WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 9 06;07;12 Быстродействующий пленочный фотоприемник мощного лазерного излучения на эффекте оптического выпрямления © Г.М. Михеев,1, Р.Г. Зонов,1 А.Н. Образцов,2 А.П. Волков,2 Ю.П. Свирко3 1 Институт прикладной механики УрО РАН, 426067 Ижевск, Россия 2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия 3 Физический факультет университета Йоенсуу, FIN 80101 Йоенсуу, Финляндия e-mail: gmmikheev@udmnet.ru (Поступило в Редакцию 11 июля 2005 г. В окончательной редакции 12 января 2006 г.) Представлены результаты экспериментальных исследований эффективности преобразования мощного импульсного лазерного излучения в электрический сигнал за счет эффекта оптического выпрямления в нанографитных пленках. Обнаружено, что амплитуда сигнала существенно зависит от размеров пленки, а также длины и взаимного расположения электродов, используемых для его измерения. Показано, что максимальная чувствительность фотоприемника (ФП), состоящего из пленки с электродами и работающего без внешнего источника питания и дополнительных навесных элементов, достигается при размерах пленки, сравнимых с диаметром пучка лазера и составляет более 500 mV/MW на длине волны 1064 nm. Исследована чувствительность такого фотоприемника при перемещении пучка наносекундного импульсного лазера по поверхности пленки в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Обнаружено возрастание локальной чувствительности вблизи свободных краев ФП. Показано, что ФП из нанографитной пленки и аналогичный ФП из полированной кремниевой пластины имеют принципиально различные характеристики.

PACS: 85.60.Gz Введение сопутствующие ЭОВ „паразитные“ эффекты (пьезоэлектрический, пироэлектрический и др.) могут отрицательным образом сказаться на процессе определения формы В лазерной технике часто приходится сталкиваться лазерных импульсов на основе нелинейно-оптических с необходимостью контролировать форму мощных лакристаллов. В недавних работах [8–10] нами сообщазерных импульсов наносекундной и субнаносекундной лось о наблюдении гигантского ЭОВ на квадрупольном длительностей. Обычно для этих целей используются вкладе квадратичной по полю статической поляризации хорошо известные вакуумные фотоэлементы [1], а также нелинейной среды в нанографитной пленке, где перечисполупроводниковые p-i-n и лавинные фотодиоды [2], ленные „паразитные“ эффекты отсутствуют. Изучался основанные на внешнем и внутреннем фотоэффектах коэффициент преобразования ЭОВ от угла падения, посоответственно. Наряду с этим в быстродействующих ляризации излучения, мощности и ее плотности [8–10], приемниках излучения, предназначенных для измерения длины волны лазерного излучения [11], а также от мощности и формы импульсов излучения лазеров также толщины нанографических пленок [12]. Было показано, используется эффект фотонного увлечения (светового что нанографитные пленки могут использоваться для давления), имеющий инерционность около 10-10 s [3–5].

создания простых фотоприемников мощного лазерного В приборах этого типа электрический сигнал возникает излучения в широком спектральном диапазоне от в результате появления незначительной по величине до 5000 nm с быстродействием лучше, чем 0.5 ns [12,13].

фотоэдс, которая возникает благодаря импульсу–отдаче Для разработки оптимальной конструкции ФП представпри поглощении фотонов носителями заряда.

ляет интерес исследование коэффициента преобразоваДля измерения параметров импульсного лазерного ния в зависимости от геометрических размеров пленки излучения также используются приборы, основанные на и расположенных на ней электродов, что является целью эффекте оптического выпрямления (ЭОВ) [6,7]. Вреданной работы.

менное разрешение датчиков на основе ЭОВ превосходит возможности всех имеющихся в настоящее время фотоприемников. Однако коэффициент преобразования Особенности конструкции ФП (чувствительность) мощности P лазерного импульса в напряжение U оптического выпрямления для боль- Главными элементами рассматриваемого ФП являютшинства используемых для этих целей нецентросим- ся нанографитная пленка 1 (рис. 1,a) на кремниевой метричных кристаллов (таких, как KDP, DKDP, RDP и подложке 2 (рис. 1, b) прямоугольной формы размерами др.) невелико и составляет 10–20 mV/MW. Кроме того, l h и два электрода, выполненные в виде плоских 6 82 Г.М. Михеев, Р.Г. Зонов, А.Н. Образцов, А.П. Волков, Ю.П. Свирко Нанографитная пленка была получена на кремниевой подложке с помощью плазмохимического осаждения из смеси метана и водорода на установке [14] по стандартной методике, описанной в работах [15,16]. Основными структурными элементами пленок являются кристаллы неправильной формы, состоящие из нескольких (от до 50) параллельных хорошо упорядоченных атомных слоев графита. Толщина кристаллитов находится в пределах 2–20 nm при размерах в других измерениях около 1-3 µm. Все кристаллиты имеют преимущественную ориентацию атомных слоев в направлении нормали к поверхности подложки с максимальным отклонением не более ±20. Расстояние между отдельными кристаллитами составляет около 0.5-1 µm. Таким образом, используемые пленки имеют ярко выраженную мезопористую нанокристаллическую структуру. Средняя толщина этих наноуглеродных пленок составяляет около 3-4 µm.

Техника эксперимента Эксперименты проводились с помощью одномодового YAG : Nd3+-лазера с пассивной модуляцией добротности [17], длительностью импульсов 20 ns и диаметром пучка 2 mm. Энергия импульса лазера была ниже порога Рис. 1. Конструкции ФП из нанографитной пленки (a) и разрушения материала пленки и составляла 1-3mJ.

схема эксперимента (b): x, y — оси прямоугольной системы Наблюдение формы импульсного электрического накоординат, совпадающие с осями симметрии пленки.

пряжения, возникающего между электродами при лазерном облучении ФП, осуществлялось с помощью осциллографа с полосой пропускания 250 MHz и входным сопротивлением 50, а измерение амплитуды — диэлектрических пластин 3, имеющих четырехсторонс помощью запоминающего осциллографа с полосой нее проводящее покрытие длиной L, сигнал с которых пропускания 50 MHz и входным сопротивлением 1 M.

подается на осциллограф 5. С помощью пластин 3 пленФорма импульсов наблюдалась на экране осциллографа ка 1 прижимается к диэлектрическому держателю 4, и фотографировалась с помощью цифровой фотокамеры.

причем пластины располагаются на поверхности пленки Ранее в [8–10] было показано, что максимальный сигпараллельно друг другу вдоль противоположных сторон нал ЭОВ достигается для p-поляризованного излучения пленки на расстоянии d друг от друга. С помощью двух при ориентации плоскости нанографитной пленки пергибких медных проводников напряжение, возникающее пендикулярно плоскости падения и углах падения около между электродами (проводящими частями пластин), 45. Поэтому во всех экспериментах в данной работе для подается на коаксиальный разъем, закрепленный на определенности плоскость ФП располагалась под углом корпусе ФП с тыльной стороны диэлектрического дер45 к падающему пучку лазера. При этом плоскость жателя в непосредственной близости от нанографитпадения была перпендикулярна к параллельно распоной пленки. Сопротивление постоянному току между ложенным электродам (рис. 1,b). При исследовании электродами составляет 20-200 в зависимости от зависимости чувствительности ФП от длины электродов расстояния между ними и размеров пленок. Емкость использовались одинаково изготовленные диэлектричемежду электродами во всех случаях, рассмотренных в ские пластины с различной длиной L четырехсторонданной работе, менее 1 pF. Таким образом, в устройстве него проводящего покрытия. Последние располагались ФП отсутствуют навесные элементы из резисторов, симметрично относительно осей симметрии пластины конденсаторов и прочих радиоэлементов. Необходимо (рис. 1,a), а пучок лазера направлялся в центр пластины.

особо отметить, что такой ФП работает без внешнего Для исследования чувствительности ФП в зависимости источника электропитания. Также был изготовлен ФП от положения пучка на пленке, т. е. от соответствующих по вышеописанной схеме, где в качестве фоточувствикоординат x и y (рис. 1,a), использовался ФП из тельной части вместо нанографитной пленки использо- нанографитной пленки квадратной формы (25 25 mm) валась полированная кремниевая пластина, электроды на с тонкими медными электродами, нанесенными на пленпластинах наносились методом вакуумного термическо- ку в вакууме методом термического испарения. Для го напыления меди. измерения положения пучка на поверхности пленки исЖурнал технической физики, 2006, том 76, вып. Быстродействующий пленочный фотоприемник мощного лазерного излучения на эффекте... пользовался двухкоординатный стол. При определении локальной чувствительности на свободных краях ФП учитывалась только та часть импульсной энергии, которая действительно попадала на нанографитную пленку.

Результаты экспериментов и их обсуждение На рис. 2,a представлена типичная форма импульсного электрического напряжения, регистрируемого с помощью осциллографа при облучении нанографитного пленочного ФП импульсным лазерным излучением длительностью 20 ns. Из рисунка видно, что форма фотоэлектрического импульса, возникающего в нанографитной пленке за счет ЭОВ, практически совпадает с формой лазерного импульса (рис. 2,b), полученного с помощью лавинного фотодиода ЛФД-2 (за исключением того, что задний фронт импульса с лавинного фотодиода несколько растягивается из-за применения RC-цепочки). На рис. 2,c показана форма фотоэлектрического импульса, зарегистрированного с применением аналогичного ФП из пластины полированного кремния. Этот импульсный сигнал возникает за счет хорошо известного эффекта Дембера [12] и существенно отличается от лазерного Рис. 3. Зависимости чувствительности фотоприемника (1) и сопротивления между электродами Rl,L=const (2) от межэлектродного расстояния d, а также зависимость от Rl,L=const (3).

импульса по форме и длительности: длительность по полувысоте составляет около 0.4 µs (рис. 2,c), что в 20 раз больше длительности сигнала ЭОВ.

На рис. 3 (1) представлена зависимость чувствительности фотоприемника (при фиксированных значениях l и L, l = L = 5.1mm) от межэлектродного расстояния d. Видно, что увеличение d приводит к прямо пропорциональному уменьшению. Необходимо отметить, что увеличение межэлекродного расстояния приводит к линейному увеличению сопротивления постоянному току Rl,L=const между электродами, как это показано на экспериментальной зависимости, представленной на рис. 3 (2). Полученные результаты позволяют построить зависимость от межэлектродного сопротивления Rl,L=const (рис. 3,3). Таким образом, увеличение межРис. 2. Типичная форма фотоэлектрических импульсов на выэлектродного сопротивления Rl,L=const фотоприемника ходе ФП из нанографитной пленки (a) и кремниевой пластины приводит к пропорциональному уменьшению чувстви(c), а также форма лазерного импульса, полученная с помощью лавинного фотодиода (b). тельности.

6 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 84 Г.М. Михеев, Р.Г. Зонов, А.Н. Образцов, А.П. Волков, Ю.П. Свирко Рис. 4. Зависимости чувствительности фотоприемника (1) Рис. 5. Зависимости чувствительности (1) и сопротивления и сопротивления между электродами Rd=const (2) от ширины Rl,d=const (2) фотоприемника между электродами от длины нанографитной пленки l, а также зависимость от Rd=const (3).

электродов L, а также зависимость от Rl,d=const (3).

На рис. 4 представлены аналогичные зависимо- тродами, с увеличением длины электродов является сти от ширины пластины l (L = l), полученные при монотонно убывающей функцией, что очевидно. Полуфиксированном значении межэлектродного расстояния ченные результаты позволяют построить зависимость d = 18.8 mm. Уменьшение ширины пластины l вызывает (Rl,d=const) (рис. 5,3). Видно, что увеличение межвозрастание чувствительности ФП (рис. 4,1). Очевидно, электродного сопротивления Rl,d=const за счет уменьчто уменьшение ширины нанографитной пленки при- шения длины электродов сначала приводит к возраставодит к увеличению межэлектродного сопротивления нию, при некотором оптимальном значении Rl,d=const Rd=const (рис. 4, 2). Таким образом, при фиксированном коэффициент преобразования принимает максимальное межэлектродном расстоянии увеличение сопротивления значение, а дальнейшее увеличение межэлектродного между электродами Rd=const за счет уменьшения шири- сопротивления Rl,d=const приводит к уменьшению.

ны пленки приводит к пропорциональному увеличению Экспериментальные результаты, представленные на чувствительности (рис. 4,3). рис. 3 (3), 4 (3) и 5 (3) показывают, что коэффициент Результаты исследований влияния длины электродов L преобразования может возрастать или уменьшаться с (при фиксированных значениях l, d) на чувствительность уменьшением сопротивления между электродами. Видприведены на рис. 5 (1). Видно, что зависимость (L) но, что это зависит от того, каким образом достигается имеет максимальное значение в диапазоне L Lopt, где это уменьшение: за счет уменьшения d либо увеличе= Lopt = 6 mm. При L < Lopt, а также L > Lopt чувстви- ния l, либо же за счет изменения L. Однако зависимости, тельность значительно уменьшается. Эксперименталь- представленные на рис. 3 и 4 свидетельствуют о том, что ная зависимость Rl,d=const(L) (рис. 5,2), описывающая с уменьшением приемной части нанографитной пленки соответствующее изменение сопротивления между элек- как за счет уменьшения межэлектродного расстояния, Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Быстродействующий пленочный фотоприемник мощного лазерного излучения на эффекте... Рис. 6. Зависимости локальной чувствительности фотоприемника из нанографитной пленки (a,b) и кремниевой подложки (c,d) при сканировании луча лазера.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

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.