АБСОЛЮТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ КВАНТОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФОТОПРИЕМНИКОВ Советский патент 1994 года по МПК G01J1/04 

Изобретение относится к технической физике, в частности спектрофотометрии, и может быть использовано для измерения квантовой эффективности фотоприемников, предназначенных для регистрации сверхслабых потоков электромагнитного излучения.

Известен абсолютный измеритель квантовой эффективности фотоприемников, содержащий лазер и расположенные по ходу его излучения пъезокристалл с перекрывающей маской по оси излучения, объектив, диафрагму, за которой устанавливают исследуемый фотоприемник. Выход фотоприемника связан с анализатором амплитуды импульсов. Диафрагмы выделяет из пространственно разделенных в пъезокристалле волн разных частот волну с частотой, равной половине частоты излучения лазера.

Недостатком известного измерителя является невозможность измерения квантовой эффективности фотоприемника для частот, отличающихся от половины частоты излучения лазера.

Известен также абсолютный измеритель квантовой эффективности фотоприемников, наиболее близкий к описываемому, содержащий лазер и расположенные по ходу его излучения нелинейный оптический параметрический преобразователь частоты с перекрывающей маской по оси излучения лазера и формирователь двух оптических каналов в виде объектива и расположенной в его задней фокальной плоскости подвижной диафрагмы. За диафрагмой в каждом канале расположены установочный узел с оптическим входом, связанным с плоскостью изображения формирователя и предназначенным для размещения приемной поверхности исследуемого фотоприемника, и с электрическим выходом, предназначенным для соединения с выходом фотоприемника. Электрический выход узла соединен с входом усилителя, к выходу которого подключен счетчик электрических импульсов. Между выходами усилителей обоих каналов включена схема совпадения, снабженная своим счетчиком электрических импульсов.

Это устройство позволяет измерять квантовую эффективность фотоприемников в широком диапазоне частот. Недостатком его является низкая точность измерения, поскольку в устройстве вступают в противоречие значение спектральной разрешающей способности и величины используемой при измерении части потока излучения, созданного параметрическим преобразователем. Так для получения достаточной для измерения разрешающей способности необходимо уменьшить размеры отверстий в диафрагме. При этом отсекается большая часть указанного потока излучения, в результате регистрируется малое число фотонов, растут статистические ошибки, точность измерений падает. Известное устройство обладает погрешностью измерения не менее 10% .

Одновременно с этим устройство сложно при юстировке и в эксплуатации, так как требует перемещения элементов формирователя и оптических каналов по двум пространственным координатам.

Цель изобретения - повышение точности измерения с одновременным упрощением юстировки и эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что в абсолютном измерителе квантовой эффективности фотоприемников, содержащем лазер и расположенные по ходу его излучения нелинейный оптический параметрический преобразователь частоты с перекрывающей маской по оси излучения лазера и формирователь двух оптических каналов, каждый из которых содержит оптически связанный с формирователем установочный узел с оптическим входом, совпадающим с исследуемой приемной поверхностью фотоприемника, усилитель, соединенный со счетчиком электрических импульсов, при этом между выходами усилителей обоих каналов включена схема совпадения, соединенная со счетчиком электрических импульсов, согласно изобретению, формирователь выполнен в виде аксикона, ось которого совмещена с осью лазерного излучения и отклоняющего зеркала, расположенного за аксиконом на его оси по ходу излучения, причем центральная часть аксикона оптически связана с оптическим входом установочного узла одного из оптических каналов, аксикон оптически связан также с оптическим входом установочного узла другого оптического канала, расположенного на оси аксикона за зеркалом по ходу излучения, при этом установочные узлы и отклоняющее зеркало выполнены с возможностью перемещения вдоль оси аксикона.

На чертеже представлена схема абсолютного измерителя квантовой эффективности фотоприемников.

Измеритель содержит лазер 1, по ходу излучения которого расположен нелинейный оптический параметрический преобразователь 2 частоты (например, пъезокристаллический) с перекрывающей маской 3 по оси излучения лазера 1. Далее по ходу излучения установлен формирователь двух оптических каналов, выполненный в виде аксикона 4 (например, конической линзы или зеркального полого цилиндра), ось которого совмещена с осью лазерного излучения, и зеркала 5, которое расположено на оси аксикона по ходу излучения за аксиконом. Каждый из оптических каналов содержит установочный узел 6 или 7, который имеет оптический вход 8, связанный с плоскостью изображения формирователя и предназначенный для размещения приемной поверхности исследуемого фотоприемника 9 или 10, а также электрический выход 11, предназначенный для соединения с выходом приемника 9 (10). Выход 11 каждого из установочных узлов связан с входом усилителя 12 в своем канале. Выход каждого усилителя 12 связан со счетчиком 13 (в одном канале) или со счетчиком 14 (в другом канале) электрических импульсов. Между выходами усилителей 12 обоих каналов включена схема 15 совпадения, снабженная счетчиком 16 электрических импульсов. Центральная часть d аксикона 4 (например, при коническом аксиконе) связана с помощью зеркала 5 с оптическим входом 8 установочного узла 6, а периферийная часть D - с оптическим входом 8 установочного узла 7. Вход 8 расположен на оси аксикона за зеркалом. Перед оптическими входами узлов 6, 7 расположены диафрагмы 17, 18. Перед диафрагмой 18 расположен объектив 19. Центр отверстия диафрагмы 17 лежит на оси аксикона, а центр отверстия диафрагмы 18 совпадает с изображением лежащей на этой оси точки зеркала 5 (изображение создается объективом 19). Установочный узел 7 с диафрагмой 17, а также зеркало 5, установочный узел 6 с диафрагмой 18 и объективом 19, выполнены подвижными вдоль оси аксикона 4.

Устройство работает следующим образом. Фотоны, излучаемые лазером 1, расщепляются нелинейным оптическим параметрическим преобразователем частоты на пары фотонов (бифотоны), вылетающие практически одновременно под различными углами к оси лазерного излучения. Проходящее без расщепления через преобразователь 2 лазерное излучение поглощается маской 3. Бифотонное излучение различных частот образует конусы с различными углами при вершине, каждый из которых фокусируется аксиконом 4 в определенную точку, расположенную на его оси. Затем излучение переносится из этой точки зеркалом 5 и объективом 19 в отверстие диафрагмы 18 либо непосредственно поступает в отверстие диафрагмы 17. Диафрагмы 17 и 18 пропускают на оптические входы установочных узлов 6, 7, т. е. на приемные поверхности исследуемых фотоприемников 9 и 10, только излучение, сконцентрированное вблизи оси аксикона. Следовательно, на фотоприемники поступает излучение узкого спектрального диапазона, и описываемый измеритель обладает высокой спектральной разрешающей способностью.

Каждый из фотоприемников 6, 7 в соответствии со своей квантовой эффективностью регистрирует определенную часть падающих на него фотонов и порождает последовательность электрических импульсов, которые затем усиливаются соответствующим из усилителей 12 и подсчитывается счетчиками 13 и 14. Счетчик 16 схемы 15 совпадения регистрирует количество одновременно пришедших в оба канала импульсов.

Допустим, на фотоприемники за некоторый промежуток времени поступает n пар фотонов. Тогда один из фотоприемников в среднем выдает N₁ = η₁n электрических импульсов, другой - N₂ = η₂n, на выходе схемы 15 совпадения в среднем появляется Nо = η₁ η₂n импульсов (здесь η₁, η₂- квантовые эффективности фотоприемников 6 и 7). Поэтому квантовые эффективности фотоприемников 6 и 7 определяются по формулам:
η₁= ; η₂= (1)
В процессе измерений выбирают положение зеркала 5 на оси аксикона 4 вместе с установочным узлом 6, объективом 19 и диафрагмой 18, которому соответствует частота ω₁излучения. Затем помещают на оси аксикона установочный узел 7 с диафрагмой 15 в положение для регистрации излучения с частотой ω₂= ω₀-ω₁(где ω₀- частота излучения лазера 1). После этого диафрагму 17 медленно перемещают вдоль оси аксикона 4, пока счетчик 14 не зарегистрирует максимальную частоту импульсов, совпадающих в обоих каналах. Затем многократно за одинаковые интервалы времени снимают показания счетчика 13 (N₁), счетчика 14 (N₂), счетчика 15 (N_o), вычисляют средние значения N₁, N₂, N_o, определяют квантовые эффективности η₁ фотоприемника 13, и η₂фотоприемника 14 по формулам (1).

Таким образом, благодаря выполнению формирователя с использованием аксикона и зеркала обеспечивается использование всего потока излучения определенных частот, созданного параметрическим преобразователем, в то время как в прототипе используется незначительная часть этого излучения. Аксикон фокусирует конический пучок излучения в точку на его оси, соответствующую определенной частоте, что и позволяет собрать на приемных поверхностях фотоприемников все излучение в узких частотных диапазонах. Поэтому одновременно с высокой спектральной разрешающей способностью достигается увеличение частоты регистрируемых фотонов, за счет которого уменьшаются статистические ошибки и растет точность измерений. Погрешность измерений в описанном устройстве не превышала 4% , в то время как в прототипе она не ниже 10% .

Юстировка и эксплуатация описанного измерителя облегчаются, по сравнению с прототипом, так как перемещения элементов формирователя и оптических каналов осуществляется только по одной пространственной координате (вдоль оси аксикона), обеспечивая при этом измерения во всем рабочем диапазоне частот.

При реализации устройства была использована следующая аппаратура: аргоновый лазер с рабочей длиной волны 0,35 мкм, в качестве параметрического преобразователя частоты - кристалл LiO₃, аксикон в виде конуса из стекла КЗ с углом при вершине 126^о, в качестве счетчиков - цифровые частотомеры ЧЗ-34, специально разработанные усилители на транзисторах КТ64СА и схема совпадения на компараторах К597СА1 и триггерах К500ТМ131. Устройство было использовано для измерения квантовой эффективности фотоэлектронных умножителей ФЭУ-79. Погрешность измерения не превышала 4% . (56) Клышко Д. Н. и Пенин А. Н. Перспективы квантовой фотометрии. Успехи физических наук. М. : Наука, т. 152, вып. 4, 1987, с. 658, рис. 4а.

Там же, с. 658-659, рис. 4б.

Использование: спектрофотометрия, для измерения квантовой эффективности фотоприемников, предназначенных для регистрации сверхслабых потоков электромагнитного излучения. Сущность изобретения: устройство содержит лазер, нелинейный оптический параметрический преобразователь частоты с перекрывающей маской и формирователь двух оптических каналов, каждый из которых содержит предназначенный для установки исследуемого фотоприемника установояный узел, к выходу которого через усилитель подключен счетчик, а между выходами усилителей включена схема совпадения со счетчиком, упомянутый формирователь выполнен в виде аксикона и отклоняющего зеркала. Ось аксикона совмещена с осью лазерного излучения. Отклоняющее зеркало связывает центральную часть аксикона с входом установочного узла, а периферийная часть аксикона связана оптически с входом установочного узла. 1 ил.

АБСОЛЮТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ КВАНТОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФОТОПРИЕМНИКОВ, содержащий лазер и расположенные по ходу его излучения нелинейный оптический параметрический преобразователь частоты с перекрывающей маской по оси излучения лазера и формирователь двух оптических каналов, каждый из которых содержит оптически связанный с формирователем установочный узел с оптическим входом, совпадающим с исследуемой приемной поверхностью фотоприемника, усилитель, соединенный со счетчиком электрических импульсов, при этом между выходами усилителей обоих каналов включена схема совпадения, соединенная со счетчиком электрических импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений с одновременным упрощением юстировки и эксплуатации, формирователь выполнен в виде аксикона, ось которого совмещена с осью лазерного излучения, и отклоняющего зеркала, расположенного за аксиконом на его оси по ходу излучения, причем центральная часть аксикона оптически связана с оптическим входом установочного узла одного из оптических каналов, аксикон оптически связан также с оптическим входом установочного узла другого оптического канала, расположенного на оси аксикона за зеркалом по ходу излучения, при этом установочные узлы и отклоняющее зеркало выполнены с возможностью перемещения вдоль оси аксикона.