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
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.
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 Pmin = f/D [W-1Hz1/2] U většiny plošných detektorů je minimální detekovatelný výkon Pmin úměrný také druhé odmocnině z plošného obsahu S fotocitlivé plochy detektoru Pmin = f S/D [W-1 mHz1/2]
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
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
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
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.
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
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
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.
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 1012 až 1015 W-1Hz1/2
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 : hc 1, 24 c [ m] Eg Eg (eV )
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.
FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, FOTONÁSOBIČ, VAKUOVÁ DIODA, POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD
Fotonásobič
pro detekci velmi slabých signálů 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 v Prazeodezvy - Fakulta biomedicínského inženýrství zesílení až 108ČVUT , doba jednotky ns
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.
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
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 10-11 s). Používají se k měření slabých a krátkých signálů.
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 πvrstvu. 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
superCCD
CCD je akronym z anglického názvu technologie Charge Coupled Device neboli nábojově vázané prvky
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.
DETEKTORY OPTICKÉHO ZÁŘENÍ Lidské oko Fotodioda (fotovoltaické články) CCD snímač UV a IR detektory
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
Lidské oko
Dva typy receptorů : Tyčinky (průměr 2 mikrometry, počet 1.8 x 108) Čípky (průměr 4 mikrometry, počet 7 x 106)
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
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)
OTÁZKY 1.
2.
3. 4. 5.
6. 7.
Definice základních parametrů optických detektorů (detektivita, konverzní účinnost, časová odezva, spektrální charakteristika) Tepelné detektory Fotoelektrické detektory (princip, představitelé) Fotonásobič Fotodiody (vč. Lavinové a Schottky) Princip CCD Vnitřní a vnější fotoelektriký jev
