Técnicas Experimentales en Técnicas Experimentales en Investigación : ÓpticaInvestigación : Óptica

F. GonzálezF. MorenoJ.M. Saiz2007-08

2 – Detección de luz2 – Detección de luz

3 – Ejercicios y 3 – Ejercicios y experimentosexperimentos

1 – Fuentes de luz1 – Fuentes de luz2 – Detección de 2 – Detección de

luzluz

Sistemas de detección de luz: tipos

· DETECTOR: Sistema para transformar irradiancia (IR-Vis-UV) en señal eléctrica.

Cuánticos(o fotónicos)

Térmicos

Termopar y termopila

Bolómetro y termistor

Detector piroeléctrico

Fotodiodo de vacío (célula fotoeléctrica)

Fotomultiplicador

Fotoconductivo (Fotorr. sc)

Fotodetectores de unión pn

Detector fotovoltaico

Fotodiodo pn y pin

Fotodiodo de avalancha

Efecto fotoel. “externo”

Efecto fotoel. “interno”

Otros(imaging

detectors)

Ojo

Emulsión fotográfica

CCD, CMOS

Fotodiodo de vacío - Célula fotoeléctrica

· Un fotocátodo se recubre de material con e- externos poco ligados.- Cátodo y ánodo están en vacío (en una ampolla de vidrio o cuarzo)- La llegada de fotones con [h] suficiente libera esos e-

- Se genera una corriente i en el circuito.- Si Va es suficiente todos los e- son recogidos en el ánodo

(saturación)- En saturación: i I- Se hace pasar esa corriente por una resistencia de carga RL

- La caída de potencial en RL nos da la medida de la irradiancia

+

-

RL

Va

I

Va

iI3

I2

I1

· La dependencia con [h] determina que se trate de un detector selectivo

Fotodiodo de vacío - Célula fotoeléctrica

· El más sencillo: fotocátodo semicilíndrico con ánodo en su eje (varilla).

- Responde a frecuencias de aprox. 108 Hz.

· El diodo biplanar usa V más altas.- Es menos eficiente y más rápido (1010

Hz)

· El diodo se puede llenar de gas que se ioniza al paso de los e-. Se mejora la sensibilidad x10 y se pierde rapidez hasta aprox 103 Hz.

+

-

+

-

+

-

· Se tienen sensibilidades luminosas del orden de 50 A/lm.

· Similar a un fotodiodo, con una amplificación interna de la corriente.

- También trabaja en régimen de saturación

- Las etapas intermedias (aprox. 10 dínodos) liberan varios e- al recibir un

e-.

- Unos 100 volt/dínodo → El conjunto suele superar el KV (fuente alta tensión)

- La ganancia es alta [106 - 1010] [¡CUIDADO!: Precauciones con la luz]

- Optimizado puede llegar a responder a frecuencias 108Hz.

[la respuesta es rápida (~ns), pero la dispersión del pulso nos limita

(~20ns) ]

Fotodiodo de vacío - Fotomultiplicador

· La eficiencia cuántica máxima que alcanzan es muy alta (~ 0,2 - 0,3).

- El umbral de detección está en aprox. 10-15W

- La respuesta alcanza 106 A/W

- Es selectivo con → Respuesta en forma de curva

- La curva de eficiencia depende del material del fotocátodo)

Con un cátodo de Ag o de Cs presenta buena respuesta en el UV + Vis

- La detección en zonas de IR próximo requiere refrigeracion (agua →

Peltier)

Fotodiodo de vacío - Fotomultiplicador

· La fatiga es muy importante en estos detectores

- Hacen falta minutos (a veces horas) para estabilizar la respuesta.

- Para intensidades de luz más altas el tiempo de estabilización es ambién

mayor.

· Volveremos a hablar de ello al hablar del ruido de detección

Fotoconductividad: Fotorresistencia semiconductora

· SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO:

Si Eg es suficiente : A T ambiente la BC está vacía

- Fotón con [h] suficiente → e- a BC

→ h+ a BV

- Se genera corriente. Circuito con RL.

- No se alcanza IR, ni rojo siquiera.

+

-

RL

SC

VRL

[Irrad] ↑ ⇒ RSC↓ ⇒ VRL ↑· SEMICONDUCTOR DOPADO:

Se introducen niveles en el gap

donores (n) o aceptores (p)

- Problema: A T ambiente se producen e- en BC y h+ en BV ; Solución:

Refrigerar

- Cuanto más IR se mide → más pequeño kT → más refrigerar

- Con Sulfuro de Pb o Sulfuro de Cd refrigerado se mide hasta =3m (T

amb)

- También: Ge dopado con Au o Hg ; También SbIn; TePb

- Se llega a medir hasta del orden de la fracción de mm (refrigerando a

77K)

- En general son detectores lentos. Rango de respuesta desde 10Hz hasta

106 Hz

Detector de unión p-n : 1º) Detector fotovoltaico

· Unión: Concentración de e- y h+ a los lados

- Sin aplicar campo externo hay un campo en la zona de recombinación.

- La irradiancia externa sobre la unión produce pares e- h+ en esa zona.

Esas cargas circulan debido al campo → Corriente [EFECTO

FOTOVOLTAICO]

Los campos producidos por la luz en esta configuración son de ~0,5V

- Suelen ser de Si o de Se

- Si es muy eficiente (células solares)

- Se trata de una configuración bastante lenta, aunque el AsGa es más

rápido

Detector de unión p-n : 2º) Fotodiodo pn y pin

· La unión se coloca en un circuito en modo inverso

[ El V es desde unos pocos v hasta 50 v ]

- La zona de recombinación se ensancha

- Es la zona de recombinación en la que se genera corriente al llegar la luz

- Se puede ensanchar aún más introduciendo un sc intrínseco en medio

p-n → p-i-n

- El circuito es como los anteriores: con una RL

- Estos detectores son bastante rápidos

- La sensibilidad está en aprox 10nW.

- La respuesta es de 0,6 A/W (aprox 1mA/lm)

- La respuesta es lineal desde 10-4 hasta 10-9 W

- Tipicamente responden en 1ns.

- Con InGaAs se ha conseguido (2006) hasta 10GHz

p n +-

p n +- i

+

-

RL

n

VRL

p

· Los detectores pin han sido los más

usados en comunicaciones

· Detector fotovoltaico frente a fotodiodo

· Respuesta espectral

· Environmental monitoring

· Industrial and laboratory safety

· Industrial and residential lighting

· Art and museum maintenance

· Photography and film studios

· Clinical studies

- Una combinación de curva de sensibilidad adecuada y

filtros puede conseguir imitar la curva de sensibilidad

espectral del ojo humano

PMA 2130 Photopic Detector

· Curvas de sensibilidad específicas: fotómetro

- Según el fabricante…

Detector de unión p-n : 3º) Fotodiodo de avalancha (APD)

· Son fotodiodos en polarización inversa muy intensa

- Se aplican potenciales típicos del orden de 150 v

- Los e- se aceleran tanto que producen emisión secundaria de e- de la capa

n

- Ese efecto de multiplicación produce altas corrientes → rápidos y

sensibles

- La eficiencia cuántica puede alcanzar el 90%

- Respuesta de hasta 100A/W

- Pero también son muy ruidosos y sensibles a la T.

p n +- i

+

-

RL

n

VRL

pi

· Linealidad de la respuesta:

- Si Rpin↑↑ ⇒ i I

- Pero si Rpin~RL ⇒ i I

- Introducimos una señal luminosa lineal:

I

t

- El control de la modulación informade la respuesta en frecuencias

VRL

t

Mal

VRL

t

Bie

n

Nuevo (2007): MPPCMulti-Pixel Photon-

Counter(Hamamatsu)Es una matriz (40x40) de fotodiodos de avalancha

· Curva completa de comportamiento del diodo (sin proporción)

-Avalancha en pin:

Detectores de imagen : ojo, fotografía, CCD, CMOS

· Ojo

- Hay distintos fotorreceptores:

Máxima eficiencia cuántica: 3% (fotópica)

10% (escotópica)

Pigmento visual: Rodopsina (bajo ruido térmico)

Tiempo de respuesta: 20-100 ms

Mínimo detectable: 100-150 fotones en pupila (SNR=3)

· Emulsión fotográfica

· Cámaras CCD y CMOS

Detectores térmicos : Termopar y termopila detectores

· Termopar : unión de dos metales que crean un V(T) permanente

- El detector es una pequeña pieza ennegrecida conectada a un termopar

- Se coloca otro termopar en serie con el primero pero “opuesto”

- El 2º termopar esta apantallado (no le llega radiación).

Se llama “Unión fría”, mientras que el 1º se denomina “unión caliente”.

- En ausencia de luz ambos se compensan para cualquier temperatura

(así se consigue que las variaciones de T no produzcan V(T) )

- Al recibir radiación el 1º (y el 2º no) se crea un T entre termopares y un V

neto.

- Son detectores lentos (apenas unos Hz), pero de gran rango espectral

· Termopila detectora: Muchas uniones frías y calientes en serie

- Las uniones calientes están conectadas a una única placa detectora

- Es más sensible y también más lenta que el termopar detector

- Tienen un uso importante: Medidas de alta potencia (láseres CO2, pulsos,

etc)

(Usando un detector en forma de cono metálico)

Detectores térmicos : Bolómetro

· Material cuya resistencia depende de la temperatura.

- No genera V, así que debe estar alimentado en un circuito

- Se coloca en un puente, con otras R de referencia.

- Se consigue que la salida sea muy lineal con la irradiancia

- El Termistor: bolómetro que usa como material receptor un semiconductor

Multiplica la sensibilidad x10.

Detectores térmicos : Detector piroeléctrico

· El material receptor es un material piroeléctrico (cristal o plástico

enfriado)

- Estos materiales producen un cambio de polarización eléctrica al

calentarse

- El cambio de polarización crea una corriente de desplazamiento.

- Realmente es sensible a cambios en la irradiancia

- Se utiliza para fuentes intensas pulsadas, moduladas, chopping

Detectores: Caracterización

· Respuesta (Responsivity)Señal que produce el detector por unidad de potencia de luz incidenteA/W (mA/mW …) ; V/W (mV/mW)

· Respuesta espectral: Es la expresión correcta de la respuesta como f()

· Respuesta en frecuenciasfrecuencia de cortetiempo de respuesta: Tiempo para alcanzar 63,2% (1-1/e) de la

respuestacapacidad de modulación

· Potencia equivalente al ruido (NEP=Noise Equivalent Power):Es la señal necesaria para producir la misma corriente que produce el ruido

· Eficiencia cuántica: Cociente fotones detectados / fotones incidentes

· Tiempos de subida y bajada (Para pulsos):Tiempo para alcanzar el 90% y para bajar del máximo hasta el 10%

· Mínimo detectable

· Otras: Área de detecciónHomogeneidad espacial de la respuesta sobre el detectorEfecto de la direccionalidad de la luzEstabilidad temporal (fatiga)…

· Linealidad:Se suele especificar para el rango dinámico. Termina con la saturación.

Muy alta en los PIN: Ej: Una falta de linealidad del 5% sobre 8 órdenes de magnitud

· Rango dinámico: Intervalo de potencias incidentes que se detectan en buenas condicionesCon frecuencia el final del rango dinámico es un régimen de saturaciónSuele indicarse un nivel superior de irradiancia que deteriora el detector (rotura)

Sistemas de detección de luz: características

1.- ANTERIOR A LA DETECCIÓN

· Luces parásitas Apantallamientos, filtros, habitaciones oscuras,

Detectores encapsulados, superficies absorbentes…

· Fluctuaciones de la fuenteEspaciales Mesas antivibratoriasTemporales Estabilización de T y de V

· Perturbaciones del medio sobre la señalPolvo atravesando el haz Tubos, Flujo de aire laminarDilataciones y vibraciones del medio estudiado TermostatizaciónOtros, específicos de cada experimento Pruebas a la instalación

Ruido en la fotodetección

Ruido en la fotodetección (caso: fotomultiplicadores)

2.- RUIDO EN LA CONVERSIÓN A CORRIENTE ELÉCTRICA

· Ruido cuántico: Detección ⇒ Fotón Pulso

Haz continuo I En un intervalo T, valor de n irregular

· Ruido de multiplicación La emisión secundaria fluctúa

Fotones iguales Pulsos diferentes

· Ruido Johnson Fluctuaciones térmicas en el propio circuito del fotomult.

Proceso Poissoniano: nn

en

nnP

!)(

3.- RUIDO DE OSCURIDAD [ Detección en ausencia de luz ]

· Térmico: Emisión térmica por fotocátodo y dinodos Refrigeración

· No Térmico:Emisión por radioisótopos en los materialesRadiación cósmica

Ruido en la fotodetección (caso: fotomultiplicadores)

4.- CAMPOS EXTERNOS· Desvían los e- entre dínodos· La radiofrecuencia ambiente es captada por todos los conductores· Hacen necesario el uso de apantallamientos eléctricos y magnéticos

5.- POST-PULSOS [ Pulsos generados como un “eco” de un pulso

verdadero ]· Un e- puede ionizar un átomo, el ión golpear el cátodo y despedir

nuevos e-

· En el ánodo se pueden generar rayos X que a su vez generan e- en el cátodo

. Modifican la linealidad del detector → Discriminador 6.- DERIVAS EN EL FOTOMULTIPLICADOR

· Variaciones de T cambian la sensibilidad del fotocátodo· Oscilaciones en el V de alimentación de la fuente cambian el ñ

observado· IMPORTANTE: Fatiga del fotomultiplicador (pérdida de eficiencia del

fotocátodo)Hay que esperar hasta que se estabilice (minutos – horas)

Ruido en la fotodetección (caso: fotomultiplicadores)

Ruido en la fotodetección (caso: fotomultiplicadores)

7.- RUIDO ORIGINADO POR EL TRATAMIENTO DE LA SEÑAL

· Se trata de ruido posterior al proceso de detección

· Ej: Fluctuaciones en la ganancia de los amplificadores, ruido de los amplif.

· Ej. Ruido en el proceso de procesado de la señal

· PERO el tratamiento de la señal también puede reducir ruido

(el cuántico y el de multiplicación)

TRATAMIENTO DE SEÑALES

· Señal débil Eliminación de ruido ( ↑SNR ) + Procesado

· Procesado

Amplificador de paso bajo

Amplificador síncrono

Cuenta de fotones

· Señal: f(t) · Su Transformada de Fourier: F(w) = TF[ f(t) ]

· La señal procesada: f(t) g(t) Y a su vez: G(w) = TF[ g(t) ]

· H(w) ≡ Función de transferencia del dispositivo que trata la señal

Entonces: G(w) = F(w) H(w)

dthftgt

)()()(· Señal procesada:

TRATAMIENTO DE SEÑALES : Efecto de RL

· Medida de V en una resistencia de carga :

- Fotom. → Capacidad C → Circuito RC

- Frecuencia de corte: wc = 1/RC

- wc tal que IH(wc)I2= lH(0)l2 / 2 (ancho de banda)

- Esto YA ES parte del procesado

· h(t) y H(w) se pueden expresar:

0;

0;

0

exp)(

tsi

tsitwwth cc

22

222

)/1(

)2/1()(

RCw

CRH

· Al añadir una etapa amplificadora posterior el sistema se

comportará como un amplificador de paso bajo.

Tubo Fotomultiplicador

RL

Ejemplo

TRATAMIENTO DE SEÑALES

· Amplificador de paso bajo:

- Frecuencia de corte: wc

- Amplificador desde w=0 hasta w=wc (controlable)

1º) wc al menos 10 veces la w del primer armónico de la señal

2º) El ruido de w=wc x(1/2); el de w=10wc x10-2

wc tan baja como se pueda satisfaciendo la 1ª condición

TRATAMIENTO DE SEÑALES

· Amplificador síncrono

- Si la eliminación de ruido mejora al estrechar el paso de banda… w ↓ ↓

1º) Modulamos la señal con una frecuencia wo (chopper, AO, Kerr, fuente LED…)

2º) El modulador genera una señal de REF a frecuencia wo que va al LOCK-IN

3º) La señal de salida del detector también va al LOCK-IN

4º) El LOCK-IN amplifica la señal en un entorno w alrededor de wo .

- Ejemplo de montaje experimental:

TRATAMIENTO DE SEÑALES

· Amplificador síncrono

- Medida del detector : f(t) = fs(t) + fr(t)

donde: fs(t) = A(t) sen(wot) Señal A(t) [lenta] modulada a frec

wo

fr(t) = ∫ Ar(w,t) sen(wt)dw Ruido descompuesto en frecuencias- Función de Transferencia H(w) : 1

0wo

wo

Y se obtiene: g1(t)= gs1(t) + gr1(t) donde: gs1(t) = A(t) sen(wot)

gr1(t) =

f(t) → g1(t)

2/

2/)sin(),(

o

o

dttA or

- Posteriormente: Rectificado (utilizando la referencia) + Filtro de paso bajo =

2/

2/),()(2)(

o

o

dtAtAtg r

TRATAMIENTO DE SEÑALES

· Amplificador síncrono

TRATAMIENTO DE SEÑALES

· Tratamiento por cuenta de fotones

- Fotón → Pulso : Contar pulsos es detectar → n (T)

- Duración de los pulsos 10-8 - 10-9 s ⇒ wc debe ser alta ⇒ RL debe ser baja

Ej: Si C= 8pF, con R=50Ω ⇒ wc= 2,5·109

- Tras R se sitúa un amplificador de pulsos y un discriminador.

- Después de amplificar un pulso hay un tiempo muerto (m~10-8s)

Cuanto más intensa sea una señal más pulsos se perderán

↓

Un sistema de cuenta de fotones es sólo para señales débiles

[ <106 pulsos/s para una perturbación <1% ]

- Es importante señalar que el muestreo en un intervalo T introduce una

frecuencia de corte del orden de su inversa: wc = 2,78 / T

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