Színképtartományok és jellemzőik:
1
Radio- és fotometria Radiometria: hullámhossz független érzékelés, tárgyalás szokásos energetikai egységekben [jelölésben „e”]
Fotometria: hullámhossz függő érzékelés, melyet a világosra adaptált emberi szem láthatósági függvénye ír le [jelölésben „v”]
Az emberi szem láthatósági függvénye: • Fotopikus látás: normális megvilágítás esetén; színlátás; max. 555 nm • Szkotopikus látás: gyenge megvilágítás; csak alaklátás; max. 507 nm • Mezopos látás: átmenet; először a vörös színei „tűnnek el”, leghosszabb ideig a kék színek maradnak meg. 2
Fényáram: [lumen, lm] – sugárzott spektrális teljesítményből a láthatósági függvénnyel korrigált mennyiség:
λ2
∫
Φv = K max Φe,λ (λ ) V (λ ) dλ λ1
Kmax = 683 lm/W maximális spektrális fényhasznosítás
Fényhasznosítás: [lm/W] – kibocsátott fényáram és felvett villamos teljesítmény hányadosa:
Φv η= Pbe
3
Fényerősség: [kandela, cd] = 1 lm/sr: SI mértékegység – annak az 540 THz-es (λ = ~555 nm) monokromatikusan sugárzó fényforrásnak adott irányban kibocsátott fényerőssége, amely sugárerőssége ebben az irányban 1/683 W/sr. d Φv ← forrás adott irányt tartalmazó elemi dΩ térszögbe sugárzott fényárama Iv = dΩ dΩ =
Fénysűrűség: [cd/m2]
d A cos α r2
• világító felület vizsgált irányú vetülete felületegységének fényerőssége = megvilágítás térszög szerinti sűrűsége → mérés alapja → olyan esetekben is értelmezhető amikor a sugárzó felülete nem határozható meg (pl. tagolt térrész, égbolt, stb.). 4
Felületi fényáram (adó) – megvilágítás (vevő): [lux, lx] • felületegységre eső fényáram [1 lx = 1
lm/m2]
Ev =
r
Iv cos α távolságtörvény 2 r – fényforrás adott irányú fényerőssége – fényforrás és a felület távolsága
α
– beesési irány és a felület normálisa közti szög
d Φv dA
Ev = Iv
Megvilágítottság (expozíció): [lx s] H v = ∫ Ev d t
5
Radiometriai- és fotometriai mennyiségek rendszerezése:
Radiometriai mennyiség
Egység
Fotometriai mennyiség
Egység
Sugárzott teljesítmény (Φe = P)
W
Fényáram (Φv)
lm
Sugárerősség (Ie = PΩ)
W sr–1
Fényerősség (Iv)
cd
Kisugárzott (adó) / besugárzott W m–2 (vevő) felületi teljesítmény (Ee = PA)
Felületi fényáram (adó) / megvilágítás (vevő) (Ev)
lx
Sugársűrűség (Le = PA,Ω)
Fénysűrűség (Lv)
cd m–2
W m–2sr–1
6
Fényforrások Fény (foton) kibocsátás: elektromos töltések sebességváltozása révén. Termikus (fekete) sugárzó: Elektromos kisülés: Lumineszcencia: • Katódlumineszcencia: • Kemilumineszcencia: • Fotolumineszcencia: • Elektrolumineszcencia: félvezető fényforrás: lézer (koherens):
magas hőmérséklet → foton emisszió E tér hatására gáztérben ütközési ionizáció atomi/molekuláris rendszer gerjesztése → alapállapot foton emisszióval gyorsított elektronok ütköznek céltárgy atomjaival → foton kilépés (pl. TV képcső) gerjesztő energia = kémiai reakció speciálisan: biolumineszcencia gerjesztő energia = foton gerjesztő energia = E tér injekciós elektrolumineszcencia indukált emisszió + koherens erősítés
7
Termikus fényforrások:
PA,Ω (λ , T )
• Abszolút fekete test: Stefan-Boltzmann-tv. PA, tot [Wm −2 ] = σ T 4 Wien-tv. λmaxT = 2898 [µm K ] Planck-tv. PA,Ω (λ , T ) =
2 c2h
λ5 (e hc/λ k BT − 1)
Kirchoff: a + r + t = 1 e1 / a1 = e2 / a2 = ... = PA,Ω (λ , T ), a = 1 → e = PA,Ω (λ , T )
8
Fekete test sugárzók: • Alacsony hőmérsékletű (~300-500 K): – Fix T: T beállítása alacsony olvadáspontú fémmel (Ga: 302,92 K, In: 429,75 K)
– Változtatható T: folyadék keringetése pontosan szabályozott T-n üregsugárzó nagy hőkapacitású, jó hőcserét biztosító Cu-tömbben
• Magas hőmérsékletű (~3000 K): elektromos fűtés (5-10 kW) általában grafit optikai stabilizálás oxigénmentes környezet! vízhűtés! élettartam (pl. Oriel 62500): 500 h 2500 K, 50 h 2900 K a = 0,998 ± 0,001 0,05% stabilitás (látható tart.) 9
Izzólámpa szürkesugárzó (IR-tartalom kisebb)
szimuláció: Makai László
UV: kvarc búra 2700-3200 (3600) K színhőmérséklet (T ↑: hatásfok ↑) T ↑: W párolgás ↑: csökkentése W-halogén + Kr/Xe töltés 3, 5 Pki ~ U be
Elektromos kisülés:
10
Kisülési (spektrál-) lámpa: alapgáz + adalékolás + 2 elektróda (W) Működés: I → katódból termikus elektronemisszió, U (E) → ütközési ionizáció (plazma), másodlagos emisszió: katódba becsapódó ⊕ ionok.
• Alacsony nyomású (102 Pa): rekombináció valószínűsége kicsi → parázs (glimm-) kisülés (állandó U és J, kis T, karakterisztikus sugárzás) neon (hélium) töltés: hideg elektródás piros (narancs) kisülés fluoreszcens lámpa: kisülés + fluoreszkáló réteg (P) üvegen (UV gátlás)
• Magas nyomású (30…300 ⋅102 Pa): p gyártástól vagy működés közben nő nagy E → másodlagos termikus emisszió (T nő) → ívkisülés (termikus sugárzás is) rövid (kompakt) ívlámpa: 1-15 mm elektródaköz (Hg, Xe) fém-halid lámpa: 5-14 mm, 5600 K, kis kibocsátott hő (pl. vetítő) hosszú ívlámpa: (Kr, Xe) UV-IR, 2-5 kW teljesítmény (pl. pumpálás)
11
Spektrállámpa: + keskeny sávszűrő (interferenciaszűrő): → spektroszkópia, → fluoreszcens mikroszkópia, → orvosi, kémiai analízis nagynyomású Hg-ívlámpa
Indukciós lámpa: plazma létrehozása mikrohullámmal → elektróda nélküli Kisülőlámpák leggyakoribb meghibásodásai az elektródákhoz köthetők: – katód degradáció – problémák az árambevezetésnél Előnyök: mikrohullám áthatol a kisülőcső falán → forrás lehet a kisülőcsövön kívül – nincs szükség katódokra, árambevezetésekre – nincs elektróda-veszteség
12
Szigetelővel akadályozott kisülőlámpák (DBD): két fémelektródát szigetelőréteg(ekk)el választják el • Nagynyomású kisülőlámpa: kisülés erősen inhomogén
• Kontrakció: a termikus egyensúly következménye → nem-egyensúlyi plazmát kell létrehozni • Begyújtás után a töltések felhalmozódnak a szigetelőrétegeknél → áram hamar (~ns) megszűnik a tértöltés növekvő ellentere hatására → nagy nyomáson sem jön létre termikus egyensúly • U~: letörés minden félperiódusban • Energia jórészt gerjesztésre fordítódik → töltőgáz (Xe) alig melegszik • Elektródákat kisülés nem károsítja • Nagy E: magasabb nívók is gerjeszthetők • Nagy p: hármas-ütközés valószínűsége nő 2 Xe + Xe*= Xe + Xe2* 7,2eV foton ↑ instabil excimer molekula
13
Lumineszcencia – természetes sugárzók: Sarki fény (Aurora Polaris): napkitörésből töltött részecskék ütközése a felső Magyarországról
légkör gázmolekuláival (mágneses sarkoknál) >100 km magasság oxigén: zöld, vörös, nitrogén: kékes-ibolya Északi sarknál
űrből
Biolumineszcencia:
14
Lumineszcencia – fotolumineszcencia:
gerjesztett állapot foton hatására → spontán legerjesztődés foton kibocsátással Gyors folyamat (ns): fluoreszcencia, Lassú folyamat (gerjesztés után is sugároz): foszforeszcencia. Energia megmaradás → kibocsátott foton energiája nem lehet nagyobb, mint a gerjesztő fotoné (a). Köztes nemsugárzó átmenetek is lehetségesek (b):
λbe
λki
λbe
λki
hf 2
hf1
a
b Eki < Ebe ⇒ λki > λbe
csapda h ( f1 + f 2 )
c λki < λ1 hc ⇒ E = hf = λ λki < λ2
Két vagy több foton elnyelése esetén a kilépő foton energiája lehet nagyobb → frekvencia felkonvertálás (c) Feltétel: csapda, mely az elektront tárolja a következő foton elnyeléséig 15
Félvezető fényforrás: nyitóirányban előfeszített p-n átmenet → elektron–lyuk pár generálás → nagy számú spontán rekombináció (indukált elektrolumineszcencia). light emitting diode (LED): V >Vth
semiconductor optical amplifier (SOA): foton-indukált emisszió
semiconductor injection laser SOA+visszacsatolás
V
16
• LED: töltéshordozó-injekció hatására kialakuló foton fluxus (dN p /d t ) : Φ p = ηi wA (∆n / τ ) = wA (∆n / τ r ) = ηi iinj /e
(η i = τ / τ r )
belső kvantumhatásfok térfogat rekombinációs ráta (teljes, sugárzó)
Spektrális (foton)sűrűség [s–1Hz–1m–3]: ∆ν FWHM ≈
Energia diagram: spontán emisszió
1,8 k B T h
pumpált félvezető T=0K
T>0K
17
LED paraméterek: Kimenő fluxus: Φo = η eΦ p = η eηi iinj /e = η ex iinj /e transzmissziós és külső hatásfok Kimenő teljesítmény: Po = hν Φo Meredekség: ℜ = Po / iinj = ηex (1,24 / λo [µm]) Spektrális eloszlás:
ℜ
Reakcióidő (response time) ~ τr ≈ 1-50 ns Eszköz kialakítások: felületi v. élsugárzó 18
• SOA: töltéshordozó-injekció hatására kialakuló inverz populáció → foton-indukált emisszió. Előnyök: integrálható, kis méret, kis reakcióidő (~10 THz sávszélesség). Hátrányok: nagy becsatolási veszteség (3-5 dB/oldal), T instabilitás, polarizáció-érzékeny.
SOA paraméterek: Erősítés: foton–töltéshordozó kölcsönhatás, ha hν > E g → abszorpció → elektron–lyuk pár generálás → indukált rekombináció → több foton → koherens optikai erősítés.
19
SOA pumpálás: → optikai pumpálás (hν > E g ) állandósult inverz populáció, ha sávbeli relaxációs idő<<sávközi relaxációs idő. → pumpálás árammal: nyitóirányú előfeszítés. Erősítés:
G = exp(γ p d ) G > 1, ha γ p > 0 csúcserősítési együttható: ∆n
JT =
J
− 1 = α − 1 γ p ≈ α ∆nT JT
el
ηiτ r
∆nT
átlátszósági áramsűrűség
pl. InGaAs SOA: T=300 K, τr=2,5 ns, ηi=0,5 l=2 µm, d=200 µm, w=10 µm α=600 cm–1 (absz. koeff.), ∆nT=1,25 1018 cm–3 → JT=3,2 104 A/cm2, iT=JT A=640 mA. Ha J =3,5 104 A/cm2 → G≈3.
20
J csökken, ha l csökken. Probléma: kis l-ből a töltéshordozók kidiffundálnak. Megoldás: JT csökkentése heterostruktúrás félvezetővel: pl. p-p-n kettős heteroátmenet: Eg2 < Eg1 = Eg3 Egyensúlyban az Ef Fermi-szintek kiegyenlítődnek → a vezetési sáv élesen csökken a p-p határon, a vegyérték sáv élesen csökken a p-n határon. Nyitóirányú előfeszítés → n felől injektált kisebbségi elektronok nem jutnak át a p-p potenciálgáton, p felől injektált kisebbségi lyukak nem jutnak át a p-n potenciálgáton → közös tartományban maradnak → rekombinációs centrum, (τr csökken a középső tartományban) 21
Erbiummal adalékolt üvegszálas optikai erősítő: EDFA
540
• ritka földfém: foszforeszkáló, megfelelő energianívók optikai erősítésre
670 820 980
• 1480/980 nm-es fotonok elektronokat gerjesztenek metastabil állapotba
metastabil állapot
1480
• legerjesztődés 1550 nm-en bemenet 1480/980 nm pumpáló lézer
csatoló
izolátor
alapállapot +10 dBm
kimenet EDFA
Optikai erősítő alkalmazások: -40 dBm
1525 nm
1575 nm
22
• Félvezető lézer: töltéshordozó-injekció → inverz populáció → foton-indukált, erősített emisszió + visszacsatolás → lézer oszcilláció.
Lézerdióda paraméterek: Erősítés: γ p ≈ α ( J / J T − 1) 2
n −1 1 1 Visszacsatolás: R = , α m = ln d R n +1 nGaAs=3,6 → R=0,32
Rezonátor veszteség: reflexiós (αm), töltéshord. abszorpció/szóródás (αs), töltéshord.+fotonok átmeneti tartományban tartása (confinement, Γ) 1 α r = (α s + α m ) Γ → széles-tartományú, erősítésvezetett, törésmutató-vezetett típus:
homoátmenet
heteroátmenet 23
αr + α JT α Kimenő fluxus: Φo = ηeΦ p = ηeηi (i − ith ) /e Küszöbáram: J th =
emissziós hatásfok Kimenő teljesítmény: Po = hν Φo Differenciális meredekség: d Po 1,24 1,24 ℜ= = ηeηi = ηd λo [µm ] λo [µm ] di differenciális kvantumhatásfok
ℜ
24
Félvezető lézer struktúrák:
Ppeak
• Kettős heteroátmenetes, törésmutató-vezetett (függőlegesen), laterálisan: erősítés/törésmutató vezetett ∆λ~3…20 nm, módustáv. ~ 0,7…2 nm
• Elosztott visszacsatolású (DFB) lézer: vastag (Bragg-) rács: csak 1 módust erősít Ppeak igen drága technológia: → rács maszk: holografikus fotolitográfia v. e-sugaras ligtográfia → rács struktúra: nedves marás (V-alak minősége kristálytani okokból jobb) ∆λ<1 pm, SMSR>50 dB
SMSR
• Függőleges rezonátorú felületsugárzó (VCSEL): aktív zóna felett/alatt 40-60 rétegű (λ/4) tükör (rövidebb rezonátor: nagyobb reflexió kell) körszimmetrikus, kis divergenciájú nyaláb csak egy ablak: monitorozáshoz külön nyaláb kell ∆λ<1 nm
25
Fotodetektorok Detektorok (szenzorok) feladata:
pl.
fényintenzitás
fényfolt-pozíció kép: E(x, y)
fotocella, PMT, MCP fotodióda (PN, PIN, APD) fototranzisztor, fotoFET piroelektromos detektor PSD Vidikon CCD-, CMOS-kamera
U, I
I1,2,3,4 U(t)
Integrált szenzorok:
26
Fényérzékelés elve: Fotodetektor: fotonszámot (fluxust) v. optikai teljesítményt mér az elnyelt fotonok energiájának konverziójával. (Foto)termikus det. Fotoakusztikus det. Fotokémiai det. Fotoelektromos det.
foton → hő → U (lassú, kis hatásfok; piroelektromos d.) foton → hő → ∆p → mech. deformáció (Golay cella) foton → kémiai reakció (szem, film) foton → mobil töltéshordozó → E hatására áram
Fotoeffektus:
külső – fotoelektron emisszió (fotocella, PMT, MCP) belső – fotovezetés (félvezető detektorok)
külső:
Emax = hν − W
(fém)
Emax = hν − ( Eg + χ )
(félvezető)
27
Fotoelektron emisszió: külső fotoeff. – fotokatód, fotoelektron cső PMT – fotosokszorozó (másodlagos emisszió, áramerősítés >107, –V állításával) MCP – mikrocsatornás lemez fotonszámlálás: képerősítő (MCP + elektrolumineszcens foszfor réteg)
1 mm
10 µm
28
Fotokonduktivitás: belső fotoeffektus
Foton abszorpció → elektron–lyuk pár generálás → E hatására transzport. Nagy E → ütközési ionizáció → belső erősítés (lavina fotodióda – APD).
Félvezető fotodetektorok tulajdonságai: Kvantumhatásfok: η = (1 − R ) ζ [1 − exp(−αd )], 0 < η < 1 felületi reflexió nem rekombinálódó töltéshord. párok aránya
behatolási mélység abszorpciós tényező
η = f (λ ), λmax = h c/ E g
Meredekség:
i p = η qΦ p = η G e Φ p =
λ [µm ] P = Gη 0 P = ℜP hf 1,24
ηGe
(responsivity) fotoáram foton fluxus erősítés optikai teljesítmény
29
Reakcióidő (response time) – áthaladási idő szóródás q i (t ) = − υ (t ) w
i (t )V d t = − qE d x E = V /w, υ (t ) = d x /d t
Elektron–lyuk pár generálás x-ben:
υe = µe E , υh = µ h E υ x υ w− x q=e h +e e =e w υh w υe
külső kör és q munkái N számú, 0<x<w között egyenletesen eloszló foton által generált elektron–lyuk párok szállította áram és áthaladási idő szóródás:
τe
τh 30
Detektor típusok: Fotokonduktor: ip vagy up= ip RL érzékelés. Állandósult állapot: rekombináció = generáció ∆n / τ = η Φ p /( wA) fotoelektron koncentráció rekombinációs élettartam térfogat eητ ( µ e + µ h ) Φp τ wA i p ≈ eη Φ p = eη GΦ p τe J p = ∆σ E , µ h << µ e , τ e = w/ve ≈ 10 −8 s
∆σ = e ∆n( µ e + µ h ) =
31
Fotodióda: gyorsabb, mint a fotovezető, de erősítés nélkül. p-n fotodióda (InGaAs, InGaAsP; η ≈0,6-0,8) Az érzékelési tartomány értelmezése: 1. kiürített réteg: elektron-lyuk generáció → gyors drift az ellenkező irányba → ip 2. kiürített réteg közelében töltéshordozók bejuthatnak a kiürített rétegbe → részben ip 3. nincs E tér → véletlen mozgás → nincs ip járulék eV i = is exp k B T
általános i-V karakterisztika:
− 1 − i p
32
p-n fotodióda üzemmódok: szakadás (fotovoltaikus):
rövidre zárt:
záróirányú (fotokonduktív):
33
p-i-n fotodióda – intrinsic réteg a kiürített tartomány növelésére: → fényérzékeny tartomány nő, → átmeneti kapacitás (tRC) csökken (de tdrift áthaladási idő nő), → drift hossz nő (gyorsabb transzport) a diffúziós hossz rovására. Leggyakoribb anyag: Si (λmax≈1,1 µm, η ≈1)
34
Schottky fotodióda – p-n átmenet helyett áttetsző fém film - félvezető átmenet (vagy fém helyett fém tulajdonságú fém-félvezető ötvözet) → hν > W–χ : pl. Au – n-Si (látható), PtSi – p-Si (NUV-NIR) Előnyök: • nem minden félvezető állítható elő p és n formában • UV és VIS érzékelő félvezetők: erős abszorpció, ha hν >> Eg (→ felületi rekombináció → csökkenő η) Schottky: felületi kiürített réteg (nincs felületi rekombináció)
• Igen gyors (ps ~ 100 GHz) ← tRC, tdiff és tdrift is kicsi, valamint a fotoáramot a többségi töltéshordozók generálják
Heterostruktúrás detektor – különböző tiltott sávú anyagok: • Eg(pn) > Eg(i): optikai abszorpció minimális a kiürített rétegen kívül • rácsillesztett anyagokkal tiltott sáv hangolás (pl. HgxCd1-xTe/CdTe: MIR)
35
Analóg pozícióérzékelő detektor – beeső intenzitáseloszlás „súlypontjának” koordinátája mérhető: Beesés helyén töltéshordozó generáció → p-típusú ellenállásrétegen keresztül haladnak az elektródák felé. p-réteg ellenállása egyenletes → elektródákon kifolyó áram fordítottan arányos a beesési pont és az elektróda közt mérhető távolsággal. I0: kifolyó teljes áram Beesõ fény Kimenet
Elektróda
Kimenet x
I1 Fotoáram
I
2
I1 = I 0 Elektróda p-réteg
L+x L−x ;I 2 = I 0 2L 2L
I 2 − I1 x = I 2 + I1 L
i-réteg n-réteg 2L
36
Mátrix detektorok: charge coupled device (CCD) töltések kiléptetése többfázisú órajellel (“vödörlánc”) a. MOS kapacitás: → pixel = fotokapu (a) v. fotodióda (b) Vg ⊕ és foton: a: ~100% kitöltés, kisebb kék érz. (elektróda) el-lyuk pár b: bonyolultabb (kisebb kitöltés), jobb kék érz. → lyuk eltávozik, el. felhalmozódik → integrálási idő, töltés kapacitás → pixelméret/-szám/kitöltési tényező → dinamika-tartomány (lineáris válasz) → min. detektálható jel: SNR=1 → anti-blooming, full-frame, CTE (charge transfer eff.) b. fotodióda, pl.: Eg=0,2 eV → Top=77 K →
37
• Tipikus CCD vonaldetektor és órajelei: korrelált kettős mintavétel
MCLK
φ1 φ2
5T
φAB
5T
T
φTG
5T
φPG
25T
5T
23T
φRG Vout
D20
I1
I2
I3
D1
D2
D3
CDS1 CDS2
38
Mátrix detektorok: CMOS mátrix töltések konvertálása feszültséggé pixelszinten CMOS: pixel = fotokapu/fotodióda +erősítő CCD: • bonyolult előállítási technológia (>150 lépés, analóg/mixed-signal technológia) • bonyolult órajelek és feszültségszintek, analóg kimenet, szekvenciális kiolvasás • kis zaj, uniform pixelek
• bonyolult pixelek (3-5 tranzisztor kitöltés rovására), de CMOS memória-technológia • chipen belüli erősítés/jelátalakítás, 1 táp, digitális kimenet, véletlen elérésű pixelek • uniform pixelválasz egyáltalán nem triviális: fix zajmintázat
kitöltés növelése, de töltés kapacitás nem nő!
Forrás: Photonics Spectra, Aug. (2005)
39
Lavina fotodióda (APD): nagy záróirányú előfeszítés → nagy E a kiürített tartományban → foton hatására gyorsuló töltéshordozók ütközési ionizáció révén még több töltéshordozót szabadítanak fel. A ⊕ visszacsatolás problémái: → időigényes folyamat, → statisztikus → zaj nő, → instabil → lavinaletörés; megoldás: csak egyféle töltéshordozóval üzemeltetni.
a. SAM (separate absorption multiplication) szerkezet: • gyengén adalékolt π: foton befogás (mint p-i-n)
b. többrétegű APD
• p-n+: lavina effektus 40
