ФОТОПРИЕМНИК Российский патент 2004 года по МПК H01L31/00 G01B11/14 

Изобретение относится к оптоэлектронике, голографии, интерферометрии, спектроскопии Фурье и предназначено для электронного измерения пространственного и временного распределения амплитуд и фаз световых волн.

Известен фотоприемник, имеющий квадратурный выход, у которого фотоэлектрические слои (площадки) следуют друг за другом и не смещены в плоскости, параллельной фотоэлектрическим слоям (US 4571083, 18.02.1986, G 01 B 9/02).

Однако известные фотоприемники обладают следующими недостатками: пропускают световые потоки со значительным ослаблением интенсивности, что снижает контраст регистрируемого интерференционного поля.

Известен фотоприемник, имеющий квадратурный выход, у которого фотоэлектрические слои (площадки) смещены в плоскости, параллельной фотоэлектрическим слоям, а в перпендикулярной плоскости расположены на расстоянии kλ /8 друг от друга (US 4443107, G 01 B 11/14, 17.04.1984).

Это устройство является прототипом изобретения.

Для этого фотоприемника невозможна регистрация квадратурных сигналов, если отражатель установлен не со стороны фотоэлектрических слоев, а со стороны подложки, и, в случае, если часть светового потока, прошедшего через один фотоэлектрический слой, возвращается через другой (например, при применении уголкового отражателя или с плоским отражателем при небольших угловых смещениях). Фотоприемник не обладает симметрией квадратурных свойств, т.е. при повороте на 180° , относительно его рабочего положения для схемы интерферометра с плоским зеркалом, фазовый сдвиг его выходных сигналов становится отличным от π /2. Другими словами, фотоприемник обладает квадратурными свойствами только для случая, когда часть светового потока, пройдя через соответствующий фотоэлектрический слой, со стороны подложки, возвращается в обратном направлении через тот же фотоэлектрический слой.

Техническим результатом изобретения является получение квадратурных сигналов при перемещении фотоприемника в интерференционном поле встречных световых потоков при любом способе формирования этих световых потоков.

Технический результат достигается тем, что в фотоприемнике для измерения характеристик интерференционного поля, созданного проходящими встречными световыми потоками, содержащем два интерференционно-чувствительных фотоэлектрических слоя, которые смещены относительно друг друга в плоскости, параллельной слоям, новым является то, что разность оптических расстояний от плоскости, параллельной фотоэлектрическим слоям и ограничивающей фотоприемник с одной стороны, до оптически дальнего от нее фотоэлектрического слоя и от этой плоскости до оптически ближнего к ней фотоэлектрического слоя равна

Δ l_1оpt=k₁λ_{/2+k2λ/4+λ /8,}

а также разность оптических расстояний от плоскости, параллельной фотоэлектрическим слоям и ограничивающей фотоприемник с другой стороны, до оптически дальнего от нее фотоэлектрического слоя и от этой плоскости до оптически ближнего к ней фотоэлектрического слоя равна

Δ l_2оpt=k₃λ_{/2+k2λ/4+λ /8, где}

λ - длина волны регистрируемого излучения;

k₁, k₂, k₃ - любые целые неотрицательные числа.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема фотоприемника; на фиг.2 - эскизный чертеж фотоприемника, на котором производилась экспериментальная проверка; на фиг.3 - квадратурные сигналы на выходах фотоэлектрических слоев при равномерном движении фотоприемника в интерференционном поле встречных световых потоков He-Ne лазера.

Фотоэлектрические слои 1 и 2 фотоприемника 3 (фиг.1) расположены параллельно. Первый фотоэлектрический слой находится на оптическом расстоянии до параллельной плоскости, ограничивающей оптически дальнюю для этого слоя поверхность фотоприемника, равном l_1оpt+Δ l_1оpt, и оптическом расстоянии до параллельной плоскости, ограничивающей противоположную поверхность фотоприемника, равном l_1оpt. При этом

Δ l_1оpt=k₁λ_{/2+k2λ/4+λ /8.}

Второй фотоэлектрический слой находится на оптическом расстоянии до параллельной плоскости, ограничивающей оптически дальнюю для этого слоя поверхность фотоприемника, равном l_2opt+Δ l_2opt, и оптическом расстоянии до параллельной плоскости, ограничивающей противоположную поверхность фотоприемника, равном l_2opt. При этом

Δ l_2оpt=k₃λ_{/2+k2λ/4+λ /8.}

Абсолютное среднее отклонение от равномерного изменения оптической толщины фотоприемника по рабочей площади и по рабочей длине фотоприемника в пределах каждого фотоэлектрического слоя меньше λ /4.

Фотоприемник работает следующим образом. Фотоприемник (фиг.1) находится в интерференционном поле, образованном встречными световыми потоками S1 и S2 с плоскими волновыми фронтами, параллельными фоточувствительным слоям 1 и 2 в точке с оптической координатой x_opt. По оси Х отсчитывается оптическое расстояние, учитывающее показатель преломления среды распространения световых потоков:

где х - геометрическое расстояние, отсчитываемое от начала координат;

n(x) - показатель преломления среды на пути распространения световых потоков вдоль оси X.

Площадь светового пятна перекрывающихся световых потоков равна рабочей площади фотоприемника. Для упрощения рассмотрения приняты следующие условия: амплитуды и длины волн S1 и S2 равны; начало координат выбрано при нулевых фазах этих сигналов; фоточувствительность электрических слоев 1 и 2 постоянна по всему их объему; в пределах рабочей площади фотоприемника оптическая толщина фотоэлектрических слоев 1 и 2 много меньше половины длины волны и равна d_opt, площадь светового пятна перекрывающихся световых потоков одинакова для обоих фотоэлектрических слоев, а отклонение оптической толщины всех элементов фотоприемника и их поглощение пренебрежимо малы.

Волновые уравнения световых потоков в месте нахождения фотоэлектрического слоя 1 имеют вид:

- волновое поле светового потока S1 в месте нахождения первого фотоэлектрического слоя;

- волновое поле светового потока S2 в месте нахождения первого фотоэлектрического слоя;

E_m - амплитуда колебаний электрического вектора;

λ - длина волны;

с - скорость света;

t - время;

x_opt - оптическая координата положения фотоэлектрического слоя 1. Результирующая интенсивность интерференционного поля в месте нахождения фотоэлектрического слоя пропорциональна:

Волновые уравнения световых потоков в месте нахождения фотоэлектрического слоя 2 имеют вид:

- волновое поле светового потока S1 в месте нахождения второго фотоэлектрического слоя;

- волновое поле светового потока S2 в месте нахождения второго фотоэлектрического слоя.

После подстановки значений Δ l_1opt и Δ l_2opt волновые уравнения имеют вид:

и

Результирующая интенсивность интерференционного поля в месте нахождения фотоэлектрического слоя 2 пропорциональна:

Отклик фотоэлектрического слоя 1 пропорционален

а отклик фотоэлектрического слоя 2 пропорционален

Таким образом, отклики фотоэлектрических слоев фотоприемника являются квадратурными, так как имеют взаимный фазовый сдвиг, равный четверти периода.

Интерференционная чувствительность фотоэлектрических слоев падает до нулевых значений, если оптическая толщина фотоприемника кратна половине длины волны регистрируемого излучения.

При увеличении абсолютного среднего отклонения толщины фотоприемника от равномерного ее изменения до λ /4 и более резко падает интерференционная чувствительность фотоприемника. Это отклонение должно быть меньше λ /4 в пределах пересечения регистрируемых излучений каждым фотоэлектрическим слоем. При этом равенства Δ l_1opt=k₁λ_{/2+k2λ/4+λ /8 и Δ l2opt=k3λ/2+k2λ/4+λ /8 выполняются для средних значений Δ l1opt и Δ l2opt.}

На фиг.2 представлен эскизный чертеж фотоприемника, на котором производилась экспериментальная проверка.

В качестве подложки 3 была изготовлена стеклянная плоскопараллельная пластинка толщиной около 2 мм. Отклонение плоскостности поверхностей 0,15 мкм на 30 мм контролировалось на интерферометре ИТ-100. Нанесение остальных элементов фотоприемника производилось методом термического напыления. Непараллельность контролировалась по интерференционной картинке 0,15 мкм на 30 мм. На каждую половину противоположных поверхностей подложки, симметрично относительно оси симметрии подложки, напылялись слои 4 и 5 MgF₂ толщиной ≈ 800 А° , что соответствует λ /8 для длины волны He-Ne лазера в воздухе. В центре подложки, с одной ее стороны, напылялись примыкающие с небольшим зазором друг к другу площадки 1 и 2 PbS толщиной 100 А° . Затем напылялись металлические подводящие электроды 6. Следующая операция - активация площадок PbS в кислороде. Из-за малой толщины, слои PbS приобретают фоточувствительные свойства практически по всей глубине. В данной реализации квадратурного фотоприемника, роль интерференционно-чувствительных фотоэлектрических слоев выполняют части слоев PbS, которые приобрели свойства фотосопротивления в результате активации кислородом.

Для регистрации квадратурных сигналов фотоприемник устанавливается перпендикулярно встречным световым потокам таким образом, что их перекрывающееся световое пятно делится осью симметрии фотоприемника пополам.

Разность оптических расстояний (фиг.2) от первого фотоэлектрического слоя 1 до параллельной плоскости, ограничивающей оптически дальнюю для первого фотоэлектрического слоя поверхность фотоприемника, и от второго фотоэлектрического слоя 2 до этой плоскости равна

где

d₁≈_{d3≈λ/8 - толщина напыления MgF2;}

d₂ - толщина подложки;

- показатель преломления MgF₂;

n_п - показатель преломления подложки;

n_в≈_{1 - показатель преломления воздуха,}

а разность оптических расстояний от второго фотоэлектрического слоя 2 до параллельной плоскости, ограничивающей оптически дальнюю для второго фотоэлектрического слоя поверхность фотоприемника, и от первого фотоэлектрического слоя 1 до этой плоскости равна

Δ l_2opt=d₁n_в-0≈ λ /8.

В данном фотоприемнике коэффициенты k₁, k₂ и k₃ равны нулю. Толщина фотоэлектрических слоев не принимается в расчет, поскольку много меньше λ /2 и одинакова для обоих слоев.

При испытании фотоприемника фоторезисторные слои подключались через подводящие электроды к схемам преобразователей сопротивления в напряжение, а затем сигналы вводились с помощью двухканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в микроЭВМ. На фиг.3 приведены преобразованные квадратурные сигналы фотоприемника при равномерном его движении в интерференционном поле встречных световых потоков He-Ne лазера. По оси абсцисс отложено время в микросекундах, по оси ординат - отклик фотоэлектрических слоев 1, 2 в относительных единицах - дискретах АЦП.

В описываемом фотоприемнике снижаются требования к качеству настройки и точности элементов оптических схем, в которых он может быть применен, поскольку нет необходимости обеспечивать второе прохождение через фотоэлектрический слой только той части светового потока, который уже испытал однократное прохождение.

Применение описываемого фотоприемника позволяет упростить оптические схемы и уменьшить габариты оптических приборов.

Фотоприемник для измерения пространственно-временного распределения амплитуд и фаз интерференционного поля содержит два интерференционно-чувствительных фотоэлектрических слоя, которые смещены относительно друг друга в плоскости, параллельной слоям. При этом разность оптических расстояний от плоскости, параллельной фотоэлектрическим слоям и ограничивающей фотоприемник с одной стороны, до оптически дальнего от нее фотоэлектрического слоя и от этой плоскости до оптически ближнего к ней фотоэлектрического слоя равна Δ l_1опт=k₁λ_{/2+k2λ/4+λ /8, а также разность оптических расстояний от плоскости, параллельной фотоэлектрическим слоям и ограничивающей фотоприемник с другой стороны, до оптически дальнего от нее фотоэлектрического слоя и от этой плоскости до оптически ближнего к ней фотоэлектрического слоя равна Δ l2опт=k3λ/2+k2λ/4+λ /8, где λ - длина волны регистрируемого излучения, k1, k2, k3 - любые целые неотрицательные числа. Технический результат - получение квадратурных сигналов при перемещении фотоприемника в интерференционном поле встречных световых потоков. 3 ил.}

Фотоприемник для измерения пространственно-временного распределения амплитуд и фаз интерференционного поля проходящих через фотоприемник встречных световых потоков, содержащий два интерференционно-чувствительных фотоэлектрических слоя, которые смещены относительно друг друга в плоскости, параллельной слоям, отличающийся тем, что разность оптических расстояний от плоскости, параллельной фотоэлектрическим слоям и ограничивающей фотоприемник с одной стороны, до оптически дальнего от нее фотоэлектрического слоя и от этой плоскости до оптически ближнего к ней фотоэлектрического слоя равна

Δ l_1опт=k₁λ_{/2+k2λ/4+λ /8,}

а также разность оптических расстояний от плоскости, параллельной фотоэлектрическим слоям и ограничивающей фотоприемник с другой стороны, до оптически дальнего от нее фотоэлектрического слоя и от этой плоскости до оптически ближнего к ней фотоэлектрического слоя равна

Δ l_2опт=k₃λ_{/2+k2λ/4+λ /8,}

где λ - длина волны регистрируемого излучения;

k₁, k₂, k₃ - любые целые неотрицательные числа.