ФОТОПРИЕМНИК Российский патент 2004 года по МПК H01L31/00 

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

Известны фотоприемники на основе внешнего и внутреннего фотоэффекта. Вакуумные фотоэлементы, фотоумножители, фотодиоды, фотосопротивления, пироэлектрические фотоприемники. Аксененко М.Д. Бараночников М.Л. Приемники оптического излучения. Справочник. - M., Радио и связь, 1987. - 296 с.

Однако известные фотоприемники обладают следующими недостатками: не пропускают совсем либо пропускают световые потоки со значительными искажениями волнового фронта и ослаблением интенсивности. Известные фотоприемники не позволяют осуществлять селективное по длине волны измерение интерференционного поля, образованного встречными световыми потоками.

Известен фотоприемник, содержащий два интерференционно-чувствительных фотоэлектрических слоя [US 4443107, 17.04.1984, G 01 B 11/14, 6 с., фиг.5.]. Однако селективные свойства в фотоприемнике не используются. Фотоэлектрические слои расположены на оптическом расстоянии λ(k/2+1/8) для получения квадратурных сигналов при перемещении фотоприемника в интерференционном поле встречных световых потоков монохроматического излучения.

Техническим результатом изобретения является получение синфазных и противофазных сигналов для селективного по длине волны измерения интерференционного поля встречных световых потоков.

Технический результат достигается тем, что в фотоприемнике, содержащем прозрачную подложку, электроды, два интерференционно-чувствительных фотоэлектрический элемента, в котором разность оптических расстояний от плоскости, перпендикулярной измеряемому световому потоку и ограничивающей одну из поверхностей фотоприемника, до оптически дальнего фотоэлектрического элемента и от этой плоскости до другого фотоэлектрического элемента, новым является то, что эта разность равна

где λ - длина волны экстремума спектральной чувствительности фотоприемника;

k - целое, положительное число.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема фотоприемника. На фиг.2 изображена схема включения фотоприемника, реализующая полоcно-пропускающий и режекторный фильтры. На фиг.3 представлен эскизный чертеж примера выполнения фотоприемника. На фиг.4 приведены сигналы фотоприемника при равномерном его движении в интерференционном поле встречных световых потоков He-Ne-лазера.

Фотоэлектрические элементы 1 и 2 фотоприемника 3 (фиг.1) расположены параллельно. Первый фотоэлектрический элемент находится на оптическом расстоянии от плоскости, перпендикулярной измеряемому световому потоку и ограничивающей одну из поверхностей фотоприемника, равном l_opt+Δl_opt, а второй фотоэлектрический элемент - на оптическом расстоянии до этой плоскости, равном l_opt. При этом

Фотоприемник работает следующим образом. Фотоприемник (фиг.2) находится в интерференционном поле, образованном встречными световыми потоками S1 и S2 с плоскими волновыми фронтами, параллельными фоточувствительным элементам 1 и 2. Световым потоком S2 является световой поток S1, прошедший через фотоприемник 3 и отраженный от плоскости 4, имеющей оптическую координату x_opt+Δx_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.

Сигналы с первого фотоэлектрического элемента 1 поступают на один из входов сумматоров 5 и 6. Сигналы со второго фотоэлектрического элемента поступают на вход перемножителей 7 и 8. Выходы перемножителей соединены со вторыми входами сумматоров 5 и 6 соответственно. Функцией перемножителя 7 является инвертирование сигнала, если k - нечетное и повторение, если k - четное. А функцией перемножителя 8, наоборот, инвертирование сигнала, если k - четное, и повторение, если k - нечетное. На выходе сумматора 5 формируется сигнал полосового фильтра S_outl, а на выходе сумматора 6 - сигнал режекторного фильтра S_out2.

Площадь светового пятна перекрывающихся световых потоков больше или равна рабочей площади фотоприемника. Для упрощения рассмотрения приняты следующие условия: интенсивности S1 и S2 равны; начало координат выбрано при нулевых фазах этих сигналов; фоточувствительность элементов 1 и 2 одинакова и 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 элементов; отклонение оптической толщины всех элементов фотоприемника и их поглощение пренебрежимо малы, а

x_opt+Δx_opt<d_coh,

где d_coh - длина когерентности оптических излучений S1 и S2.

Волновые уравнения одночастотных компонент световых потоков S1 и S2 в месте нахождения фотоэлектрического слоя 1 имеют вид:

где - 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 одночастотных компонент световых потоков S1 и S2 в месте нахождения фотоэлектрического слоя 2 имеют вид:

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

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

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

Отклик фотоэлектрического слоя 1 для одночастотных компонент ветовых потоков S1 и S2 пропорционален

а отклик фотоэлектрического слоя 2 пропорционален

где К - постоянный коэффициент.

Таким образом, интерференционные составляющие откликов фотоэлектрических элементов фотоприемника являются противофазными при нечетных значениях k и синфазными при четных значениях k.

На выходе полосового (для длины волны - λ) фильтра формируется cигнал

который является интерференционно-зависимым, т.е. зависимым от положения фотоприемника относительно нулей и пучностей интерференционного поля.

На выходе режекторного (для длины волны - λ) фильтра формируется сигнал

который не содержит интерференционно-зависимой компоненты для длины волны λ.

На фиг.4 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 половину одной поверхности подложки напылялялся слой 4 MgF₂ толщиной ≈1600 А, что соответствует λ/4 для длины волны He-Ne-лазера в воздухе. В центре подложки напылялись примыкающие с небольшим зазором друг к другу площадки 1 и 2 PbS толщиной 100 А. Затем напылялись металлические подводящие электроды 5. Следующая операция - активация площадок PbS в кислороде. Из-за малой толщины слои PbS приобретают фоточувствительные свойства практически по всей глубине. В данной реализации фотоприемника роль интерференционно-чувствительных фотоэлектрических элементов выполняют части слоев PbS, которые приобрели свойства фотосопротивления в результате активации кислородом.

Для регистрации противофазных сигналов фотоприемник устанавливается перпендикулярно встречным световым потокам таким образом, что их перекрывающееся световое пятно делится осью симметрии фотоприемника пополам. Фотоприемник был обращен поверхностью без напыления к He-Ne-лазеру, а поверхностью с напылением - к зеркалу. Диапазон угловых отклонений, при которых фотоприемник сохраняет интерференционную чувствительность, тем шире, чем меньше размеры фотоэлектрических элементов.

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 микро-ЭВМ. На фиг.4 приведены преобразованные 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 данном фотоприемнике коэффициент k=1, поэтому при последовательном соединении фоторезисторных слоев реализуется режекторный фильтр для интерференционного сигнала для длины волны He-Ne-лазера.

Применение интерференционно-чувствительного фотоприемника, имеющего противофазные и синфазные выходы, позволяет реализовать селективные фотоприемные устройства, которые позволяют существенно упростить оптические схемы в различных спектрометрах и устройствах записи цветных голографических изображений.

Фотоприемник содержит прозрачную подложку с двумя интерференционно-чувствительными фотоэлектрическими элементами и электродами. Разность оптических расстояний от плоскости, перпендикулярной измеряемому световому потоку и ограничивающей оптически дальнюю для первого фотоэлектрического элемента поверхность фотоприемника и от второго фотоэлектрического элемента до этой плоскости равна Δl_opt=kλ/4, где λ - длина волны экстремума спектральной чувствительности фотоприемника, k - целое, положительное число. Технический результат - получение синфазных и противофазных сигналов для селективного по длине волны измерения интерференционного поля встречных световых потоков. 4 ил.

Фотоприемник, содержащий прозрачную подложку с двумя интерференционно-чувствительными фотоэлектрическими элементами и электродами, отличающийся тем, что разность оптических расстояний от плоскости, перпендикулярной измеряемому световому потоку и ограничивающей оптически дальнюю для первого фотоэлектрического элемента поверхность фотоприемника, и от второго фотоэлектрического элемента до этой плоскости равна

Δl_opt=kλ/4,

где λ - длина волны экстремума спектральной чувствительности фотоприемника;

k - целое положительное число.