Фотоэлектрический метод измерения энергетических параметров лазерного излучения

Основой фотоэлектрического принципа измерительного преобразования энергетических параметров оптического излучения является поглощение фотона, сопровождаемое электрически регистрируемым переходом носителей заряда на более высокие энергетические уровни. В качестве первичного измерительного преобразователя (ПИП) используются фотоприемники (ФП), которые обычно делят на две группы: с внешним и с внутренним фотоэффектом. Внешний фотоэффект заключается в испускании электронов под действием фотонов в вакуум, внутренний - в переходе электронов из связанного состояния под действием фотонов в свободное, т. е. в возбужденное состояние внутри материала. Речь идет в обоих случаях о прямом взаимодействии квантов излучения с электронами, поэтому ФП такого типа называют еще квантовыми. Выходной электрический сигнал таких ФП зависит не от мощности падающего излучения, а от количества квантов излучения и энергии каждого кванта.

Общее выражение преобразования входного оптического сигнала в выходной электрический сигнал можно записать в следующем виде:

, (1)

где I - полный ток, протекающий через ФП, А; Iфп - ток через ФП, вызванный падающим потоком излучения, А; Iт - темновой ток, А; Sл - спектральный коэффициент преобразования или абсолютная спектральная чувствительность ФП, А/Вт; Р - мощность падающего на ФП излучения, Вт.

ФП как ПИП в средствах измерения параметров лазерного излучения требуют детального исследования ряда свойств и характеристик, учитывающих их работу в реальных условиях. Основными характеристиками ФП являются спектральный диапазон, чувствительность, динамический диапазон, быстродействие, шумовые свойства, стабильность чувствительности, зависимость чувствительности от угла (падения потока излучения, зонная неравномерность чувствительности.

Рассмотрим коротко существующие ФП с точки зрения возможности их применения в качестве ПИП в СИ энергетических параметров лазерного излучения с учетом. перечисленных выше характеристик.

Фотоприемники на основе внешнего фотоэффекта

К фотоприемникам на основе внешнего фотоэффекта относятся вакуумные приборы: фотоэлементы (ФЭ) и фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

Спектральный диапазон вакуумных ФП зависит от материала фотокатода. Наиболее широко распространены приборы с сурьмяно-цезиевыми мультищелочными и серебряно-кислородно-цезиевымн фотокатодами.

Коротковолновая граница чувствительности, определяется главным образом прозрачностью входного окна прибора, длинноволновая зависит от материала фотокатода и определяется работой выхода электронов. В настоящее время разработаны фотокатоды на основе двойных и тройных полупроводниковых соединений (GаАs, InАsР) для расширения спектрального диапазона вакуумных ФП в длинноволновую область.

Одну из основных метрологических характеристик ФЭ - абсолютную спектральную чувствительность - для hн>E0 (h – постоянная Планка, н – частота излучения) можно представить следующим образом:

 (2)

где Qэф - эффективный квантовый выход, л -.длина ваяны излучения, мкм.

Абсолютная чувствительность ФЭ в максимуме спектральной характеристики 10-3-10-1 мА/Вт и меняется в зависимости от типа и конструкции прибора.

Динамический диапазон, в котором сохраняется линейность преобразования оптического сигнала в электрический, для ФЭ сравнительно большой. ............