Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Измерение энергетических параметров излучения полупроводниковых лазерных диодов с помощью измерителя Lab Max-Top: Учебно-методическое пособие

Голосов: 0

Настоящее методическое пособие посвящено изучению энергетических параметров полупроводниковых лазерных диодов с помощью измерительного прибора Lab Max-Top. Изложены физические принципы работы приемников излучения (термопарные и пироэлектрические датчики), входящих в комплект оборудования Lab Max-Top, устройство и правила эксплуатации измерительного прибора, принцип работы и основные этапы изготовления объектов исследования (полупроводниковых лазерных диодов), получение и передача данных, обработка результатов. Электронное учебно-методическое пособие предназначено для студентов, магистров, аспирантов ННГУ, обучающихся по основной профессиональной образовательной программе аспирантуры 01.04.10 "Физика полупроводников", изучающих курсы "Физика лазеров", "Нанофотоника".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    1. Для непрерывных лазеров такой характеристикой является мощность
излучения Р. При проведении ее измерений приходится иметь дело с
величинами порядка 10-3ч105 Вт.

2. Для лазеров, работающих в режиме одиночных импульсов, используется
несколько величин:

а) полная энергия импульса излучения
                                    tи

                           W    =   ∫ tP
                                    0
                                             ( t ) dt                    (2)

где tи – полная длительность импульса; Р(t)- функция мощности излучения.
Диапазон энергий импульсов современных лазеров лежит в пределах
10-2ч105Дж;

б) средняя мощность импульса
Pср.и =Wи / tи .
Диапазон ее значений для современных лазеров лежит в пределах 103ч1012Вт;

в) пиковая мощность импульса Pmax.и, определяемая максимумом функции
мощности Р(t). Иногда ее связывают с полной энергией импульса Wи. При этом
кривую Р(t) мысленно заменяют на прямоугольник с высотой Pmax.и, и считают,
что его площадь S0 равна площади Sи под кривой Р(t) (т.е. равна полной энергии
импульса. Тогда, согласно рис. 3, из условия Sи = S0 следует Wи = Pmax.и τ,
поэтому величина τ будет иметь смысл эффективной длительности импульса. В
литературе ее называют просто длительностью импульса. Таким образом, для
пиковой мощности импульса можно записать:
                              Pmax.и =Wи / τ                             (3)

                                         Sи = So
                      P                                   So
                                              




                                                        Sи
                                             τ
                                                               t
                                                                
                               Рис.3. Лазерный импульс.

                                             11


3. Излучение лазеров, работающих в режиме повторяющихся импульсов,
характеризуется аналогичными энергетическими величинами:

а) полная энергия импульса излучения
                                               T
                                     W   =     ∫
                                               0
                                                   tP ( t ) dt                          (4)

где T – период следования импульсов, определяемый как T =1/ f ;

б) средняя мощность излучения
                                         T
                                     1           W
                                Pср = ∫ P(t )dt = и = f ⋅Wи                               (5)
                                     T0          T
Ее вычисление поясняется рис. 4, на котором изображена периодическая
последовательность импульсов излучения с частотой следования f =1/T .

                         P 
      Pмах.и 
                                             Sи 


                                 τ 
                                                    So 
          Pср..и 
                                  


                                                                                    t
                    0                               T                   2T 
                     Рис.4. Периодическая последовательность импульсов излучения.


Мысленно заменим импульсное излучение на непрерывное, причем потребуем,
чтобы полная энергия излучения сохранялась при такой замене. Очевидно, что
для удовлетворения этого требования необходимо заменить каждый импульс
на такой прямоугольный, длительность которого равнялась бы периоду
следования Т, а высота, которую мы и назовем средней мощностью излучения
Pср.и, удовлетворяла бы условию сохранения энергии или, другими
словами, условию сохранения площадей Sи = S0:
                                         T
                                    1
                               Pср = ∫ P (t )dt = T ⋅Pср .и                               (6)
                                    T0
Тогда из (6) легко получается формула (5);
                                                          12


в) пиковая мощность излучения Pmax.и определяется согласно формуле (3).
Частота следования импульсов современных лазеров имеет величину порядка
1ч105 Гц, а средняя мощность излучения лежит в пределах 10-2ч106Вт.

   Отметим, что поскольку некоторые лазеры дают крайне короткие импульсы,
для измерения мощности требуются малоинерционные приемники и связанная
с ними аппаратура с соответствующим быстродействием.

   Применение лазеров в технологии во многом зависит от возможности
концентрации энергии его пучка на малые площади. Такая возможность, в
свою очередь, определяется пространственными характеристиками пучка и,
прежде всего – видом функции, описывающей распределение интенсивности
излучения в лазерном пучке. Именно вид этой функции и определяет все
другие пространственные характеристики. Распределение интенсивности на
выходной апертуре лазера определяется типом используемого резонатора и
модовым cоставом возбуждаемых в нем колебаний. В случае одномодовой
генерации лазера с устойчивым резонатором на основной моде TЕM00 это
распределение описываемся кривой, близкой к распределению Гаусса:
                                                2ω 2

                             I   (ω ) = I 0 ⋅ e ω0                      (7)
где I0 – интенсивность на оси пучка; ω0 – условный радиус выходящего
гауссова пучка – расстояние, на котором интенсивность излучения снижается в
е2 раз. Величина I0 связана с полной мощностью излучения лазера P и радиусом
пучка соотношением
                         ∞
                                                π
                    P = ∫ I (ω ) ⋅ 2πωdω =             ω0 2 ⋅ I 0       (8)
                         0
                                                 2
  При генерации на модах высшего порядка распределение имеет вид пятен
или колец. В случае многомодовой генерации распределение интенсивности на
выходной апертуре лазера будет определяться конкретным модовым составом
и распределением энергии излучения между этими модами. Варьированием
модового состава излучения можно существенно влиять на распределение
интенсивности, подбирая его оптимальным образом для конкретных
технологических процессов.




                                           13


     Глава 2. Устройство и принцип работы приемников излучения.

   Приемники излучения - устройства, предназначенные для обнаружения
или измерения излучения и основанные на преобразовании энергии излучения
в другие ее виды (тепловую, механическую, электрическую и т. д.).
   Все типы датчиков преобразуют энергию падающего излучения в
электрический сигнал. Это удобно, поскольку электрические измерительные
приборы обладают высокой чувствительностью и универсальностью.



         2.1. Основные характеристики приемников излучения.

   Основными параметрами и характеристиками            любого   детектора
(приёмника) излучения являются следующие [2]:

1. Чувствительность определяет изменение электрического сигнала на
выходе приёмника при подаче на приёмник некоторого единичного
оптического сигнала. Количественно чувствительность определяется как
отношение изменения измеряемой электрической величины, вызванного
освещением фотоприёмника, к некоторой количественной характеристике
падающего излучения.
  Чувствительность приёмника излучения не является строго определённой
константой приёмника, а зависит от параметров излучения. В частности,
различают статическую Sstat и дифференциальную чувствительность Sdiff.
Первая определяется отношением постоянных величин отклика (тока или
напряжения) и воздействия (какой-либо из перечисленных световых или
энергетических характеристик излучения), а вторая – отношением их малых
приращений.

2.  Шумовые и пороговые параметры.
  На выходе приёмника помимо полезного сигнала всегда присутствует так
называемая шумовая составляющая, то есть некоторый хаотический сигнал со
случайной амплитудой и в общем случае со случайным спектром. Очевидно,
что при малой величине полезного сигнала шум может не позволить измерить
такой сигнал сколь угодно точно, равно как он не позволяет измерять сколь
угодно малые сигналы. Для повышения отношения сигнал-шум падающее на
приёмник излучение модулируют и используют усилитель с узкой полосой
пропускания ∆f (f – частота сигнала) в окрестности частоты модуляции f . В
                                                                     мод
этом случае усиливается весь полезный сигнал, а шум усиливается лишь в
полосе пропускания ∆f, в которую попадает лишь малая часть энергии
шумового сигнала.
  В качестве критерия пороговой чувствительности используется равенство
напряжения U (или тока) выходного сигнала, частота которого равна частоте
             0

                                      14


модуляции f           оптического сигнала, и среднеквадратического напряжения
                мод
шума <U > в полосе ∆f = 1 Гц с центром в точке f             .
           ш                                            мод
Пороговой чувствительностью или эквивалентной мощностью шума
называют мощность оптического излучения P на входе, при которой
                                                         0
выполняется указанный выше критерий.
  Обнаружительной (детектирующей) способностью приёмника называют
величину, обратную пороговой чувствительности.
  Величина P при прочих равных условиях зависит от площади рабочей
                 0
поверхности детектора, поэтому для сравнения детекторов также используют
нормированную пороговую чувствительность, либо нормированную
обнаружительную способность. Нормировка проводится либо на площадь
рабочей поверхности детектора, либо на характерный линейный размер
(корень из величины рабочей площади).

3. Инерционность.
  Инерционность - это реакция приёмника на внешний оптический сигнал.
Запаздывание отклика приёмника происходит в силу нескольких физических
процессов в приёмнике, что даёт разные скорости насыщения
соответствующих экспонент, но приближённо можно описывать совокупность
процессов одной экспонентой:
                                      ⎛       ⎛t   ⎞⎞
                              U = U o ⎜1 − exp⎜
                                      ⎜            ⎟⎟
                                                    ⎟                     (9)
                                      ⎝       ⎝τ   ⎠⎠
 где U         – сигнал детектора в насыщении при постоянном внешнем
       0
 освещении, t – время, протекшее с момента включения внешнего освещения,
 τ – постоянная времени. Постоянная времени τ – время, в течение которого
 величина U спадает в е раз.


                          2.2. Типы приемников излучения

   Все приёмники излучения подразделяются на квантовые (фотоэлектронные
умножители, фотодиоды) и тепловые, на которых остановимся подробнее,
поскольку в комплект измерительного оборудования LabMax-Top включены
датчики этого типа.
   Тепловые приёмники основаны на преобразовании части энергии
падающего излучения в тепловую энергию, которая затем преобразуется в
электрический сигнал. Преобразование происходит             за      счёт
термоэлектрического эффекта, изменения сопротивления при нагревании
рабочего тела детектора (болометры), оптико-акустического эффекта,
пироэлектрического эффекта и ряда других.


                                            15


       2.2.1. Принцип работы термопарного приемника излучения.

   Термопары (термоэлементы)        были   первыми      приемниками     для
обнаружения и измерения ИК-излучения. Основным элементом термопары
является переход на контакте между двумя различными полупроводниками
с большим коэффициентом Зеебека Θ . Лучшими элементами для приемника
на основе термопары являются материалы с максимальным значением термо-
ЭДС, которая возникает из-за разности температур между двумя металлами.
Термоэлектрические приёмники основаны на возникновении термоэдс при
нагревании спая двух разнородных металлов: при поглощении излучения,
верхний слой (спай) приобретает более высокую температуру относительно
нижнего слоя, электроны из нагретого спая будут переходить в холодный и
появится диффузия электронов сверху вниз. Избыток электронов в
холодной части спая создает отрицательный заряд, а в горячей части
остается положительный некомпенсированный заряд. Возникает термо-ЭДС, и
появляется ток. Если цепь проводников замкнуть через сопротивление
нагрузки Rн, то на нем образуется напряжение U c . Количественно термо-ЭДС
определяется соотношением:
                          ∆U c = α T ∆T                              (10)

где α T - коэффициент термо-ЭДС, численно равный разности потенциалов,
возникающей при разности температур спаев в 1 К.
Постоянная времени термопарных приемников от 10 до 50 мс.
Термопарные датчики, входящие в комплект измерительного оборудования
LabMax-Top обеспечивают:

1)Уровень шумов не более 1.2 мкВ.
2)Разрешение шкалы измерения не хуже 0.1% от максимального значения.
3)Инструментальную погрешность, вносимую измерителем не более 1%.
4)Время ответа не более 2 c.
5)Погрешность измерения мощности излучения не более 1 % - Термопарный
датчик PM10,
6)Погрешность измерения мощности излучения не более 0.1 Вт - Термопарный
датчик PM300F-50.



   2.2.2. Принцип работы пироэлектрического приемника излучения.

   Еще одним распространенным типом тепловых приемников являются
пироэлектрические приемники, в основе которых лежат кристаллы
сегнетоэлектриков, в которых заряды возникают вследствие изменений
температуры под воздействием лучистой энергии. Их действие основано на

                                      16


изменении поляризации пироэлектрического кристалла при изменении его
температуры:
   При попадании излучения (1) на поглощающее покрытие (2) (рис.5)
происходит нагрев пироэлектрического материала,    дипольный    момент
изменяется, и на поверхности кристалла появляются электрические заряды
(3). Эти заряды вызывают в цепи нагрузки Rн электрический ток,
напряжение сигнала оказывается прямо пропорциональным сопротивлению
нагрузки. Поэтому в пироэлектрических приемниках сопротивление
нагрузки    выбирается   не    меньшим, чем 1 ГОм и используются
дифференциальные усилители (4) с большим входным сопротивлением на
полевых транзисторах.

                                 3
                                                   П
                                                   о
                                                   д
                                                   л
                   1                               о
                                                   ж
                                                   к
                                                   а
                            2
                                       Rн
                                                        4


                  Рис.5. Схема пироэлектрического приемника.


  Постоянная времени пироэлектрического приемника может достигать
            -7                                     -9       1/2
значения ~ 10 с, а пороговая чувствительность ~ 10 Вт/Гц .
   Для уменьшения постоянной времени всех типов тепловых приемников
необходимо добиваться минимальной теплоемкости рабочего тела приемника и
его минимальной теплопроводности. При работе с тепловыми приемниками
целесообразно применять модуляцию светового потока.

   Пироэлектрические датчики, входящие         в   комплект       измерительного
оборудования LabMax-Top обеспечивают:

1)Уровень шумов не более 1.2 мкВ.
2)Инструментальную погрешность, вносимую измерителем не более 1%.
3)Время ответа не более 2 c.


                                       17


4)Уровень энергии эквивалентной шуму не более 20 нДж - Пироэлектрический
датчик J10MB-LE,
5)Энергию эквивалентную шуму не более не более 16 мкДж -
Пироэлектрический датчик J25MB-HE.
6)Детектирование импульсов лазерного излучения с частотой следования в
диапазоне, включающем значения от 1 до 1000 имп/с.




                                    18


               Глава 3. Измеритель мощности Lab Max-Top.

   Оборудование обеспечивает анализ и мониторинг непрерывного и
импульсного лазерного излучения и измерение средних мощностей лазерного
излучения и включает следующие основные функциональные компоненты:
1. Измеритель LabMax-Top.
2. Датчик PM10.
3. Датчик PM300F-50.
4. Датчик J10MB-LE.
5. Датчик J25MB-HE.
Внешний вид измерителя и его функциональные единицы приведены в
приложениях 1 и 2.


      3.1. Измерения мощности с помощью термопарного датчика.

  Для подготовки оборудования к проведению мощностных измерений нужно
выполнить несколько последовательных этапов:




    Рис.6 а. Боковая панель измерителя        Рис.6 б. Этапы измерения мощности с
               LabMax-Top                       помощью термопарного датчика.


1. Подключить термопарный датчик к 25-контактному разъему (1) измерителя
   LabMax-Top (рис.6 а)
2. Нажать клавишу 2 – измерения (рис. 6 б)
3. Нажать клавишу 3 – диапазон и кнопкой выбора указать необходимый
   диапазон измерений.

                                         19


4. «Заблокировать излучение» и кнопкой Zero (4) установить базовую линию
   для новых измерений.
5. Провести измерения в соответствии с требуемой методикой.


      3.2. Измерения энергии с помощью пироэлектрического датчика.

   Перед проведением энергетических измерений выполняются следующие
этапы:




Рис.7. Фронтальная панель измерителя LabMax-Top. Этапы измерения энергии с помощью
                           пироэлектрического датчика.


1. Подключить пироэлектрический датчик к 25-контактному разъему (1)
   измерителя LabMax-Top (рис.6 а)
2. Нажать клавишу 2 – измерения (рис.7)
3. Если в данный момент в качестве единиц измерения выбраны Ватты,
   изменить конфигурацию на Джоули (клавиша 3).
4. Нажать клавишу 4 – диапазон и кнопкой выбора указать необходимый
   диапазон измерений.
5. Установить уровень переключения (клавиша 5), убедиться, что порог
   переключения ниже предполагаемого уровня измерений и выше уровня
   шума.
6. Проводить измерения в соответствии с требуемой методикой.


                                         20



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика