Методики вимірювання імпульсної монохроматичної чутливості

В даному розділі розглянемо методики вимірювання імпульсної монохроматичної чутливості (S_λімп) малоінерційних фотоприймачів, які призначені для роботи в ближній ІЧ області спектра – в області 0.8 – 1.5 мкм, так як вимірювання імпульсної монохроматичної чутливості інерційних фотоприймачів проводяться аналогічно вимірюванням інтегральної імпульсної чутливості, замінивши джерело інтегрального випромінювання на монохроматичне.

Вимірювання імпульсної монохроматичної чутливості ФП проводять на установці, структурна схема та фотографія якої приведена на рисунку 3.

		б)

На сьогодні споживач виставляє вимоги до фотоприймачів, які чутливі до потоків на декількох довжинах хвиль – це потоки імпульсного випромінювання з максимумом довжин хвиль λ_max: 0.85; 0.90; 1.06 та 1.35 мкм з тривалістю імпульсів по рівню 0.5 від 10 до 100 нс. Для досліджень при розробці та серійному виробництві ФП в якості джерел випромінювання на вказаних довжинах хвиль використовуються світло- або лазерні діоди, основні параметри яких приведені в таблиці 1

Таблиця 1. Параметри джерел монохроматичного випромінювання

У випадку вимог по S_λімп на інших довжинах хвиль її величина розраховується за відомими відносною спектральною характеристикою чутливості та виміряною імпульсною монохроматичною чутливістю ФП на довжині хвилі, яка ближче знаходиться до заданої.

Для формування імпульсів потоку оптичного випромінювання від 1 нс до 1 мкс використовуються генератори імпульсів типу Г5-48 (Г5-63, Г5-67, Г5-72) або аналогічні. При необхідності збільшення струму накачки випромінювача використовується підсилювач струму.

Для визначення оптичного потоку імпульсного випромінювання (Р) в якості еталонного робочого засобу вимірювання метрологічні служби атестують фотоприймачі (контрольні ФП), які забезпечують високі метрологічні характеристики в процесі їх експлуатації. Перелік фотоприймачів, які досліджені і допущені до використання в якості контрольних, невеликий - це кремнієві фотодіоди типу ФД288 та ФД255, а отже при виробництві ФП, які відрізняються від контрольних розмірами та формою фоточутливого елемента (фче) виникає проблема забезпечення однакових умов проведення вимірювань. Цю проблему вирішують за допомогою діафрагм – досить доступний і простий засіб, або більш складними засобами – за допомогою оптичних систем. Необхідно зазначити, що при використанні діафрагм втрачається до 90 % потоку випромінювання, тому на практиці частіше використовують оптичні системи. Так, в випромінювачі імпульсних потоків АДБ161.10.00 (розробник ВАТ ЦКБ “Ритм”) використана оптична система, схема якої приведена на рисунку 4.

Зображення (поз.4) джерела випромінювання (поз.1) формується в фокальній площині другого об’єктива (поз.3) зі збільшенням К^х, яке визначається за співвідношенням

(5)

де f₁ та f₂ – фокусні відстані відповідно першого (поз.2) та другого об’єктивів.

При постійно установленому першому об’єктиві з f₁ = 20 мм та змінному другому (f₂ = 50, 20 та 6 мм) в площині фче формується збільшене, незмінне, або зменшене зображення джерела випромінювання. Розміри випромінюючих елементів джерел приведених в таблиці 1 знаходяться в межах 0.3 – 0.5 мм. Тоді, з врахуванням вищесказаного, мінімальні розміри світлового зонда (зображення) будуть від 0.1 до 0.15 мм. Таким чином, вибравши з відповідною фокусною відстанню змінний об’єктив, можна створити однакові умови засвітки фче контрольного ФП (в ФД255 Ø _фче = 2 мм) та вимірюваного, наприклад, ФД131 з Ø _фче = 0.45 мм [ А ].

Для вимірювання фотосигналу використовуються широкосмугові осцилографи С1-64 (С1-114, С1-75, С8-12 і т.п.) з граничною частотою пропускання більшою 50 МГц та максимальною чутливістю 5 – 10 мВ на поділку осцилографа. Так як фотосигнал вимірюваного ФП є недостатнім для впевнених вимірів його амплітуди, то для збільшення її величини використовується стандартний передпідсилювач типу У3-33 або аналогічний (гранична частота пропускання - 400 МГц, коефіцієнт підсилення – 3 рази), або передпідсилювач АДБ169.10 (розробник ВАТ ЦКБ “Ритм”) як нестандартизований засіб вимірювання (гранична частота пропускання - 100 МГц, коефіцієнт підсилення – більше 80 разів).

В якості контрольного ФП при вимірюваннях потужності потоків випромінювання з тривалістю імпульсів більшою τ_0.5 = 5 мкс використовуються кремнієві фотодіоди типу ФД288 (час наростання фотосигналу 1 мкс) та ФД255 (час наростання фотосигналу 15 нс), при тривалості імпульсів менших 5 мкс – ФД255. Можливе використання і фотодіодів ФД288, але методика вимірювання потужності випромінювання коротких імпульсів (при тривалості імпульсів меншою 5 мкс) досить серйозно ускладнюється: спочатку необхідно визначити потужність випромінювання при тривалості імпульсів більших за 5 мкс; потім вимірюється імпульсна чутливість малоінерційного ФП, наприклад, лавинного фотодіода або фотоелектронного помножуючого елемента; після чого установлюється задана тривалість імпульсів випромінювання і, не змінюючи режиму роботи та геометричного розміщення випромінювач-фотоприймач, визначається потужність випромінювання.

Розглянемо ще один елемент вимірювальної установки – це координатний столик. Оскільки фотоприймачі відрізняються не тільки розмірами та формою фче, але і конструкцією корпусів, то для формування світлового зонда на поверхні фче використовуються координатні столики, вимоги до яких можна сформулювати таким чином: координатні столики повинні забезпечувати плавне плоско-паралельне безлюфтове переміщення ФП в трьох взаємоперпендикулярних площинах; мати відліковий пристрій та крок переміщення, який забезпечив би точне почергове розміщення зонда на кожен фче багатоелементного ФП. Задовільняють указаним вимогам координатні столики типу АДБ169.30 (розробник ВАТ ЦКБ “Ритм”) та столики з комплекту оптичної лави типу ОСК-2.

Маючи в наявності розглянуте або аналогічне обладнання та оснащення, подальші вимірювання імпульсної монохроматичної чутливості (S_λімп) проводяться методом порівняння чутливості вимірюваного ФП з контрольним

(6)

де S_λімп.к – імпульсна монохроматична чутливість атестованого

(контрольного) ФП на робочій довжині хвилі, А/Вт;

U_λcд – напруга фотосигналу досліджуваного ФП, В;

U_λcк – напруга фотосигналу контрольного ФП, В.

Основна відносна похибка вимірювання S_λімп не виходить за межі ± 20 %.