П.С. Парфенов, А.П. Литвин, Д.А. Онищук

П.С. Парфенов, А.П. Литвин, Д.А. Онищук

Приборы и методы экспериментальной физики

Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации

УНИВЕРСИТЕТ ИТМО

П.С. Парфенов, А.П. Литвин, Д.А. Онищук

Приборы и методы экспериментальной физики

Рекомендовано к использованию

в университете ИТМО

по направлению подготовки 12.03.03 «Фотоника и оптоинформатика» в качестве учебно-методического пособия для реализации основных профессиональных программ высшего образования бакалавриата

Санкт-Петербург

2017

П.С. Парфенов, А.П. Литвин, Д.А. Онищук. Приборы и методы экспериментальной физики. Учебное пособие. – СПб: Университет ИТМО, 2017. – 71 с.

Рецензенты:

А.В. Вениаминов, д.ф.-м.н., Университет ИТМО.

А.А. Рыжов, к.ф.-м.н., АО «ГОИ им. С.И. Вавилова».

Учебное пособие предназначено для бакалавров факультета фотоники и оптоинформатики, обучающихся по программе подготовки «Физика наноструктур» по направлению подготовки 12.03.03 «Фотоника и оптоинформатика», обучающихся по дисциплине «Приборы и методы экспериментальной физики». Практикум также может быть рекомендован студентам старших курсов физико-технических специальностей, а также магистрантам, специализирующимся в области применения оптических методов в исследовании наноструктур.

Университет ИТМО – ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий, один из немногих российских вузов, получивших в 2009 году статус национального исследовательского университета. С 2013 года Университет ИТМО – участник программы повышения конкурентоспособности российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров, известной как проект «5 в 100». Цель Университета ИТМО– становление исследовательского университета мирового уровня, предпринимательского по типу, ориентированного на интернационализацию всех направлений деятельности.

Ó Университет ИТМО, 2017

© П.С. Парфенов, А.П. Литвин, Д.А. Онищук, 2017

СОДЕРЖАНИЕ

	Введение
1.	эксперимент в физике
2.	измерительные приборы и датчики
3.	Операционные усилитЕЛИ
4.	Приемники света
5.	Техника спектроскопии.
6.	помехи
7.	Регистрация времен затухания люминесценции
8.	Автоматизации измерительного эксперимента
9.	Интерполяция, аппроксимация и экстраполяция
10.	Фильтрация результатов эксперимента
	Приложение 1: ОДНО- И ТРЕХФАЗНЫЕ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
	Приложение 2: ВЫЧИСЛЕНИЕ СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ.
	Литература

ВВЕДЕНИЕ

Учебный курс «Приборы и методы экспериментальной физики» представляет собой часть бакалаврской дисциплины «Физика наноструктур». Курс нацелен на ознакомление с рядом методов экспериментальной физики, систематизацию знаний, полученных в рамках предшествующих дисциплин, и на их приложение к экспериментальному оборудованию, применяемому для изучения физических свойств наноструктур.

В рамках курса студенты должны получить представление о физических основах измерительного процесса и аппаратной реализации экспериментальных методов физики. Первая глава посвящена месту эксперимента в физике и экспериментатора в эксперименте, влиянию экспериментатора на эксперимент и принципиально вероятностной природе физического эксперимента. Рассматривается тема планирования эксперимента, что требуется для уменьшения методических погрешностей, а также влияния экспериментатора.

Вторая глава посвящена преобразованию измеряемого сигнала в электрический сигнал, измерительным приборам, их параметрам и параметрам электрических сигналов, а также согласованию нагрузки при последовательном включении приборов или при самом измерении.

В третьей главе рассматриваются основные параметры усилителей на примере основных схем включения операционных усилителей. Знание способов их включения также позволяет самостоятельно создавать усилители слабых сигналов с требуемыми параметрами.

В следующей главе рассматриваются приемники света от болометров до матричных приемников и их параметры. Рассмотрение шумов, которые присущие приемникам и усилителям, иллюстрируется сравнением разнотипных приемников между собой по шумовым параметрам.

Глава, посвященная технике спектроскопии, охватывает вопросы структуры дифракционных монохроматоров, их параметров, способы управления и калибровки по спектру АЧТ и длинам волн. Приводится информация об основных параметрах дифракционных решеток и особенностей работы с ними.

Помимо шумов, которые присущи элементам измерительной схемы, существует проблема борьбы с помехами извне. В главе про помехи рассматриваются основные виды помех, а также способы борьбы с ними с помощью схемных решений – модуляции, кодирования, синхронного детектирования. Одним из способов борьбы с помехами является и счет фотонов, применяемый для регистрации сверхслабых сигналов. Рассматриваются и свойства, отличающие приемники, ведущие счет фотонов, от других.

Глава про регистрацию времен затухания люминесценции описывает способы измерения времен в диапазоне от пико до миллисекунд. Подробно рассматриваются режимы счета фотонов. Отдельно рассматривается время-коррелированный счет фотонов, дискриминаторы, работающие по методу следящего порога для регистрации импульсов разной амплитуды. Вопросы настройки системы счета фотонов рассматриваются в ракурсе предотвращения наложения импульсов друг на друга, что искажает экспериментальные данные.

В главе об автоматизации измерительного эксперимента рассматривается несколько примеров, когда с помощью поставляемого с приборвами комплекта документации на языках разного уровня создается программное обеспечение, позволяющее автоматизировать измерительный процесс. Рассмотрение такой темы не может обойтись без упоминания о системе LabVIEW.

Вопросу поиска функциональной зависимости при обработке экспериментальных данных посвящена глава про интерполяцию, аппроксимацию и экстраполяцию. Оптимальность применяемых методов зависит от объема экспериментальных данных и предполагаемого характера зависимости.

В последней главе рассматривается фильтрация экспериментальных данных, помогающая уменьшить вклад помех и шумов путем математической обработки.

Для самопроверки в конце каждого параграфа приведен список вопросов.

Эксперимент в физике

Эксперимент – метод познания, когда в контролируемых условиях исследуются явления действительности. Экспериментальная физика – группа дисциплин физики, заключающаяся в сборе данных и разработке методов сбора данных, и подготовке и проведении экспериментов. Экспериментальные исследования ведутся во всех областях науки и техники. Цель этих экспериментов либо установить новые факты об исследуемом явлении, либо сравнить влияния различных условий на рассматриваемый процесс.

Необходимо понимать, что с одной стороны эксперимента находятся физические процессы, носящие принципиально вероятностный характер. С другой, конечную оценку эксперименту дает субъект (наблюдатель), и только в его силах оценить корректность постановки эксперимента и границы трактовки результатов. Эксперимент должен учитывать первое и предотвращать влияние второго.

Субъективность эксперимента

Фон Нейман говорил, что должна быть возможность так описать в действительности физический процесс субъективного восприятия, как если бы он был в физическом мире, и приводил пример измерения температуры. Теоретическое описание процесса измерения можно остановить на словах «температуру измеряет термометр», можно продолжить расчеты до измерения наблюдателем длины ртутного столбика, далее рассмотреть построение изображения ртутного столбика на сетчатке наблюдателя, продолжить описывать химические реакции в мозгу и только тогда сказать – эти химические изменении в клетках мозга воспринимает наблюдатель. Однако в любом случае должна быть возможность сказать «это воспринимается наблюдателем». Т.е. мир делится на следующие части – наблюдаемую и наблюдателя. В первой части в принципе можно исследовать все физические процессы, во второй это бессмысленно. Положение границы между ними произвольно. И опыты можно проводить только с утверждениями типа «наблюдатель испытал определенное восприятие», а не «некоторая физическая величина имеет определенное значение» [1].

Субъект, дающий трактовку эксперименту, вносит в него когнитивное искажение (искажения в процессе познания вследствие стереотипов, особенностей работы мозга, физических ограничений, эмоций и пр.), особенно на этапе обработка данных и трактовки результатов. Люди склонны интерпретировать полученные данные в соответствие с собственной точкой зрения (англ. confirmation bias), исключая из рассмотрения отклоняющиеся результаты, и отдавая предпочтение соответствующим. Правильная постановка эксперимента может уменьшить влияние искажения.

Планирование эксперимента

В любой экспериментальной задаче два аспекта: планирование эксперимента и статистический анализ данных, причем эти два аспекта тесно взаимосвязаны, так как метод анализа непосредственно зависит от использованного плана. Организация эксперимента должна позволить применить для анализа данных статистические методы, поскольку если данные эксперимента содержат ошибки, то статистические методы являются единственным объективным подходом к их анализу.

В основе планирования эксперимента лежат два основных принципа: репликация и рандомизация. Под репликацией понимается повторение основного эксперимента. Повторные опыты позволяют экспериментатору получить оценку ошибки эксперимента (случайной погрешности). Эта оценка становится основной «мерой» при определении того, являются ли наблюдаемые различия в данных в действительности статистически различными.

Рандомизация означает, что распределение экспериментального материала и порядок, в котором должны проводиться отдельные опыты, устанавливаются случайным образом. Для применения статистических методов требуется, чтобы наблюдения (или ошибки) были независимыми случайными переменными. Рандомизация, как правило, обеспечивает справедливость этого допущения.

Примерная схема эксперимента такова:

1. Признание факта существования задачи и ее формулировка. Необходимо уточнить все представления о целях эксперимента.

2. Выбор факторов. Необходимо отобрать независимые переменные или факторы, которые будут исследоваться в эксперименте. Нужно также выбрать диапазон и значения факторов, которые будут использованы в эксперименте. Эти значения могут быть заданы через шаг или выбраны случайным образом.

3. Выбор переменной отклика. Отклик, который предстоит измерять, должен содержать информацию об исследуемой проблеме. Нужно подумать также и о том, как будет измеряться отклик и какова вероятная точность этих измерений.

4. Выбор погрешности эксперимента. Необходимо задать величину отличия от истинного отклика, который планируется обнаружить, и величину риска, на который можно пойти, с тем, чтобы выбрать соответствующий объем выборки (число реплик). Необходимо всегда согласовывать между собой статистическую точность, длительность и стоимость эксперимента.

5. Выбор математической модели эксперимента. Должна быть предложена математическая модель эксперимента, что позволит провести статистический анализ данных. Также надо определить, в каком порядке будут собираться данные, и какой метод рандомизации будет применен.

6. Проведение эксперимента. Эксперимент должен проходить в соответствии с планом. Особое внимание нужно обращать на рандомизацию, точность измерений и поддержание как можно большей однородности внешних условий эксперимента.

7. Анализ данных. Для анализа данных эксперимента должны применяться статистические методы. При этом важно не забывать и о точности вычислений.

8. Выводы и рекомендации. Нужно дать физическую интерпретацию статистических выводов и оценить их практическое значение, а затем вынести рекомендации об использовании результатов. Представляя свои результаты и выводы, экспериментатор должен стараться использовать как можно меньше специальной статистической терминологии и формулировать свое сообщение по возможности проще [3].

Вопросы для самопроверки:

· Чем определяется вероятность обнаружения в определенном состоянии системы, описываемой матрицей плотности?

· Какие принципы, позволяющие уменьшить случайные и систематические ошибки, должны лежать в основе планирования эксперимента?

· С какими параметрами эксперимента в первую очередь конкурирует точность результатов?

Согласование нагрузки

Возможность измерения сопротивления элементов и напряжения в цепи во многом определяется входным сопротивлением измерительных приборов. Входное сопротивление нагрузки ограничивает диапазон допустимого выходного сопротивления источника – последнее должно быть много меньше. Это следует из схемы деления сопротивлений (рис. 1). Так, при равенстве сопротивлений напряжение на входе вольтметра составит половину от измеряемой величины, а сопротивление измеряемого участка цепи также упадет вдвое из-за параллельного подключения внутреннего сопротивления.

Рис. 1 Схема подключения нагрузки к источнику ЭДС. Пунктиром выделены области цепи, соответствующие источнику (И) и нагрузке (Н)

Высокое входное сопротивление измерителя говорит о том, что его включение в цепь не исказит параметры сигнала, что он не занизит показания, «закорачивая» измеряемый сигнал, а низкое выходное сопротивление источника питания обеспечивает большую подключаемую мощность. Но это имеет место только при измерениях, поскольку процесс измерения не должен вносить заметных изменений в работу измеряемой цепи, и работе на низкой частоте. Внутри самих электрических схем входное сопротивление усилителя должно быть равно выходному сопротивлению источника (т.е. сопротивления согласованы), это обеспечивает условия для полной передачи мощности. И если при работе на постоянном токе или низких частотах несогласованность приводит только к уменьшению мощности сигнала, то на высоких частотах возникает отраженный сигнал и нежелательный резонанс при переходных процессах (т.н. «звон»).

Большая часть современной высокочастотной усилительной техники рассчитана на работу с сопротивлением 50 Ом и оснащено коаксиальными соединениями типа BNC (реже SMA), или похожими разъемами отечественного стандарта СР-50. На такое же волновое сопротивление рассчитаны коаксиальные кабели. В ряде случаев ненагруженные входы и выходы усилителей рекомендуется нагружать «терминаторами» – резисторами с номиналом 50 Ом, соответствующим сопротивлениям источника и приемника. Также их подключают параллельно при высоком входном сопротивлении измерительной техники, если сопротивление приводит несогласованности в цепи и искажению сигнала. Так, осциллографы хоть и имеют достаточно высокое входное сопротивление (порядка мегаома), но работа с ВЧ сигналами может требовать применения терминаторов или специальных щупов.

Вопросы для самопроверки:

· Что произойдет при замыкании контактов лабораторного источника питания, работающего в режиме стабилизации напряжения?

· Какими параметрами можно охарактеризовать гармонический сигнал?

· При измерении постоянного напряжения с помощью вольтметра каким должно быть его входное сопротивление относительно объекта?

· К чему приводит несогласованность нагрузки при работе на высоких частотах?

3. Операционные усилители [5]

Усиление фототока, источником которого являются фотодиоды, фототранзисторы и пр., может осуществляться разными способами. Первоначально усиление реализовывали с помощью электронных ламп, затем транзисторов. Хотя транзисторы в виде отдельных элементов схемы по-прежнему применяются, гораздо удобнее рассмотреть вопросы усиления и регистрации сигнала на уровне интегральной электроники – на примере операционных усилителей (ОУ). Кроме того, на работе ОУ можно проиллюстрировать большинство параметров обычных усилителей, а также, при необходимости, собрать собственный, с требуемыми параметрами.

Операционные усилители получили свое название из-за того, что первоначально разрабатывались для создания арифметических аналоговых устройств (сумматоров, умножителей, интеграторов, дифференциаторов). На их основе можно создать почти любое устройство для аналоговой обработки сигнала, но мы ограничимся рассмотрением дифференциального усилителя и некоторых схем на его основе.

Дифференциальный (разностный) усилитель – это электронное устройство, выходной сигнал которого равен разности напряжений на двух входах, умноженного на определенную величину. Т.е. U_out=(U_вх2–U_вх1)×K, где U_вх – напряжение на входах, а К – коэффициент усиления Выходной сигнал при этом может быть тоже дифференциальным, т.е. регистрироваться как разность между двумя выходами, или однофазным, т.е. регистрироваться между выходом и нулем.

Операционный усилитель это дифференциальный усилитель постоянного тока, т.е. работающий на частотах от 0 Гц, с очень большим коэффициентом усиления и однофазным выходом. Усиление разностного сигнала К по напряжению составляет 10⁶ и более, выходное сопротивление очень низкое, а выходной сигнал может меняться почти в полном диапазоне напряжения питания. Выходы обозначают как «+» и «-», или неинвертирующий и инвертирующий (часто на схеме инвертирующий отмечают кружочком). Символы означают, что выходной сигнал изменится в положительном направлении тогда, когда напряжение на входе «+» будет больше, чем на входе «-». Такое устройство ведет себя крайне нестабильно, и малейшее расхождение сигналов на входах вызывает переключение выходного сигнала между противоположными напряжениями питания. По этой причине ОУ в одиночку можно использовать только в качестве компаратора.

Для придания схемам на основе ОУ необходимых характеристик вводят обратную связь. Для этого выход соединяют с одним из входов, инвертирующим либо неинвертирующим, через сопротивление обратной связи (рис. 2).

Рис. 2 Базовая конфигурация включения ОУ

Если компоненты обратной связи соединяются с неинвертирующим входом, возникает положительная обратная связь. При этом ОУ фактически перестает быть усилителем и либо осциллирует в режиме, определяемом компонентами ОС, либо работает как компаратор. Положительная ОС используется обычно в генераторах.

Более распространенный режим – использование отрицательной обратной связи, когда выход соединяется с инвертирующим входом. При этом часть выходного сигнала попадает на инвертирующий вход усилителя в противофазе (поэтому повышение выходного сигнала, попадая на вход, ведет к уменьшению выходного сигнала, и наоборот). Отрицательная ОС уменьшает коэффициент усиления, но при этом устраняет искажения и нелинейность, улучшая общие параметры схемы. Чем больше обратная связь, тем меньше параметры схемы зависят от характеристик ОУ и тем больше от самой схемы ОС. Из-за задержки сигнала на определенных частотах отрицательная обратная связь становится положительной, поэтому часто ОУ имеют схемы внутренней частотной коррекции.

При инвертирующем включении ОУ поддерживает такой уровень выходного напряжения, который обеспечивает равенство напряжения на входах ОУ (поэтому обычно считают, что у ОУ напряжение на входах равно).

При правильном подборе элементов, ОУ может генерировать выходной сигнал как функцию входных и использоваться в качестве дифференциального усилителя, регулятора тока или напряжения, фильтра, преобразователя и пр., а также реализовывать основные математические функции. Благодаря тому, что ОУ имеет крайне высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление, и очень высокий коэффициент усиления, основные расчеты можно проводить, исходя из характеристик идеального ОУ (равное напряжение на входе, бесконечное усиление, бесконечное входное сопротивление, и нулевое выходное).

3.1. Варианты схем на основе ОУ [5]

А. Триггер Шмидта

Добавление положительной обратной связи в отсутствие отрицательной превращает ОУ в триггер Шмидта, или триггер с петлей гистерезиса (рис. 3).

Рис. 3 Триггер Шмидта на ОУ

Схема будет переключаться между положительным и отрицательным напряжением U_out+ и U_out– каждый раз, когда входное напряжение будет переходить через уровень, задаваемый делителем из сопротивлений. При повышении напряжения при уровне срабатывания U_ср = U_out–R₁/(R₁ + R₂), при понижении – при уровне отпускания U_отп = U_out+R₁/(R₁ + R₂). Возникает гистерезис U_гис = U_ср – U_отп. Пороги срабатывания исключают ненужные переключения под действием шумов, т.е. устраняют так называемый "дребезг" контактов.

Б. Инвертирующий усилитель

Для большинства случаев усиления напряжения или регистрации фототока подходит инвертирующая схема включения ОУ (рис. 4). Усиленный сигнал находится в противофазе с входным и равен U_out = –U_in×R₁/R₂.

Рис. 4 Инвертирующее включение. Штриховая линия показывает путь входного тока

Через схему протекает фактически входной ток, т.к. потребление входов почти нулевое. Входной ток и создает падение напряжения на R₂.

Приемники света

Тепловые приемники(болометры и пирометры)– их чувствительностьпрактически не зависит от длины волны, они обычно применяются для целей калибровки [6]. Применяются во всех диапазонах, особенно в инфракрасной области спектра, где мало чувствительных приемников.

Фоторезисторы– их действие основано на увеличении проводимости полупроводников вследствие поглощения света – как вследствие увеличения концентрации носителей в зоне проводимости, так и увеличения подвижности носителей.

Фотодиоды могут работать в фотовольтаическом или фотопроводящем режиме. В первом они являются источником тока, во втором – они находятся при отрицательном смещении и регистрируется изменение их сопротивления под действием света.

Лавинные фотодиодыпредставляют собой фотодиоды с отрицательным смещением, в которых свободные носители приобретают энергию, достаточную, чтобы при столкновении с решеткой создать дополнительные носители, обеспечивающие таким образом внутреннее усиление фототока за счет лавинного умножения. При работе в непрерывном режиме удается добиться увеличения фототока до 1000 раз. При работе в импульсном режиме (или гейгеровском) коэффициент усиления доходит до 10⁶.

Фотоумножители (ФЭУ) основаны на внешнем фотоэффекте и характеризуются высочайшим собственным усилением благодаря многократному умножению электронной эмиссии на внутренних динодах. Приемный фотокатод ФЭУ покрыт материалом с малой работой выхода (соединения щелочных металлов и полупроводников). Образующиеся при освещении электроны ускоряются и умножаются на следующих электродах. Типовое усиление фототока ФЭУ составляет около 10⁶. Может работать в режиме постоянного тока или счета фотонов (крайний случай – режим одиночных импульсов).

Приемники на основе КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник, CMOS) и ПЗС (прибор с зарядовой связью, CCD) используются в виде многоэлементных матричных приемников и помимо спектральной информации могут давать информацию о пространственном распределении. Отличаются от линеек фотодиодов тем, что линейки – это наборы множества отдельных сенсоров, соединенных внешней цепью, в то время как ПЗС и КМОП сенсоры выполняются в одном монолитном полупроводнике. Кроме того, эти сенсоры накапливают свет в течение периода экспозиции, до того как преобразовать его в сигнал [7].

ПЗС – двумерный массив с МОП структурой. На подложку кремния p-типа наносится тонкий слой изолятора – оксида кремния. Поверх изолятора наносится сетка металлических контактов, или затворов, которые затем снова покрываются защитным слоем оксида. Каждый контакт соответствует элементу изображения – пикселю. Современные сенсоры имеют от 4096 до 10⁹ пикселей. При подаче положительного напряжения дырки отходят от затворов, создавая потенциальные ямы для электронов кремния, которые действуют для них как конденсаторы или ловушки. Под действием света в кремнии образуются электрон-дырочные пары, электроны из которых накапливаются в подзатворном пространстве. Для считывания на затворы последовательно подается положительное и нулевое напряжение, и заряд перемещается от затвора к затвору до достижения границы массива, где считывается с помощью АЦП.

Преимуществом ПЗС является способность к регистрации в широком диапазоне длин волн от мягкого рентгена до ближнего ИК (в зависимости от материала подложки). Недостатком – ограниченная емкость подзатворного пространства, при переполнении которой заряд переходит на соседние ячейки. Также отличаются медлительностью из-за необходимости сдвига заряда вдоль строки для считывания заряда. Сдвиг и считывание порождает дополнительный шум (т.н. «шум считывания»).

Ключевое отличие КМОП сенсоров от ПЗС – в них отсутствует перемещение заряда, а усиление сигнала производится внутренней цепью. Образование заряда происходит тем же способом, но каждый пиксель матрицы имеет собственный усилитель, что позволяет преобразовать заряд в напряжение на месте. Это ускоряет считывание и уменьшает шум. Очистка ячейки производится специальным транзистором. Также преимуществом КМОП является то, что они изготавливаются по технологии, идентичной производству микросхем, что уменьшает их стоимость. В то же время собственный шум матрицы больше, чем в ПЗС, доля фоточувствительной площади в них меньше, и присутствует разброс между ячейками, вызванный разбросом параметров усилителей. В общем случае при необходимости миниатюризации приемника выбирают КМОП (фотокамера телефона), при необходимости чувствительности и отсутствии требований к размерам и стоимости – ПЗС (для космического телескопа). По этой причине ПЗС матрица обычно обладает большим динамическим диапазоном (в силу большего размера ячеек). Для спектроскопии обычно применяют ПЗС-матрицы, для наблюдения объекта визуально могут применяться и КМОП.

4.1. Шумы приемников и усилителей [5]

Все детекторы создают небольшие сигналы, которые не соответствуют поглощению фотона, эти сигналы называют общим словом «шум». Шум не содержит полезной информации, поэтому важно минимизировать отношение сигнала, вызванного шумом, к общему сигналу. Чем выше соотношение сигнал/шум, тем более чувствительный детектор. Существует много видов шумов, каждый из которых имеет разную природу.

Тепловой шум (Джонсовский) – генерируется только элементами, поглощающими или рассеивающими мощность, т.е. практически только резисторами. Вызывается тепловым (броуновским) движением электронов, характеризуется плоским спектром (т.н. «белый шум»). Рассеиваемая шумовая мощность при этом

Р_ш=4kTB=áI_ш²ñR=áU_ш²ñ/R,

где – постоянная Больцмана, T – температура, В – полоса частот в Гц, а R – сопротивление. Так, резистор сопротивлением 1 кОм при температуре 300 К и полосе частот 100 МГц представляет собой генератор шумового тока величиной 41 нА.

Тепловой шум обычно дает максимальный вклад в усиленный сигнал. Если детектор является источником токового сигнала, тепловой шум определяется наименьшим сопротивлением, шунтирующим детектор (обычно это нагрузочный резистор). Шум может уменьшен увеличением этого сопротивления ценой ухудшения быстродействия системы. Если детектор является источником напряжения, то тепловой шум можно снизить уменьшением сопротивления нагрузки ценой уменьшения напряжения выходного сигнала. Также шум может быть понижен охлаждением, но обычно это применют к приемникам.

Фотонный шум – связан со случайным «пуассоновским» распределением времени регистрации отдельных фотонов. Задает теоретический предел чувствительности оптических приборов. В большинстве случаев реальный предел задается другими видами шумов.

Дробовый шум – вызван дискретностью носителей заряда, протекающего через устройство. Поскольку случайная погрешность при этих двух шумах является корнем из числа зарегистрированных фотонов или электронов, но основной способ уменьшения его вклада – увеличение времени регистрации, т.е. накопление сигнала.

Фликкер-шум (шум 1/f, «розовый шум») – вызывается локальными временными флуктуациями сопротивления, температуры и пр. Низкочастотные изменения параметров могут быть усреднены многократным повторением измерений, при этом нельзя забывать про необходимость рандомизации, поскольку медленный температурный дрейф может быть неотличим от сигнала и выявлен только рандомизацией.

Генерационно-рекомбинационный шум – возникает в полупроводниковых приборах и вызван флуктуациями концентрации носителей, электронов и дырок, в результате статистического характера процессов генерации и рекомбинации. Задает теоретический предел чувствительности полупроводниковых приборов. В них он падает с ростом частоты, поэтому основным способом борьбы является уход на высокие частоты. Поскольку шум является суммой лоренцевских функций, то его спектр может использоваться для оценки времени жизни носителей зарядов в материале.

Шум считывания – присущ устройствам с ПЗС-матрицами, связан с ошибкой считывания заряда из ячейки даже при отсутствии сигнала. Выражается в числе электронов, поскольку ПЗС-устройства фактически оперируют пакетами зарядов, состоящих из электронов. Основной способ уменьшения вклада – увеличение времени накопления и многократное повторение измерения.

При регистрации оптического сигнала шумы возникают на всех этапах регистрации. Так, регистрируемый световой поток дает фотонный пуассонов шум, фотодетектор вносит свой набор шумов (темновой ток, поверхностный ток утечки, статистические флуктуации усилителей с большим коэффициентом усиления вообще и флуктуации усиления лавин ЛФД в частности), свой вклад вносит и усилитель (шумы резисторов и полупроводников). Наибольший вклад в выходной сигнал дают шумы, воздействующие на фотодетектор, т.к. сигнал от него проходит через весь усилительный тракт и подвергается максимальному усилению.

В отсутствие падающего на фотодетектор излучения регистрируется темновой шум, состоящий в основном из тока утечки между контактов и генерацией электронно-дырочных пар.

4.2. Основные параметры приемников света [5]

Чувствительность определяется отношением фототока к падающей оптической мощности . Чувствительность на единицу интервала длин волн на данной длине волны называется спектральной чувствительностью (рис. 8). Чувствительность зависит от ряда условий:

· существует верхняя критическая длина волны, за которой энергия фотона становится ниже энергии запрещенной зоны полупроводника, что приводит к резкому снижению чувствительности,

· при короткой длине волны некоторые фотоны поглощаются за пределами i-области фотодиода,

· происходит снижение чувствительности вследствие промежуточной рекомбинации,

· любые отражения от поверхности или внутри фотодиода уменьшают чувствительность.

Рис. 8 Спектральная чувствительность нескольких типов фотодиодов. Чувствительность ограничена типом материала и меняется с энергией фотона. Изображение с сайта National Institute of Standards and Technology http://www.nist.gov/ [7]

Квантовая эффективность определяет, как хорошо детектор преобразует фотоны в электрический сигнал. Обычно выражается как величина η, равная отношению числа электронов, образованных детектором, к числу упавших фотонов. Также она может соответствовать доле фотонов, которые будут преобразованы в измеряемый сигнал. Это определение учитывает влияние шума и других потерь сигнала внутри системы, и более точно измеряет эффективность детектора. Квантовая эффективность идеального детектора 100%, существует несколько типов детекторов, которые приближаются к этому пределу, позволяя обнаруживать поглощение единичных фотонов.

Динамический диапазон детектора измеряет способность генерировать удовлетворительный сигнал при разной интенсивности падающего излучения. Детектор с очень высоким динамическим диапазоном будет способен одновременно измерять как очень слабые, так и мощные источники излучения, но часто это связано с уменьшением общей чувствительности. И наоборот – сверхчувствительные детекторы часто обладают малым динамическим диапазоном. Так ФЭУ, способные обнаружить отдельные фотоны, часто могут быть повреждены при освещении излучением с мощностью, безопасной для ФЭУ, работающих в токовом режиме.

Быстродействие определяет скорость образования электрического сигнала при поглощении фотонов. Время отклика (англ. response time) это количество времени, необходимого для того, чтобы детектор был способен генерировать следующий сигнал. Чем выше быстродействие, тем более короткие флуктуации сигнала могут быть обнаружены. Идеальный детектор обладает нулевым временем отклика, что невозможно для реальных детекторов. Некоторые детекторы, особенно массивы фотодиодов, больше ориентированные на определение пространственной информации, характеризуются временем в миллисекунды, в то время как ФЭУ и быстродействующие фотодиоды характеризуются наносекундными временами.

Из-за пространственной неоднородности полупроводниковой структуры чувствительность ФД может изменяться в разных точках его поверхности, а это приводит к погрешности измерения, так как в процессе измерения положение и диаметр падающего луча, как правило, не контролируются. Данный фактор особенно сказывается при измерениях на многомодовом волокне, где наблюдается существенное изменение распределения мощности в поперечном сечении волокна.

Эквивалентная мощность шума,или нормированная пороговая чувствительность Ф_п,f (или NEP, The Noise Equivalent Power) определяет чувствительность детектора и определяется как минимальная мощность оптического сигнала на входе, обеспечивающая единичное соотношение сигнал/шум в полосе пропускания 1 Гц (которой по теореме Котельникова соответствует половинное время интегрирования 0,5 с). Величина эквивалентна спектральной плотности шума (выражается в А/Гц^1/2 ил