭУ, как и у фотоэлементов, определяется флуктуациями темнового тока, а также флуктуациями вторичного тока вторичной эмиссии динодов и составляет

Для снижения величины темнового тока и порога чувствительности применяют охлаждение. Кроме ФЭУ с дискретными эмиттерами, используют ФЭУ с непрерывными эмиттерами в форме канала (каналовые ФЭУ). В простейшем случае ФЭУ этого типа представляют собой трубку из диэлектрика (кварц, стекло), внутр. поверхность к-рой покрыта слоем полупроводника. К концам трубки приложено напряжение 2-3 кВ, создающее вдоль неё электрич. поле. Один конец трубки располагается вблизи фотокатода; второй конец располагается около коллектора для сбора электронов. Обычно длина трубки 100-150 мм, ди-ам. 1,5-2,0 мм. Коэф. усиления каналового ФЭУ достигает

Для увеличения чувствительности фотокатодов, применяемых в фотоэлементах и ФЭУ, используют многократное прохождение излучения через фотокатод за счёт полного внутр. отражения на границах раздела стекло - воздух и фотокатод - вакуум. Световой луч вводится в фотокатод под нужным углом с помощью призм, находящихся в оптическом контакте с плоским входным окном приёмника. При многократном прохождении через фотокатод излучение почти полностью поглощается; при этом порог чувствительности приближается к теоретич. пределу.

При регистрации оптич. излучения, модулированного частотой (100 МГц), используют спец. виды фотоприёмников с внешним фотоэффектом. К их числу относятся динамич. и статич. ФЭУ со скрещенными полями, вакуумные фотодиоды, СВЧ-фотоэлементы, фотоэлементы и ФЭУ бегущей волны, импульсные скоростные фотоэлементы.

Фоторезисторы (фотосопротивления) - простейшие полупроводниковые структуры с одним типом проводимости, у к-рых под действием падающего оптич. излучения происходит изменение проводимости вследствие образования в них носителей заряда (электронов и дырок). Этот эффект наблюдается в полупроводниках при энергии падающего фотона, недостаточной для возникновения внеш. фотоэффекта, но достаточной для перехода носителя из валентной зоны в зону проводимости. Фотоны с такой энергией вызывают внутр. фотоэффект, увеличивая в зоне проводимости и в валентной зоне число носителей заряда. Величина запрещённой зоны определяет "красную границу" чувствительности фоторезисторов. Фоторезистор представляет собой тонкую пластинку или плёнку из полупроводника, нанесённую на подложку из изоляц. материала и помещённую в корпус с защитным окном; через контакты, к чувствит. слою подводится питающее напряжение. Охлаждаемые фоторезисторы обычно монтируют на внутр. дне сосуда Дьюара. Схемы включения фоторезисторов аналогичны схемам включения болометров. Приёмник, чувствительный в ДВ-области спектра, изготовляют из материала с узкой запрещённой зоной. Однако чем уже запрещённая зона, тем больше носителей возбуждается не фотонами, а термич. путём. Принято считать, что фоторезисторы, чувствительные к излучению с длиной волны до 3 мкм, охлаждения не требуют; в диапазоне 3-8 мкм необходимо охлаждение до 77 К; фоторезисторы для диапазона 8-30 мкм требуют глубокого охлаждения до 3-5 К. Наиб. широкое применение получили фоторезисторы на основе сульфида цинка (рабочая область спектра 0,3-0,9 мкм), селенида кадмия (0,35-1,1 мкм), сульфида свинца (0,4-3,6 мкм), селенида свинца (0,54-4,0 мкм), антпмонида индия (2,2-9,0 мкм), германия, легированного золотом и ртутью (1,8-9,0 мкм). Постоянная времени фоторези-сторов определяется временем установления стационарного состояния неравновесных носителей заряда, возникающих при освещении, зависит от природы полупроводника и варьируется для разл. фоторезисторов от

до

с. Пороговая чувствительность фоторезисто-ров составляет

Приёмники излучения с p - n-переходом могут работать в фотогальванич. пли фотодиодном режимах. В первом случае приёмник при облучении генерирует эдс без внеш. источника питания, во втором - к приёмнику подводится внеш. напряжение, и ток, проходящий через нагрузочное сопротивление, изменяется в зависимости от освещённости p - n-перехода. Особую группу составляют фотогальванич. приёмники с ионным легированием, напр. HgCdTe. Обнаружит. способность приёмников на основе ионолегиров. переходов равна 7·

, при длине волны 10,6 мкм и температуре 77 К. Фотогальванич. приёмники на основе сплава PbSnTe в спектральной области 8-12 мкм обладают обнаружит. способностью 2·

и постоянной времени 1,5·

с.

Особую группу фотогальваннч. приёмников составляют приёмники с продольным (или латеральным) фотоэффектом. Суть эффекта состоит в том, что при неравномерном освещении p-n-перехода наряду с попереч-ной эдс между р- и n-областями образуется эдс, направленная вдоль перехода. Продольный фотоэффект на p-n-переходе используют в координатно-чувствит. приёмниках, предназначенных для определения координат точки, в к-рую сфокусировано излучение.

Вторым типом приёмника с p-n-переходом являются фотодиоды. Они отличаются от фотогальванич. приёмников тем, что на них подаётся внешнее запирающее напряжение. В таких приёмниках при освещении приконтактной области образующиеся носители заряда уменьшают сопротивление переходного слоя, вызывая увеличение тока в цепи. Наиб. широко используются фотодиоды из Ge и Si, а также фотодиоды на основе полупроводниковых соединений InAs, CdSe, InSb. Осн. преимуществом германиевых и кремниевых фотодиодов является то, что они не требуют охлаждения.

Значит. увеличения чувствительности достигают в лавинных фотодиодах и фототриодах (фототранзисторах). Лавинные фотодиоды основаны на явлении лавинного электрич. пробоя p-n-перехода - лавинообразного роста числа носителей заряда, размножающихся ударной ионизацией. Лавинное усиление тока достигает величины (2-3)·

у германиевых и

у кремниевых лавинных фотодиодов. Порог чувствительности лавинных фотодиодов, работающих в режиме счётчика фотонов, достигает

Фототриоды отличаются от фотодиодов дополнит. усилением фототока на втором p-n-переходе. Фототриод соединяет в себе свойства фотодиода и усилит. свойства транзистора. Однако наличие дополнит. перехода приводит к сильному снижению чувствительности этих приёмников. Спектральные характеристики фототриодов такие же, как и у фотодиодов из аналогичных материалов.

Другие типы приёмников оптического излучения. Для регистрации сверхкоротких импульсов лазерного излучения ПК-диапазона разработаны приемники оптического излучения, основанные на увлечении электронов фотонами. При взаимодействии излучения с веществом (внутризонное поглощение на свободных носителях, переходы между подзонами в валентной зоне) вдоль направления распространения излучения возникает движение носителей заряда вследствие наличия у эл--магн. волны конечного импульса. Это движение носителей регистрируется в виде тока или напряжения. Приемники оптического излучения такого типа имеют постоянную времени

с, не требуют принудит.

охлаждения и использования источников питания. Ещё большее временное разрешение до

с может быть получено при использовании приёмников с микроантенной на основе структур металл - окисел - металл, работающих как туннельный диод .Недостатком
приёмников этого типа является их малая чувствительность.

Пондеромоторные (механические) приемники оптического излучения реагируют на давление света ,для измерения к-рого служат разл. типы датчиков (ёмкостный, пьезоэлектрический), но чаще всего используют крутильные весы. Значит. увеличение чувствительности крутильных весов достигается заменой торсионного подвеса чувствит. элемента бесконтактным подвесом в магн. поле. Жёсткость крутильных колебаний при этом может быть уменьшена на 3-4 порядка. Однако применение приёмников этого типа ограничено, т. к. они очень чувствительны к вибрациям и тепловому излучению окружающей среды.

К фотохимическим приемникам оптического излучения относятся все виды фотослоев, используемых в совр. фотографии. Несмотря на различия между отд. фотогр. процессами, они могут быть разделены на две группы: процессы на галогеносеребряных материалах и процессы на фотопроводящих материалах, к-рые наз. также электро-фотогр. процессами. Фотогр. процесс состоит из двух стадий. Первая стадия - образование скрытого изображения под действием излучения в процессе экспонирования. Вторая стадия - визуализация скрытого изображения путём проявления и его закрепления для повышения стойкости к внеш. воздействиям. Под действием света после проявления и фиксирования в све-точувствит. слое создаётся стойкое фотогр. почернение. Мерой величины поглощённой энергии служит оптическая плотность проявленного фотослоя. В зависимости от назначения галогеносеребряные слои имеют широкий диапазон чувствительности

и разрешающей способности (25 и 2000

соответственно). Электрофотогр. материалы имеют чувствительность от

(селеновые слои) до

(фототермопластич. слои); разрешающая способность соответственно 60 и 1000

К приемникам оптического излучения могут быть отнесены и глаза живых существ. Область спектра, в к-рой чувствителен глаз человека (0,4-0,7 мкм), наз. видимой областью. Человеческий глаз - селективный приёмник с макс. чувствительностью ок. 555 нм. Оптич. схема глаза образует на сетчатке, содержащей светочувствит. элементы (палочки и колбочки), действительное перевёрнутое изображение предмета (см. Зрение ).Диаметр зрачка глаза в зависимости от условий освещённости изменяется от 1,5 до 8,0 мм; освещённость сетчатки глаза при этом изменяется примерно в 30 раз. Адаптированный к темноте глаз человека имеет пороговую чувствительность

что соответствует десяткам фотонов в 1 с. Свойство глаза видеть раздельно две близко расположенные точки предмета наз. разрешающей способностью; она характеризуется угл. пределом разрешения. Глаза др. живых существ отличаются большим разнообразием, напр. глаза нек-рых насекомых реагируют на поляризов. свет.

Для получения двумерного изображения излучающего объекта служат многоэлементные приемники оптического излучения с дискретно или непрерывно распределёнными по поверхности приёмными элементами. К ним относятся фотопластинки, фотоплёнки, электронно-оптич. преобразователи, многоплощадочные полупроводниковые болометры и фоторезисторы, эвапорографы (см. Эвапорография).

Приемники оптического излучения применяются в спектроскопии, квантовой электронике, астрономии, космич. исследованиях, ав-томатич. системах управления и т. д.

Литература по приемникам оптического излучения

Знаете ли Вы, что такое "усталость света"?
Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.