MÁY THU ÁNH SÁNG

/ mN Nd sin si n

s nd zc  m

4.5 MÁY THU ÁNH SÁNG

Cho nhiều ứng dụng trong quang phổ, máy thu nhạy ánh sáng và phép đo chính xác cường độ của nó có tầm quan trọng chủ yếu cho hiệu suất thành công của một thực nghiệm. việc thu chính xác với độ chính xác và độ nhạy tối ưu cho máy thu bức xạ phải đưa vào các tính chất tính chất đặc trưng sau, mà có thể khác nhau cho các loại máy thu khác nhau:

• Đáp ứng phổ tương đối R(λ) của máy thu, mà xác định vùng bước sóng mà máy thu sử dụng. Sự hiểu biết về R(λ) là cần thiết cho sự so sánh của cường độ tương đối I(λ1) và I(λ2) tại các bước sóng khác nhau.

• Cường độ tuyệt đối S(λ) = VS/P, mà được định nghĩa như tỉ số của tín hiệu ra VS với công suất bức xạ tới P. Nếu đầu ra là một điện áp, như một thiết bị vôn quang kế hoặc bộ nhiệt điện, độ nhạy được hiện thị trong đơn vị là V/W. Trong trường hợp thiết bị dòng quang điện, như một bộ nhân quang điện, S(λ) được cho đơn vị là A/W. Với diện tích máy thu A

độ nhạy S có thể được biểu diễn trong số hạng của độ rọi bức xạ I:

S(λ) = VS/(AI ). (4.113)

• Tỉ lệ tín hiệu-nhiễu đạt được VS/Vn, trong nguyên tắc mà được giới hạn bởi sự nhiễu của bức xạ tới. Nó có thể giảm hơn nữa bởi sự nhiễu bên trong máy thu. Độ nhiễu của máy thu thường được biểu diễn bởi công suất nhiễu ra tương đương (NEP), mà có nghĩa là một công suất bức xạ tới tạo ra cùng tín hiệu ra như tự nó nhiễu máy thu, điều này mang lại tỉ lệ tín hiệu nhiễu S/N = 1. Trong vùng hồng ngoại ưu điểm của máy thu hồng ngoại là khả năng dò * S n A f V A f D P V NRP     (4.114)

Khả năng dò D*[cms-1/2W-1] cho tỉ lệ tín hiệu-nhiễu VS/Vn của một máy thu với diện tích nhạy A =1cm2 và độ rộng tần của máy thu Δ f = 1Hz, ở một công suât bức xạ tới P = 1W. Bởi vì công suất nhiễu ra tương đương là NEP = PVn/VS, khả năng dò của máy thu với diện tích 1cm2 và độ rộng tần 1Hz là D* = 1/NEP.

• Vùng cường độ cực đại trong đáp ứng máy thu là tuyến tính. Nó có nghĩa là tín hiệu ra

VS tỉ lệ thuận với công suất bức xạ tới P. Điểm này có tầm quan trọng đặc biệt cho các ứng dụng trong một vùng cường độ rộng được phủ. Ví dụ là phép đo công suất ra của xung laser, quang phổ kế Raman, khảo sát quang phổ của mở rộng vạch, khi cường độ trong line wing có thể là nhiều bậc độ lớn nhỏ hơn ở trung tâm.

• Độ đáp ứng thời gian hoặc đáp ứng tần số của máy thu, được đặc trưng bởi hằng số thời gian của nó τ. Nhiều máy thu biểu diễn một độ đáp ứng tần số mà có thể được mô tả bởi mô-đen của một tụ điện, mà được thay đổi qua điện trở R1 và thải qua R1 (hình 4.78). Khi xung ánh sáng rất ngắn rơi vào máy thu, xung ra của nó được vết ra. Nếu đầu ra là dòng i(t) mà tỉ lệ với công suất bức xạ tới P(t) (ví dụ cho trong bộ nhân quang điện), tụ ra C được thay đổi bởi dòng này và biểu diễn một điện áp tăng lên và giảm xuống, được xác định bởi

  2 2 1 dV V i t dt C R         (4.115)

Nếu dòng xung i(t) cuối cùng cho thời gian T, điện áp V(t) ở sự tăng của tụ t = T và cho

R2C >> T đạt được điện áp đỉnh   ax 0 1 T m V i t dt C  

mà được xác định bởi C và không phải bởi R2! Sau thời gian T, điện áp làm suy giảm theo hàm mũ với hằng số thời gian τ =CR2. Do đó, giá trị của giới hạn R2 giới hạn tần số lặp f

của xung để f < ( CR2)-2.

Hằng số thời gian τ của máy thu gây ra tín hiệu ra nhảy thấp hơn xung ra tới. Nó có được xác định bởi bộ biến điệu bức xạ ra liên tục ở tần số f. Tín hiệu ra của thiết bị như vậy được đặc trưng bởi (xem bài tập 4.12)

     2 0 1 2 S S V V f f     (4.116) với  CR R1 2 /R1R2. Tại tần số điều biến f = 1/(2πτ), tín hiệu ra giảm lượng 1 / 2 của giá trị dc của nó. Hiểu biết về hằng số thời gian máy thu τ là cần thiết cho các ứng dụng mà các hiện tượng điện áp nhanh được thu, như thời gian sống nguyên tử hoặc phụ thuộc thời gian của xung laser nhanh (tập 2, chương 6).

• Giá của máy thu so với thiết bị khác là không thể bỏ qua, vì khốn nỗi nó thường khống chế lựa chọn tối ưu.

Trong phần này ta sẽ mô tả ngắn gọn một số máy thu thường được sử dụng trong phổ laser. Các loại khác nhau có thể được chia thành hai loại máy thu nhiệt và máy thu quang trực tiếp. Trong máy thu nhiệt, năng lượng hấp thụ từ bức xạ tới làm tăng nhiệt độ và gây ra thay đổi tính chất phụ thuộc nhiệt độ của máy thu, mà có thể được thu. Máy thu quang trực tiếp dựa trên hoặc là phát xạ điện quang từ photocatot, hoặc vào sự thay đổi của độ dẫn của bán dẫn do bức xạ tới, hoặc vào các thiết bị quang điện mà một điện áp được tạo bởi hiệu ứng quang điện trong. Trong khi đó máy thu nhiệt có một độ nhạy phụ thuộc bước sóng, máy thu quang biểu diễn một đáp ứng phổ mà phụ thuộc và công thoát cả bề mặt phát xạ hoặc vào khe vùng trong bán dẫn.

Trong suốt những năm vừa qua sự phát triển của sự tăng cường ảnh, bộ biến đổi ảnh, camera CCD, và máy thu vidicon đã tạo sự tiến bộ. Ở dấu ấn đầu tiên bởi nhu cầu của quân sự, những thiết bị này được đưa vào sử dụng cho máy thu ánh sáng ở mức độ thấp, ví dụ như phổ Raman, hoặc cho sự thu huỳnh quang mờ của phân tử pha tạp. Bởi vì tầm quan trọng gia tăng của chúng ta cho một điều tra ngắn các nguyên tắc của những thiết bị này và ứng dungjc ủa chúng trong phổ laser. Trong phổ cộng hưởng phụ thuộc thời gian, bây giờ quan sát ns có thể được thực hiên với ống quang điện nhanh trong một sụ kết nối với biến dạng điện, mà phân giải thời gian ít hơn 100ps. Vì các thực nghiệm phân giải thời gian trong phổ laser với camera vân và kĩ thuật liên quan được mô tả trong tập 2, chương 6, ta confine ourselve ở đây chỉ mô tả một số thiết bị hiện đại từ một số quan điểm của thiết bị phổ. Một xử lý mở rộng hơn về đặc trung và sự thực hiện của các máy thu biến đổi có thể

Hình 4.78a-c. Máy thu: (a) sơ đồ thiết lập; (b) dòng điện tương đương; (c) đáp ứng tần

số

máy thu bộ ghi

tìm trong chuyên đề đặc biệt của máy thu [4.89–4.98]. Cho xem xét về kĩ thuật thu quang xác đáng trong kĩ thuật laser, cũng được thấy [4.99–4.101].

4.5.1 Máy thu nhiệt

Vì độ nhạy phụ thuộc bước sóng của chúng, máy thu nhiệt thường được sử dụng cho mục đích điều chỉnh, ví dụ cho một phép đo công suất bức xạ của laser liên tục, hoặc năng lượng ra của của laser xung. Trong dạng cắt nhau của nhiệt lượng kế hiệu chỉnh, chúng là thiết bị đối lưu cho một số phòng thí nghiệm laser. Với thiết kế phức tạp tinh xảo hơn, chúng đã được phát triển như máy thu nhạy đối với toàn vùng phổ, đặc biệt cho vùng hồng ngoại, nơi mà máy thu nhạy khác là dư ít hơn trong vung nhìn thấy.

Đối với dự đoán đơn giản của độ nhạy và phụ thuộc của nó và tham số máy thu, như nhiệt dung và mất mát nhiệt, ta sẽ khảo sát mô-đen sau [4.102]. Giả sử rằng hệ số β của công suất bức xạ tới P được hấp thu bởi một máy thu nhiệt với nhiệt dung H, mà kết nối

với bộ tản nhiệt với nhiệt độ không đổi TS (hình 4.79a). Khi G là độ dẫn nhiệt giữa máy thu và bộ tản nhiệt, nhiệt độ T của máy thu có thể thu được từ

 S

dT

P H G T T

dt

    (4.117)

Nếu công suất bức xạ phụ thuộc thời gian P0 được chuyển vào tại t = 0, nghiệm phụ thuộc thời gian của (4.117) là

   /  0 1 G H t S P T T e G      (4.118)

Nhiệt độ T từ giá trị ban đầu TS tại t = 0 và T = TS +ΔT cho t = ∞. Độ tăng nhiệt độ 0 P T G    (4.119)

là tỉ lệ nghịch với hệ số mất mát nhiệt G và không phụ thuộc vào nhiệt dụng H, trong khi hằng số thời gian của sự tăng τ = H/G phụ thuộc vào tỉ số giữa hai đại lượng. Giá trị nhỏ của G tạo một độ nhạy nhiệt độ, nhưng thấp! Nó là cần để nhận ra giá trị nhỏ của các đại lượng (H và G).

Nhìn chung, P phụ thuộc thời gian. Khi ta giả sử hàm tuần hoàn

 

0 1 cos

PP a t , a 1 (4.120)

thay (4.120) vào (4.117), ta được một nhiệt độ máy thu   S 1 cos 

T  T  T a  t  (4.121)

mà phụ thuộc vào tần số điều biến Ω, và được biểu diễn một độ trễ pha  xác định bởi

tan = ΩH/G = Ωτ , (4.122a)

Hình 4.79a-c. Mô-đen của máy thu nhiệt: (a) sơ đồ; (b) dòng điện tương đương; (c) đáp

ứng tần số ΔT(Ω)

bộ tản

nhiệt

Ở tần số Ωg = G/H = 1/τ, biên độ ΔT giảm một lượng 2 so với giá trị DC của nó.

Lưu ý: Vấn đề là tương đương với trường hợp tương tự của sự thay đổi một tụ (C ↔ H) qua một điện trở R1 mà thông qua R2 (R2 ↔1/G) (dòng điện tích i tương ưng với công suất bức xạ P). Tỉ lệ τ =H/G (H/G ↔ R2C) xác định hằng số thời gian của thiết bị (hình 4.79b)

Ta biết từ (4.122b) độ nhạy S = ΔT/P0 trở nên lớn nếu G và H là nhỏ như nhau. Từ tần số điều biến Ω > G/H, biên độ ΔT sẽ giảm gần đúng nghịch đảo với Ω. Vì hằng số thời gian τ =H/G giới hạn đáp ứng tần số của máy thu, một máy thu nhanh và nhạy phải có một

nhiệt dung nhỏ nhất H.

Đối với sự điều chỉnh công suất ra từ laser liên tục, đòi hỏi một độ nhạy cao là không xác đáng, nói chung công suất bức xạ đủ lớn là đạt được. Hình 4.80 mô tả một nhiệt lượng kế đơn giản và sơ đồ mạch của nó. Bức xạ rơi qua lỗ vào hình nón kim loại với mặt trong màu đen. Vì phản xạ nhiều lần, ánh sáng chỉ có một ngẫu nhiên nhỏ ra khỏi hình nón, chắc chắn rằng tất cả ánh sáng được hấp thụ. Công suất hấp thụ đốt nóng cặp nhiệt hoặc nhiệt điện trở được đặt vào hình nón. Cho mục đích của nhiệt lượng kế, hình nón có thể đốt nóng bởi một dây điện.. Nếu máy thu đại diện cho một phần của một mạch cầu (hình 4.80c) mà cân bằng với công suất tới P.

Một hệ với độ chính xác cao sử dụng tín hiệu ra khác nhau của hai hình nón giống nhau, nơi mà chỉ một hình nón được chiếu (hình 4.80b)

Đối với phép đo năng lượng ra từ xung laser, nhiệt lượng kế phải được lấy tích phân công suất hấp thụ ở ít nhất trên khoảng thời gian xung. Từ (4.117) ta được

  0 0 0 0 t t S Pdt H T G T T dt        (4.123)

Khi máy thu là đẳng hướng nhiệt, độ dẫn nhiệt G là nhỏ, do đó số hạng thứ hai có thể bỏ qua cho khoảng xung đủ ngắn. Độ tăng nhiệt độ

0 0 1 t T Pdt H     (4.124)

là tỉ lệ thuận với năng lượng ra. Thay đầu ra điện liên tục cho bộ điều chỉnh (hình 4.80a), bây giờ một điện dung C được phóng qua ống xoắn đốt nóng. Nếu thời gian phóng là phù hợp với thời gian xung. Nếu độ tăng nhiệt độ gây ra bởi sụ phóng điện của tụ là bằng nhau mà gây bởi xung laser, năng lượng xung là CU2/2.

Cho phép thu nhạy hơn của công suất tới yếu, xạ nhiệt kế và tế bào Golay được xử dụng. Một thiết kế đặc biệt cho xạ nhiệt kế bao gồm N cặp nhiệt trong dãy, nơi mà một lớp Hình 4.80a-c. Nhiệt lượng kế cho phép đo công suất ra của laser kiên tục hoặc năng lượng ra của xung laser: (a) mô tả thực nghiệm; (b)nhiệt lượng kế với điện trở nhiệt chiếu xạ hoạt động và điện trở nhiệt mẫu không chiếu xạ; (c) mạch cầu cân bằng

lớp cách nhiệt cặp nhiệt điện trở nhiệt mẫu khí cửa sổ điện trở nhiệt hoạt động mẫu hoạt động tín hiệu điện trở nhiệt

chiếu xạ nhiệt

vôn kế

nhiệt điều chỉnh điện

tiếp giáp phía sau lá kim loại cách điện mà để lộ sáng cho bức xạ tới (hình 4.81a). Đầu nối khác là trong sự tiếp xúc với bộ tản nhiệt. Điện áp ra là

dU

U N T

dT

 

với dU/dT là độ nhạy của một cặp nhiệt đơn.

Một phiên bản khác là dùng một điện trở nhiệt bao gồm một vật liệu với nhiệt độ lớn hơn, hệ số α = (dR/dT)/R của điện trở R, nếu dòng điện khong đổi i đi qua R (hình 4.81b), công suất tới P mà gây ra sự tăng nhiệt độ ΔT tạo tín hiệu điện áp ra

0 1 V R U i R iR T T R R           (4.125) với ΔT được xác định từ (4.121)  2 2 2 1/2 T P G H 

    . Độ đáp ứng ΔU/P của máy thu là tỉ lệ với i, R và α, và giảm với sự tăng của H và G. Tại điện áp cung cấp không đổi V0, thay đổi dòng điện Δi gây ra bởi sự chiếu xạ, cho ΔR << R + R1,

  0 0 2 1 1 1 1 1 R i V V R R R R R R R                (4.126) và có thể được bỏ qua.

Vì trở kháng ra của bộ khuếch đại phải lớn hơn R, điều này được đặt dưới giới hạn trên R. Vì một số fluctuation của i gây ra một tín hiệu nhiễu, dòng điện i qua xạ nhiệt kế là không đổi. Điều này và dữ liệu mà độ tăng nhiệt độ do nung nóng của Joule phải bé, giới hạn dòng cực đại qua xạ nhiệt kế.

Phương trình (4.125) và (4.121) chứng minh được rằng các giá trị nhỏ của G và H là mong muốn. Thậm chí với sự cách nhiệt hoàn hảo, bức xạ nhiệt là vẫn còn và giới hạn giá trị thấp hơn của G. Ở hiệu nhiệt độ ΔT giữa xạ nhiệt kế và môi trường xung quanh, định luật Stefan–Boltzmann cho dòng bức xạ ΔP tới môi trường từ máy thu với diện tích phát xạ

A* và độ phát xạ  1 3 4

P AT T

   (4.127)

với σ = 5,77.10-8 W/m2K-4 là hằng số Stefan–Boltzmann. Độ dẫn nhiệt cực tiểu là 3

4

m

G  AT (4.128)

thậm chí cho trường hợp lí tưởng khi không có truyền nhiệt cho môi trường xung quanh. Độ nhạy máy thu giới hạn này để công suất ra cực tiểu 10-10 W cho hoạt động của máy thu ở nhiệt độ phòng với độ rộng tần 1Hz. Nó là lợi thế để làm mát xạ nhiệt kế, mà hơn nữa làm giảm nhiệt dung.

Sự làm mát này có lợi thế thêm mà độ dốc của hàm dR/dT trở nên lớn hơn tại nhiệt độ thấp T. |Hai vật liệu khác nhau có thể được tận dụng, như được mô tả bên dưới.

Hình 4.81a-c. Sơ đồ mạch của xạ nhiệt kế: (a) pin nhiệt điện; (b) điện trở nhiệt và (c)

mạch cầu với độ khuếch đại khác nhau bức xạ

bộ tản

nhiệt điện trở

Trong bán dẫn độ dẫn điện tỉ lệ thuận với mật độ điện tử ne trong vùng dẫn. Với khe vùng ΔEG mật độ này là, theo mối quan hệ Boltzmann

     2 2 G E T e kT e n T e n T T       (4.129)

và rất nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ.

Đại lượng dR/dT trở nên lớn hơn nhiều tại nhiệt độ tới hạn Tc của vật liệu siêu dẫn. Nếu xạ nhiệt kế luôn được giữ tại nhiệt độ tới hạn này bởi một điều khiển nhiệt độ, công suất bức xạ tới P có thể được đo rất nhạy bởi độ lớn của tín hiệu điều khiển phản hồi sử dụng sự bù cho công suất bức xạ hấp thụ [4.103–4.105].