авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Интерференционно-чувствительные фотоприемники и их применения

На правах рукописи

ИВАНЕНКО Александр Анатольевич

Интерференционно-чувствительные фотоприемники и их

применения

01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Красноярск – 2009

Работа выполнена в Институте физики им. Л.В. Киренского Сибирского Отделения Российской Академии Наук.

Научный руководители доктор физико-математических наук В.Ф. Шабанов кандидат физико-математических наук Н.П. Шестаков

Официальные оппоненты доктор технических наук В.П. Кирьянов кандидат физико-математических наук А.В. Замков

Ведущая организация Сибирский федеральный университет

Защита состоится «_» 2009 года в _ часов в конфе ренц-зале Института физики им. Л.В. Киренского на заседании диссертацион ного Совета Д.003.055.01 Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН по адресу: 660036, Красноярск, Академгородок, 50 стр. 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.

Автореферат разослан «_» _ 2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д.003.055. д.ф.-м.н. Втюрин А.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность работы Интерференционно-чувствительные фотоприемники (ИЧФ), т. е. фото приемники, чувствительные к положению относительно интерференционных полос в поле встречных световых потоков, являются основой интерферомет ров, в которых регистрация осуществляется в месте противоположно направленных световых лучей.

Впервые, наличие стоячих противоположно-направленных световых волн было зафиксировано Отто Винером (Otto Wiener) в 1890 г. с помощью зеркала и фотоэлектрической эмульсии [1]. Он исследовал слоистую структуру фотогра фической эмульсии, возникшую при воздействии интерференционного поля, полученного двумя световыми потоками: падающим и отраженным от зеркала.

В этом эксперименте, в качестве датчика интерференционного поля, образо ванного встречными световыми потоками, был использован слой фотографиче ской эмульсии.

Айвс и Фрэй в 1933 г. [2] повторили эксперимент Винера с использовани ем в качестве датчика интерференционного поля встречных световых потоков полупрозрачного тонкого фотоэлектрического слоя.

Датчиком распределения интерференционного поля встречных световых потоков является среда, пропускающая оптическое излучение (иначе интерфе ренционное поле разрушается), чувствительная к интенсивности световой вол ны и пространственно разрешающая интерференционные полосы.

Интерферометры на встречных световых потоках, имеют более простые оптические схемы, содержат меньше элементов и, соответственно, проще юс тируются. Например, устройство, с которым экспериментировал Винер, состоит всего из двух элементов - фотографической пластинки и металлического зерка ла, расположенных под небольшим углом друг к другу. В экспериментах Айв са и Фрэя интерференционное поле так же создавалось с помощью одного зер кала.

Однако, фотоприемники, чувствительные к пространственному положе нию в интерференционном поле, образованном встречными световыми потока ми, не имеют серийного применения и в настоящее время. Получили распро странение интерферометры, в которых регистрируются однонаправленные све товые потоки (Майкельсона, Жамена, Фабри-Перо, Рождественского, Рэлея, Физо и др.) традиционными фотоприемниками. Препятствием широкого ис пользования простых однозеркальных интерферометров является практическое отсутствие ИЧФ. Промышленный выпуск таких фотоприемников открывает возможность создания широкого спектра новых опто-электронных устройств.

Прецизионные измерения с помощью интерферометров – это основной метод прямых сверхточных измерений геометрических параметров. Мировые лидеры производят интерферометры с разрешением 1 нм. При возросшем интересе современной науки к нано-размерным исследованиям, развитие новых принципов интерферометрии весьма актуально. Многоэлементный интерфе ренционно-чувствительный фотоприемник с ИЧ элементами, разнесенными в направлении световых лучей [2-6], имеет многофазные сигналы, что позволяет значительно увеличить разрешение интерферометров при измерении переме щения.

ИЧФ может быть избирательным по длине волны, без применения каких либо элементов с селективным поглощением или отражением света [7, 8]. Это позволяет рассмотреть новые принципы создания ячейки матричного приемни ка цветного изображения.

ИЧФ позволяет производить электронную запись голографического изо бражения [9]. В перспективе ИЧСФ позволит решить задачу записи цветного голографического изображения без освещения объекта монохроматическим излучением, т. е. в белом свете. Иначе говоря, ИЧФ может стать основным эле ментом цветной голографической видеокамеры.

Используя мульти-пленочный ИЧФ в качестве фотоприемника в Фурье спектрометре [2-4], можно отказаться от механического сканирования, которое осуществляется для получения необходимой разности хода световых лучей в традиционных Фурье-спектрометрах.

Цели и задачи работы Целью настоящей работы является разработка физических основ способа регистрации интерференционных полей встречных световых потоков с помо щью тонких фоточувствительных электрических слоев.



Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследование влияния неоднородностей, толщины фотоэлектрического слоя на интерференционную чувствительность фотоприемника.

2. Разработка вакуумного квадратурного ИЧФ с подавлением синфазного сиг нала и со свойствами избирательности по длине волны.

3. Расчет селективного фотоприемника с характеристиками селективности, эквивалентными избирательности усредненного человеческого зрения (RGB-фотоприемник).

4. Расчет характеристик селективности ИЧФ с двумя выходами полосно пропускающего и режекторного фильтра, не содержащего элементов изби рательного поглощения.

5. Разработка схемы коррелометра и автокоррелометра оптических сигналов на основе ИЧФ.

Научная новизна 1. Исследовано влияние неоднородностей, толщины фотоэлектрического слоя на интерференционную чувствительность фотоприемника.

2. Произведен расчет селективного ИЧФ с двумя выходами, имеющего харак теристики селективности полосно-пропускающего и режекторного фильтра.

3. На основе моделирования расположения фотоэлектрических слоев в интер ференционном поле встречных световых потоков, разработан вакуумный квадратурный ИЧФ с подавлением синфазного сигнала и свойствами изби рательности по длине волны с высоким отношением сигнал/шум.

4. Показано, что ИЧФ с тремя ИЧ элементами может обладать цветовой изби рательностью, приближающейся к цветовой избирательности человеческого глаза.

5. Разработан способ измерения корреляционной функции оптических сигна лов без механического сканирования разности хода оптических путей.

Научная и практическая значимость 1. Разработаны ИЧФ, которые могут быть использованы для оптоэлектроники, интерферометрии, спектроскопии, электронной голографии, телекоммуни каций и других применений.

2. Предложен коррелометр оптических сигналов – основа миниатюрного Фу рье-спектрометр без механического сканирования.

3. Разработан вакуумный квадратурный ИЧФ с подавлением синфазного сиг нала и со свойствами избирательности по длине волны для измерения пере мещений с высоким отношением сигнал/шум (более 100) с граничной часто той 3 МГц.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Результаты расчета влияния неоднородностей, толщины фотоэлектрических слоев на интерференционную чувствительность фотоприемника.

2. Вакуумный квадратурный ИЧФ с подавлением синфазного сигнала и со свойствами избирательности по длине волны.

3. Схема и характеристики селективности интерференционно-чувствительного RGB-фотоприемника.

4. Схема и характеристики селективности ИЧФ с двумя выходами, имеющего характеристики селективности полосно-пропускающего и режекторного фильтра.

5. Схема ИЧФ-коррелометра и ИЧФ-автокоррелометра оптических сигналов без механического сканирования.

Апробация работы Результаты, положенные в основу диссертации, опубликованы в журнале «Оптика и спектроскопия», трудах SPIE, представлены на конференциях в США (Орландо), Новосибирске, Москве, Томске, Ялте, в Сибирском Федераль ном Университете. ИЧ-фотоприемник и интерферометр на встречных световых потоках демонстрировались на Международных выставках достижений РАН в Китае (г. Шеньян, 2006 г.), «Фотоника-2008» (г. Москва) и «Оптика-2008» (г.





Москва).

Личный вклад автора 1. Исследование влияния неоднородностей, толщины фотоэлектрических слоев на интерференционную чувствительность фотоприемника.

2. Разработка вакуумного квадратурного ИЧФ с подавлением синфазного сиг нала и со свойствами избирательности по длине волны.

3. Расчет ИЧФ с характеристиками селективности, эквивалентными избира тельности усредненного человеческого зрения (RGB-фотоприемник).

4. Расчет ИЧФ с двумя выходами полосно-пропускающего и режекторного фильтра, не содержащего элементов избирательного поглощения.

5. Разработка схемы коррелометра и автокоррелометра оптических сигналов без механического сканирования на основе ИЧФ.

Публикации В диссертационную работу включены результаты, опубликованные в статьях в центральной отечественной и зарубежной печати, и 11 патентах РФ.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литера туры. Общий объем диссертации составляет 83 страницы, включая 39 рисунков.

Библиографический список, содержит 84 наименования.

Исследования, представленные в работе, были поддержаны грантами:

INTAS Collaborative Research Project with Airbus – Ref. Nr 04-80-6791;

«Разра ботка вакуумного интерференционно-чувствительного фотоприемника» в соот ветствии с Генеральным соглашением №40 между Министерством науки и технологий РФ и администрацией Красноярского края «О сотрудничестве в сфере науки и технологий» от 26.04.1999 г;

президента РФ в поддержку веду щих научных школ (НШ-6612.2006.3);

интеграционный проект №5 СО РАН «Метаматериалы и структурно-организованные среды для оптоэлектроники и СВЧ техники и нанофотоники» (2009-2011 г.).

Содержание работы Во введении диссертационная работа охарактеризована в целом, обосно вана актуальность выбранной темы, сформулированы цели. Изложена труктура диссертации, приведены основные результаты, отмечена их новизна и практи ческая значимость. Приводятся сведения о публикациях по теме исследований и апробации работы.

В первой главе описаны существующие технологии изготовления фото приемников, перспективные для изготовления интерференционно чувствительных фотоприемников.

Технологии вакуумных фотоэлектронных приборов, с использованием внешнего фотоэффекта, являются наиболее доступными для изготовления ИЧФ [10]. В большинстве вакуумных фотодиодах и фотоумножителях, фотока тод является тонким и прозрачным (за исключением приборов с массивным фотокатодом). Т. е. автоматически выполняются требования к фоточувстви тельным слоям в ИЧФ [11] без снижения быстродействия фотоприемника и значительного усложнения технологии изготовления.

Открытие в 1976 году [12] возможности легирования аморфного кремния (a:Si), полученного в тлеющем разряде, положило использованию его высоких фотопроводящих свойств. Принципиально тонкие фоточувствительные слои, возможность использования прозрачных, в том числе, стеклянных подложек, низкотемпературный процесс - свойства описываемой технологии, которые делают ее весьма привлекательной для изготовления интерференционно чувствительных фотоприемников.

В [13,14] описывается интерферометр встречных световых потоков (ин терферометр стоячей волны) с применением датчика интерференционного поля стоячей волны на основе аморфного кремния гидрогенезированном водородом.

Приведенные в [13] сигналы не являются пока удовлетворительными с точки зрения использования в прецизионных измерителях перемещения, но показы вают перспективность данной технологии.

С использованием a-Si:H технологии сделаны измерения спектра с помо щью однослойного датчика интерференционного поля встречных световых потоков [15], так же рассмотрены вопросы оптимизации квантовой эффектив ности, просветления и оптической толщины фотоэлектрических слоев. С по мощью однозеркального интерферометра и аморфно-кремниевого ИЧФ удалось разрешить спектральные линии двулучевого лазерного излучения 545 и 633 нм [16]. При этом сканирующее перемещение зеркала составило 3.2 мкм. Разреше ние по длине волны описывается выражением =. (1) 2 l По технологии «кремний на изоляторе» предпринята попытка изготовле ния ИЧФ [21]. Тонкий слой кристаллического кремния (60 нм) наносился непо средственно на кварцевую подложку. Электроды p+-n+- диоды располагались «встречно-штыревым» способом, образуя квадратные диоды 11 мм. Кварцевая подложка с обратной стороны смежного диода подтравливалась для обеспече ния разной задержки измеряемого лазерного излучения, и соответственно, фа зового сдвига сигналов диодов на /2 при перемещении подложки в интерфе ренционном поле когерентного излучения. Вместе с усилителем обеспечива лась граничная полоса пропускания – 600 кГц. Технология «кремний на сапфи ре» так же обладает свойствами, которые являются ключевыми для создания ИЧФ. Это, прежде всего, прозрачная подложка и тонкая пленка самих кремние вых элементов.

Высокая обнаружительная способность в важной части ИК диапазона ре зистивных фотоприемников на PbS, не перекрываемая другими фотоприемни ками, возможность изготовления тонкопленочными и полупрозрачными на прозрачной подложке делают их привлекательными для использования в каче стве интерференционно-чувствительных [11].

Во второй главе дано определение, описаны свойства интерференцион но-чувствительного фотоприемника, представлены результаты расчета влия ния неоднородностей, толщины фотоэлектрических слоев на интерференцион ную чувствительность.

Интерференционно-чувствительный фотоприемник (ИЧФ) – это фото приемник, электрический отклик которого зависит от его положения в интер ференционном поле, образованном встречными потоками излучения (рис.1), т.е. он является детектором пространственного распределения интенсивности в интерференционном поле встречных световых потоков. Он состоит из прозрач ной подложки и прозрачного тонкого фотоэлектрического слоя [4, 11].

Рис. 1. ИЧ-фотоприемник в интерференционном поле встречных световых потоков. По оси абсцисс отложена оптическая разность хода, нормирован ная к длине волны Высокая прозрачность ИЧФ необходима для того, чтобы в фотоэлектри ческом слое не значительно уменьшался контраст интерференционного поля, образованного встречными световыми потоками. Частотный диапазон чувстви тельности фотоэлектрического слоя к интенсивности света бегущей волны должен соответствовать частотному диапазону излучения, образующего изме ряемое интерференционное поле. Контраст интерференционного поля коге рентного излучения равен 1.

Отклик фотоприемника пропорционален интегралу от интенсивности в преде лах толщины фотоэлектрического слоя d опт x opt + d opt 2 c Q ( x opt,, d opt ) x + dx cos x opt 1 2 4 2c 2 + x opt + d opt + d opt, где sin d opt cos (2) 2 – длина волны;

c – скорость света;

t – время;

– исходная временная задержка фронта S2 относительно фронта S1;

Зависимость сигнала от пространственной координаты имеет вид суммы синусоидальной функции и постоянной величины. Отклик фотоприемника так же прямо пропорционален чувствительности фотоэлектрического слоя к интен сивности света бегущей волны.

Одним из параметров, характеризующим интерференционную чувстви тельность ИЧФ, т.е. чувствительность к положению относительно полос ин терференционного поля, является максимальное приращение отклика фотопри емника за период интерференционного сигнала когерентного излучения (раз мах интерференционной составляющей отклика фотоприемника) Q = Qmax Qmin, где (3) Qmax, Qmin – максимальное и минимальное значения отклика фотоприемника при изменении координаты xopt или задержки в пределах интерференционного периода. Зависимость нормированного значения Q от d opt описывается выра жением Q (d opt ) 2 Qnorm (d opt ) = = sin d opt, где (4) Qmax - максимальное значение функции Q (d opt ).

Qmax Однако отклик фотоприемника пропорционален не только интерферен ционной составляющей интенсивности световых потоков. Он имеет состав ляющую, пропорциональную средней, за период интерференции, интенсивно сти световых потоков, что снижает динамический диапазон интерференцион ной чувствительности фотоприемника. Параметром, отражающим долю полез ной составляющей отклика ИЧФ, является его коэффициент передачи контра ста. При контрасте интерференционного поля равном 1, этот коэффициент ра вен Q Qmin V = max. (5) Qmax + Qmin Зависимость нормированного значения V от d opt имеет вид 2 sin d opt V (d opt ) Vnorm (d opt ) = =, где (6) 2d opt Vmax Vmax - максимальное значение функции V ( d opt ).

Произведение QV является комплексным параметром, характеризующим эффективность ИЧФ.

Зависимость нормированного значения QV от d opt имеет вид 2 sin 2 d opt QnormVnorm (d opt ) = Qnorm (d opt )Vnorm (d opt ) = (7) 2d opt.

Графики описанных выше параметров от нормированной оптической толщины фотоэлектрического слоя d opt / представлены на рис. 2.

Для Рис. 2. Зависимость нормированных Рис. 3. Зависимости нормированных значений интерференционной со- значений максимального приращения ставляющей сигнала фотоприемника отклика фотоприемника за период Qnorm от нормированного среднего интерференционного сигнала Qnorm, абсолютного отклонения оптической коэффициента передачи контраста толщины фотоприемника распреде- Vnorm и произведения QnormVnorm от ленного по равномерному и нормаль- нормированной оптической толщины ному закону фотоэлектрического слоя обоснования требования по неодно родности оптической толщины элементов фотоприемника, рассмотрим отклик фотоприемника при отклонении оптической толщины фотоприемника d f ( x opt, yopt ), которая меняется по рабочей площади S фотоприемника [4, 11].

Отклик участков фотоэлектрического слоя, в пределах которых фотоприемник имеет отклонение оптической толщины d f ( xopt, yopt ) пропорционален:

Q( d f ( x opt, yopt )) d f ( d f ( xopt, yopt )) 1 2 4 ) + + d opt. (8) d opt cos sin ( xopt 2 2 Зависимость нормированного з начения Q от d f описывается выражением Q ( d f ) Qnorm ( d f ) = (9).

Qmax График зависимости (9) приведен на рис. 2 для равномерного и нормального законов распределения отклонения d f.

В третьей главе описаны конструкция и принцип работы первого ваку умного (рис. 4-7) и первого резистивного (рис. 8-9) интерференционно чувствительных фотоприемников.

Рис. 4. Интерференционно- Рис. 5. Фотография различных чувствительный вакуумный фотоэле- исполнений фотоприемника мент: 1- прозрачный фотокатод, 2 герметичный баллон, 3 - прозрачный анод, 4 и 5 - подводящие электроды, 6 и 7 - входное и выходное окно Рис. 7. Cигналы на выходе фотоэлемента (желтая линия), а так же на входе пьезоэле мента (красная линия), управляющего зер Рис. 6. Вакуумный ИЧФ в калом составе однозеркального интерферометра Рис. 8. Резистивный ИЧФ. 1,3 - элек- Рис. 9. Фотография одного из троды;

2- прозрачный фотоэлектриче- исполнений резистивного ский слой;

4 – прозрачная подложка фотоприемника В четвертой главе на основе моделирования расположения фотоэлек трических слоев в оптическом пространстве описано создание симметричного квадратурного ИЧФ, вакуумного квадратурного ИЧФ с подавлением синфазно го сигнала и со свойствами избирательности по длине волны.

Одноэлементный ИЧФ не может быть сам по себе полноценным датчи ком перемещений. Скачек фазы на, при изменении направления движения в момент максимума синусоидального сигнала не идентифицируется. Эта неод нозначность устраняется при использовании в фотоприемнике двух или более ИЧ элементов.

Отклик фотоэлектрического слоя 1 (рис. 10 ) пропорционален x opt + d опт / Q1 ( x opt, d опт ) x dx cos x opt d опт / 1 2 4 sin x opt + d опт, d опт cos (10) 2 а отклик фотоэлектрического слоя 2 пропорционален x opt + d опт / 2 Q2 ( xopt, d opt ) x + ( k1 k 3 ) + k 2 + dx ) cos 2 2 x opt d опт / 1 2 4 sin xopt + d опт.

d опт cos (11) 2 Таким образом, отклики фотоэлектрических слоев фотоприемника явля ются квадратурными, так как имеют взаимный фазовый сдвиг равный четверти периода. На рис. 11 изображен вариант исполнения симметричного квадратур ного фотоприемника.

Фотоприемник обладает симметрией квадратурных свойств, т. е. при по вороте на 180°, относительно его рабочего положения для любой схемы интер ферометра, фазовый сдвиг его выходных сигналов остается равным /2.

В вакуумном квадратурном ИЧФ с подавлением синфазного сигнала – четыре фотоэлектрических слоя, т.е. фотоприемник имеет четыре выходных сигнала. Рис. 12 поясняет принцип работы 4-х фазного ИЧФ, включенного по 2-х фазной схеме с подавлением аддитивных составляющих помехи [6, 18].

Противофазные сигналы с противоположных фотокатодов вычитаются с помо щью масштабных усилителей. В результате, полезная интерференционная часть сигнала удваивается, а помеха (постоянная подсветка, электрическая наводка) – вычитается. На выходе масштабных усилителей имеется квадратурный сигнал, свободный от постоянной подставки и электрической наводки. Кроме того, такая схема является для интерференционного сигнала гребенчатым фильтром, настроенным на длину волны лазера [7].

Рис. 10. Структурная Рис. 11. Эскизный чертеж схема симметричного симметричного варианта исполнения квадратурного квадратурного ИЧФ ИЧФ Рис 12. Включение 4-х фазного Рис 13. Катодное окно вакуумного 4 х фазного ИЧФ: 1,2,3,4 – электроды ИЧФ по 2-х фазной схеме с по фотокатодов;

5,6,7,8 – фотокатоды;

давлением аддитивных состав – слой MgF2 оптической толщиной ляющих помехи /8;

10 – слой MgF2 оптической тол щиной /4;

11 – слой MgF2 оптиче ской толщиной 3/ Сигналы, на входе и на выходе масштабных усилителей представлены на рис. 14. Принципиальная схема усилителя и схема подключения к нему фото приемника изображена на рис. 15. Частота среза цепи «фотоприемник – уси литель» составляет 3 МГц и ограничена частотными свойствами усилителя с высоким входным сопротивлением.

Рис. 14. Эпюры напряжений: 1 – напряжение на входе пьезоэлемента;

2,3,4,5 - сигналы на входе масштабных усилителей;

6,7 - квадратурные сигналы на выходе масштабных усилителей Рис 15. Принципиальная схема усилителя и схема подключения к нему фотоприемника Глава 5 посвящена построению селективных интерференционно чувствительных фотоприемников (ИЧСФ).

Интерференционно-чувствительный селективный фотоприемник (ИЧСФ), изображенный на рис. 16, состоит из зеркала и N интерференционно чувствительных элементов (ИЧЭ), расположенных на заданном оптическом расстоянии от плоскости зеркала в пределах длины когерентности входного оптического излучения [8]. Выходные сигналы ИЧЭ складываются с весовыми коэффициентами ai. Характеристика фильтра формируется выбором оптиче ских расстояний li от ИЧЭ до зеркала, а так же выбором весовых коэффициен тов ai. Синтез такого фильтра, с заданными амплитудо-частотными и ампли тудно-фазовыми характеристиками, можно производить по методикам синтеза цифровых фильтров, которые очень хорошо проработаны.

Рис. 16. Структурная схема интерференционно-чувствительного селектив ного фотоприемника (ИЧСФ).

На рис. 17 изображена структурная схема синтезированного ИЧСФ с выходами пропускающего и режектороного фильтра [7, 8], а на рис. 18 его рас четные характеристики.

Рис. 17. Селективный фотоприемник оптических сигналов выходами про пускающего и режектороного фильтра. 1,2 – интерференционно чувствительные слои;

3 – коррелометр;

4 – отражатель;

5,6 – сумматор;

7, – умножитель;

Sвых1 – выход пропускающего фильтра;

Sвых2 – выход ре жекторного фильтра;

lopt = k / 4.

Рис. 18. Результаты расчета ИЧСФ ( lopt = 20 / 4, xopt = 2 ). Сплошная ли ния – сигнал на выходе пропускающего фильтра;

штриховая линия – сигнал на выходе режекторного фильтра В главе 6 заложены основы построения ИЧФ - коррелометра оптических сигналов без механического сканирования разности хода [3, 5].

Рис. 13. Схема коррелометра оптических сигналов. S (1) и S ( 2 ) – встречные световые потоки;

1 – коррелометр;

2 – фотоэлементы, чувстви тельные к интерференционному полю (ИЧФ);

3,4 – внешние поверхности фотоприемника - коррелометра оптических сигналов.

l i(1) = (l 21) l1(1) ) ( i 1) + l1(1) ;

l i( 2 ) = (l1( 2 ) l 22 ) ) ( N i ) + l N2 ) ( ( ( На выходах каждого ИЧ элемента (рис. 13) формируются дискретные значения (отсчеты) корреляционной функции:

B( i ) = B((i 1) ) = = E (1) ( t ( i 1) (1) ) E ( 2 ) ( t + ( i 1) ( 2 ) ) = = E (1) ( t ) E ( 2 ) (t + ( i 1) ), где (12) = (1) + ( 2 ) - интервал дискретизации взаимной временной задерж ки световых потоков S (1) и S ( 2 ).

В автокоррелометре на ИЧФ нулевая разность хода световых потоков за дана жестко взаимным расположением зеркала и интерференционно чувствительных фотоэлементов, а при использовании металлического зеркала, его пространственное расположение совпадает с нулевой разностью хода. В рассматриваемом автокоррелометре отсутствуют фазовые искажения, связан ные с неточным механическим сканированием. А что касается времени скани рования, то оно в ИЧФ-автокоррелометре равно нулю из-за отсутствия самого механического сканирования – все отсчеты АКФ могут считываться одновре менно. Длительность съема отдельной интерферограммы определяется лишь постоянной времени используемого ИЧФ. Т. е. спектры могут сниматься в ре альном времени и с высокой виброустойчивостью.

Основные результаты и выводы работы Настоящая диссертация посвящена разработке физических основ способа регистрации интерференционных полей встречных световых потоков с помо щью тонких фоточувствительных электрических слоев. В работе исследовано влияние неоднородностей, толщины фотоэлектрических слоев на интерферен ционную чувствительность.

На основе моделирования расположения фотоэлектрических слоев в ин терференционном поле встречных световых потоков, создан селективный ИЧФ с двумя выходами, имеющий характеристики селективности полосно пропускающего и режекторного фильтра.

Показано, что ИЧФ с тремя ИЧ элементами может обладать цветовой из бирательностью, приближающейся к цветовой избирательности человеческого глаза.

Разработан способ измерения корреляционной функции оптических сиг налов без механического сканирования разности оптических путей.

Создан вакуумный квадратурный ИЧФ с подавлением синфазного сигна ла и свойствами избирательности по длине волны с высоким отношением сиг нал/шум и граничной частотой 3 МГц.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Shestakov N.P., Ivanenko A.A., Sysoev A.M. Photodetector interference field // Proceedings of SPIE, V. 4900, Part Two. – 2002. – P. 1276-1289.

2. Ivanenko A.A., Shestakov N.P., Sysoev A.M., Shabanov V.F. New photodetec tor - meter of the correlation function of optical signals // Proceeding SCI, V.10.

– 2003. – P. 124-129.

3. Пат. 2222039 Российская федерация, МКП G03H1/04, Устройство для записи голограммы объекта во встречных пучках / Иваненко А.А., Шестаков Н.П., Сысоев А.М., Шабанов В.Ф. – № 2002104016/28;

2002.02.13;

утв. 2004.01.20, Бюл. №2.

4. Пат. 2217710 Российская федерация, МКП G01J3/457, Способ измерения корреляционной функции световых потоков и устройство для его осущест вления / Иваненко А.А., Шестаков Н.П., Сысоев А.М., Шабанов В.Ф. – № 2002112978/28;

2002.05.13;

утв. 2003.11.27, Бюл. №33.

5. Пат. 2227341 Российская федерация, МКП H01J40/02, Фотоэлектронный прибор / Иваненко А.А., Шестаков Н.П., Сысоев А.М. – № 2002103994/09;

2002.02.13;

утв. 2004.04.20, Бюл. №11.

6. Пат. 2224331 Российская федерация, МКП H01L31/00, Фотоприемник (варианты) / Шестаков Н.П., Иваненко А.А., Сысоев А.М. – № 2001131679/28;

2001.11.23;

утв. 2004.02.20, Бюл. №5.

7. Пат. 2239918 Российская федерация, МКП H01L31/00, Фотоприемник / Шестаков Н.П., Иваненко А.А., Сысоев А.М. – № 2002103558/28;

2002.02.08;

утв. 2004.11.10, Бюл. №31.

8. Пат. 2239917 Российская федерация, МКП 7H01L 31/00, Фотоприемник / Шестаков Н.П., Иваненко А.А., Сысоев А.М. – № 2002101414/28;

11.01.2002;

утв. 10.11.2004, Бюл. №31.

9. Пат. 2243615 Российская федерация, МКП H01L 31/00, Фотоприемник / Иваненко А.А., Шестаков Н.П., Сысоев А.М. – № 2002105463/28;

2002.02.28;

утв. 2004.12.27, Бюл. №36.

10. Пат. 2241280 Российская федерация, МКП H01L31/00, Фотоприемник / Шестаков Н.П., Иваненко А.А., Сысоев А.М. – № 2002102016/28;

2002.01.21;

утв. 2004.11.27, Бюл. №33.

11. Ivanenko A.A., Shestakov N.P., Sysoev A.M., Shabanov V.F. Method for meas uring light flux correlation function and device for carrying out said method // WO 2005/008201. – 2005. – 17 p.

12. Пат. 2255306 Российская федерация, МКП G01B9/02, Интерферометр / Иваненко А.А., Сысоев А.М, Шестаков Н.П. – № 2002107179/28;

2002.03.20;

утв. 2005.06.27, Бюл. №18.

13. Иваненко А.А., Шестаков Н.П., Сысоев А.М., Шабанов В.Ф. Квадратурный двухфазный интерфернционно-чувствительный фотоприемник для интер ферометров встречных световых потоков // Труды Всероссийской научно технической конференции. – Красноярск. – 2006. C. 339-343.

14. Пат. 2335034 Российская федерация, МКП H01L31/00, Квадратурное фотоприемное устройство / Иваненко А.А., Шестаков Н.П., Сысоев А.М., Шабанов В.Ф. – № 2007115748/28;

2007.04.25;

утв. 2008.09.27, Бюл. №27.

15. Ivanenko A.A., Shabanov V.F., Sysoev A.M., Shestakov N.P. Interference Sen sitive Selective Photodetector // Proceedings of SPIE. – 2008. – Volume 7009, 70091K. 8 pages.

Литература 1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. – М: Наука. – 1973. – 720 с.

2. Ives H., Fry T. Standing light waves;

Repetition of an experiment by Wiener, using a photoelectric probe surface // J. of Optical Society of America, V. 23. – 1933. P. 73–83.

3. Пат. 2217710 Российская федерация, МКП G01J3/457, Способ измерения корреляционной функции световых потоков и устройство для его осущест вления / Иваненко А.А., Шестаков Н.П., Сысоев А.М., Шабанов В.Ф. – № 2002112978/28;

2002.05.13;

утв. 2003.11.27, Бюл. №33.

4. Ivanenko A.A., Shestakov N.P., Sysoev A.M., Shabanov V.F. New photodetec tor - meter of the correlation function of optical signals // Proceeding SCI, V.10.

– 2003. – P. 124-129.

5. Иваненко А.А., Шестаков Н.П., Сысоев А.М., Шабанов В.Ф. Интерферен ционно-чувствительный фотоприемник-коррелометр оптических сигналов // Оптика и спектроскопия. – 2008. – Том 104, № 4. – С. 687–689.

6. Пат. 2335034 Российская федерация, МКП H01L31/00, Квадратурное фото приемное устройство / Иваненко А.А., Шестаков Н.П., Сысоев А.М., Ша банов В.Ф. – № 2007115748/28;

2007.04.25;

утв. 2008.09.27, Бюл. №27.

7. Пат. 2243615 Российская федерация, МКП H01L 31/00, Фотоприемник / Иваненко А.А., Шестаков Н.П., Сысоев А.М. – № 2002105463/28;

2002.02.28;

утв. 2004.12.27, Бюл. №36.

8. Ivanenko A. A., Shabanov V.F., Sysoev A. M., Shestakov N. P. Selective inter ference sensitive photodetector. // Proceeding on CAOL/LFNM/POEO. – Yalta, Crimea, Ukraine, 12-17 Septeember, – 2005. – P. 275-278.

9. Пат. 2222039 Российская федерация, МКП G03H1/04, Устройство для за писи голограммы объекта во встречных пучках / Иваненко А.А., Шестаков Н.П., Сысоев А.М., Шабанов В.Ф. – № 2002104016/28;

2002.02.13;

утв.

2004.01.20, Бюл. №2.

10. Пат. 2227341 Российская федерация, МКП H01J40/02, Фотоэлектронный прибор / Иваненко А.А., Шестаков Н.П., Сысоев А.М. – № 2002103994/09;

2002.02.13;

утв. 2004.04.20, Бюл. №11.

11. Shestakov N.P., Ivanenko A.A., Sysoev A.M. Photodetector interference field // Proceedings of SPIE, V. 4900, Part Two. – 2002. – P. 1276-1289.

12. Spear W.E., Lecomber P.G. Electronic Properties of Substituted Doped Amor phous Si and Ge // Phys. Mag., V. 33. – 1976. – P. 935-949.

13. Sasaki M., Mi X., Hane K. Standing wave detection and interferometer applica tion using a photodiode thinner than optical wavelength // Applied Physics Let ters. – 1999. – P. 2008-2010.

14. Mi X., Sasaki M., Hane K. Ultra-thin film photodiodes for use in position sen sors // J. Modern Optics, V. 48(1). – 2001. – P. 55-66.

15. D. Knipp, H. Stiebig, S.R. Bhalotra, H. Kung, D.A.B. Miller, Thin Film Tech nology based Micro-Fourier spectrometer // SPIE Photonics West, Conference on MOEMS and Miniaturized Systems III, SPIE 4983-15. – 2003. 12 p.

16. Stiebig H., Knipp D., Bhalotra S.R., Kung H.L., Miller D.A.B. Interferometric Sensors for Spectral Imaging // Sensors and Actuators A: Physical, 120/1. – 2005. – P. 110-114.

17. Li Y., Mi X., Sasaki M., Hane K. Precision optical displacement sensor based on ultra-thin film photodiode type optical interferometers // Measurement Science and Technology. – 2003. – P. 479–483.

18. Иваненко А.А., Шестаков Н.П., Сысоев А.М., Шабанов В.Ф. Квадратурный двухфазный интерфернционно-чувствительный фотоприемник для интер ферометров встречных световых потоков // Труды Всероссийской научно технической конференции. – Красноярск. – 2006. C. 339-343.

_ Подписано в печать 22.05.2009 г.

Формат 6084/16. Гарнитура Таймс. Уч. изд. л. 1. Усл. печ. л. 1.0. Тираж 70. Заказ № _ Отпечатано в типографии Института физики СО РАН 660036, Красноярск, Академгородок _

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.