RU2709413C1 - Детектор лазерного излучения ИК-диапазона - Google Patents
Детектор лазерного излучения ИК-диапазона Download PDFInfo
- Publication number
- RU2709413C1 RU2709413C1 RU2019112820A RU2019112820A RU2709413C1 RU 2709413 C1 RU2709413 C1 RU 2709413C1 RU 2019112820 A RU2019112820 A RU 2019112820A RU 2019112820 A RU2019112820 A RU 2019112820A RU 2709413 C1 RU2709413 C1 RU 2709413C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- receiving element
- laser
- detector
- ohmic contacts
- single crystal
- Prior art date
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 55
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 49
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 23
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 10
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000006117 anti-reflective coating Substances 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 15
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 abstract 1
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 description 15
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 description 15
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 12
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 7
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 5
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 4
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 4
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004061 bleaching Methods 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0224—Electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/09—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и касается детектора лазерного излучения в ИК-диапазоне. Детектор содержит размещенный в корпусе и закреплённый в кристаллодержателе приемный элемент на основе полупроводникового монокристалла р-типа, электрически соединённые омические контакты, расположенные на противоположных концах приемного элемента, высокочастотный разъём, электрически соединенный с регистрирующим прибором, и переключатель изменения рабочей длины приемного элемента, электрически соединенный с высокочастотным разъёмом. Приемный элемент имеет длину более одного сантиметра и выполнен с возможностью размещения на нём с заданным интервалом дополнительных омических контактов. Переключатель выполнен с возможностью электрического соединения с любой парой омических контактов. Технический результат заключается в увеличении временного разрешения, обеспечении возможности детектирования лазерных импульсов в субнаносекундной области и упрощении измерительной системы. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относится к области электроники, а именно к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано в производстве детекторов лазерного излучения на основе эффекта фотонного увлечения свободных носителей тока в полупроводниках для определения абсолютных временных и энергетических характеристик лазерных импульсов современных импульсных ИК лазеров, в частности, импульсных СO2-лазеров, включая лазеры, генерирующие импульсы наносекундного диапазона.
Важной характеристикой детектора (фотоприёмника) является величина динамического диапазона: если нижняя граница динамического диапазона определяется шумами детектора или регистрирующей аппаратуры, то его верхний передел ограничивается разрушением материала под действием излучения и возможностью просветления полупроводника при больших интенсивностях. Эффект просветления полупроводника возникает, во-первых, вследствие того, что при высоких мощностях излучения оказываются заполненными состояния в «легкой» подзоне, куда могут переходить носители, и, во-вторых, потому, что скорость перехода дырок под действием излучения из «тяжелой» подзоны в «легкую» может превысить скорость их поступления за счёт междырочных столкновений с основной массой носителей, в энергетический интервал, где они могут поглощать кванты света.
Развитие квантовой электроники и, в частности, импульсных газовых и химических лазеров, которые генерируют мощные короткие импульсы света в ИК области спектра, требует создания соответствующих детекторов излучения, работающих при комнатной температуре, обладающих большим динамическим диапазоном, малой инерционностью, большой помехозащищённостью, высокой степенью надежности и, лёгкостью и удобством в эксплуатации. Всем этим требованиям удовлетворяют неохлаждаемые детекторы на основе эффекта увлечения свободных носителей тока фотонами в полупроводниках. В данном эффекте поглощенный импульс электромагнитной волны перераспределяется между фотонной и электронной подсистемами, вызывая появление направленного потока носителей тока, т. е. образования тока увлечения.
С появлением мощных лазеров выявилась проблема точного измерения временных и энергетических характеристик этих лазеров. Для измерений обычно отводится часть излучения с помощью оптического клина (от 3-4 %). Если для измерений используется высокочувствительный детектор (фотоприёмник), то зачастую входящее в него излучение приходится ещё дополнительно ослаблять, чтобы не выходить из пределов динамического диапазона. Это снижает достоверность измерений. Поэтому использование детекторов лазерного излучения на основе эффекта фотонного увлечения свободных носителей тока в полупроводниках оказалось весьма удачным техническим решением этой проблемы.
Для импульсных СO2-лазеров, излучающих в диапазоне длин волн 9-11 мкм (основная длина волны 10,6 мкм) такие детекторы можно изготавливать из монокристаллов германия (Ge) p-типа проводимости. Для других типов лазеров используются иные полупроводниковые монокристаллы. Так, для лазеров, излучающих на длине волны 1,3 мкм, используются детекторы на основе эффекта увлечения свободных носителей тока фотонами в монокристаллах арсенида галлия (GaAs) [Schneider W., Hübner K. A photon-drag detector for the jodine laser radiation at 1.3 µ // Phys. Lett., v. 53A, no. 1, pp. 87-88].
В настоящее время для метрологии мощных лазеров в области спектра (λ приблизительно равно 10 мкм) наиболее интересны фотодетекторы, изготовленные из монокристаллов дырочного германия (Ge р-типа). Электродвижущая сила фотонного увлечения (фотоЭДС) возникает в них за счёт использования прямых внутризонных переходов между подзонами дырок с тяжёлой и лёгкой массами. Данные детекторы являются хорошими вторичными эталонами вследствие очень высокой стабильности своих характеристик, большого динамического диапазона, работе при комнатной температуре, высокой помехозащищённости, лёгкости и удобству в эксплуатации, и могут быть с большой эффективностью использованы для определения абсолютных временных и энергетических характеристик лазерных импульсов современных импульсных ИК лазеров, в частности, импульсных СO2-лазеров, включая и лазеры наносекундного диапазона, а также для измерений мгновенных значений импульсной мощности и энергии.
Поэтому проблема необходимости создания одного универсального детектора, обеспечивающего регистрацию световых импульсов лазерного излучения в ИК-диапазоне во всём весьма широком диапазоне времен и мощностей, а не использование комплекта детекторов, в настоящее время встала достаточно остро.
Известен детектор лазерного излучения в ИК-диапазоне, изготовленный из квантовой проволоки на основе монокристалла InSb, легированного примесью донорного типа, с диаметром квантовой проволоки, примерно равным величине эффективного Боровского радиуса для электрона в материале квантовой проволоки, обеспечивающий управление фоточувствительностью посредством воздействия на детектор магнитным полем с индукцией от 2 до 5 Тл (RU 2418344, опубл. 10.05.2011). Недостатками технического решения является то, что оно не позволяет обеспечить проведение измерений без использования внешних источников энергии, что нежелательно вследствие наличия значительных электромагнитных наводок, обычно присутствующих вблизи лазера, источник питания которого и область газового разряда являются источником интенсивного электромагнитного излучения. Наличие наводок, как известно, заметно осложняет процесс регистрации измеряемых величин.
Известен сверхбыстродействующий, субнаносекундный неохлаждаемый детектор импульсного лазерного излучения в ИК-диапазоне на основе эффекта фотонного увлечения свободных носителей тока на основе монокристалла Ge р-типа, где используются прямые внутризонные переходы дырок в валентной зоне, используемый для определения энергетических характеристик лазерных импульсов СО2 лазера [Агафонов В.Г., Валов П.М., Рыбкин Б.С., Ярошецкий И.Д. Фотоприемники на основе эффекта увлечения светом носителей тока в полупроводниках // Физика и техника полупроводников. 1973. Т. 7. № 12. С. 2316-2325]. Недостатками технического решения является то, что для увеличения его временного разрешения или повышения фоточувствительности детектора (что взаимно исключает друг друга) необходимо использовать не один, а комплект сменных детекторов.
То есть, для измерения коротких субнаносекундных импульсов необходимо использовать сравнительно короткие (длиной порядка 0,5-1 см) монокристаллы, так как измеряемая длительность импульса становится сопоставимой со временем прохождения излучения в монокристаллическом стержне детектора, а для более длительных импульсов желательно увеличивать длину монокристаллического стержня, чтобы возросла фоточувствительность прибора, так как величина измеряемого сигнала пропорциональна длине стержня.
Существующий в настоящее время перечень разных типов детекторов на основе эффекта фотонного увлечения свободных носителей тока в принципе способен осуществить регистрацию световых импульсов во всём, весьма широком, диапазоне времен и мощностей с помощью комплекта детекторов с разной длиной монокристаллического стержня, обеспечивающих надежное измерение параметров световых импульсов современных ИК-, в частности, СO2-лазеров. Но, в случае работы с лазерным источником, перестраиваемом в широком диапазоне длительностей импульса, это становится неудобно, так как вынуждает тратить рабочее время на замену детекторов и переюстировку оптической схемы. Кроме этого, практическая реализация такой регистрации наталкивается на необходимость решения целого ряда проблем, важнейшими из которых являются согласование детекторов излучения с соответствующей измерительной аппаратурой, обеспечение высокой помехозащищенности и высокой степени надежности всего устройства в целом.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является детектор (фотоприёмник) лазерного излучения для λ равной 10,6 мкм на основе эффекта фотонного увлечения свободных носителей тока, обычно изготавливаемый на основе монокристалла Ge р-типа с концентрацией дырок, при которой фотоотклик остаётся линейным при работе на нагрузку 50 Ом вплоть до интенсивностей — 20 МВт/см2 (порога лучевой стойкости Ge), при этом детектор работает при комнатной температуре в широком динамическом диапазоне (10÷107 Вт/см2), с фоточувствительностью порядка 0,1÷1 В/МВт и временным разрешением - до 10-10 с и содержит защитную вставку, закреплённый в кристаллодержателе приемный элемент на основе монокристалла Ge р-типа, размещенный в корпусе с возможностью приёма лазерного ИК излучения, два кольцевых омические контакта, нанесённых на противоположных концах приемного элемента, электрически соединённых с высокочастотным разъёмом и предназначенных для регистрации ЭДС фотонного увлечения, при этом высокочастотный разъём соединён с регистрирующим прибором, например, с осциллографом [Валов П.М., Гончаренко К.В., Марков Ю.В., Першин В.В., Рывкин С.М., Ярошецкий И.Д. Приборы для регистрации излучения импульсных ИК лазеров на основе эффекта увлечения светом носителей заряда в полупроводниках // Квантовая электроника. 1977. Т. 4. № 1. 95-102].
Недостатками приведенного технического решения является то, что для расширения диапазона измеряемых значений длительности импульса и мощности, иными словами, увеличения временного разрешения, либо повышения фоточувствительности детектора необходимо использовать не один, а комплект сменных детекторов с разной длиной приёмного элемента.
Целью изобретения является повышение эффективности детектирования излучений при существенном упрощении измерительной системы – использование одного перестраиваемого детектора для разного спектрального диапазона источников излучения и разной частотой их импульсов.
Данная задача решается за счет того, что в детекторе лазерного излучения ИК-диапазона, содержащем закреплённый в кристаллодержателе приемный элемент на основе полупроводникового монокристалла р-типа, размещенный в корпусе с возможностью приёма лазерного ИК излучения, электрически соединённые омические контакты, расположенные на противоположных концах приемного элемента, и высокочастотный разъём, электрически соединенный с регистрирующим прибором, в отличие от прототипа, в него дополнительно введён переключатель изменения рабочей длины волны приемного элемента, электрически соединенный с высокочастотным разъёмом, приемный элемент выполнен длиной свыше 1 сантиметра для длительности импульсов лазерного излучения в ИК-диапазоне порядка 10-3-10-10 с с возможностью размещения на нём с заданным интервалом, нормально к оптической оси приемного элемента дополнительных омических контактов, при этом переключатель изменения рабочей длины волны приемного элемента выполнен с возможностью электрического соединения с любой парой омических контактов.
Приемный элемент на основе полупроводникового монокристалла для лазерного излучения в ИК-диапазоне с длиной волны 9-11 мкм может быть выполнен из монокристалла Ge р-типа.
Приемный элемент может быть выполнен цилиндрического или прямоугольного сечения.
Приемный элемент может быть выполнен длиной 4-6 сантиметров.
Дополнительные омические контакты могут быть размещены на приемном элементе с интервалом порядка 5 мм.
Дополнительные омические контакты могут быть выполнены в количестве 5-9.
Корпус может быть выполнен разборным, с двумя защитными крышками, установленными на корпусе с возможностью их удаления и обеспечения при этом возможности приёма лазерного ИК излучения приемным элементом.
Площадь приёмной площадки лазерного излучения в ИК-диапазоне приемного элемента выполнена соответствующей максимально возможному размеру сечения лазерного луча.
Входная и выходная поверхности полупроводникового монокристалла р-типа приемного элемента могут быть выполнены оптически отполированными с нанесенными на соответствующие отполированные поверхности оптических просветляющих покрытий.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является возможность увеличения временного разрешения детектора и расширения диапазона применений детектора, в том числе и в субнаносекундной области.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 представлена принципиальная схема выполнения детектора импульсного лазерного излучения в ИК-диапазоне, где 1 - кристаллодержатель, 2 –приемный элемент, 3 – корпус, 4 – высокочастотный разъем, 5 – переключатель, 6,7 – защитные крышки.
На фиг. 2 представлен график калибровки детектора путём измерения его вольт-ваттных характеристик на шести рабочих диапазонах.
На фиг. 3 представлена зависимость выходного сигнала V от сопротивления приемного элемента (2) на основе монокристалла Ge р-типа – r.
На фиг. 4 представлена форма лазерного импульса (1 мкс/дел), генерируемая СO2-лазером, измеренная предлагаемым детектором.
Детектор (фотоприемник) импульсного лазерного излучения ИК-диапазона содержит закреплённый в кристаллодержателе (1) приемный элемент (2) на основе полупроводникового монокристалла, например, монокристаллов Ge р-типа, InSb р-типа, GaAs р-типа и др., размещенного в корпусе (3) с возможностью приёма лазерного ИК излучения и выполненного длиной свыше 1 сантиметра для длительности импульсов лазерного излучения в ИК-диапазоне порядка 10-6-10-9 с, омические контакты, размещённые на приемном элементе (2) на его противоположных концах и с заданным интервалом по его длине нормально к оптической оси приемного элемента (2), высокочастотный разъём (4), электрически соединенный с регистрирующим прибором, и дополнительно введённый переключатель (5) изменения рабочей длины приемного элемента (2), электрически соединенный с высокочастотным разъёмом (4) и выполненный с возможностью электрического соединения с любой парой омических контактов (фиг. 1).
Кристаллодержатель (1) приемного элемента (2) выполнен из диэлектрика, например, фторопласта, и предназначен для крепления приемного элемента (2) и предохранения приёмного элемента (2) от электромагнитных наводок.
Приемный элемент (2) является основным элементом детектора импульсного лазерного излучения в ИК-диапазоне, выполнен на основе полупроводникового монокристалла, например, из монокристалла Ge р-типа, например, марки ГДГ 7, в виде стержня прямоугольного сечения, например, размером10
1060 мм3, и удельным сопротивлением ρ равным 7 Ом
см. В общем случае данный стержень может иметь как прямоугольную, так и иную форму, например, цилиндрическую, или иную форму, подобную сечению измеряемого лазерного луча. Для регистрации «длинных» импульсов лазерного излучения ИК-диапазона с целью увеличения фоточувствительности используется длина стержня монокристалла Ge р-типа свыше одного сантиметра (оптимально 4-6 см) для длительности импульсов лазерного излучения в ИК-диапазоне порядка 10-3-10-10 с.
Приемный элемент (2) предназначен для приёма лазерного ИК излучения и обеспечения возможности съёма ЭДС фотонного увлечения с участков разной длины стержня из полупроводникового монокристалла, например, монокристалла Ge р-типа, что позволяет варьировать, тем самым, временное разрешение и фоточувствительность детектора импульсного лазерного излучения ИК-диапазона в зависимости от параметров измеряемого излучения в ИК диапазона. Приемный элемент (2) для съёма ЭДС фотонного увлечения с участков разной длины помещен в металлический корпус (3).
Корпус (3) выполнен из прочного металла, обеспечивающего защиту приемного элемента (2) и детектора в целом от механических и электромагнитных воздействий, например, из стали марки СТ-3. Корпус (3) может быть выполнен разборным, с двумя защитными крышками (6, 7), которые на время работы детектора убираются, чтобы обеспечить возможность приёма лазерного ИК излучения приемным элементом (2). Защитные крышки (6, 7) выполнены из металла, обеспечивающего защиту приемного элемента (2) и детектора в целом от механических и электромагнитных воздействий, например, из стали марки СТ-3, и предназначены для защиты входной и выходной поверхностей приемного элемента (2) от несанкционированного воздействия в процессе хранения.
Омические контакты предназначены для съёма ЭДС фотонного увлечения с участков разной длины и передачи регистрируемых значений ЭДС фотонного увлечения на переключатель (5) изменения рабочей длины волны приемного элемента (2). Количество омических контактов (обычно достаточно 5-9, но в отдельных случаях их может быть больше) может изменяться исходя из конкретной поставленной задачи. Омические контакты могут быть как кольцевыми, так и не кольцевыми.
Высокочастотный разъём (4) предназначен для приёма полученной ЭДС фотонного увлечения от переключателя (5) изменения рабочей длины приемного элемента (2) и передачи полученной ЭДС фотонного увлечения на измерительный прибор, например, на осциллограф. Высокочастотный разъём может быть выполнен в виде коаксиального высокочастотного разъёма для минимизации наводок, например, типа стандартных малогабаритных разъёмов (коаксиальных) SMA с резьбовым соединением и диапазоном частот: 0 - 12 ГГц.
Переключатель (5) изменения рабочей длины волны приемного элемента (2) предназначен для оперативного переключения регистрирующего прибора для регистрации ЭДС фотонного увлечения с участков разной длины монокристаллического стержня приемного элемента (2) и съёма ЭДС фотонного увлечения с соответствующих омическим контактам участков разной длины и выполнен в виде стандартного переключателя электрических сигналов для малоиндуктивной нагрузки, например, категории ДС-1. Переключатель (5) изменения рабочей длины волны приемного элемента (2) расположен на внешней стороне корпуса (3).
Детектор лазерного излучения в ИК-диапазоне работает следующим образом.
Предлагаемый детектор лазерного излучения предназначен для анализа работы мощных лазеров ИК-диапазона, например, моноимпульсных или частотно-импульсных СО2-лазеров с длительностью импульсов порядка 10-3-10-10 с.
Для улучшения рабочих характеристик прибора предварительно входная и выходная поверхности выбранного полупроводникового монокристалла р-типа, например из Ge, приемного элемента (2) может быть оптически отполирована и на соответствующие отполированные поверхности могут быть нанесены оптические просветляющие покрытия, что позволяет примерно вдвое увеличить фоточувствительность предлагаемого детектора лазерного излучения в ИК-диапазоне по сравнению с применением непросветлённого приёмного элемента.
Предварительно на боковой поверхности приемного элемента (2) размещают с заданным интервалом (обычно порядка 5 мм) нормально к оптической оси приемного элемента (2), например, семь дополнительных омических контактов при длине стержня монокристалла Ge р-типа, например 6 см, что позволяет снимать ЭДС фотонного увлечения с участков стержня разной длины, варьируя, тем самым, временное разрешение и фоточувствительность детектора импульсного лазерного излучения ИК-диапазона. В данном случае, увеличивать длину приёмного элемента более 6 см нежелательно, поскольку из-за потерь излучения в кристалле появятся искажения в измеряемой ЭДС фотонного увлечения.
В приемном элементе (2) детектора (фотоприёмника) лазерного излучения, например с λ равной 10,6 мкм, изготовленного на основе монокристалла Ge р-типа, вследствие эффекта фотонного увлечения, обусловленного импульсом фотонов импульсного СO2-лазера, передаваемым в процессе поглощения приемным элементом (2) на основе монокристалла Ge р-типа соответствующей электронной подсистеме, преобразующей энергию лазерного импульса в электрическую энергию, при поглощении импульсов мощного ИК-излучения СО2 лазера (hν равно 0,117 эВ) главным образом за счёт прямого внутризонного перехода между подзонами дырок с тяжёлой и лёгкой массами, свободному носителю (дырке) передаются энергия и импульс фотона, перераспределение которых приводит к возникновению в монокристалле Ge р-типа направленного потока носителей зарядов.
Условие выполнения законов сохранения энергии и импульса вызывает необходимость перемещения дырок относительно решётки в направлении распространения излучения, что способствует появлению между торцами приемного элемента (2) на основе монокристалла Ge р-типа разности потенциалов - ЭДС фотонного увлечения (V). То есть эффект фотонного увлечения формирует ЭДС фотонного увлечения и соответствующую ей напряженность электрического поля
V =
,
где C = e•(– τh•vh + τL•vL) - константа образца; vh и vL - групповые скорости тяжёлых и лёгких дырок, соответственно; τh и τL - времена релаксации импульсов в двух системах дырок, e - заряд электрона; WP1 - пиковая мощность лазерного импульса, ρ - удельное сопротивление приемного элемента (2); S - площадь приёмной площадки; R1 - коэффициент отражения от поверхности детектора; ħ = h/2π - постоянная Планка; ω - угловая частота лазерного излучения; α - коэффициент поглощения рабочего перехода.
Одновременно формируется ток увлечения и вследствие того, что импульс ИК-излучения импульсного СO2-лазера приводит к асимметрии в распределении носителей заряда в пространстве квазиимпульса и наблюдается анизотропия тока увлечения, при этом выражение для плотности (j) тока увлечения связано с вектором поляризации света (е) и волновым вектором (χ) соотношением
Выражения для напряженности электрического поля (Ех) по оси (x) и величины ЭДС (Vz) фотонного увлечения по оси (z) в режиме разомкнутой цепи получают из условия равенства в данном направлении тока увлечения (j) соответствующему току проводимости
где I = I0 
; s и s0 — соответственно площади поперечного сечения светового пучка и детектора; l - длина детектора; ρ0 - удельное сопротивление материала.
Фоточувствительность детектора характеризует величина (G), определяемая как отношение (Vz) к мощности излучения (N)
где 
— показатель преломления; с — скорость света.
Выражения (1) в общем случае зависит как от геометрических размеров детектора s0, l, так и от параметров используемого материала α, ρ0 и 
, которые при постоянной температуре практически являются лишь функцией концентрации носителей заряда.
Величина при постоянной температуре Т равной 300 К и в практически важной области концентраций дырок 1014-1015 см-3 постоянна, так как определяется рассеянием на акустических и оптических фононах. Экспериментально найденная величина 
равная 1,3·10-12 с находится в хорошем согласии с ее теоретическим значением. Таким образом, используя вместе с соответствующими параметрами Ge р-типа, с помощью выражений (1) может быть проведен априорный расчёт величины фоточувствительности для детектора.
Физические процессы, ограничивающие временное разрешение, следующие.
1. Время релаксации носителей по импульсу (τи) составляет величину порядка 10-12-10-13 с, и поэтому оно не является определяющим фактором, ограничивающим временное разрешение детектора.
2. Время установления равновесия в системе «ток увлечения — электрическое поле (τм)», определяющее наблюдаемую ЭДС фотонного увлечения. Оценки показывают, что это время также достаточно мало. Так, при использовании Ge р-типа с ρ0 равным 10 Ом·см это время составляет порядка 10-11 с.
3. Время (τин), определяемое сопротивлением и емкостью приемного элемента (2) на основе монокристалла Ge р-типа и измерительного устройства. Без существенной потери фоточувствительности детектор может быть выполнен с сопротивлением меньше 10 Ом, а ёмкость уменьшена до 10-11 Ф и тем самым (τин) меньше или равно 10-10 с.
4. Характеристическое время (τпр), которое для детектора на основе продольного эффекта увлечения становится определяющим, - время пробега света в приемном элементе (2) на основе монокристалла Ge р-типа. Например, для детектора c длиной монокристалла Ge р-типа 4 см (τпр) приблизительно равно 3·10-10 с. Это время может быть уменьшено за счёт укорачивания длины приемного элемента (2) на основе монокристалла Ge р-типа, что приведёт к уменьшению фоточувствительности.
Калибровку детектора проводят путём измерения его вольт-ваттных характеристик на шести рабочих диапазонах (фиг. 2). Была исследована также зависимость выходного сигнала V от сопротивления приемного элемента (2) на основе монокристалла Ge р-типа - r (фиг. 3). Эти измерения проведены в диапазоне мощностей (N) воздействующего излучения 105÷107 Вт. На фиг. 2 видно, что при WP1 меньше или равной 5 МВт/см2, вольт-ваттные характеристики детектора линейны. Линейны также зависимости V = f(r) при фиксированном уровне мощности (N), т. е. работа детектора возможна на любом из шести диапазонов. Наиболее высокая фоточувствительность F, как и следует из формулы (1), наблюдается при максимальной рабочей длине приемного элемента (2) на основе монокристалла Ge р-типа и равна
F = (0,5
0,1)I0-6 B/Вт.
Посредством переключателя (5) изменения рабочей длины волны приемного элемента (2) осуществляют соответствующий участкам разной длины стержня монокристалла Ge р-типа съём ЭДС фотонного увлечения (V) и увеличение его временного разрешения и расширения диапазона применений детектора в наносекундной области.
Максимальное ЭДС фотонного увлечения (V) обеспечивается оптимизацией монокристалла по параметрам ρ приблизительно равна 1÷10 Ом•см, L равна 4÷6 см при комнатной температуре, при этом площадь приёмной площадки (S) лазерного излучения в ИК-диапазоне приемного элемента (2) соответствует максимально возможному размеру сечения лазерного луча и ограничивается только технологическими возможностями выращивания монокристалла с необходимыми параметрами.
Импульсную мощность определяют исходя из измерений средней мощности (N) и формы импульсов, генерируемых лазером, а также методом испарения излучением лазера жидкого азота в специально сконструированном калориметре. В свою очередь, форма лазерного импульса (1 мкс/дел), генерируемая СO2-лазером, измеренная предлагаемым детектором представлена на фиг. 4.
На основании вышеизложенного новым достигаемым техническим результатом предполагаемого изобретения по сравнению с прототипом является.
1. Повышение эффективности детектора (фотоприёмника) не менее чем на 15 % вследствие возможности увеличения его временного разрешения, обратно пропорционального рабочей длине стержня полупроподникового монокристалла р-типа приемного элемента (2), или повышения фоточувствительности детектора, прямо пропорциональной рабочей длине стержня полупроводникового монокристалла р-типа приемного элемента (2), посредством регулирования рабочей длины стержня полупроводникового монокристалла р-типа приемного элемента (2) детектора.
2. Повышение эффективности детектора не менее чем на 15 % за счет расширения диапазона его применений в наносекундной области посредством перестройки рабочей длины стержня полупроводникового монокристалла р-типа приемного элемента (2) детектора.
3. К достоинствам детектора относятся также возможность работы при комнатной температуре, высокая помехоустойчивость, стабильность параметров, возможность его изготовления с большой апертурой, что позволяет с большей точностью измерять характеристики мощных лазеров.
В настоящее время в НЦЛСК «Астрофизика» выпущена конструкторская документация на предложенный детектор лазерного излучения в ИК-диапазоне и изготовлены и испытаны образцы такого детектора лазерного излучения в ИК-диапазоне в соответствии с предложенным выше техническим решением.
Claims (9)
1. Детектор лазерного излучения в ИК-диапазоне, содержащий закреплённый в кристаллодержателе приемный элемент на основе полупроводникового монокристалла р-типа, размещенный в корпусе с возможностью приёма лазерного ИК-излучения, электрически соединённые омические контакты, расположенные на противоположных концах приемного элемента, и высокочастотный разъём, электрически соединенный с регистрирующим прибором, отличающийся тем, что в него дополнительно введён переключатель изменения рабочей длины приемного элемента, электрически соединенный с высокочастотным разъёмом, приемный элемент выполнен длиной свыше одного сантиметра для длительности импульсов лазерного излучения в ИК-диапазоне, приблизительно равном 10-3-10-10, с с возможностью размещения на нём с заданным интервалом, нормально к оптической оси приемного элемента дополнительных омических контактов, при этом переключатель изменения рабочей длины волны приемного элемента выполнен с возможностью электрического соединения с любой парой омических контактов.
2. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что приемный элемент на основе полупроводникового монокристалла для лазерного излучения в ИК-диапазоне с длиной волны 9-11 мкм может быть выполнен из монокристалла Ge р-типа.
3. Детектор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что приемный элемент может быть выполнен цилиндрического или прямоугольного сечения.
4. Детектор по п. 1, или, 2, или 3, отличающийся тем, что приемный элемент может быть выполнен длиной 4-6 сантиметров.
5. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что дополнительные омические контакты могут быть размещены на приемном элементе с интервалом порядка 5 мм.
6. Детектор по п. 1 или 5, отличающийся тем, что дополнительные омические контакты можут быть выполнены в количестве 5-9.
7. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что корпус может быть выполнен разборным, с двумя защитными крышками, установленными на корпусе с возможностью их удаления и обеспечения при этом возможности приёма лазерного ИК излучения приемным элементом.
8. Детектор по п. 1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что площадь приёмной площадки лазерного излучения в ИК-диапазоне приемного элемента выполнена соответствующей максимально возможному размеру сечения лазерного луча.
9. Детектор по п. 1, или, 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что входная и выходная поверхности полупроводникового монокристалла р-типа приемного элемента выполнены оптически отполированными с нанесенными на соответствующие отполированные поверхности оптическими просветляющими покрытиями.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019112820A RU2709413C1 (ru) | 2019-04-26 | 2019-04-26 | Детектор лазерного излучения ИК-диапазона |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019112820A RU2709413C1 (ru) | 2019-04-26 | 2019-04-26 | Детектор лазерного излучения ИК-диапазона |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2709413C1 true RU2709413C1 (ru) | 2019-12-17 |
Family
ID=69006698
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019112820A RU2709413C1 (ru) | 2019-04-26 | 2019-04-26 | Детектор лазерного излучения ИК-диапазона |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2709413C1 (ru) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2104289A (en) * | 1981-08-19 | 1983-03-02 | Industry The Secretary Of Stat | Photon drag detectors |
| WO2000072385A1 (en) * | 1999-05-21 | 2000-11-30 | Hetron Corporation | IR RADIATION SENSING WITH SiC |
| US20080251723A1 (en) * | 2007-03-12 | 2008-10-16 | Ward Jonathan W | Electromagnetic and Thermal Sensors Using Carbon Nanotubes and Methods of Making Same |
-
2019
- 2019-04-26 RU RU2019112820A patent/RU2709413C1/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2104289A (en) * | 1981-08-19 | 1983-03-02 | Industry The Secretary Of Stat | Photon drag detectors |
| WO2000072385A1 (en) * | 1999-05-21 | 2000-11-30 | Hetron Corporation | IR RADIATION SENSING WITH SiC |
| US20080251723A1 (en) * | 2007-03-12 | 2008-10-16 | Ward Jonathan W | Electromagnetic and Thermal Sensors Using Carbon Nanotubes and Methods of Making Same |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| П. М. Валов и др. "Приборы для регистрации излучения импульсных ик лазеров на основе эффекта увлечения светом носителей заряда в полупроводниках", КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА, т. 4, No 1, 1977 г., стр. 95-102. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hu et al. | Free‐space radiation from electro‐optic crystals | |
| Van Exter et al. | Carrier dynamics of electrons and holes in moderately doped silicon | |
| Grischkowsky | Nonlinear generation of sub-psec pulses of THz electromagnetic radiation by optoelectronics—applications to time-domain spectroscopy | |
| Teich | Infrared heterodyne detection | |
| Hashimshony et al. | Conversion of electrostatic to electromagnetic waves by superluminous ionization fronts | |
| EP2839257B1 (en) | Opto-electronic device and pulse processing method | |
| Kutsaev et al. | Nanosecond rf-power switch for gyrotron-driven millimeter-wave accelerators | |
| Garufo et al. | A connected array of coherent photoconductive pulsed sources to generate mW average power in the submillimeter wavelength band | |
| Grischkowsky et al. | Femtosecond pulses of THz radiation: Physics and applications | |
| Schegolev et al. | Detection of Terahertz, Mid-and Near Infrared Radiation by a Multilayer Metal—Insulator Heterostructure | |
| Roux et al. | Principles and applications of THz time domain spectroscopy | |
| Sarkisov et al. | Dipole antennas based on SI-GaAs: Cr for generation and detection of terahertz radiation | |
| RU2346357C1 (ru) | Сверхпроводниковый фотонный детектор видимого и инфракрасного диапазонов излучения, различающий число фотонов | |
| RU2709413C1 (ru) | Детектор лазерного излучения ИК-диапазона | |
| US10193513B2 (en) | Optical amplifier based on electro-optic effect for electrical signals and its application as semiconductor radiation detector preamplifier | |
| Scheuring et al. | Transient analysis of THz-QCL pulses using NbN and YBCO superconducting detectors | |
| Wagner et al. | Picosecond photoconductors as radiation detectors | |
| Garet et al. | Evidence of frequency-dependent THz beam polarization in time-domain spectroscopy | |
| Shchelkunov et al. | Nondestructive diagnostic for electron bunch length in accelerators using the wakefield radiation spectrum | |
| Sirkis et al. | Electron Beam Excitation of a Fabry‐Perot Interferometer | |
| Zaitsev et al. | A calorimeter for measuring the energy of high-power electromagnetic pulses | |
| Katzenellenbogen et al. | AN ULTRAFAST OPTOELECTRONIC THz BEAM SYSTEM | |
| Bothra et al. | Evaluation of solar cell material parameters using a non-destructive microwave technique | |
| Bernáth | FEL-based THz spectroscopy in high magnetic fields | |
| Katzenellenbogen et al. | An Ultra-Wideband Optoelectronic THz the Beam System |