БЕЗЭТАЛОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КВАНТОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ КАТОДА ФОТОЭЛЕКТРОННОГО УМНОЖИТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01J1/16 

Область техники

Заявляемое изобретение относится к области оптической фотометрии, а именно к технологии измерения абсолютной чувствительности фотоприемников без применения эталонных фотоприемников.

Уровень техники

Известны способы измерения параметров фотоприемников, заключающиеся в использовании метода абсолютной калибровки квантовой эффективности однофотонных фотоприемников, предложенного Д.Н. Клышко [1]. Известный способ основан на измерении потоков квантово-коррелированных пар фотонов («бифотонов»), генерируемых при спонтанном параметрическом рассеянии (СПР) света, не требует применения заранее прокалиброванных фотоприемников и поэтому является по сути безэталонным [2]. Однофотонные фотоприемники представляют собой узкий класс в широком наборе применяемых в настоящее время детектирующих устройств в оптической фотометрии. В современных научных статьях, посвященных способам и устройствам фотометрии, раскрыты способы расширения метода Клышко на калибровку аналоговых детекторов, представляемых как те же счетные детекторы, т.е. приборы с нефлуктуирующей амплитудой импульса однофотонного фотоотклика, но работающими с более высокими потоками фотонов в аналоговом режиме регистрации перекрывающихся однофотонных импульсов [3,4].

Однако недостатком таких способов и устройств является отсутствие возможности учета флуктуации амплитуды импульса однофотонного фотоотклика, что затрудняет возможности применения метода Клышко на измерение квантовой эффективности широкого класса детекторов, не способных работать в режиме счета числа единичных фотонов.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является решение (RU 2030715) «Способ измерения пространственного распределения абсолютной чувствительности фотоприемников и устройство для его осуществления», в соответствии с которым на вход оптической системы подается рассеянное лазерное излучение, на выходе оптической системы излучение детектируется с помощью двух фотоприемников - вспомогательного и измеряемого, сигналы от которых направляются на блоки регистрации, лазерное излучение проходит через нелинейный кристалл, с которого излучение подается на оптическую систему, позволяющую выделить рассеянное излучение и установить взаимно однозначное соответствие между координатами фокальной плоскости оптической системы и частотами рассеянного излучения. При этом точки с этими координатами по отдельности сопрягают с различными участками входной апертуры и измеряемого, и вспомогательного фотоприемников, а также уравнивают время прохождения сигналов от обоих фотоприемников, затем данные сигналы сводятся на схеме совпадений и регистрируется степень их взаимной корреляции, причем абсолютную чувствительность измеряемого фотоприемника в каждой точке пространственного и спектрального распределений вычисляется как отношение показаний схемы совпадения к показаниям блока регистрации вспомогательного фотоприемника. Устройство для реализации данного способа содержит оптически связанные лазерный источник излучения, оптическую систему, вспомогательный и измеряемый фотоприемники, соединенные соответствующими блоками регистрации, нелинейный кристалл, оптически связанный с источником лазерного излучения, два устройства передачи рассеянного излучения на входные отверстия фотоприемников, оптически сопряженные через оптическую систему с нелинейным кристаллом, три схемы сканирования, механически связанные с двумя входными и одним выходным отверстиями устройств передачи, схему задержки, схему совпадения, соединенную с блоком регистрации измеряемого фотоприемника и через схему задержки - с блоком регистрации вспомогательного фотоприемника. Устройство также содержит между входным отверстием устройства передачи вспомогательным фотоприемником оптически сопряженный с входным отверстием устройства передачи и вспомогательным фотоприемником спектрально селектирующий прибор, соединенный с блоком автоматизации и управления.

Однако, недостатком данного решения, прежде всего, является необходимость использования схемы совпадений фотоэлектронных импульсов, соответствующих регистрации единичных фотонов, в то время как большинство фотоприемников не способны вырабатывать такие импульсы. Использование схемы совпадения возможно только в случае измерения чувствительности узкого круга фотоприемников, функционирующих в режиме счета числа однофотонных импульсов фототока. Это означает, что данное решение применимо только к однофотонным фотоприемникам или фотоприемникам, обладающим разрешением по числу фотонов. Большинство применяемых фотоприемников не обладают этими свойствами и способны работать лишь в обычном аналоговом режиме регистрации выходного фотосигнала. Кроме того, данное решение не содержит операции корректировки показаний блоков регистрации, которая необходима для исключения влияния шумов на точность измерений.

Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих вышеуказанным аналогам и прототипу за счет создания способа безэталонного определения квантовой эффективности катода фотоэлектронного умножителя, работающего в аналоговом режиме регистрации падающего на него электромагнитного излучения.

Краткое раскрытие сущности изобретения

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в обеспечении возможности использования для определения квантовой эффективности катода фотоэлектронного умножителя среднего числа фотоэлектронов, возникающих на катоде и поступающих на вход динодной системы фотоэлектронного умножителя, работающего в аналоговом режиме регистрации интенсивности падающего на него электромагнитного излучения.

Такая возможность обусловлена тем, что импульсы тока, вызванные регистрацией одиночного фотона, имеют флуктуирующую амплитуду и могут накладываться друг на друга.

Заявленный технический результат достигается тем, что для реализации способа измерения квантовой эффективности катода фотоэлектронного умножителя:

- лазерное излучение подают на нелинейный кристалл, рассеянное в нелинейном кристалле лазерное излучение направляют на вход оптической системы, на выходе которой через устройства передачи рассеянного излучения на входные отверстия фотоприемников и спектрально селектирующий прибор излучение детектируют посредством вспомогательного и измеряемого фотоприемников, сигналы от которых направляют на соответствующие блоки регистрации,

- в оптической системе выделяют рассеянное излучение с установлением взаимно однозначного соответствия между координатами фокальной плоскости оптической системы и частотами рассеянного излучения, при этом точки с этими координатами по отдельности сопрягают с помощью схем сканирования с входными апертурами измеряемого и вспомогательного фотоприемников для получения пространственного и спектрального распределений квантовой эффективности измеряемого фотоприемника, при этом регулируют длину оптических путей для уравнивания расстояния, которые проходит рассеянный свет от кристалла до каждого фотоприемника,

- в каждой точке пространственного и спектрального распределений определяют среднее число испущенных фотокатодом фотоэлектронов по результатам численной аппроксимации статистического распределения аналоговых показаний блоков регистрации измеряемого фотоприемника q с использованием формулы

,

где - среднее значение показания схемы регистрации измеряемого фотоприемника при регистрации одиночного фотоэлектрона, определяемое по итогу аппроксимации,

- дисперсия показаний блоков регистрации измеряемого фотоприемника при регистрации одиночного фотоэлектрона, определяемая по итогу аппроксимации,

- нормировочный множитель, определяемый по итогу аппроксимации

,

- функция Гауссового распределения

,

параметры , , , , определяют одновременно - по итогу аппроксимации распределения шумовых показаний блоков регистрации измеряемого фотоприемника при отсутствии лазерного излучения на входе оптической системы,

среднее число падающих на измеряемый детектор фотонов определяют по величине взаимной корреляции фотонов рассеянного излучения по формуле

,

где - среднее значение показаний блоков регистрации измеряемого фотоприемника,

- среднее значение шумовых показаний блоков регистрации измеряемого фотоприемника в отсутствие лазерного излучения на входе оптической системы,

- среднее значение показаний блоков регистрации вспомогательного фотоприемника,

- среднее значение шумовых показаний блоков регистрации вспомогательного фотоприемника в отсутствие лазерного излучения на входе оптической системы,

- ковариация показаний блоков регистрации измеряемого и вспомогательного фотоприемника,

после чего квантовую эффективность катода измеряемого фотоприемника определяют как отношение среднего числа фотоэлектронов к среднему числу падающих фотонов .

Заявляемый технический результат достигают при использовании устройства для измерения квантовой эффективности катода фотоэлектронного умножителя, содержащего оптически сопряженные лазерный источник излучения (1), нелинейный кристалл (2), оптическую систему (3), устройства передачи (7) рассеянного излучения от оптической системы на входные отверстия измеряемого (4) и вспомогательного (5) фотоприемников, соединенных с соответствующими блоками регистрации (6), при этом устройства передачи (7) закреплены на настраиваемых оптических элементах схемы сканирования (8), при этом между входным отверстием устройства передачи и вспомогательным фотоприемником установлен спектрально селектирующий прибор (9), соединенный с блоком автоматизации, управления и обработки данных (10), а в качестве блоков регистрации используют стробируемые интеграторы с регулируемой задержкой строба, также соединенные с блоком автоматизации, управления и обработки данных. Схемы сканирования обеспечивают сканирование и выделение направлений распространения сигнальных и холостых фотонов в соответствии с условиями частотного и пространственного синхронизма.

Технический результат изобретения обеспечивается за счет того, что, несмотря на аналоговый режим регистрации интенсивности электромагнитного излучения, процесс фотодетектирования имеет дискретный характер поглощения отдельных фотонов фотокатодом, энергия которых идет на создание одного или нескольких фотоэлектронов. В условиях, когда интенсивность электромагнитного излучения остается постоянной, распределение числа фотоэлектронов, выбитых с катода, описывается функцией Пуассона. Хотя при дальнейшем усилении фототока коэффициент усиления для аналоговых фотоэлектронных умножителей может быть непрерывной случайной величиной, из функции распределения амплитуд импульсов фототока все еще можно выделить исходное дискретное пуассоновское распределение и определить характеризующее его среднее число фотоэлектронов, поступающих с катода. Так как это число равно произведению среднего числа фотонов, падающих на фотокатод, и квантовой эффективности катода, то его можно использовать для определения этой квантовой эффективности с помощью метода Клышко.

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение поясняется следующими изображениями, где

на фиг. 1. приведен пример конкретного выполнения заявляемой экспериментальной установки и электронных схем аналогового режима детектирования,

на фиг. 2 представлены экспериментально полученные распределения величин зарядов аналогового ФЭУ фотодетекторов при различных значениях мощности диодного лазера накачки,

на фиг. 3 представлены аппроксимации распределений величины заряда ФЭУ, полученные при разных мощностях диодного лазера,

на фиг. 4 показана зависимость измеренной таким образом эффективности ФЭУ от числа фотонов, падающих на детектор,

на фиг. 5 приведена блок-схема устройства для измерения квантовой эффективности катода фотоэлектронного умножителя.

Позициями на фигурах обозначены:

1 - лазерный источник излучения,

2 - нелинейный кристалл,

3 - оптическая система,

4 - измеряемый фотоприемник,

5 - вспомогательный фотоприемник,

6 - стробируемые интеграторы с регулируемой задержкой строба в качестве блоков регистрации,

7 - устройства передачи рассеянного излучения на входные отверстия фотоприемников,

8 - схемы сканирования,

9 - спектрально селектирующий прибор,

10 - блок автоматизации, управления и обработки данных,

11 - изолятор Фарадея;

12 - ПВП, полуволновая пластина;

13 - Л1, Л2, Лх, Лс, линзы;

14 - Ф1 (FESH0450), фильтр,

15 - Ф2 (FELH0600), фильтр,

16 - Фх (FB810-10), фильтр,

17 - Фс (FB800-40), фильтр;

18 - BiBO, триборат висмута (0,5 мм);

19 - СД, светоделитель;

20 - ЛФД, лавинный фотодиод;

21 - ФЭУ, фотоумножитель;

22 - ММВ, многомодовое волокно (50 мкм);

23 - ММВ, многомодовое волокно (62,5 мкм).

Осуществление изобретения

Заявляемое изобретение реализуется при помощи устройства, включающего лазерный источник излучения (1), после которого, по направлению излучения, размещен нелинейный кристалл (2), в качестве которого можно использовать, например, кристаллы BBO (бета-бората бария), LBO (трибората лития), BiBO (трибората висмута) и другие. Излучение от источника направляют на кристалл, в котором оно рассеивается и направляется на оптическую систему (3), которая представляет собой прежде всего светоделитель, на котором рассеянное излучение разделяется на два равных по мощности пучка; также в оптическую систему может входить фильтр, который не пропускает излучение лазерного источника, не испытавшего рассеяние в кристалле, далее на фотоприемники (4 и 5), а пропускает только рассеянное излучение от кристалла. Устройства передачи рассеянного излучения (7), которые размещены за оптической системой, представляют собой многомодовые оптические волокна различного диаметра в каждом канале, и предназначены для сбора рассеянного излучения на фотоприемники: измеряемый (4) и вспомогательный (5). Устройства передачи рассеянного излучения (7) жестко закреплены на схемы сканирования (8), а именно оптические входы и выходы излучения закреплены на настраиваемых оптических элементах схемы (8), позволяющих сканировать направления распространения сигнальных и холостых фотонов и выделять направления, удовлетворяющие условиям частотного и пространственного синхронизма [5]. Между входным отверстием устройства передачи и вспомогательным фотоприемником установлен спектрально селектирующий прибор (9), в качестве которого в одном из вариантов исполнения могут быть использованы различные оптические фильтры, сменяемые при изменении частоты оптического излучения, на которой производится измерение квантовой эффективности детектора (4). Измеряемый фотоприемник (4) представляет собой аналоговый детектор, в котором присутствует фотоэлектронный умножитель, т.е. такой детектор, в котором отсутствует система формирования и дискриминации импульсов отклика на пришедшее рассеянное излучения от нелинейного кристалла (2). В качестве него может быть использован, например, фотоприемник Hamamatsu серии H7422. Вспомогательный фотоприемник (5) представляет собой однофотонный детектор с системой формирования и дискриминации импульсов отклика на пришедшее рассеянное излучения от нелинейного кристалла (2). В качестве него может быть использован, например, фотоприемник Laser Components COUNT NIR или любой другой однофотонный детектор, предназначенный для счета фотонов. Стробируемые интеграторы с регулируемой задержкой строба в качестве блоков регистрации (6) интегрируют электрические импульсы при попадании рассеянного излучения от нелинейного кристалла (2) на фотоприемники (4 и 5) и передают на блок автоматизации, управления и обработки данных (10). В качестве блоков регистрации (6) может быть использован один параллельный аналогово-цифровой преобразователь с двумя входными блоками, например, производства фирмы National Instruments, SRS (Stanford Research Systems) Model SR250, или другие. Спектрально селектирующий прибор (9), схемы сканирования (8), фотоприемники (4 и 5), блоки регистрации (6) соединены с помощью проводов с блоком автоматизации, управления и обработки данных (10), в качестве которого используется, например, аналогового-цифровой преобразователь или персональный компьютер со следующими требованиями: Windows 7 и выше, 2 Гб оперативной памяти, процессор Pentium 4 G1.

При использовании заявляемого устройства реализуют заявляемый способ, заключающийся в последовательной реализации следующих действий:

- с помощью лазерного излучения от источника, направленного на нелинейный кристалл, получают рассеянное в нелинейном кристалле лазерное излучение, которое подают на вход оптической системы.

- в оптической системе выделяют рассеянное излучение с установлением взаимно однозначного соответствия между координатами фокальной плоскости оптической системы и частотами рассеянного излучения, при этом точки с этими координатами по отдельности сопрягают с помощью схем сканирования с входными с апертурами измеряемого и вспомогательного фотоприемников, а также путем подбора длин оптических путей уравнивают расстояние, проходимое светом, и тем самым уравнивают время прохождения сигналов от обоих фотоприемников,

- на выходе оптической системы излучение попадает через устройства передачи рассеянного излучения на входные отверстия фотоприемников и спектрально селектирующий прибор. Рассеянное излучение детектируют посредством вспомогательного и измеряемого фотоприемников, получая импульсы тока. Импульсы тока отправляют с помощью проводов в соответствующие блоки регистрации.

- В блоке автоматизации, управления и обработки данных, после того как осуществлен набор данных, определяют в каждой точке пространственного и спектрального распределений, устанавливаемой схемами сканирования и спектрально селектирующим прибором, среднее число испущенных фотокатодом фотоэлектронов по результатам численной аппроксимации статистического распределения аналоговых показаний схемы регистрации измеряемого фотоприемника q при помощи формулы

,

где - среднее значение показания схемы регистрации измеряемого фотоприемника при регистрации одиночного фотоэлектрона, определяемое по итогу аппроксимации,

- дисперсия показаний схемы регистрации измеряемого фотоприемника при регистрации одиночного фотоэлектрона, определяемая по итогу аппроксимации,

- нормировочный множитель, определяемый по итогу аппроксимации

,

- функция Гауссового распределения

,

параметры , , , , определяются параллельно - по итогу аппроксимации распределения шумовых показаний схемы регистрации измеряемого фотоприемника при отсутствии лазерного излучения на входе оптической системы, среднее число падающих на измеряемый детектор фотонов вычисляют по величине взаимной корреляции фотонов рассеянного излучения по формуле

,

где - среднее значение показаний схемы регистрации измеряемого фотоприемника,

- среднее значение шумовых показаний схемы регистрации измеряемого фотоприемника в отсутствие лазерного излучения на входе оптической системы,

- среднее значение показаний схемы регистрации вспомогательного детектора,

- среднее значение шумовых показаний схемы регистрации вспомогательного детектора в отсутствие лазерного излучения на входе оптической системы,

- ковариация показаний схем регистрации измеряемого и вспомогательного детекторов, после чего квантовую эффективность катода измеряемого фотоприемника определяют как отношение среднего числа фотоэлектронов к среднему числу падающих фотонов .

Пример реализации способа и устройства

Для подтверждения возможности достижения технического результата была проведена опытная реализация способа на основе заявляемого устройства.

Для измерения квантовой эффективности катода аналогового фотодетектора необходимо обеспечить измерение статистических свойств сигнала этого фотодетектора при освещении его излучением с малой постоянной интенсивностью. В качестве такого источника излучения при опытной реализации изобретения использовали вырожденное по частоте и направлению бифотонное поле, полученное при СПР первого типа в кристалле трибората висмута (BiBO) (см. фиг.1).

В качестве лазерного источника излучения использован одномодовый диодный лазер непрерывного действия с генерацией на длине волны 405 нм, в качестве нелинейного кристалла - BiBO, триборат висмута (толщиной 0,5 мм), в качестве оптической системы используется изолятор Фарадея. Для контроля поляризации излучения использовалась полуволновая пластинка (ПВП); линзы (Л1, Л2, Лх, Лс,); фильтры (Ф1 (FESH0450), Ф2 (FELH0600) - для отсечения излучения накачки); светоделитель (СД); вспомогательный фотоприемник - лавинный фотодиод (ЛФД); измеряемый фотоприемник - фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) H7422-20 Hamamatsu; в качестве стробируемых интеграторов с регулируемой задержкой строба в качестве блоков регистрации - SRS (Stanford Research Systems) Model SR250, устройства передачи рассеянного излучения на входные отверстия фотоприемников - ММВ, многомодовые волокна (50 мкм и 62,5 мкм); схема сканирования - настраиваемые оптические элементы схемы KM100T ThorLabs, в качестве селектирующего прибора использовались фильтры - Фх (FB810-10) и Фс (FB800-40), блок автоматизации, управления и обработки данных - персональный компьютер.

Излучение фокусировалось кварцевой линзой (Л1) с фокусным расстоянием 40 мм на кристалл BiBO толщиной 0.5 мм. Фильтр (Ф2) использовался, чтобы отсечь излучение накачки. Прошедшая через него часть бифотонного излучения собиралась линзой (Л2) с фокусным расстоянием 45 мм и попадала на светоделитель (СД), разделяя фотоны по "сигнальным" или "холостым" каналам. Детектор в сигнальном канале регистрировал заведомо большее число пространственных и частотных мод. Для регистрации сигнального и холостого излучения использовались два разных фотодетектора. Один из них - фотодетектор типа H7422-20 Hamamatsu с чувствительной фотоумножительной трубкой (ФЭУ), способный работать только в аналоговом режиме. Второй - лавинный фотодетектор (ЛФД) с модулем типа Laser Components COUNT NIR, выдающий стандартизированные электрические импульсы в формате TTL.

Интегратор интегрировал ток каждого из детекторов за интервал времени, задаваемый внешним стробом. Он был равен , что существенно больше мертвого времени обоих фотодетекторов. Измеряемой величиной был заряд, собранный с фотодетектора за этот интервал времени. На фиг.2 показаны распределения величин зарядов, собранных с ФЭУ. Они представляют собой широкие максимумы, так как пики, соответствующие разному числу фотоотсчетов, сливаются вместе. Это означает, что ФЭУ работает только в аналоговом режиме, при котором нельзя узнать, сколько фотоотсчетов пришло за время строба.

Из вида распределения на фиг.2 при небольших уровнях интенсивности регистрируемого излучения, когда среднее число фотоотсчетов находится в диапазоне от 0.1 до 20, можно определить средний заряд, соответствующий одному фотоотсчету, и среднее число регистрируемых фотоотсчетов. Для описания этого распределения следует учесть, что величина регистрируемого заряда представляет собой комбинацию нескольких случайных процессов. Во-первых, фотодетектор и регистрирующая система обладают электронными шумами даже в отсутствии падающего на детектор излучения. Их статистика хорошо описывается суммой двух гауссовых распределений:

, (1)

где для

.

Во-вторых, эмиссия фотоэлектронов с поверхности фотокатода под действием излучения представляет собой случайный процесс.В случае многомодового излучения с постоянной средней интенсивностью, в соответствии с полуклассической теорией фотодетектирования, он описывается пуассоновским распределением. В результате число фотоэлектронов , попавших на динодную систему фотодетектора за время , описывается пуассоновским распределением

,

где - среднее число фотоэлектронов. При выражении интенсивности излучения через среднее число фотонов , попавших на фотокатод за время , справедливо соотношение , где - квантовая эффективность катода фотодетектора. В случае аналоговых детекторов типа ФЭУ величина учитывает не только статистику актов ионизации фотокатода в результате поглощения фотонов излучения, но и вероятность первичного размножения фотоэлектронов до попадания в динодную систему, и поэтому может быть больше единицы.

Каждый фотоэлектрон, попавший в динодную систему, приводит - за счет усиления - к накоплению макроскопического заряда на выходе прибора. Этот заряд - результат макроскопически большого числа однотипных случайных событий, поэтому его логично описывать гауссовым распределением .

При попадании за время строба на вход динодной системы фотоэлектронов, распределение величины зарегистрированного заряда описывается сверткой независимых гауссиан с распределением электронных шумов :

. (2)

Учитывая пуассоновское распределение числа фотоэлектронов, получаем итоговую функцию для аппроксимации экспериментальных распределений:

. (3)

На фиг.3 показаны аппроксимации распределений величины заряда ФЭУ, полученные при разных мощностях диодного лазера. В отсутствии излучения распределение хорошо аппроксимируется суммой двух гауссиан . Далее фиксировались параметры этих гауссиан и аппроксимировались распределения, полученные при ненулевой интенсивности излучения, выражением . В таблице 1 показаны значения параметров аппроксимации, полученные при различных интенсивностях падающего на фотодетектор излучения. Интенсивность варьировалась за счет изменения мощности излучения диодного лазера , служившего накачкой СПР (Фиг.1). Среднее число фотоэлектронов растет пропорционально мощности накачки, в то же время параметры и , описывающие распределение заряда, соответствующего одиночному фотоэлектрону, практически неизменны.

Таблица 1. Параметры аппроксимации экспериментальных распределений величин заряда аналогового фотодетектора ФЭУ функцией (3).

P, мВт A Q D 0.64 2.38±0.07 52.9±1.6 1077±58 1.20 5.3±0.6 50.8±6.3 872±220 1.45 6.2±0.9 51.3±7.9 873±278 1.84 8.1±2.0 51.5±13.0 849±462 2.47 10.9±5.2 52.0±26.0 829±960 2.60 11.7±7.0 52.0±33.0 815±1212 3.00 13.1±8.5 52.3±36.1 800±1347 3.46 15.2±1.2 52.6±4.3 792±164 4.10 16.4±0.4 58.3±1.4 583±71

При любой реализации безэталонного метода калибровки квантовой эффективности по методу Клышко, вне зависимости от счетного или аналогового режимов детектирования, необходимо измерение нормированной корреляционной функции бифотонного поля СПР , описывающей корреляцию интенсивностей (и, соответственно, чисел фотонов) в сигнальном и холостом каналах экспериментальной установки. Корреляционную функцию измеряли в режиме малого числа продольных мод, когда в оба канала СПР помещены однофотонные детекторы ЛФД. При этом пространственная конфигурация установки, детектируемые пространственные моды и значения мощности диодного лазера накачки оставались теми же самыми, как и при измерении гистограмм ФЭУ. Измерялись средние числа фотоотсчетов каждого ЛФД и показания схемы совпадений этих фотоотсчетов. В этом случае в качестве времени детектирования (строба) использовали время срабатывания схемы совпадений . За это время каждый детектор регистрировал не более одного фотоотсчета. Так как в заявляемой установке различие между сигнальными и холостыми фотонами при разделении по каналам отсутствует, то для учета случаев, когда оба фотона бифотонной пары попадают в один канал, при вычислении корреляционной функции интенсивностей сигнального и холостого рассеянного излучения использовалась формула

. (4),

где и - среднее число фотоотсчетов, зарегистрированных первым и вторым детекторами, а - среднее число совпадений, когда отсчеты были зарегистрированы обоими детекторами.

Измеренное значение является ключом к определению среднего числа фотонов, поступающих на исследуемый детектор ФЭУ. Согласно общим положениям теории СПР, корреляционная функция зависит от общего числа мод детектирования и определяется выражением , где - среднее число фотонов (и бифотонных пар) в одной моде поля, а - полное число фотонов, поступающих в среднем в каждый канал детектирования. Таким образом, определив , мы получаем информацию о числе фотонов , падающих на калибруемый детектор в схеме СПР. Однако при измерении аналоговых сигналов время строба и, соответственно, число продольных мод детектирования, были существенно больше, чем при калибровке корреляционной функции методом счета фотонов. Поскольку все остальные параметры схемы, определяющие числа пространственных мод, не менялись, значение для аналоговой схемы определялось с помощью соотношения . Кроме того, часть общего числа фотонов , приходящаяся на объем детектирования в сигнальном канале, поглощалась на элементах сигнального тракта, расположенных между кристаллом BiBO и фотодетектором. Коэффициент пропускания сигнального тракта был отдельно измерен с помощью диодного лазера с длиной волны 808 nm. В итоге общее число падающих фотонов вычислялось как , а полная формула для расчета квантовой эффективности фотокатода ФЭУ имела вид

. (5)

На фиг.4 показана зависимость измеренной таким образом эффективности ФЭУ от числа фотонов, падающих на детектор. Видно, что эта величина остается практически постоянной, т.е. является непосредственной характеристикой детектора. Основным источником ошибок в определении квантовой эффективности являлся разброс числа фотоэлектронов при моделировании гистограмм (см. таблицу 1).

Для проверки применимости проведенной калибровки квантовой эффективности фотокатода ФЭУ вместо излучения СПР использовали ослабленное излучение обычной лампы накаливания, прошедшее через узкополосный спектральный фильтр с шириной полосы 40 нм и центральной длиной волны пропускания 800 нм. Средняя скорость поступления фотонов от этого источника в канал детектирования была предварительно измерена в счетном режиме с помощью калиброванного однофотонного детектора ЛФД с известной квантовой эффективностью. Она составила кГц. Далее в этот же канал вместо референсного детектора был помещен детектор ФЭУ и измерено статистическое распределение зарядов, накапливаемых за время строба нс.После аппроксимации полученной гистограммы было найдено среднее число фотоэлектронов, испускаемых за это время катодом, которое составило . Используя полученное в работе значение квантовой эффективности фотокатода (фиг.4), получаем, что за время строба на фотодетектор попадает в среднем фотонов. Это соответствует потоку фотонов кГц. Полученное значение хорошо соответствует величине потока, определенной с помощью независимо калиброванного ЛФД. Разница измеренных значений не превышает 4% и вполне укладывается в достигнутую точность калибровки аналогового ФЭУ.

Заявляемый способ позволяет (а) определять средние значения аналоговых показаний фотодетекторов и их нормированную корреляционную функцию, (б) аппроксимировать функцию распределения аналоговых показаний исследуемого фотодетектора с целью определения среднего заряда и дисперсии заряда, соответствующего одному фотоэлектрону, и среднее число фотоэлектронов, и (в) из величин среднего числа фотоэлектронов и нормированной корреляционной функции вычислять квантовую эффективность катода исследуемо фотодетектора.

Таким образом, заявленный технический результат изобретения достигнут - определены средние числа фотоэлектронов, возникающих на катоде фотоэлектронного умножителя, работающего в аналоговом режиме регистрации интенсивности падающих на него потоков электромагнитного излучения, и с использованием полученных средних чисел фотоэлектронов определена квантовая эффективность катода фотоэлектронного умножителя.

Ссылки:

[1] D.N. Klyshko, “On the Use of a 2-Photon Light for Absolute Calibration of Photoelectric Detectors,” Sov. J. Quantum Electron, 10, 1112 (1980).

[2] S.V. Polyakov, A.L. Migdall, “High accuracy verification of a correlated photon-based method for determining photoncounting detection efficiency”, Opt. Exp., 15, 1390 (2007).

[3] M.D. Eisamen, J.Fan, A. Migdall, and S.V. Polyakov, “Invited review article: Single-photon sources and detectors”, Rev. Sci. Instrum. 82, 071101 (2011).

[4] G. Brida, M. Genovese, I. Ruo-Berchera, M. Chekhova, and A. Penin, “Possibility of absolute calibration of analog detectors by using parametric downconversion: a systematic study”, J. Opt. Soc. Am. B 23, 2185 (2006).

[5] Клышко Д.Н. Фотоны и нелинейная оптика. - М.: Наука, 1980. - 250 с.

Заявляемое изобретение относится к области оптической фотометрии, а именно к технологии измерения абсолютной чувствительности фотоприёмников без применения эталонных фотоприёмников. Способ и устройство измерения квантовой эффективности катода фотоэлектронного умножителя включают сопряженные лазерный источник, нелинейный кристалл, оптическую систему, устройства передачи рассеянного излучения на входные отверстия измеряемого и вспомогательного фотоприёмников с блоками регистрации, при этом устройства передачи закреплены на настраиваемых оптических элементах схемы сканирования, при этом установлен спектрально селектирующий прибор, соединённый с блоком автоматизации, управления и обработки данных, а в качестве блоков регистрации используют стробируемые интеграторы с регулируемой задержкой строба, также соединённые с блоком автоматизации, управления и обработки данных. Технический результат - определение квантовой эффективности катода фотоэлектронного умножителя среднего числа фотоэлектронов. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Способ измерения квантовой эффективности катода фотоэлектронного умножителя, отличающийся тем, что

- лазерное излучение подают на нелинейный кристалл, рассеянное в нелинейном кристалле лазерное излучение направляют на вход оптической системы, на выходе которой через устройства передачи рассеянного излучения на входные отверстия фотоприёмников и спектрально селектирующий прибор излучение детектируют посредством вспомогательного и измеряемого фотоприёмников, сигналы от которых направляют на соответствующие блоки регистрации,

- в оптической системе выделяют рассеянное излучение с установлением взаимно однозначного соответствия между координатами фокальной плоскости оптической системы и частотами рассеянного излучения, при этом точки с этими координатами по отдельности сопрягают с помощью схем сканирования с входными апертурами измеряемого и вспомогательного фотоприёмников для получения пространственного и спектрального распределений квантовой эффективности измеряемого фотоприёмника, при этом регулируют длину оптических путей для уравнивания расстояния, которые проходит рассеянный свет от кристалла до каждого фотоприёмника,

- в каждой точке пространственного и спектрального распределений определяют среднее число испущенных фотокатодом фотоэлектронов по результатам численной аппроксимации статистического распределения аналоговых показаний блоков регистрации измеряемого фотоприёмника q с использованием формулы

,

где - среднее значение показания схемы регистрации измеряемого фотоприёмника при регистрации одиночного фотоэлектрона, определяемое по итогу аппроксимации,

- дисперсия показаний блоков регистрации измеряемого фотоприёмника при регистрации одиночного фотоэлектрона, определяемая по итогу аппроксимации,

- нормировочный множитель, определяемый по итогу аппроксимации ,

- функция Гауссового распределения ,

параметры , , , , определяют одновременно - по итогу аппроксимации распределения шумовых показаний блоков регистрации измеряемого фотоприёмника при отсутствии лазерного излучения на входе оптической системы,

среднее число падающих на измеряемый детектор фотонов определяют по величине взаимной корреляции фотонов рассеянного излучения по формуле ,

где - среднее значение показаний блоков регистрации измеряемого фотоприёмника,

- среднее значение шумовых показаний блоков регистрации измеряемого фотоприёмника в отсутствие лазерного излучения на входе оптической системы,

- среднее значение показаний блоков регистрации вспомогательного фотоприёмника,

- среднее значение шумовых показаний блоков регистрации вспомогательного фотоприёмника в отсутствие лазерного излучения на входе оптической системы,

- ковариация показаний блоков регистрации измеряемого и вспомогательного фотоприёмников,

после чего квантовую эффективность катода измеряемого фотоприёмника определяют как отношение среднего числа фотоэлектронов к среднему числу падающих фотонов .

2. Устройство для измерения квантовой эффективности катода фотоэлектронного умножителя, содержащее оптически сопряженные лазерный источник излучения (1), нелинейный кристалл (2), оптическую систему (3), устройства передачи (7) рассеянного излучения от оптической системы на входные отверстия измеряемого (4) и вспомогательного (5) фотоприёмников, соединённых с соответствующими блоками регистрации (6), при этом устройства передачи (7) закреплены на настраиваемых оптических элементах схемы сканирования (8), при этом между входным отверстием устройства передачи и вспомогательным фотоприёмником установлен спектрально селектирующий прибор (9), соединённый с блоком автоматизации, управления и обработки данных (10), а в качестве блоков регистрации используют стробируемые интеграторы с регулируемой задержкой строба, также соединённые с блоком автоматизации, управления и обработки данных.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что схемы сканирования обеспечивают сканирование и выделение направлений распространения сигнальных и холостых фотонов в соответствии с условиями частотного и пространственного синхронизма.