Регистрация мощности излучения

Для регистрации мощности излучения в видимом диапазоне можно применять фотодиод в различных схемах включения, как показано на рис. 4.43- 4.46 [63−64]. Во всех этих схемах применено обратное смещение фотодиода. В противном случае будет характеристика с насыщением (ограничением) выходного напряжения.

Рис. 4.43. Упрощенная схема фотоприемника на основе фотодиода и ОУ в режиме повторителя.

Рис. 4.44. Упрощенная схема фотоприемника на основе фотодиода и ОУ в режиме преобразователя тока в напряжение.

Рис. 4.45. Упрошенная схема фотоприемника на основе фотодиода и ОУ в режиме преобразователя тока в напряжение с компенсацией емкости фотодиода.

Рис. 4.46. То же, что и на рис. 4.45, на основе двух ОУ.

Обратное смещение обеспечивает условие, когда фотодиод при отсутствии освещенности заперт. Чем больше свет, тем сильнее открывается фотодиод, тем больше через него течет обратный ток. Применение операционного усилителя позволяет эффективно согласовать высокое выходное сопротивление фотодиода с низким сопротивлением последующих каскадов.

Схема на рис. 4.43 наиболее понятна, но обладает недостаточной полосой частот, так как собственная емкость фотодиода шунтирует высокочастотную часть формируемого сигнала. Для расширения полосы частот нежелательно снижать величину балансного сопротивления /?_Б, так как это привело бы к росту обратного тока через фотодиод и, как следствие, к его разрушению. В схеме на рис. 4.44 фотодиод работает как источник тока, а операционный усилитель преобразует ток в напряжение. Выходное напряжение ОУ равно произведению тока фотодиода на сопротивление обратной связи Я. Напряжение на инвертирующем входе ОУ вследствие особенностей его работы приблизительно равно нулю, поэтому второй вход фотодиода желательно соединить с нулевой шиной через фильтрующий конденсатор. В этом случае падение напряжения на фотодиоде приблизительно постоянно, паразитная емкость фотодиода почти не перезаряжается.

Предпочтительные схемы показаны на рис. 4.45 и 4.46, где использован повторитель, включенный через конденсатор С| между первым и вторым выводами фотодиода. Это обеспечивает совпадение по высоким частотам напряжений на обоих выводах фотодиода, следовательно, его паразитная емкость не перезаряжается в процессе его работы. Экспериментально подтверждено, что такая схема расширяет полосу фотоприемника более чем на порядок в сравнении со схемой на рис. 4.44.

В сравнении с обычными фотодиодами чаще используют лавинные фотодиоды. Собственная емкость таких фотодиодов меньше на порядок (примерно 2 пФ), а чувствительность выше в 20−100 раз. Схема включения лавинных фотодиодов такая же, но следует помнить, что такой фотодиод переходит в лавинный режим лишь при достижении напряжения смешения в соответствии с индивидуальным паспортным значением для этого прибора. Кроме того, это индивидуальное значение может изменяться с температурой, поэтому поддержание такого напряжения требует определенных мер. Одна из таких мер состоит в стабилизации этого напряжения по признакам лавинного режима. Другая мера — стабилизация температуры лавинного фотодиода, что, хотя и кажется сложным, может оказаться простейшей мерой с учетом того, что в лазерных системах зачастую используется множество систем термостатирования, а также принудительное охлаждение фотоприемников (например, жидким азотом).

Некоторые исследователи используют схему стабилизации среднего тока лавинного фотодиода вместо стабилизации напряжения смещения на границе режима пробоя. Такая схема чаще всего нецелесообразна. Она может использоваться лишь в случае, если фотоприемник работает в режиме постоянного и не изменяющегося в различных экспериментах уровня освещенности и при этом предназначен для регистрации высокочастотных изменений этой освещенности. Если же мощность света изменяется, то такое включение неоправданно, поскольку ток фотодиода не должен быть в среднем постоянным при различных уровнях средней мощности падающего на него света.

Для преобразования света в инфракрасной области частот чаще всего используются фоторезисторы, помещенные в жидкий азот. Это обеспечивает их стабильную низкую температуру. Необходимо следить за тем, чтобы азот не выкипал полностью, иначе устройство станет неработоспособным.

Такой фотоприемник реагирует и на тепло, которое является одним из видов инфракрасного излучения. Поэтому для измерения, например, мощности излучения инфракрасного лазера целесообразно использовать прерыватель пучка света. Этот прерыватель следует располагать как можно дальше от фотоприемника, чтобы его действие сказывалось только на распространении пучка измеряемого света и не сказывалось на изменении засветок. В этом случае сигнал с выхода фотоприемника будет переключаться между двумя уровнями, один из которых соответствует только величине засветки, а другой — сумме засвегки и мощности лазера. Путем вычитания второго из первого можно легко определить мощность лазерного излучения.

Тема приемников оптического излучения слишком широка для данного учебного пособия, поэтому для разработки таких узлов требуется и рекомендуется изучение специальной литературы.