Исследование статистических свойств абсолютных измерителей квантовой эффективности фотоприемников, основанных на эффекте спонтанного параметрического рассеяния (СПР) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПГИКО-ШЗПЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

На правах рукописи УДК. 535.33 + 535.233.2 + 535.241

Кератишвили Николай Георгиевич

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИ! СВОЙСТВ АБСОЛИГНЫХ ИЗШИТЕЛЕЙ КВАНТОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФОТОПРИЕШИКОВ, ОСНОВАННЫХ НА ЭФФЕКТЕ СПОНТАННОГО ПАРАМЕТИИЕСКОГО РАССЕЯНИЯ (СПР;

СИ. 04 . 05. - оптика АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на- соискание ученой степени кандидата $изико-- математических наук

Москва, 1992

/

/

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений

Научный руководитель-доктор технических надк,

старший научный сотрудник Гинзбург В.М.

Официальные оппоненты: Доктор физ-мат наук,

профессор Сонин A.C.

Кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Ромашков Й.П.

Ведущая организация-НПО "Астрофизика"

Защита состоится <LH-iQ/öa i933r. ъ/£часов на заседании специализированного совета Д 041.01.02 во Всероссийском научно- исследовательском институте оптико-физических измерений по адресу: 103031, Москва, ул. Рождественка 27, т. 92I-J9-74

С диссертацией ыокно ознакомится в библиотеке ВНИИОФИ Автореферат разослан ^глссъбрЛ- 1992г.

1.1. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Многие направления науки и техники связаны с фундаментальными исследованиями, способствулдога создашш новых технических решений. Одним из таких исследований является поиск путей совершенствования аппаратуры для абсолютных измерений сверхслабых потоков электромагнитных полей при уровнях мощности _ 1СГ*®Вт (потоках 10-1 С? фотонов в секунду;.

Для того, чтобы существующие и вновь разрабатываемые высокочувствительные фотометры, радиометры и спекгрорадиоиетры бает но только регистраторами, но и измерителями слабых полей, необходимо совершенствование метрологических средств аттестации этих приборов.

Особо острой проблемой является обеспечение непосредственного абсолютного измерения спектральной квантовой эффективности ( ) фотоприемников, работающих в режиме счета фотонов. Создание таких средств обеспечит возможность решения ряда фундаментальных и прикладных задач в астрофизике и астронавигации, в биологии, биотехнологии и биоинженерии, для изучения прижизненных полей, в экологии - для обнаружения источников загрязнения окружапцей среда, по слабому ИК и лшинисцентному излучениям и др.

Известные -традиционные средства измерения ^ содержат многоступенчатые ослабители излучения сравнительно мощных эталонных источников и являются косвенными. Очевидно, что для решения-поставленной выше задачи необходимо создание принципиально новых методов поверки, свободных от необходимости использования эталонных источников и приемников излучения.

В литературе были предложены методы решения ряда метрологических задач, основанных на регистрации изменения статистики электромагнитных полей с неклассической статистикой. Одним из наиболее перспективных, о точки зрения создания полей с неизвестной неклассической статистикой, является процесс спонтанного параметрического рассеяния

1СПР). В этом процессе рождается поток бифотовов - пар жестко корре-

ф

лированяых ю месту, времени рождения и направление разлета фотонов*

Бифотонное поле позволяет решить задачу абсолютной безэталонной аттестации фотоприешшков, безэталонного измерения абсолггшой величины спектральной плотности энергетической яркости ^СПсШ, создания полей в заданном состоянии.

Описанные в £1] Х)исследования подтвердили принципиальную возможность измерений квантовой эффективности ФЗУ, работающих в режиме счета фотонов. Однако, в этих работах не исследовались собственные статистические характеристики бифотояного излучения и влияние шумов в реальных электронных трактах на результаты измерений.

Вместе с тем, при измерении абсолютных значений квантовой эффективности фотоприемников при сверхмалых потоках фотонов, спектральные и шумовые харктеристики реальных оптоэлектронных трактов могут внести существенные искажения в статистику фотоотсчетов и, соответственно, увеличить погрешности измерения квантовой эффективности.

В этой связи задача исследования статистических свойств бифотон-ных абсолютных измерителен квантовой эффективности фотоприемников и разработка методов их контроля, является актуальной. 1.2. ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Целью диссертационной работы является разработка методики и проведение экспериментальных исследований статистики бифотонного излучения в реальных условиях наличия флуктуаций излучения накачки и влияния шумов, вносимых оптоэлектронными трактами абсолютных бифотонных измерителей квантовой эффективности фогоприемников, на результаты измерений, поиск путей уменьшения влияния дестабилизирующих факторов

*;Клышко Д.Н.. Пенин А.Н. УФН. 1987. 152. с.653

и разработка методики контроля измерителей.

Для достижения поставленной дели в диссертации решается следую-дие основные задачи:

- Разработка методики контроля оптоэлектронных трактов и определение источников дестабилизации работы абсолютного бифотонного измерителя квантовой эффективности фотоприемяиков; »

- Разработка структурно-функциональной схемы измерителя и создание прототипа для практической реализации абсолютного образцового средства измерения квантовой эффективности ФЗУ, работающего в режиме счета фотонов, при сверималых потоках фотонов;

- проведение экспериментальных исследований статистики бифотонного излучения;

- абсолютные измерения квантовых эффективностей ФЗУ, при потоках 1(^-107 фотонов в секунду (мощностях 1СГ*®-1СГ*2Вт). Статистическая обработка данных измерений и определение погрешности измерения.

1.3. НАУЧНАЯ НОВИША

1.3.1. Разработан метод исследования влияния шумовых характеристик оптоэлектрошшх трактов на результаты измерения статистики регистрируемого излучения. Метод основан на разделении факторов, влияющих на статистику импульсов фототока на выходе регистрирующего тракта

с помощью использования калибровочных источников излучения, с известной статистикой, подаваемого на входы трактов. В частности излучения моделей черного телн (МЧТ) и одномодовых лазеров.

1.3.2. Разработан алгоритм количественного контроля качества оптоэлектрошшх трактов и величины погрешностей конечных результатов, связанных со свойствами регистрирующей аппаратуры абсолютных бифотонных измерителей.

1.3.3. Предлинен, разработан и испытан вариант бифотонного абсолютного

измерителя квантовое эффективности фотоприемников с аксиконным фокусирующий элементом. Показано, что аксиконяый вариант измерителя позволяет улучшить разрешение по частоте при сверхслабых потоках излучения и расширить динамический диапазон в сторону снижения регистрируемых потоков излучения.

1.3.4. Измерена статистика потока бифотоняого излучения, рождающегося в процессе спонтанного параметрического рассеяния света. Показано, что потоки излучения в каждом из двух параметрически связанных каналах и поток бифотонов характеризуются Пуассоновским распределением.

1.3.5. Впервые произведены абсолютные измерения квантовой эффективности ФЗУ, работающих в режиме счета фотонов, при потоках фотонов на входных апертурах 4-104- ю' фот/с т.е. при мощности регистрируемого излучения 4-КГ1®- 10~^2Вт.

1.4. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЩЦИТУ

1.4.1. Экспериментально подтвервдено теоретическое положение о Цуас-соновскои статистике спонтанного параметрического рассеяния, как

в отдельно взятом каждом параметрически связанном канале так и для бифотонов.

1.4.2. Динамический диапазон оптоэлектронных трактов при измерении статистики излучения определяется из измерений зависимости фототока (скорости счета) от интенсивности излучения.

1.4.3. Контроль линейности и определение величины динамического диапазона оптоэлектронных трактов, при статистических измерениях, необходимо проводить из сравнения статистики фотоотсчетов на выходе приемного тракта при регистрации света с Пуассоновской статистикой. Количественным критерием является отличие Фано-фактора от единицы.

1.4.4. Использование аксиконных фокусирующих элементов позволяет увеличить разрешающую способность и расширить динамический диапазон бифотонных абсолютных измерителей квантовой эффективности фотоприем-

нивов в сторону сверхмалых потоков фотонов.

1.5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ШАЧЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Практическое значение полученных результатов заключается в создании прототипа информационно-измерительной системы, основанной на эффекте спонтанного параметрического рассеяния, предназначенной для абсолютных измерений сверхслабых потоков фотонов в видимом и ближнем. ИК диапазонах. Разработанные статистические методы контроля оптоэлек-тронных трактов измерителя, обеспечивают достоверность измерений. Предложенный вариант измерителя с аксиконным фокусирующим элементом обеспечивает расширение динамического диапазона измерителя в сторону малых сигналов и увеличивает точность измерений. Уто позволяет применять измеритель в качестве образцового средства измерения непосредственно в сфере производства фотоприемяиков и соответствующих приборов, предназначенных для измерения сверхслабых потоков излучения в различных областях науки, техники, медицины, биоинженерии и др.

С помощью разработанного прототипа абсолютного измерителя впервые выполнено абсолютное измерение квантовой эффективности ФЗУ при потоках фотонов в диапазоне 4-104- 107фот/с, т.е. уровнях мощности 4'1СП^- 1СГ12Вт. В принципе, метод позволяет расширить диапазон вплоть до IC^-IC^ фот/с (мощности 1СГ16-Ю-18Вт). Относительные (случайные) погрешности измерения, рассчитанные по доверительным интервалам, определенным с надежностью 99,7%, изменялись в пределах 1СГ*- 5-IO"^. Систематические погрешности, обусловленные потерями из-за поглощения и отражений в оптических элементах измерителя, должны быть того же порядка и могут быть уменьшены соответствующим выбором параметров оптической части измерителя.

1.6. ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА

1,6.1, Предложена, разработана и испытана оптическая часть структурно-функциональной схемы абсолютного бифотонного измерителя квантовой

эффективности ФУЭ, содержащая аксикокный. фокусирующий элемент, преобразующий конический спект бифотонного излучения в линейный, ориентированный вдоль оси.аксшсона.

1.6.2. Разработан и экспериментально исследован статистический метод контроля оптоэлектронных трактов бифотонного измерителя, основанный на сравнении статистики фотоотсчетов с известной статистикой образцовых источников излучения. Разработанный метод использован для оценки качества и усовершенствования оптоэлектронных трактов измерителя.

1.6.3. Проведены абсолютные измерения квантовой эффективности ФЭУ в динамическом диапазоне 4•IO^-IO7 фот/с (уровнях мощности 4'1С""^-1СГ^Вт). При доверительных интервалах вычисленных с надежностью 99,7$ относительная погрешность изменялась в цределах I0-I-5-I0~2.

1.7. АПРОБАЦИЯ РАБОШ

Диссертационная работа и ее основные результаты докладывались и обсуждались на:

- семинарах ВНИИОФИ;

- 15 всесоюзной научно-технической конференции (Москва, 1991г.)

- научной конференции по лазерной люминисценции (Звенигород, 1989 г.);

- юбилейной общеевропейской научной конференции по метрологии (Санкт-Петербург, 1992 г.);

- 20 конгрессе *5>Р(Е в Канаде (Канада, 1992 г.).

1.8. ПУБЛИКАЦИИ

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в II печатных работах, в том числе, двух авторских свидетельствах.

1.9. СТРУКТУРА И ОБЬШ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, трек глав, заключения и приложения. В диссертации 114 страниц, 49 иллюстраций. Библиография содержит 72 наименований.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Введение

Во введении обоснована актуальность теш исследований, определены цель, задачи диссертационной работы и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

2.2. Первая глава

В первой главе приведен обзор известных литературных источников, посвященных истории открытия, описанию сущности и возможным применениям спонтанного параметрического рассеяния (СПР) в метрологии.

Приведены: краткое описание явления СПР; основные формулы описывающие его сущность - условия синхронизма, частотную и угловую ширину спектра; основные характеристики этого явления и отличие от других видов рассеяния света в веществе, а именно - широкий непрерывный спектр, не связанный непосредственно с собственными частотами вещества и двухфотонный характер излучения (фотоны, удовлетворяющие условиям синхронизма, излучаются только парами практически одновременно)1

Описаны работы, выполненные главным образом в МГУ по применению СПР в метрологии, в том числе для аттестации фотоприемников при сверхмалых уровнях излучения. Указана область применения таких средств на ряду с известными традиционными средствами измерена» ба-

зирующихся на применении МЧТ, абсолютных радиометрах и саыокалибру-ющихся фотодиодах. Последние могут быть использованы при сравнительно высоких уровнях излучения (превышающих более Ю7-Ю® фот/сек) и термодинамических температурах Т < 3000 К. Явление СДР позволяет значительно расширить динамический диапазон количественных измерений (аттестации) фотоприемников в сторону малых энергий, вплоть до Н^-Ю7 фот/сек, т.е. до излучений 10"12-10" при термоди-

намических температурах более 3000 К свойственных лазерным источникам излучения. Приведено описание схемы экспериментальной установки и результаты экспериментов по аттестации фотоприемников выполненные в МГУ и повторенные несколько позднее на Западе. В этой схеме в качестве нелинейной среда использовался нецентросимметрич-ный кристалл иодата лития (Ы«Г03) с квадратичной восприимчивостью ХС2,= 10"8 см/цин^, прозрачный в широком спектральном диапазоне от 0,3 до 5,5 мкм. Источник излучения накачки - гелий кадмиевый лазер мощностью 5 мВт на волне Л = 0,325 мил. Обработка сигналов производилась двумя идентичными каналами, содержащими мо-нохроматоры, фотолриемники (ФЭУ), широкополосные усилители, дискриминаторы и счетчики. После дискриминаторов, мезду каналами 'установлена схема совпадений. По теоретическим оценкам временная задержка

между сопряженными фотонами, при полном выравнивании оптических пу-

—ТТ -Т?

тей до входов ФЭУ, не должна превышать 10 -10 с-. Поэтому, при интервалах между парами не менее 10 мкс, оба фотона каждой пары попадают одновременно в оба ФЭУ и помимо двух счетчиков на выходах ФЭУ, сработает счетчик на выходе схемы совпадений. По измеренным значениям числа отсчетов на выходе ФЭУ N1 — и на

выходе схемы совпадений МоГ^^П . где к У|г _ квантовые эффективности ФЭУ, П. - среднее число бифотонов за время измерений можно определить квантовые эффективности обоих ФЭУ Т7

-яи

без кахих-либо дополнительных эталонных источников излучения.

Несмотря на принципиальную простоту и изящество предложенного метода наибольшей трудностью его реализации оказалась точная передача на вход двух ФЭУ излучения из "точек" расположения парных фотонов. В этой связи в ШУ были проведены исследования пространственно-временной группировки фотонов при СПР. Из приведенных в тексте диссертации рисунков следует что поиск пары фотонов возможен при точной юстировки по двум пространственным координатам и по временному сдвигу. Отклонения от максимума пространственно-временной группировки бифотонов эквивалентно частотной расстройке измерителя и увеличению погрешностей измерения квантовой эффективности ФЭУ. В дальнейших исследованиях, авторы, для облегчения настройки, использовали оптические волокна, входные концы которых с помощью микрометрических подвижек вводились в сфокусированное линзами бифотонное излучение, а выходные концы в соответствующее ФЭУ. В результате проведенных исследований впервые произведены абсолютные измерения квантовой эффективности трех образцов ФЭУ-79.

В этом же параграфе кратко изложены другие возможные применения СПР в метрологии предложенные и частично экспериментально опро-бированы в М1У: аттестация фотоприемников в аналоговом режиме; принципиальная возможность создания эталонного генератора известного числа фотонов; использование бифотонного излучения для измерения яркости световых потоков и эффективной температуры некогерентного света на основе использования собственных нулевых флуктуаций электромагнитного вакуума в качестве репера яркости света. Приводятся результаты экспериментов по измерению яркости импульсного излучения второй гармоники ИАГЛазера, яркости флуаресценции раствора красителя родамина, яркости ламш с вольфрамовой нитью.

Описаны краткие сведения о возмокнссги использования СДР в принятой на Западе терминологии Рогате^пс сЛоюп с©пие.г&»°п для получения "сжатого" состояния света. Этой проблеме посвящен ряд теоретических'экспериментальных работ опубликованных на Западе. Приводится краткое изложение сущности и основных свойств такого состояния света, представляющих интерес для решения практических задач, в том числе для дальнейшего усовершенствования средств измерения в метрологии. Любое световое поле флуктуирует, т.е. амплитуда £ и фаза ^ поля изменяются во времени. Неопределенность амплитуда (ДЕ-) и фазы (Д9) поля зависят от когерентности источника света, температуры среды, дефектов аппаратуры и др. В принципе, внешние, причины флуктуации могут быть устранены. Однако, даже в идеальном случае чисто когерентного состояния, излучение остается флуктуирующим из-за собственных квантовых шумов - нулевых колебаний электромагнитного вакуума.

При классическом анализе электромагнитного поля, справедли-. вом при сравнительно больших интенсивностях, в большинстве случаев величинами ДЕ- и Д ^ пренебрегают и считают, что когерентное поле, изменяется во времени строго по синусоидально аду закону, т.е. Е,могут одновременно и, в принципе, точно измерены.

При квантовом рассмотрении, необходимом при анализе, слабых полей Е и *Р , в соответствии с соотношением Гейзенберга, не могут быть одновременно точно измерены. При этом неопределенность мгновенного значения поля обусловленная нулевыми флуктуациями, не зависит от времени. При "сжатых" состояниях света, флуктуации одного параметра могут быть меньше квантовых (нулевых) фяуктунций за счет увеличения второго параметра.

Уникальные свойства сжатого света предполагается использовать для усовершенствования оптических линий связи. При использовании

-п.

источников излучения оо схатыы по амплитуде светом, окажвтоя воз-ыоанш^ перелагать информацию при уровнях оигнала виге нулевых флуктуация, что не только уменьшит энергоемкость таких систем, во приведет в увеличение точности передача сообщений (например, отсутствию явлений "раодлквания" сигналов из-за Керр-эффекта в оптичес-кях волокнах пря значительных уровнях мощности и др.). Другое при-кедениэ сжатого света - в интерферометрах, предназначенных для обнаружения гравитационных волн. Использование сжатого по фазе овета позволяет значительно повысить точность интерферометра.

В тексте диссертации приводится описание сущности сжатых состояний и ооновные математические выражения, описывающие это явление о точки зрения полуклассической и кьантовой теорий. Приведены схеш получения сжатого по амплитуде света, где используется СПР ( Р(хгв.ше"1г1с ¿лизп еогигег&юп В результате проведенных экспериментов, полученных с помощью одной из них, достигнуто сжатие на <ч> 50% по сравнению с нулевыми флуктуациями.

Для решения метрологических задач, в частности, задачи аттестации фотоприемников при слабых полях наиболее целесообразной представляется схема, основанная на искусственном введении "мертвого" времени *Г в поток фотонов, т.е. "исключения" фотонов следующих с интервалами значительно отличающимися от заданного Т . При этом, из-за уменьшения квантовых шумов, уменьшится погрешность измерения квантовой эффективности о помощью абсолютных бифотонных измерений. Аналогичный выигрыш следует ожидать и при использовании сжатого света в абсолютных измерениях СПЭЯ и термодинамической температуры, в том числе, в предложенной мною (с соавторами) новой схемы такого измерителя с использованием аксиконных оптических элементов.

-тз-

2.3. Вторая глава

Вторая глава посвящена поиску путей и разработке: методики исследования влияния параметров элементов оптоэлектронных трактов измерителя и нестабильности мощности накачки на статистику фого-отсчетов на выходе измерителя; метода контроля оптоэлектронных трактов измерителя и созданию прототипа метрологического комплекса, обеспечивающего абсолютные измерения квантовой эффективности фотоприемников, работающих в режиме счета фотонов при сверхмалых

о 3 —Т Т7

потоках фотонов (до 10 -10 с , т.е. уровнях излучений до 10 Вт).

Приводятся основные предположения,положенные в основу теоретических и экспериментальных работ, описанных в первой главе, а именно :

- согласно теории СПР, бифотонное излучение в каждом из двух направлений разлета фотонов, сохраняет Пуасооновское распределение фотонов, присущее когерентному одномодовому излучении накачки, облучающему неосесишетричный кристалл с нелинейной квадратичной восприимчивостью;

- квантовые эффективности обеих ФЭУ в измеряемом динамическом диапазоне не зависят от уровня падающей на них мощности (потока ■ фотонов);

- оптоэлектрсняне тракты не вносят искажений в собственную (пуассоновскую) статистику бифотонного излучения.

Приведенные положения давали основание считать, что случайные, не парные фотоны (при установлении в каждом канале интерференционных фильтров или монохроматоров выделяющих парные фотоны) не должны влиять на результаты измерений, как и собственные шумы оптоэлектронных трактов, а возможные случайные совпадения шумовых сигналов любого происхождения можно "вычесть" с помощью дополнительной схемы совпадений, содержащей небольшую линию задержки. В этом случае

на выходе обоих каналов и схемы совпадений следует учитывать только фотоотсчеты М,-*^ N4-П N0-^2^ . где 1П - среднее число пар фотонов регистрируемых схемой совпадений.

Однако, в реальных измерительных системах существуют различные факторы, которые могут деформировать статистику бифотонов и статистику фотоотсчетов на выходе трактов относительно Пуассонсв-ской. Существенные искажения могут вносить также нестабильность и многомодовость излучения накачки. Учитывая сказанное, было предложено производить метрологический анализ абсолютного измерителя квантовой эффективности фотоприемников, методом сравнения статистических распределений фотоотсчетов на выходе измерителя с Пуассонов-ским распределением. Разработанный алгоритм, реализованный на ЗВЫ типа ЕЭСМ-6, позволил пров'ести предварительные исследования влияния нестабильности излучения накачки, осуществляемой с помощью аргонового лазера, работающего на волне 0,35 мкм. Схема измерителя принципиально не отличалась от схем МГУ, описанных в первой главе. В качестве нелинейного преобразователя использовался кристалл иода-та лития. Для выделения пар фотонов в соответствующие точки фокальной плоскости линзы, с помощью микрометрических подвижек устанавливались входные отверстия двух оптических волокон. Выходные концы волокон были введены через темные диафрагмы в центральные зоны входных отверстий двух ФЭУ-79, сигналы с выходов ФЭУ далее подавались через усилители-дискриминаторы на схему совпадений и на счетчики типа 43-34А. Как и в МГУ, первые исследования проводились при ручном съеме данных с соответствующим вводом данных в ЭВМ. Была проведена серия экспериментов по регистрации статистики фотоотсчетов на выходе каждого ФЭУ при установке волокон в фокальной плоскости линзы по максимуму выходных отсчетов. Измерения производились на выровденной волне 0,7 мкм при установлении общего для двух каналов интерференционного фильтра на эту волну. В диссертаций приведены

изображения типичных массивов данных, полученного за время 3 мин с интервалом I с на выходе одного из ФЭУ, при недостаточном (около I часа) времени установления рабочего режима лазера. Наблюдается резкое снижение среднего числа фотоотсчетов во времени в начале цикла и небольшое снижение в конце цикла. Приведенная соответствующая гистограмма, естественно далека от Пуассонрвской. Там же приведен другой пример нестабильного режима излучения накачки - наличие скачкообразного изменения среднего числа фотоотсчетов в процессе измерения (например, из-за скачка напряжения сети в отсутствии достаточной стабилизации напряжения). Как еле,дует из приведенной гистограммы, если скачки среднего значения не превышают -8%, практически нет существенного отклонения статистики фотоотсчетов от Пуассоновской.

Однако, даже при наличии сильно деформированной статистики в массиве данных можно выбрать "рабочий" массив в области малых изменений среднего значения, у которого гистограмма близка к Пуассоновской. Из этого следует, что при разработке прецизионных средств измерений с использованием СИР возможно, кроме обычных методов стабилизации всех блоков системы, обеспечить адаптацию системы к появлению дестабилизирующих факторов в процессе измерения с целью обеспечения, при обработке данных, автоматической выборки рабочего массива с минимальным отклонением от Пуассоновской статистики. Такая возможность была предусмотрена в алгоритме. Однако, в нем не учитывалось влияние на статистику "фотоотсчетов собственных шумов (статистики) оптоэлектронных трактов и возможных постоянно присутствующих быстрых изменений (флуктуаций) лазерного излучения накачки. С целью выделения этих факторов, был предложен метод, позволяющий осуществлять независимый от лазера накачки, контроль собственных шумов оптоэлектронных трактов. Это, в свою очередь, позволяет

выделить нестабильность излучения лазера накачки и ее влияние на отатио*ику фотооточетов на выходе измерителя.

Метод основан на сравнении статистики отсчетов на выходе тракта с известной статистикой образцовых (эталонных) источников излучения: модели черного тела (МЧТ), одноыодового H&*fe лазера, лампочки накаливания питаемой постоянным током. В отличие от ранее применявшегося метода контроля трактов с помощью генераторов стандартных электрических импульсов, не позволяющего смоделировать истинную последовательность сигналов на выходе трактов, в предложенном методе используются классические источники излучения, статистика которых определяется, как к статистика бифотонов, Пуассоновским распределением (для Не№ лазера), либо приближающейся к нему распределением тепловых источников в видимом диапазоне волн, особенно при малых уровнях потоков излучения. Исследования проводились на той 28 установке,в которую был включен персональный компьютер типа IBM Р.С.ЕТ. Обработка данных производилась по усовершенствованному алгоритму приведенному в Приложении I, обеспечивающему считывание со счетчиков и запись на магнитный диск чисел отсчетов за равные интервалы времени и статистическую обработку данных.

Была проведена серия экспериментов по исследованию статистики фотоотсчетов в зависимости от средней частоты фотоотсчетов (уровня подаваемой энергии на вход тракта), уровня дискриминации и времени накопления для различных источников излучения. Для защиты от внешних помех из обрабатываемого массива исключались числа, лежащие за пределами интервала Л - 3(Г. Статистическая обработка производилась по 4000-70000 равным интервалам времени, которые в разных экспериментах выбирались в пределах от 5 до 100 мкс. Одновременно с записью фотоотсчетов производилась запись с интервалом 100 мкс мощности источников излучения. На рис.1 приведены типичные образцы,

ГисЛа)

-Т7-

полученных распределение: для случая приближения статистики фотоотсчетов к Цуассоновской, соответствующей нормальной работе тракта (а), более широкой, чем Буассоновская (в), когда тракт может вносить существенные погрешности и более узкой (с) - "субпуассонов-ской", наблюдаемой при значительной повышении частоты фотоотсчетов. Такая статистика указывает на полную непригодность тракта т.к. такая статистика, наблвдаемая в "сжатых" состояниях света, не может быть истинной для используемых источников излучения. Она обусловлена возникающими в тракте процессами упорядочения сигналов при превышении частоты (увеличении энергии) вшю некоторого порога для данного тракта, связанного с недостаточностью быстродействия и "ели пания" соседних сигналов. Возможно также возникновение в тракте паразитной генерации периодических сигналов. В диссертации приведены также кривые средних значений числа фотоотсчетов и соответствующие синхронно зарегистрированные кривые мощности источников излучения. Сопоставление таких кривых с соответствующими статистиками фотоотсчетов позволяет проследить связь медду деформацией статистики и отклонением от номинальной мощности источника излучения.

Описанный метод статистической обработки дает наглядное представление о качестве тракта, позволяет проанализировать причины •отклонений статистики фотоотсчетов от Пуассоновской. Однако, он не позволяет определить количественно, с помощью единственного критерия, порог энергии (частоты), при которой контролируемый тракт может быть использован в бгфотошюи абсолютном измерителе квантовой эффективности фотоприемяиков. В качестве такого критерия выбран Фано-фактор , где Б 2 - дисперсия числа отсчетов, Л -

среднее значение распределения. Для Пуассоновского распределения (Г = I, при наличии дополнительных шумов Г >1 и только для "сжатых" состояний Г <■!. Непосредственное использование Фано-фактора при нестабильности мощности источника излучения также не позволяет

-Г8-

оценить качество тракта. Поэтому для использования этого критерия в комплекс программ обработки данных введена программа,составленная по специальному алгоритму, исключающему влияние небольших изменений мощности источника излучения. При этом обеспечивается вычисление, с заданной вероятностью, доверительного интервала для Фано-фактора, в зависимости от средней частоты фотоотсчетов £ .

Измерение серии статистических распределений, и вычислений функции Р* ( ) производилось поочередно для двух каналов измерителя с использованием MIT-I200 при температуре 900 К, лампочки накаливания с регулируемым источником питания и лазера Не-Йэ с интерферометром Фабри-Пьеро. Контрольные измерения велись с лазером "Джулия" на волне 0,35 мкм. Измерения проводились на вырожденной волне 0,7 мкм.

На рис.2 а) и в) показаны кривые F ( é") доя тепловых и когерентных источников соответственно. Из этих кривых следует, что пороговое значение , т.е. максимально допустимую энергию на входе контролируемых трактов, можно определить с достаточной точностью по точке пересечения кривой F (5) уровня F = I. Для различных исследованных источников оба тракта исследованного макета измерителя практически не деформируют статистику источников излучения, близкую к пуассоновской, при 10-20 кГц), что соответствует

максимальной средней мощности исследуемого излучения (при квантовой эффективности оптоэлектронного тракта го о,1) 10-14Вт. (I05 фот/с).

Предложенный метод контроля оптоэлектронных трактов бифотон-ных абсолютных измерителей квантовой эффективности фотоцриемников может быть использован также для контроля любых оптоэлектронных трактов, предназначенных для регистрации или передачи электромагнитных сигналов малых уровней.

<x)

рос. г

Описанные исследования проводились на шкете измерителя, построенного по первоначальной схеме МГУ. Однако в процессе работы с установкой, а также из предыдущего опыта МГУ, следует, что для практического применения метода требуется существенная модификация той схемы.

В этой связи мной (с соавторами) была предложена модифицированная схема измерителя, отличающаяся от предыдущей наличием акси-кона (конической лизны), ось которого совмещена с осью лазерного излучения накачки. Преимущество применения аксикона вместо фокусирующей линзы, следует из основного свойства аксиконов - преобразовывать падающее излучение в фокальную линию, совмещенную, с его осью. В нашем случае, конический спектр бифотонного излучения преобразуется в линейный спектр, вдоль которого (т.е. по одной координате "2. вместо .двух в схеме МГУ) можно перемещать приемники .для поиска бифото-нов. При этом значительно упрощается юстировка и эксплуатация измерителя и уменьшается его энергоемкость, так как вследствие фокусировки различных цветных конусов в соответствующие, пространственно разделенные вдоль оси небольшие области, могут быть использованы все возможные бифотоны, попадающие, согласно условию синхронизма, в со-ответствувщие конусы на выходе нелинейного преобразователя. Это обстоятельство приводит к повышению точности и надежности измерений.

В диссертации приведена принципиальная схема аксиконного.абсолютного измерителя квантовой эффективности фотоприемников, работающих в режиме счета фотонов. Алгоритм, комплекс программ и результаты расчета измерителя обеспечившие получение линейной зависимости длины волны Л ( £ ). Экспериментальные исследования на разработанном макете измерителя практически совпали с расчетом. Получено значение = 2,5-ПГ6 в диапазоне длин волн 0,48-0,7 мкм.

2.4. Третья гласа

В третьей главе приводится описание разработанного шкота (прототипа) измерительного комплекса обеспечивающего абсолютные измерения квантовой эффективности фотоприемников, работающих в резине счета фотонов. Описан новый разработанный вариант электронной части измерителя, обеспечивший значительное увеличение его быстродействия ("мертвое" врешЛ^ 50 не, вместо 5 мке в первом варианте) и уменьшение "окна" в схеме совпадений до 2 не, вместо 6 не. В результате, предельная скорость счета доведена деф» 20 МНялв 3 раза уменьшена вероятность попадания случайных совпадений в коррелятор. Пригодится описание состава комплекса, методики настройки, эксплуатации и обработки данных измерений. В качестве иллюстрации работы комплекса, подробно описаны результаты измерений квантовой эффективности двух ОЗУ на вырожденной, волны Aj.= 0,7 мкм при лотохах фотонов 10^ (10~12 Вт).

На рис.3 приведены зависимости измеренной квантовой эффективности ФЭУ-136 на волных 0,7 мкм и 0,76 мкм от мощности, вплоть до потоков 10 с Относительная погрешность измерений квантовой эффективности ФЭУ, при доверительнух интервалах, рассчитанных с надежностью более 99,7$ - около IQJS. Ир рис.3 ввдно, что квантовая эффективность ФЭУ практически не зависит от мощности падающего излучения, при этом погрешность измерения увеличивается по мере уменьшения потока бифотонов, что вызвано уменьшением числа зарегистрированных совпадений при фиксированном времени измерения. Поэтому, при потоках манее IQ5 фот/с время измерения было увеличено с 4 до 20 минут.

Дня дальнейшего продвижения измерений в сторону меньших потоков и уменьшения погрешностей необходимо усовершенствование конструкции измерителя, использование высокостабшшзированных лазеров накачки, устранение источников внешних шумов и т.д. Достоверность полученных

,6 А

-21er

! /о T r I TT

X • X 11 у"'1

¿тЮч ю

5'iOs

а)

ioc

2*10 ¿o'yc&k

rt о, a

] I i f F f r

■ 1 I J

10s 2-IOe 3-Ю6 4-IOfi ^от/сак

в)

pULC-3

данных подтверждается такке прямим намеренном коэф^ищи.та параметрического преобразования кристалла. Так, например, используя приведенные выле данные, получешше .вдя ФЭУ-136, при потоках <"\> Ю? фот/с, определим отношение Gj = Pv / Р01. где Pol - измеренная мощнееть, падающая на нход кристалла, при измерении квантовой аффективнее:;! ФЗУ-136, равная Р0{ = 3-1СГ6 Вт. При атом G, = 0,25-Ю"8. Анал.глч-но. для ФЭУ-79, имеет Pci = 2,8*I0"6 Бт п G2 = 0,28-Ю"8. ССа згл-чения, по порядку величины, совпадают с теоретическим и ранее полученными экспериментальными значениями коэффициента параметрического преобразования кристаллов. Произведены измерения статпстнчхкогэ распределения параметрического, рассеяния. Экспершеталык. под':в.~рл;-дыю теоретические положение с Пуассоновснсм распределении этого излучения.

- 23 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении сформулированы основные результаты выполнения диссертационной работы:

1. Разработаны методы исследования статистических характеристик и метрологического контроля работы абсолютных измерителей квантовой эффективности фотоприемников, работающих в режиме счета фотонов, основанных на использовании квантового эффекта спонтанного параметрического рассеяния (СПР) света с неклассической статистикой, в том числе:

- метод исследования влияния шумовых характеристик оптоэлектронных трактов (собственных шумов фотоприемакков, усилителей тока, счетчиков импульсов и т.п.) на результаты измерения статистики регистрируемого излучения. С целью разделения факторов, влияющих на статистику импульсов фототока, на выходе регистрирующего тракта, различных элементов тракта, а также флуктуаций излучения накачки, проведены намерения статистики калибровочных источников типа эталонов -моделей черного тела (МЧТ) и лазеров;

- разработан алгоритм количественного контроля качества электронных устройств измерителя и определения величины погрешности измерения квантовой эффективности фотоприемников, связанной со свойствами регистрирующей аппаратуры.

2. Предложен, разработан и испытан вариант бифотонного измерителя квантовой эффективности фотоприемников с аксиконным фокусирующим элементом. Показано, что аксиконный вариант измерителя позволяет получить более высокое разрешение по частоте при сверхслабых потоках излучения и расширить (в сторону уменьшения интенсивности излучения и квантовой чувствительности фотоприемников) динамический диапазон измерений.

3. Произведены измерения статистического распределения бифотон-

ного излучения. Экспериментально подтверждено теоретическое положение о Пуассоновском распределении этого излучения.

4. Впервые произведены абсолютные измерения квантовой эффективности ФЗУ, работающее в режиме счета фотонов, при потоках фотонов

на входных апертурах 4'104-10'7 фот/с. т.е. при по:.ющи регистрируемого тс _то

излучения 4*10 х -10 Вт. Относительная погрешность измерений квантовой эффективности ФЭУ, при доверительных интервалах, рассчитанных с надежностью более S9,7£ - около 105?.

5. В качестве дополнительной косвенной поверка правильности измерений квантовой эффективности выполнены измерения коэффициента параметрического преобразования^ OJj= Cdg - UJ кристалла иодата лития, величина которого од. С G¿ 3) известна из литературы. В результате прямых измерений получено значение О = (0,26i 0,02)'10"®, что достаточно хороыо совпадает с литературными данными.

6. Проведенные исследования показали, предложенная и реализованная схема аксикошюго бифогонного измерителя позволяет проводить квантовые безэталэшше измерения чувствительности фогоприеыни-ков с достаточной, метрологически обеспеченной, точностью, которая мозет приблизиться к точности первичных Государственных эталонов при соответствующей доработки прибора.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Гинзбург В.М.. Кератишвили Н.Г.. Лунев Г.В., Пенин А.Н.. Саприцкий В.И. Установка для измерения квантовой эффективности фотоприемников с помоцьго высококоррелированных пар фотонов. Исследование статистики попарно коррелированных фотонов в системе с недостаточно стабильными параметрами. Вопросы радиометрии в оптической области спектра. Сборник научных трудов М.: ВНИИФТРН. 1990, с. 47

2. Гинзбург В.М. Кератимвили Н.Г.. Корженевич Е.Л., Лунев Г.В., Пенин А.Н., Саприцкий В.И. Абсолютный измеритель квантовой Эффект ности фотоприемников. Li5 Всесоюзная научно техническая конференц Москва 1991 (тезисы докладов)

3. Гинзбург В.М., Кератишвили Н.Г., Корженевич Е.Л., Лунев Г.В.. Пенип А.Б., Саприцкий В.И. Исследование статистики бифотонного из чения в системе с недостаточно стабильными параметрами. [15 Всесонз зная научно техническая конференция"] Москва 1991 (тезисы докладов

4. Кератимвили Н.Г. Спонтанное параметрическое рассеяние и его приме нение.^15 Всесоюзная научно техническая конференция! Москва 1991

(тезисы докладов)

5. Решение о выдаче патента N4800592/25(089043). Абсолютный измеритель квантовойзффективности фотоприемников. Гинзбург Б.П., Кератиивили Н.Г.Корженевич Е.Л., Лунев Г.В., Пенин А.Н., Саприцкий В.И.

Заявл. 20.08.90.-Решение о выдаче 09.04.91. В.Гинзбург В.П., Кератишвили Н.Г., Корженевич Е.Я.. Лунев Г.В.. Саприцкий В.И. Абсолютный бифотонный измеритель квантовой эффективности ФЭУ. Радиотехника и электроника N7. 1992 7.U.M. Ginzburg, N.G. Keratishvi1i. Ye. Korzhenevich, G.U. Lunev.

A.M. Penin and U.I. Sapritskii. Absolute ®eter of photorecei-vers quantun efficiency based on parametric down conveonrsion effect (fciii,i>on№2r.)

8.Гинзбург B.M., Кератишвили Н.Г.. Корженевич Е.Л., Лунев Г.В.. Ленин А.Н. Применение квантового эффекта спонтанного параметрического рассеяния в метрологии. Юбилейная Общеевропейская научная конференция по метрологии, посвященная 150-летимГосударственной системы обеспечения единства измерений и института метрологии имени Д.И. Менделеева. Санкт-Петербург 1992 (тезисы докладов)

9.Gizburg Uera М., Keratishvili N.G., Korzhenevich Ye.L., Lunev G.U., Penin A'.N. Absolute meter of photodetector's quantum efficiency. Proc. 20-th Congr. on SPIE, Canada 1992

10.Решение о выдаче патента N4948338/25. Устройство для измерения абсолютной спектральной плотности энергетической яркости высоко температурного потока электромагнитного линейно поляризованного излучения. Гинзбург В.М., Кератишвили Н.Г., Коряеневич Е.Л.. Лунев Г.В.. Пенин О., Саприцкий В.И. Заявл. 26. 04. 1991.-Решение о выдаче 27. 01. 1992