Márton Zsuzsanna (Márton Zsuzsanna (1123457),2,3,4,5,7 ... · Megjegyzések elöljáróban • A fény mérésével az optika különböző területein foglalkoznak • Az egyik

Á ti f lké íté h i ELI j ktt l ö fü ő ké é i é K F f l d t k "„Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"

Optikai mérési módszerek

Márton Zsuzsanna (1 2 3 4 5 7)Márton Zsuzsanna (1,2,3,4,5,7)Tóth György (8,9,10,11,12)

Pálf l i Lá ló (6)Pálfalvi László (6)

TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 1

2. előadás A fény mérése

A fény detektálása a fény-anyag kölcsönhatás során fellépő különböző fizikai jelenségeken alapul. Ebben a fejezetben napjainkban használatos fénymérő

k k űk dé l é lk l á l ll ő l d áeszközök működési elvét, alkalmazási területeit, jellemző tulajdonságait ismertetjük.

• Termális detektorok, bolométerek• Fotodiódák, fotovoltaikus detektorok, • Fotokatód, fotocella, • Fotoelektron sokszorozók, képerősítők.• CCD ICCD kamera• CCD, ICCD kamera,• Fotonszámlálás, • Gyors tranziens jelek mérése


y j

Megjegyzések elöljáróban• A fény mérésével az optika különböző területein foglalkoznak

• Az egyik ilyen terület a radiometria. A radiometriában a fluxussűrűséget (azaz a f lül j ó lj í é é f lül á á k há d á ) i di iá kfelületre jutó teljesítmény és a felület nagyságának hányadosát) irradianciánaknevezzük. Az irradiancia mértékegysége W/m2.

• A fotometria egy másik szakterület ami a fény pszichofizikai hatásaival foglalkozik IttA fotometria egy másik szakterület, ami a fény pszichofizikai hatásaival foglalkozik. Itt a fluxussűrűséget megvilágításnak (illuminancia) hívják és lux-ban mérik. 1 lux=1 lumen/m2.

• A radiometria és a fotometria egyaránt olyan elektromágneses terekkel foglalkozik, amelyeknek a frekvenciája egy viszonylag széles tartományba esik és fázisa véletlenszerűen változik.

• Nanoszekundumnál nem rövidebb lézerimpulzusok esetén általában egy szűk tartományba esik a frekvencia, és konstansnak tekinthető a fázis. Ezen a területen a fluxussűrűséget intenzitásnak nevezzük Intenzitás alatt a Poynting vektor nagyságátfluxussűrűséget intenzitásnak nevezzük. Intenzitás alatt a Poynting vektor nagyságát értjük, azaz az egységnyi felületen időegység alatt merőlegesen átáramló energia nagyságát. (A fs-os és az alatti tartományban az impulzusok a határozatlansági reláció miatt is jelentős kiszélesedést mutatnak a frekvencia tartományban )miatt is jelentős kiszélesedést mutatnak a frekvencia tartományban.)


Mit mérünk amikor fényt mérünk?• A fényteljesítménynek egy bizonyos időtartamra vett átlagát. Az időtartam a

detektorra jellemző érték.

f y

• Poynting megmutatta, hogy ha a tér egy pontjában egyszerre van jelen elektromos és mágneses tér, akkor ott energia áramlik. Az egységnyi felületen átáramló teljesítményt a Poynting-vektor adjaátáramló teljesítményt a Poynting vektor adja.

ahol , mert 00 rrEkBHBEHES εεεμμμμε

==×==×=×= ,,1 rrr

rrrrrrr

• Tekintsünk most egy monokromatikus síkhullámot! (Mivel a Poynting-vektorban a térerősség négyzete szerepel, valós alakban kell felírni.)

μμμ

)cos(

222

0

εμ

φω +−=

kn

rktEEr

rrrrrr

rrrr

• ahol ̅k a hullámszám vektor

)(cos)(cos)( 220

200 φω

μφω

μεμ

+−=+−××= rktkkE

cnrktEkE

kS rr

ahol k a hullámszám vektor


Az intenzitás a Poyting-vektor időátlaga

∫+

+−==Tt

t

dtrktT

Ec

nSI0

0

)(cos1 220 φω

μrrr

t0

• Az integrálás a detektorra jellemző T időtartamra vonatkozik.

• Térjünk át ωt szerinti integrálásra és használjuk ki hogy )2cos1(1cos2 θθ +=Térjünk át ωt szerinti integrálásra, és használjuk ki, hogy )2cos1(2

cos θθ +

)()(cos1 )(22

0

0

ωφωωμ

ω

=+−== ∫+

tdrktT

Ec

nSITt

rrr

[ ])(2sin)(2sin142

100

20

20

0

φωφωωωμμ

ωμ ω

+−−+−++= rktrkTtT

Ec

nEc

n

Tc t

rrrr

• A [ ] –ben lévő kifejezés maximuma 2 és 1/ωT <<1. Ha nagyon gyors a detektor, tfh T=10-9s és látható fényt mérünk ω=1012-1015Hz akkor is az összeg második

42 ωμμ Tcc

tfh. T=10 s, és látható fényt mérünk, ω=10 -10 Hz, akkor is az összeg második tagja 3-6 nagyságrenddel kisebb az elsőnél, ezért elhanyagoljuk.

21 EnSI ==r


02E

cSI

μ==

FotodetektorokAlapvető elvárások:

• Érzékenység a kívánt hullámhosszon• Jó hatásfokú (foton elektron konverzió)( )• Rövid válaszidő (T) = széles spektrális tartomány• Kis zaj• Megfelelő méretű felület (pl. illeszkedjen a lézer nyalábméretéhez,

fényvezető szálhoz) • MegbízhatóságMegbízhatóság• Alacsony ár


Fototermális detektorok • Fototermális effektus: az elnyelt foton energiája az elnyelő anyag termális

gerjesztésére fordítódik• A detektor hőmérsékletváltozásával lehet kimutatni a foton beérkezését• A detektor hőmérsékletváltozásával lehet kimutatni a foton beérkezését.

Bolométerek, infra- és szubmilliméteres érzékelők, röntgen spektrométerek, gammasugár kaloriméterek működnek ezen az elven.

Bolométerek• A bolométereket főleg az infravörös és terahertzes spektrum 10-5000 mm

(30 THz – 60 GHz) tartományában használják.( ) y j• Az érzékelő elem egy érzékeny termisztor, amit legalább 4,2 K-re hűtenek a

zajcsökkentés érdekében. • A sugárzás hatására megváltozó ellenállás jelét gyors, kis zajú elektromos

áramkörökkel erősítik.


A bolométer működési elveTs

Modulált

Hővezető (G)

V

PTHzeiωt

Hőtartály

Modulált beeső sugárzás

Dopolt Si termisztor

TsÚgy változtatjuk a feszültséget, hogy a kör árama konstans legyen

Gyémánt ablak

Abszorbens réteg (Bi)

RTB

ogy a ö á a a o sta s egye

tiSB

MeTTT ω1+=

T i t k kt i tikák

• A termisztor ellenállásának hőmérséklet-függése:

( ) TBAeTR /−=

10

C)

B=2000K B=3000KB=4000K

Termisztor karakterisztikák

( ) AeTR =

0 1

1

R(T

)/R(2

0°C B 4000K


-20 0 20 40 60 80 100

0.1

T [°C]

BolométerElőnyök:

• Könnyű használat. Csak egy fix áramforrást és gondos kalibrálást igényel.• Gyakorlatilag hullámhossztól független érzékenység. Olyan tartományokon is használható, ahol

más eszköz nem (pl. szub-milliméteres, azaz THz-es tartomány).• Jól kidolgozott technológiája van a félvezető gyártásnak.

Hátrányok:Hátrányok:• Hullámhossztól független érzékenység. Keskeny sávszélességű sugárzásoknál az adott

tartományon kívül csak a zajt érzékeli. Így romlik a jel-zaj viszony.• Lassú. Tipikusan 10Hz-es frekvenciával használható, mivel a hőtartály és a termisztor közti

csatolás gyenge. Erősebb csatolás esetén nő a sebesség de nő a zaj is. • Hűteni kell. A legérzékenyebb bolométerek mK-es hőmérsékleten működnek. Ezért drága az

üzemeltetésük.

Megmutatható, hogy a bolométer úgynevezett zaj-ekvivalens teljesítménye (NEP Noise Equivalent Power):

,4 5 1/2Watt/HzNEP BkTAσ=

ahol A a detektor felülete, σs a Stefan konstans k a Boltzmann állandó.NEP az a sugárzási teljesítmény, aminél a jel/zaj viszony 1. T5 miatt hűteni kell.

,4 Watt/Hz NEP BkTA sσ


Golay-cella• A Golay-cella egy gázkamrába helyezett abszorbens filmet tartalmaz. A beérkező sugárzás

hatására a filmréteg és ennek következtében a kamrában levő gáz is fölmelegszik, és így megnő

yg g g , gy g

a cella nyomása. A cella egyik falát egy fémmel bevont táguló membrán képezi, aminek alakváltozását pl. egy róla visszaverődő lézernyaláb segítségével, vagy kapacitásváltozásként érzékelhetjük.

b b

belépő ablak

lézernyaláb

rugalmas fal

abszorbensrugalmas fal

fémlemez

detektor

beeső sugárzás

kapacitás változás

Előnyei: • Az abszorbensre érkező összes sugárzást érzékeli. A spektrális érzékenységet a belépő ablak

anyagának megválasztásával változtathatjuk.y g g j• Nem igényel hűtést, ezért olcsó. Hátrányai:• Az ezüstözött membrán nagyon érzékeny. • Lassú. Maximum ~20 Hz-ig használható.


Fotodiódák• A fotodiódák „szennyezett” félvezető eszközök, melyek fotovoltaikus vagy

fotokonduktív eszközként használhatók.

+U

V A

Fotovoltaikus működési mód Fotokonduktív működési mód

p ni+

PIN dióda

Foton hν

p + -


A PIN fotodióda működésef

FotonV té i áVezetési sáv

Fotonhν≥ Εg

Vezetési sáv

p i

-Εg

p

i

Εg

+++

-Valencia sáv

n+

Valencia sáv

n---VD VD- ΔV

• A megvilágítatlan és külső előfeszítés nélküli fotodiódában az elektronok diffúziója miatt az intrinsic félvezető réteg p és n réteg felőli oldala rendre + illetve – töltésűvé válik,

• Ha hν≥ Eg energiájú fotonokkal megvilágítjuk a fotodiódát, akkor az intrinsic félvezetőben elektron-lyuk párok keletkeznek, és ezek is diffundálnak a potenciálnak megfelelőenfelőli oldala rendre illetve töltésűvé válik,

emiatt VD feszültség esik rajta

• Ezt a feszültséget a diódához vezető kontaktusoknál fellépő kontaktpotenciál

diffundálnak a potenciálnak megfelelően

• A diffundáló elektron-lyuk párok csökkentik a VD feszültséget.

p péppen kiegyenlíti, ezért nem mérhető. • A megvilágítás által keltett fotoáram:

hatásfokkvantum a

ahol

η

φη−= ,Aei ph

TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 12 I/hfelülete aktív dióda a A

νφ

η

= a foton fluxussűrűség

A PIN fotodióda működése II.f• Ha külső U feszültséget kapcsolunk a diódára, akkor a megvilágítás nélkül a diódán átfolyó áram:

H ilá í á i kk á kódik f á

)1()( //2 −= − kTeUkTeVD eeCTUi D

UU )()(• Ha megvilágítás is van, akkor erre rárakódik a fotoáram:

• Ha nyitott körben van a dióda, akkor i=0, és ebből a fotofeszültség:

phDill iUiUi −= )()(

,1ln)0( ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

s

phph i

ie

kTiU

ahol a telítési sötétáram U nagy negatív értékeinél.⎥⎦⎤

⎢⎣⎡−=

kTeVCTi D

s exp2


Fotodiódák jellemzői• Kvantumhatásfok (QE): a fotodiódák érzékenységét meghatározó elsődleges paraméter.

Megmutatja, hogy a beeső fotonok hány %-a generál elektron-lyuk párt. Szilícium diódára a 800-900 nm es tartományon ~80%

j

900 nm – es tartományon ~80%.

• A fotodiódák érzékenységét praktikusan egységekben a generált fotoáram (A) és a beérkező fényteljesítmény (W) hányadosaként adják meg. Ez a hullámhossztól függő jellemző a válaszfüggvény (responsivity).Pl. szilícium diódára: [ ] [ ]

124[%] mR μλ

λ×

=QEA/W

νη

hPqI P

//

0

==QE

másképp

• Levágás (cut off): Az előzőkből látható, hogy csak az a foton kelt töltéshordozókat, amelynek

[A/W] ν

ηλ h

qPIR P ==

0

energiája nagyobb, mint a valencia és a vezetési sáv közti tiltott sáv energiája Szilícium diódáknál a levágás 1.1μm környékén következik be.

• Sebesség: a töltéshordozó diffúziójához idő kell Külső feszültség nélkül 0 5 s nagyságrendjébe

gEh ≥ν

• Sebesség: a töltéshordozó diffúziójához idő kell. Külső feszültség nélkül ~0.5 μs nagyságrendjébe esik a szintén hullámhossz függő válaszidő.

http://www.osioptoelectronics.com/technology-corner/frequently-asked-q estions/basic pin photodiode characteristics asp

Dióda sorok TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 14

questions/basic-pin-photodiode-characteristics.aspx

Gyors fotodiódák• A gyors fotodiódákat mindig negatív előfeszítéssel használjuk. Ekkor a dióda telítési sötétárama

kicsi.

y f

Ilyenkor és a dióda összes árama

ami már független a külső feszültségtől.

,1/ <<kTeUe phkTeV

D ieCTi D −−= − /2

• Az fotoáram feszültségjelet generál az RL terhelő ellenálláson. phi phLphs iRUV ==

RP Cs

• A fotodióda ekvivalens áramköre• Rs, Rp soros és párhuzamos belső ellenállás, Cs

párhuzamos kapacitás.

Rs

• Megmutatható, hogy LsRC

fπ2

1max =

RLerősítendő jel

• Ha RL elég kicsi, akkor a dióda nagyfrekvenciás válasza , amit a töltéshordozó k p-n átmeneten való átjutási ideje limitál, elég nagy lesz. Nagy előfeszítés és 50 Ohmos terhelés esetén szub-


nanoszekundumos válaszidő is elérhető.

Lavina diódák, diódasorok• A lavina diódákra olyan nagy záróirányú feszültséget kapcsolnak, hogy az eléri a letörési tartományt

(Zener-effektus). Ilyenkor a kiürített rétegben a nagy térerősség miatt annyira fel tudnak gyorsulni a

,( ) y g gy g y gytöltéshordozók, hogy újabb elektron-lyuk párokat keltenek, és ezáltal az eszközön belül erősítés jön létre (106) . A lavina diódák nagyon gyorsak, akár 1012Hz-en is működhetnek.


http://www.hamamatsu.com/jp/en/search/index.html?spkey=avalanche&searchBtn.x=-1019&searchBtn.y=-24

Diódasorok, dióda mátrixok kiolvasása

Shift regiszterIndító jel

g

CMOS kapcsoló

Szinkron jelKiolvasott jel

Cs Cs

p

s shν


CCD: Charge Coupled Device

Fotoelektromos emisszió vákuumbanAz elektronok a szilárd testekben kötött állapotban vannak, energiájuk negatív. Azonban a potenciálgát kristályszerkezettől és felülettől függő energiájánál nagyobb energiával beérkező p g y gg g j gy gfotonok képesek elektronokat kiszakítani a kötött állapotból, és így fotoáramot kelteni.Ezen az elven működnek például a fotoelektronsokszorozó csövek (PMT) és a mikrocsatornáslemezek (MCP) is.

Einstein:

munka kilépési a ahol φφ,+= kinEhv

fotonok

V

μA

fotoelektronok

μA

+

-


Fotoelektron sokszorozó cső (PMT)( )

htt // h t / / /t h l /i ti / h t th d /i d ht l


http://www.hamamatsu.com/eu/en/technology/innovation/photocathode/index.html

Mikrocsatornás lemez MCPhttp://www.tectra.de/MCP.htm• Sokmillió független csatorna

• Mindegyik elektronsokszorozóként viselkedik• Mindegyik elektronsokszorozóként viselkedik

• Nagy erősítés, 108-109

• Nagy térbeli felbontás, csatorna átmérő 5-15 μm

• Jó időbeli felbontás , az elektronlavina áthaladási ideje ~100ps

• Alacsony „sötétáram” <0.5pA/cm2 1 kV feszültségnél.

5μme-

+-


Képerősítő, ICCD kamerap ,

CCD


Forrás: Andor MANUAL_iStar Version 5.1.pdf

Fotonszámlálás• Nagyon alacsony fényintenzitásoknál a fotoáram Δt időre vett átlagának mérésénél pontosabb

eredményt ad, ha közvetlenül a beérkező fotonok számát mérjük, mert így a zaj nagy részétől megszabadulunk.g

• Ehhez egy fotoelektron sokszorozóval (PM) erősítjük az egyetlen foton által kiváltott jelet, majd az erősített impulzust egy digitális áramkör dolgozza fel.

PM Di i i t C t C tPM

Gain Gain

Discriminator Counter Computer

• A diszkriminátor áramkör a beérkező erősített impulzust egy küszöbértékkel hasonlítja össze, és TTL jelet állít elő amit egy számláló vagy egy beütésszám mérő bemenetére küldhetünk

106-107 ~100 Rate meterDAC

TTL jelet állít elő, amit egy számláló vagy egy beütésszám mérő bemenetére küldhetünk.• Előnyök: a PM erősítésének (Gain) zaja nem befolyásolja a mérést, a diszkriminátor küszöbének

beállításával a sötétáramból származó zajtól is megszabadulunk. A PM ablakának megválasztásával kiszűrhető a kozmikus sugárzásból, radioaktív háttérsugárzásból származó zaj.

• Az újabb típusok a PM analóg jelének szélességéből meg tudják állapítani, hogy egy vagy több foton érkezett egy időben.


Tranziens jelek mérése• A boxcar integrator fő eleme egy kapuzható integráló kör. Ismétlődő jelek mérésére használhatjuk.• Statikus kapuzással a jelnek mindig ugyanabból a részéből veszünk mintát és azt átlagoljuk. • Ha a jelalakot akarjuk vizsgálni, akkor változtatjuk a kapu késleltetését.

T0 T0 T0 T0 T0+Δt1 T0+Δt3T0+Δt2

Kapu é lé R

Cvezérlés

Vin Vout

• Ha a jelalak nem ismétlődik, akkor tranziens rekordert használhatunkDig. out

Memory

Ti i

ADC DAC

G t

input

trigger

Analog out


TimingGatet gge

Documents

Márton Zsuzsanna (Márton Zsuzsanna (1123457),2,3,4,5,7 ... · Megjegyzések elöljáróban • A fény mérésével az optika különböző területein foglalkoznak • Az egyik