Введение к работе
Актуальность проблемы
Стремительное развитие лазерной техники и состояние отечественной лазерной отрасли требует создания в стране специализированных центров, обеспечивающих сертификацию лазерной продукции и связанных с ней технических систем. В подавляющем большинстве промышленно развитых стран созданы центры, обеспечивающие сертификацию в широком диапазоне мощностей (энергий) излучения от десятков Вт до Ю-9 Вт. Обычно такие центры имеют в своем распоряжении калориметрический эталон для измерения лазерных потоков в диапазоне 10_3 -г-10 Вт с точностью ~ 0,1% и криогенный радиометр, обеспечивающий измерения в диапазоне 10_9-і-10_3Вт с точностью ~ 0,005%. Во многих лабораториях вместо криогенного радиометра используют калиброванный с его помощью полупроводниковый трап-детектор, обеспечивающий точность измерений ~ 0,02%.
Таким образом, описанная выше пара измерителей получает единицу мощности лазерного излучения через промежуточный физический процесс —процесс нагревания термостата.
На своем 94-ом заседании в октябре 2005 года Международный комитет мер и весов (МКМВ) принял рекомендацию о подготовительных мерах по переопределению основных физических единиц таким образом, чтобы эти единицы были привязаны к точно известным значениям фундаментальных констант. Изменения в системе СИ призваны сделать систему независимой от вещественных эталонов, логичной и последовательной. СИ будет основана только на фундаментальных физических постоянных (ФФП).
Духу нововведений в системе СИ, связанных с переопределением основных физических констант, в наибольшей степени отвечает процесс прямого преобразования фотон —> электрон + дырка в фотоприемниках. Фактически дело сво-
дится к измерениям тока фотодиода и частоты лазерного излучения, что можно измерять с очень высокой точностью. Центральным вопросом здесь является определение квантовой эффективности указанного преобразования. Именно поэтому очень важно уметь калибровать фотодиоды независимо от тепловых приемников.
Такая же проблема имеет место и в области мощностей лазерного излучения < Ю-9 Вт. Здесь обычно применяют чувствительные фотодиоды, которые работают в режиме счета фотонов. Часто этот термин воспринимают в узком смысле, а именно, в смысле регистрации отдельных фотонов. В то же время регистрация тока фотодиода, т.е. потока свободных носителей, возникающих в фотодиоде под действием лазерного излучения, с учетом поправки на квантовый выход представляет собой тот же самый счет фотонов. Следует отметить, что в последнее время фотоприемники представляют большой интерес и в узком смысле счета отдельных фотонов. В частности, это связано с началом выпуска лазеров на квантовых точках, ямах и проволоках, которые могут генерировать чуть ли не единичные фотоны. В таком же режиме работают приемники отраженного лазерного излучения, используемые в лазерной локации, высокоточном оружии и т.д.
В лазерной космической локации, в частности, для спутниковых лазерных дальномеров используется одноэлектронный режим, который обеспечивает получение более точной координатной информации. Использование фотоприемников в одноэлектронном режиме подразумевает его работу с предельно малыми уровнями оптического излучения, результат существенно зависит и от свойств фотоприемников в режиме счета фотонов. В связи с этим возникает необходимость в средствах и методах измерений квантовой эффективности фотоприемников, которая представляет собой основной параметр приемника в этом режиме.
Создание высокоточных методов и средств измерений малых уровней ла-
5 зерного излучения является серьезной научной проблемой для мировой и отечественной лазерной метрологии и является актуальной задачей.
Цель и основные задачи диссертации
Необходимость решения этой проблемы определила цель настоящей работы: создание высокоточных методов и средств для измерений малых уровней мощности лазерного излучения в динамическом (10-9-ь10-3)Вт и спектральном (0,4-=-1,1)мкм диапазонах с погрешностью не более 0,1%, отвечающих процессу преобразования: фотон —> электрон + дырка.
Цель работы определила основные научно-технические задачи, решение которых позволило бы ее реализовать. К этим задачам относятся:
анализ различных методов и средств измерений, предназначенных для измерений малых уровней мощности лазерного излучения и счета фотонов, оценка их точностных характеристик;
разработка метода определения внутренней квантовой эффективности фотодиода с помощью его вольт-амперных характеристик;
экспериментальное измерение вольт-амперных характеристик отдельных фотодиодов и определение по ним их внутренней квантовой эффективности;
анализ потерь излучения в трап-детекторе на его стенках и оценка влияния диффузно рассеянного лазерного излучения на точность определения его внутренней квантовой эффективности;
проведение экспериментальных исследований, подтверждающих точность определения внутренней квантовой эффективности с помощью предложенного метода;
исследование факторов влияющих на точность определения внутренней квантовой эффективности фотодиода: погрешности определения вольт-амперных характеристик, профиля легирования, толщин р — п — п+слоев фотодиода.
Научная новизна работы
В работе впервые:
предложено определять внутреннюю квантовую эффективность фотодиодов путем сравнения их экспериментально измеренных вольт-амперных характеристик с аналогичными зависимостями, рассчитаными с помощью теоретической одномерной модели фотодиода;
с помощью модельных расчетов доказана однозначность определения параметров фотодиода по его вольтамперным характеристикам;
по измеренным вольт-амперным характеристикам отдельных фотодиодов в соответствии с предложенной теоретической моделью определены их внутренние квантовые эффективности;
для конкретной конструкции трап-детектора предложена и программно реализована математическая модель расчета диффузных потерь падающего на него лазерного излучения;
проведено сличение трап-детекторов, подтвердившее, что погрешность определения предложенным методом внутренней квантовой эффективности фотодиода Hamamatsu S6337, составляющая 0,1%.
Практическая ценность и использование результатов работы
Предложенные в работе математическая модель определения внутренней квантовой эффективности и схема построения трап-детектора могут быть применены в широком спектре приложений, предъявляющих высокие требования к точности измерений низкого уровня мощности лазерного излучения вплоть до счета фотонов.
Измерительный преобразователь на основе использования разработанного трап-детектора был применен при проведении передачи размера единицы мощности (квантовой эффективности) от ГПЭ СМ счетчикам фотонов.
7 Положения выносимые на защиту
-
Для кремниевого р+п фотодиода по его вольт-амперным характеристикам, построенным с помощью одномерной математической модели, решение обратной задачи позволяет определить основные параметры фотодиода и, в частности, его квантовую эффективность.
-
Использование исследуемого фотодиода в качестве датчика температуры для стабилизации его теплового режима и специальный выбор реперной точки на шкале температур позволяет измерить его вольт-амперную характеристику со средним квадратическим отклонением, не превышающим 0,03%.
-
Предложенная модель расчета потерь попадающего в трап-детектор излучения: учет количества актов диффузного рассеяния излучения и числа его отражений, позволяет рассчитать потери излучения с погрешностью не хуже 0,007%.
-
Проведённый метрологический анализ предложенного метода определения внутренней квантовой эффективности фотодиода с помощью его вольт-амперных характеристик позволяет утверждать, что погрешность определения этого параметра не превышает 0,1%.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на следующих конференциях:
-
Ковалев А. А., Либерман А. А., Микрюков А. С, Москалюк С. А. Определение внутренней квантовой эффективности фотодиода при помощи его вольт-амперных характеристик // 1-я научная конференция, посвященная 100-летию Б.М. Степанова / ВНИИОФИ. 2010.
-
Mikryukov A., Kovalev A., Liberman A., Moskaluk S. Determination of internal quantum efficiency of a photodetector through its voltage-current characteristics II SPIE OPTO I International Society for Optics and Photonics. 2011. P. 79331S-79331S.
8 3. Ковалев А. А., Либерман А. А., Микрюков А. С, Москалюк С. А. Вычисление внутренней квантовой эффективности фотодиода по его экспериментально измеренным вольт-амперным характеристикам // Девятая Всероссийская научно-техническая конференция «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации». Пос. Поведни-ки Московской обл.: 2012.
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах, из них 5 статей в рецензируемых журналах [1-5], 2 статьи в сборниках трудов конференций [6, 7] и 1 заявка на выдачу патента [8].
Вклад автора
Основные результаты работы получены автором лично и в соавторстве при его непосредственном участии. Лично автором: разработан способ термостабилизации фотодиода в котором в качестве датчика температуры используется сам исследуемый фотодиод; создана модель и проведён расчёт диффузных потерь рассеянного в трап-детекторе излучения при его поглощении; проведены эксперименты и обработаны результаты; проведён метрологический анализ метода определения внутренней квантовой эффективности фотодиода.
Структура и объем диссертации
