Optikai mérési módszerek

Ágazati Á felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő ő képzési é és K+F feladatokra" " Optikai mérési módszerek Márton Zsuzsanna (1,2,3,4,5,7) 23457) Tóth György (8,9,10,11,12) 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 eszközök kműködési elvét, alkalmazási l területeit, jellemző ő tulajdonságait ismertetjük. Termális detektorok, bolométerek Fotodiódák, fotovoltaikus detektorok, Fotokatód, fotocella, Fotoelektron sokszorozók, képerősítők. CCD, ICCD kamera, Fotonszámlálás, Gyors tranziens jelek mérése TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 2

Megjegyzések elöljáróban A fény mérésével az optika különböző területein foglalkoznak Az egyik ilyen terület a radiometria. A radiometriában a fluxussűrűséget (azaz a felületre jutó teljesítmény és a felület nagyságának á hányadosát) á irradianciának iá nevezzük. Az irradiancia mértékegysége W/m 2. A fotometria egy másik szakterület, ami a fény pszichofizikai hatásaival foglalkozik. Itt a fluxussűrűséget megvilágításnak (illuminancia) hívják és lux-ban mérik. 1 lux=1 lumen/m 2. 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 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.) TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 3

Mit mérünk amikor fényt mérünk? A fényteljesítménynek egy bizonyos időtartamra vett átlagát. Az időtartam a detektorra jellemző érték. 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 adja. B με S = E H = 1 r r r r r r r r r E B, mert H = = k E r, ahol μ = μ μr, ε = ε 0 μ Tekintsünk most egy monokromatikus síkhullámot! (Mivel a Poyntingvektorban a térerősség négyzete szerepel, valós alakban kell felírni.) r r rr E = E0 cos( ω t kr + φ) r r εμ r r r r r 2 r n 2 k 2 r S = E ( k E0)cos ( ωt kr + φ) = E0 cos ( ωt k μk μc k ahol kk a hullámszám vektor μ μ ε 0 r 0 + φ) TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 4

Az intenzitás a Poyting-vektor időátlaga t + T r 0 n 2 1 2 rr I = S = E0 cos ( ωt kr + φ) dt μc T t 0 Az integrálás a detektorra jellemző T időtartamra vonatkozik. 1 Térjünk át ωt szerinti integrálásra, és használjuk ki, hogy cos 2 θ = (1 + cos2 θ ) 2 ( t0 + T ) ω r n 2 1 2 rr I = S = E0 cos ( ω + φ) ( ω) = t kr d t μ c ω T t ω 0 1 n 2 n 2 1 r r r r = E0 + E0 0 0 2 μ c 4 μ c ω T [ sin 2( ωt + ωt kr + φ) sin 2( ωt k + φ) ] A [ ] ben lévő kifejezés maximuma 2 és 1/ωT<<1. Ha nagyon gyors a detektor, tfh. T=10-9 s, és látható fényt mérünk, ω=10 12-10 15 Hz, akkor is az összeg második tagja 3-6 nagyságrenddel kisebb az elsőnél, ezért elhanyagoljuk. 1 n 2 I = S r = E0 2 μc TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 5

Fotodetektorok Alapvető 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) Megbízhatóság Alacsony ár TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 6

Fototermális detektorok Fototermális effektus: az elnyelt foton energiája az elnyelő anyag termális gerjesztésére fordítódik 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. 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. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 7

A bolométer működési elve Modulált beeső sugárzás Hővezető (G) P THz e iωt T s Dopolt Si termisztor V Hőtartály Gyémánt ablak T B R Abszorbens réteg (Bi) T s Úgy változtatjuk a feszültséget, hogy a kör árama a konstans s legyen T B = T S + T e 1 iω t M Termisztor karakterisztikák kt tikák A termisztor ellenállásának hőmérséklet-függése: B / T ( T ) = Ae R = R(T)/R(20 C C) 10 1 B=2000K B=3000K B=4000K 01 0.1 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 8-20 0 20 40 60 80 100 T [ C]

Bolométer Előnyök: Könnyű használat. Csak egy fix áramforrást és gondos kalibrálást igényel. Hátrányok: 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. 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): NEP = 4 Aσσ kt B Watt/Hz A s 5 1/2, ahol A a detektor felülete, σ s a Stefan konstans k a Boltzmann állandó. NEP az a sugárzási teljesítmény, aminél a jel/zaj viszony 1. T 5 miatt hűteni kell. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 9

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 a cella nyomása. A cella egyik falát egy fémmel bevont táguló membrán képezi, aminek alakváltozását pl. egy róla visszaverődő lézernyaláb segítségével, vagy kapacitásváltozásként érzékelhetjük. belépő ablak abszorbens rugalmas fal rugalmas fal fémlemez lézernyaláb beeső sugárzás detektor kapacitás változás Előnyei: Az abszorbensre érkező összes sugárzást érzékeli. A spektrális érzékenységet a belépő ablak anyagának megválasztásával változtathatjuk. Nem igényel hűtést, ezért olcsó. Hátrányai: Az ezüstözött membrán nagyon érzékeny. Lassú. Maximum ~20 Hz-ig használható. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 10

Fotodiódák A fotodiódák szennyezett félvezető eszközök, melyek fotovoltaikus vagy fotokonduktív eszközként használhatók. +U V A Fotovoltaikus működési mód Fotokonduktív működési mód p PIN dióda i + - n Foton hν TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 11

A PIN fotodióda működése Vezetési sáv Ε g V D p +++ i --- - Valencia sáv 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, emiatt V D feszültség esik rajta n Vezetési sáv Ε g V D - ΔV p i - + Foton hν Ε g n Valencia sáv Ha hν E g energiájú fotonokkal megvilágítjuk a fotodiódát, akkor az intrinsic félvezetőben elektron-lyuk párok keletkeznek, és ezek is diffundálnak a potenciálnak megfelelően A diffundáló elektron-lyuk párok csökkentik Ezt a feszültséget a diódához vezető a V D feszültséget. kontaktusoknál fellépő kontaktpotenciál éppen kiegyenlíti, ezért nem mérhető. A megvilágítás által keltett fotoáram: TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 12 i ph η A a = η e φa, a kvantum dióda aktív ahol hatásfok felülete φ = I/h ν a foton fluxussűrűség

A PIN fotodióda működése II. Ha külső U feszültséget kapcsolunk a diódára, akkor a megvilágítás nélkül a diódán átfolyó áram: i D ( U) = CT 2 e ev D / kt ( e eu / kt 1) Ha megvilágítás is van, akkor erre rárakódik a fotoáram: i ill ( U ) = i ( U ) i D ph Ha nyitott körben van a dióda, akkor i=0, és ebből a fotofeszültség: U ph kt iph ( i = 0) = ln + 1, e is ahol i s = CT 2 ev exp kt D a telítési sötétáram U nagy negatív értékeinél. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 13

Fotodiódák jellemzői 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: [%] λ [ ] [ μm] Rλ = QE I q A/W QE = η = P 124 P // hν másképp I P R λ = = P 0 η q h ν [A/W] Levágás (cut off): Az előzőkből látható, hogy csak az a foton kelt töltéshordozókat, amelynek energiája nagyobb, mint a valencia és a vezetési sáv közti tiltott sáv energiája hν E g Szilícium diódáknál a levágás 1.1μm környékén következik be. 0 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%. Sebesség: a töltéshordozó diffúziójához idő kell. Külső feszültség nélkül ~0.5 μss nagyságrendjébe esik a szintén hullámhossz függő válaszidő. http://www.osioptoelectronics.com/technology-corner/frequently-asked- questions/basic-pin-photodiode-characteristics.aspx photodiode characteristics asp TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 14 Dióda sorok

Gyors fotodiódák A gyors fotodiódákat mindig negatív előfeszítéssel használjuk. Ekkor a dióda telítési sötétárama kicsi. / kt 2 evd / kt Ilyenkor és a dióda összes árama i = CT e i eu e << 1, ami már független a külső feszültségtől. D ph i Az fotoáram feszültségjelet generál az R L terhelő ellenálláson. ph V = U = R s ph L i ph R s R L R P C s erősítendő jel A fotodióda ekvivalens áramköre Rs, Rp soros és párhuzamos belső ellenállás, Cs párhuzamos kapacitás. Megmutatható, hogy f max = 1 2π C R s L Ha R L 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 szubnanoszekundumos válaszidő is elérhető. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 15

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 töltéshordozók, hogy újabb elektron-lyuk párokat keltenek, és ezáltal az eszközön belül erősítés jön létre (10 6 ). A lavina diódák nagyon gyorsak, akár 10 12 Hz-en is működhetnek. http://www.hamamatsu.com/jp/en/search/index.html?spkey=avalanche&searchbtn.x=-1019&searchbtn.y=-24 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 16

Diódasorok, dióda mátrixok kiolvasása Indító jel Szinkron jel Shift regiszter Kiolvasott jel CMOS kapcsoló hν C s C s CCD: Charge Coupled Device TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 17

Fotoelektromos emisszió vákuumban Az elektronok a szilárd testekben kötött állapotban vannak, energiájuk negatív. Azonban a potenciálgát kristályszerkezettől és felülettől függő energiájánál nagyobb energiával beérkező fotonok képesek elektronokat kiszakítani a kötött állapotból, és így fotoáramot kelteni. Ezen az elven működnek például a fotoelektronsokszorozó csövek (PMT) és a mikrocsatornás lemezek (MCP) is. Einstein: hv = E kin + φ, aholφ akilépésimunka fotonok fotoelektronok V μa + - TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 18

Fotoelektron sokszorozó cső (PMT) http://www.hamamatsu.com/eu/en/technology/innovation/photocathode/index.html h t / / /t h /i ti / h t th /i d l TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 19

Mikrocsatornás lemez MCP Sokmillió független csatorna http://www.tectra.de/mcp.htm Mindegyik elektronsokszorozóként viselkedik Nagy erősítés, 10 8-10 9 Nagy térbeli felbontás, csatorna átmérő 5-15 μm Jó időbeli felbontás, az elektronlavina áthaladási ideje ~100ps Alacsony sötétáram <0.5pA/cm 2 1 kv feszültségnél. e - 5μm - + TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 20

Képerősítő, ICCD kamera CCD Forrás: Andor MANUAL_iStar Version 5.1.pdf TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 21

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. Ehhez egy fotoelektron sokszorozóval (PM) erősítjük az egyetlen foton által kiváltott jelet, majd az erősített impulzust egy digitális áramkör dolgozza fel. PM Discriminatori i Counter Computer Gain Gain 10 6-10 7 ~100 DAC Rate meter 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. 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. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 22

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. T 0 T 0 T 0 T 0 T 0 +Δt 1 T 0 +Δt 2 T 0 +Δt 3 Kapu vezérlés élé V in R C V out Ha a jelalak nem ismétlődik, akkor tranziens rekordert használhatunk Dig. out input ADC Memory DAC Analog out trigger Gate Timingi TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 23