Приемники излучения. 
Оптика: инфракрасная фурье-спектрометрия

Фотоприемник — эго устройство, преобразующее энергию ИКизлучения в электрический сигнал. Фотоприемники характеризуются большим количеством параметров, основными из которых являются чувствительность и спектральный диапазон. Однако применение фотоприемников в фурье-снектросконии накладывает на них определенные требования, которые, как правило, не рассматриваются при анализе фотоприемников в «классических» щелевых сканирующих по волновым числам приборах. Поэтому сначала рассмотрим специфические требования к приемникам фурье-спектрометров.

Как было показано ранее, в фурье-спектрометрах, в отличие от решеточных и призменных спектрометров, на приемник попадает сразу все ИК-излученис источника, а оптический спектр восстанавливается фурье-преобразованием зарегистрированного сигнала. Поэтому фотоприемник должен удовлетворять следующим требованиям:

• 1. Большой динамический диапазон. В сканирующих по волновым числам щелевых спектрометрах шумовые параметры оптимизированы на малый сигнал. В современных фурье-спектрометрах динамический диапазон интерферограммы достигает 10⁶. В результате рабочие параметры обычных малосигнальных детекторов могут быть не реализованы, например из-за насыщения.
• 2. Высокая линейность, в том числе при больших сигналах. В классических спектрометрах на фотоприемник попадает узкий спектральный интервал небольшой плотности потока излучения. При этом нелинейность отклика, во-первых, невелика и, во-вторых, приводит только к изменению спектральной плотности потока в максимуме линий в спектре и нс приводит к артефактам. В фурьеспектрометрах нелинейность отклика приводит к перераспределению энергии по спектру. Например, если нелинейность имеет квадратичный характер у = х + ах², то в результате фурьепрсобразования любая линия будет сопровождаться артефактом на удвоенном волновом числе, поскольку 2cos²jc = 1 + cos2.v. Типичный пример искажения спектра из-за нелинейности детектора — появление сигнала в области нечувствительности (см. далее рис. 5.20).
• 3. Спектральная широкополосность и быстродействие. Спектральная широкополосность фотоприемника обеспечивает реализацию мультиплексное™. Если спектральный диапазон детектора уже, чем интересующий спектр, то приходится регистрировать спектр несколько раз с разными фотоприемниками. В последнее время появились мультикомпонентные фотоприемники, например «сэндвич» из двух материалов HgCdTe/InSb (кадмий-ртутьтеллур/антимонид индия), работающий в среднем и ближнем ИКдиапазонах (400- 12 000 см'¹). Для фурье-приложений не менее важно быстродействие детектора, точнее, его широкополосность по частотам модуляции / =vA/t (см. (1.2)). Как подчеркивалось в разделе 1.1, в фурье-спектрометре нет фиксированной частоты модуляции, частотный диапазон выходного сигнала пропорционален ширине исследуемого спектра. Для стандартного среднего ИК-диапазона (400 — 4 000 см'¹) частота модуляции меняется на порядок. Поэтому фотоприемники, работающие в узком диапазоне частот модуляции, не пригодны для использования в фурьеспектрометрах. Например, опто-акустические детекторы Голея имеют узкую резонансную частотную характеристику чувствительности и поэтому не могут регистрировать широкий спектр. Именно для согласования с частотными параметрами детекторов современные фурьс-спсктромстры имеют широкий диапазон скоростей сканирования. Скорость перемещения подвижного зеркала выбирается такой, чтобы интервал частот модуляции интересующего участка спектра попал в область оптимальной чувствительности детектора.

Теперь определим основные параметры фотоприемников. Приемники, выходным сигналом которых является напряжение, характеризуются вольтовой чувствительностью S_v. При регистрации модулированного потока излучения вольтовая чувствительность определяется как отношение эффективного напряжения, снимаемого с нагрузки приемника при оптимальном значении его питания, к амплитуде синусоидальномодулированного потока излучения [10]:

Шумовой сигнал, связанный с флуктуациями параметров приемника, характеризуется среднеквадратичным значением шумового напряжения.

Наличие шумового напряжения на фотоприемнике является физической нижней границей регистрации внешнего сигнала. Минимальный поток, то есть минимальная мощность, падающего на приемник излучеВ фурье-спектрометрах детектор регистрирует широкополосный сигнал. В «классических» спектрометрах для повышения отношения сигнал/шум используются узкополосные усилители с шириной полосы пропускания А/*, которая включает в себя частоту модуляции /. При этом усиливается весь измеряемый сигнал и лишь та небольшая часть шумов, которая заключена в полосе частот Af.

В качестве еще одного параметра фотоприемников используется мощность, эквивалентная шуму, которая обозначается как NEP (Noise Equivalent Power) и представляет собой порог чувствительности, отнесенный к единичному интервалу частот. Темновые (см. раздел 4) шумы фотоприемников пропорциональны [7,10], поэтому данное отнесение подразумевает деление на квадратный корень из частотного диапазона:

Величина, обратная порогу чувствительности, называется обнаружительной (детектирующей) способностью:

Для сравнения свойств приемников различных размеров вводят удельную обнаружительную способность D*, не зависящую от их площадей. Так как температурные шумы (см. раздел 4) пропорциональны квадратному корню из площади поверхности фотоприемника y]S

n 17,10], то удельная обнаружительная способность определяется как.

ния Ф_пор, который вызывает на выходе фотоприемника сигнал, равный среднеквадратичному напряжению шума, называется порогом чувствительности:

Таким образом, удельная обнаружительная способность — это величина, обратная мощности оптического излучения, которая при полосе частот Д/ = 1 и единичной площади фотоприемника вызывает на выходе фотоприемника сигнал, равный шуму.

Если на выходе фотоприемника измеряется ток, то фотоприемник характеризуется токовой чувствительностью, определяемой аналогично вольтовой.

В зависимости от типа фотоприемника и присущих ему шумов для его описания применяется тот или иной из приведенные выше параметров.

Инерционные свойства фотоприемников определяются переходной функцией.

которая характеризует реакцию системы на единичный скачок сигнала. Постоянная времени г — это промежуток времени от начала облучения фотоприемника до момента, когда выходная величина сигнала достигает значения 1 — 1/г, равного 0,63 от стационарной величины.

Постоянная времени определяет максимально возможную частоту модуляции потока, падающего на приемник. Если постоянная времени велика, то при большой частоте модуляции потока приемник не будет успевать реагировать на излучение. Это приведет к снижению выходного сигнала.

Приемники излучения можно разделить на две группы: тепловые и фотоэлектронные. Чувствительный элемент тепловых приемников реагирует на количество энергии, потраченное на его нагревание излучением. Тепловые фотоприемники являются неселективными, то есть они одинаково чувствительны в широком диапазоне длин волн. Отклик фотоэлектронных приемников возникает благодаря взаимодействию падающего излучения с электронной подсистемой материала. Им свойственна неодинаковая чувствительность к излучению разных длин волн.

В настоящее время наиболее распространенными тепловыми фотоприемниками инфракрасного диапазона являются болометры и пироэлектрические приемники, а фотоэлектронными — фотодиоды и фоторезисторы.

вытекающим из закона сохранения энергии, где С — теплоемкость чувствительного элемента, rj — доля поглощенного излучения, G ;

Падающее на тепловой фотоприемник излучение вызывает изменение температуры чувствительного элемента, которое потом преобразуется в электрический сигнал. В простейшем случае, когда на чувствительный элемент падает модулированное излучение Фсоьам, изменение температуры Т описывается дифференциальным уравнением вида коэффициент теплопередачи от чувствительного элемента к окружающей среде. Первое слагаемое учитывает расход энергии на повышение температуры рабочего элемента, второе слагаемое — потери на излучение с двух поверхностей чувствительного элемента и за счет теплового контакта с окружающей средой; правая часть отвечает за поглощение излучения в чувствительном элементе.

Рассматривая такой тепловой фотоприемник, у которого температурный шум больше суммарных шумов детектора и усилителя, можно показать [13], что его постоянная времени т пропорциональна С/G, а вольтовая чувствительность увеличивается при уменьшении теплоемкости и теплопроводности, а также растет с увеличением температурного коэффициента сопротивления и самого сопротивления.

Действие болометров основано на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента при нагреве, происходящем вследствие поглощения измеряемого потока излучения. Для регистрации сигнала используют мостовую схему, питаемую постоянным или переменным током (рис. 5.16). Для того чтобы устранить влияние изменения температуры окружающей среды на результаты измерений, в одно из плеч включают рабочий элемент болометра Б_р, а во второе — защищённый от падающего излучения компенсационный элемент Б_к, одинаковый с рабочим.

Рис. 5.16. Схема включения болометра. R" - сопротивление нагрузки.

В соответствии со сказанным выше, рабочий элемент болометра должен наилучшим образом поглощать падающее на него излучение и максимально изменять своё электрическое сопротивление при нагреве. Эти требования сложно реализовать в одном материале, поэтому функции приёмного и чувствительного элементов обычно разделены. На чувствительный элемент напыляют поглощающий слой толщиной 30 — 40 мкм из золотой или платиновой черни (которые обладают наилучшей поглощательной способностью при наименьшей теплоемкости по сравнению с другими материалами). Болометр обычно заключают в колбу с пониженным давлением воздуха (10'" — 1 Торр). Чем меньше потери тепла за счёт теплопроводности и излучения, тем выше чувствительность. Однако потерями тепла определяется и инерционность приёмника — чем меньше потери, тем больше инерционность.

По материалу чувствительного элемента болометры делятся на металлические, полупроводниковые и сверхпроводниковые. Чувствительным элементом металлического болометра служит тонкий, от 0,1 до нескольких микрометров, металлический (платина, никель, висмут, золото) токопроводящий слой. Одно из преимуществ тонких пленок — высокое сопротивление, другое их преимущество — малая теплоемкость. Сама пленка наносится на диэлектрическую подложку.

Полупроводниковые болометры имеют чувствительный элемент значительной толщины (10−20 мкм), выполненный из полупроводника (германий, кремний, оксиды марганца, никеля, кобальта). Полупроводниковый слой монтируется на стеклянный или кварцевый цоколь. Из-за высокого температурного коэффициента сопротивления полупроводниковых материалов чувствительность полупроводниковых болометров примерно на порядок превосходит чувствительность металлических.

Сверхпроводниковые болометры являются очень перспективными детекторами, особенно для длинноволнового излучения. В узком температурном диапазоне (составляющем доли градуса), в котором происходит переход чувствительного элемента в сверхпроводящее состояние, температурный коэффициент сопротивления достигает 5000%/град. Инженерные проблемы столь точного поддержания температуры сдерживают применение этих детекторов.

Отметим, что вольтовая чувствительность металлических болометров является возрастающей функцией температуры болометра. Для полупроводникового болометра существует оптимальная температура, при которой вольтовая чувствительность максимальна.

При понижении температуры снижается порог чувствительности болометров за счет уменьшения как теплоемкости болометра, так и шумов. Охлаждаемые до температуры жидкого гелия кремниевые болометры используются в дальнем ИК-диапазонс вплоть до 5 см'¹.

Спектральная чувствительность болометров, вследствие их неселективности, определяется материалом приемного окна. Так. болометр с окном из бромида калия, защищенным от влаги тонким (1 мкм) слоем фторида магния, работает в области спектра от 0,2 до 38 мкм. В дальней ИК-области, где длина волны превышает 200 мкм, слой черни перестает быть рыхлым для падающего излучения, что ухудшает её поглощательные свойства и, следовательно, чувствительность болометров. Типичные постоянные времени болометров т = 10¹ — 10'⁴ с.

Другим приемником теплового типа является пироэлектрический детектор. Основой пироприемника является пластина из пироэлектрика, перпендикулярно полярной оси которого расположены металлические электроды. Падающее излучение может поглощаться либо в нанесенном на пироэлектрик слое черни, либо за счет собственного поглощения чувствительного элемента.

Пироэлектрики — это полярные диэлектрики, обладающие зависящей от температуры спонтанной поляризацией Р (Т) в направлении полярной оси в отсутствие внешнего электрического поля, которая присуща нецентросимметричным кристаллам. Спонтанная поляризация приводит к возникновению на поверхности, срезанной перпендикулярно указанной оси, связанного поверхностного заряда. Действие пироприемника основано на изменении величины спонтанной поляризации (и, следовательно, величины связанного заряда на поверхности) при нагревании пироэлектрического кристалла, что приводит к возникновению в цепи нагрузки электрического тока (рис. 5.17). Сила тока на выходе пироэлектрического приемника пропорциональна скорости изменения температуры в отличие от всех других тепловых приемников, отклик которых пропорционален изменению температуры. В результате пироэлектрические приемники заметно чувствительнее к изменению температуры и имеют малую инерционность (т = 10 ^ - 10⁷ с). Поэтому пироприемники используются для регистрации модулированного излучения. Преимущества пироэлектрических приемников — широкий диапазон детектируемого спектра, высокая чувствительность, быстродействие, способность к работе в диапазоне температур от -60 до +100°С, а также отсутствие источника питающего напряжения в цени. Еще одним достоинством пироприемников является независимость порогового потока от величины приемной площадки и практически идеальная линейность отклика, что весьма важно именно для фурье-сиектрометров.

Рис. 5.17. Схема включения пироэлектрического фотоприемника.

Для пироприемников выбирают материалы с наибольшим пироэлектрическим эффектом, то есть с наибольшим изменением поляризации при нагреве, с хорошей поглощательной способностью, высоким электрическим сопротивлением и малой теплопроводностью. Наиболее широко применимы в настоящее время пироэлектрические приемники на основе ТГС (TGS) (триглицинсульфат (NH2CH2OOHXVH2SO4) и ДЛАТГС (DLaTGS) (Deuterated L-alanine doped Triglycene Sulphate — дейтерированный триглицинсульфат с примесью L-a-аланина). Спектральный диапазон этих фотоприемников также ограничивается на практике материалом окна.

Поликристаплические пленки органических полициклических соединений по величине пироэффекта уступают пироэлектрикам-монокристаллам, но малая стоимость и, главное, возможность формировать тонкие слои на любой поверхности поставили их в один ряд с лучшими монокристалличсскими пироэлектриками и позволили создать па их основе пироприемники с высокими эксплуатационными свойствами.

Органический пироэлектрический материал сохраняет свои пироэлектрические свойства как минимум в течение 25 лет. Высокие эксплуатационные характеристики этого материала подтверждаются серийно выпускаемыми на его основе в течение длительного времени (с 1976 г.) пироэлектрическими приемниками МГ-30 и МГ-32 НПО «Восток» (Новосибирск).

В основе фотоэлектронных полупроводниковых приемников ИКдиапазона, к которым принадлежат фоторезисторы и фотодиоды, лежит явление внутреннего фотоэффекта.

Фоторезисторы представляют собой полупроводниковые пластинки, которые включают в цепь постоянного или переменного тока последовательно с сопротивлением нагрузки (измерительным прибором). Поток излучения, попадая на фоторсзистор, генерирует неравновесные носители заряда, которые увеличивают проводимость на величину, называемую фотопроводимостью.

Величина фотопроводимости определяется процессами рекомбинации неравновесных носителей заряда. Обнаружительная способность фоторсзисторов повышается с уменьшением температуры, при этом собственные фоторезисторы ближе, чем примесные, к предельным характеристикам, определяемым излучательной рекомбинацией [14]. Постоянная времени фоторезисторов определяется соотношением скоростей генерации и рекомбинации носителей, определяющим время жизни неравновесных носителей заряда. Для собственных полупроводниковых материалов т = 10‘² — 10'⁶ с.

Особенностью фоторезисторов является нелинейность зависимости фототока от падающего потока излучения [4].

Фотодиоды представляют собой полупроводниковые структуры с электронно-дырочным переходом (^-«-переходом), снабженные двумя металлическими выводами-контактами (один от р-, другой от «-области). При попадании на />"-переход фотонов, энергия которых достаточна для внутреннего фотоэффекта, происходит поглощение света с образованием пары электрон-дырка. Под действием электрического поля ^-«-перехода электрон перемещается в «-область, а дырка — в р-область, и высота потенциального барьера в области перехода снижается.

Фотодиод может работать в двух режимах (рис. 5.18 а, б). В режиме генерации фото-ЭДС источник питания во внешней цепи отсутствует, фотоприемник непосредственно подсоединен к прибору, который измеряет фото-ЭДС, возникающую на контактах фотодиода при изменении высоты потенциального барьера, или соответствующий ей фототок.

В фотодиодном режиме к />"-переходу приложено запирающее напряжение от внешнего источника (положительный полюс к «-области, отрицательный — к /^-области). При этом через сопротивление нагрузки течет обратный ток, обусловленный неосновными носителями заряда. При освещении величина потенциального барьера снижается и ток возрастает.

Рис. 5.18. Схемы включения фотодиода в режиме генерации фото-ЭДС (а) и в фотодиодном режиме (б).

Таким образом, при освещении как фотодиода, так и фоторезистора в них возникают неравновесные носители заряда, а в электрической цени изменяется сила протекающего тока. Фототок в фотодиоде при этом в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения и практически нс зависит от напряжения смещения. Кроме того, фоторезисторы и фотодиоды различаются своими шумовыми характеристиками и, следовательно, их оптимальные рабочие режимы достигаются при различных температурах [14]. Фотодиоды изготавливаются так, что глубина залегания р-п-перехода (расположенного параллельно освещаемой поверхности) значительно меньше диффузионной длины и почти все неосновные носители, созданные квантами света, доходят до перехода. Поэтому постоянная времени фотодиода определяется не временем жизни неосновных носителей, а временем их диффузии до р-п-перехода [15]. Инерционность фотодиода определяется также емкостью /;-/?-перехода.

По сравнению с режимом генерации фото-ЭДС фотодиодный режим характеризуется меньшей инерционностью, большим динамическим диапазоном линейности зависимости фототока от падающего потока излучения и большей вольтовой чувствительностью в области малых волновых чисел [4], но также и наличием темнового тока в отсутствие засветки. Темновой ток приводит к дополнительным шумам, зависящим от температуры, увеличивая порог чувствительности.

Постоянная времени фотодиодов, в зависимости от конструкции и схемы их включения, находится в пределах 10⁵ — 10 ¹⁰ с.

В настоящее время в ближнем ИК-диапазоне наиболее распространены фотодиоды на основе германия и твердого раствора InGaAs. В среднем ИК-диапазоне используются охлаждаемые жидким азотом фотодиоды на основе твердого раствора HgCdTe, сокращенно называемого по-русски КРТ (кадмий-ртуть-теллур), а по-английски МСТ (Мегcury-Cadmium-Tellurium). Широко применяются детекторы на основе InSb, имеющие лучшие, по сравнению с КРТ, шумовые характеристики, но более узкий спектральный диапазон.

Длинноволновая фаница чувствительности фотоэлекфонных приемников Л^ на основе собственных полупроводников ограничивается шириной запрещенной зоны. Коротковолновая граница рабочего спектрального диапазона обусловлена тем, что в области коротких волн коэффициент поглощения велик и излучение поглощается в непосредственной близости от поверхности, где фотоносители рекомбинируют раньше, чем успевают уйти в объем полупроводника.

Отдельную группу фотоэлектронных приемников составляют лавинные фотодиоды, работающие при обратном напряжении, близком к напряжению пробоя. При освещении таких фотоприемников происходит лавинообразное нарастание числа носителей заряда, размножающихся путем ударной ионизации, и усиление фототока может достигать 10² — 10⁶ (при достижении током определенной величины срабатывает внешняя схема выключения, предотвращающая пробой />л-перехода). Наряду с этим они сохраняют бысфодействие, свойственное обычным фотодиодам.

На рис. 5.19 в качестве примера приведены в полулогарифмическом масштабе графики удельных обнаружительных способностей D* фотоприемников, используемых фирмой Bruker Optics.

Рис. 5.19. Удельные обнаружительные способности фотоприемников, используемых фирмой Bruker Optics [ 12].