Трап-детектор

Реферат: Винахід належить до галузі приладобудування та вимірювальної техніки і може бути використаний для дослідження оптичного випромінювання під час виконання різних метрологічних робіт. Трап-детектор містить чотири або більше фотодіодів, які розташовані по ходу оптичного променя під різними кутами один до одного в площині падіння первинного оптичного променя на перший фотодіод, при цьому світлочутлива поверхня одного із фотодіодів перпендикулярна оптичному променю, що падає на неї. При цьому, кожний фотодіод, крім першого та третього, встановлено таким чином, що його світлочутлива поверхня перпендикулярна до бісектриси кута між напрямками по ходу оптичного променя від цього фотодіода на перший та третій фотодіоди, при цьому останній за номером фотодіод UA 100456 C2 (12) UA 100456 C2 встановлено на перпендикулярі до світлочутливої поверхні третього фотодіода, якщо загальна кількість фотодіодів парна, або першого фотодіода, якщо загальна кількість непарна. UA 100456 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі приладобудування та контрольно-вимірювальної техніки і може бути використаний для дослідження оптичного випромінювання під час виконання різних метрологічних робіт. Здійснення винаходу не викликає труднощів, оскільки він відрізняється від відомих аналогів тільки конфігурацією розташування фотодіодів. На Фіг. 1-3 наведені схеми аналогів, а на Фіг. 4-6 показані приклади виконання винаходу, який пропонується. Відомо, що для прецизійного вимірювання енергетичних параметрів лазерного випромінювання застосовуються трап-детектори, що містять кілька фотодіодів, розташованих послідовно по ходу оптичного променя під різними кутами один щодо іншого. Відомий трап-детектор (фіг. 1) [1], що містить три фотодіоди, з яких перший 1 розташовано під кутом до променя, що досліджується, другий фотодіод 2 розташовано під кутом до першого і третій фотодіод 3 встановлено під прямим кутом до напрямку на другий фотодіод 2. Принцип дії цього трап-детектора такий. Первісний оптичний промінь падає на світлочутливу поверхню (далі для короткості СП) фотодіоду 1 і, відбившись від нього, падає послідовно на СП фотодіодів 2 і 3. Дали промінь проходить зворотній путь, відбиваючись послідовно від СП фотодіодів 3, 2 і 1 і виходить з трап-детектора в сторону джерела випромінювання, наприклад лазера. При цьому промінь відбивається від третього фотодіоду 3 одразу в зворотному напрямку на другий фотодіод 2. При кожному відбитті промінь ослаблюється внаслідок часткового перетворення оптичної енергії у електричну, яка вимірюється відомими приладами (на фіг. 1 не показано). Число відбиттів променя від СП фотодіодів у цьому варіанті трап-детектора дорівнює п'яти. Відомий трап-детектор з чотирма фотодіодами (фіг. 2) [2], в якому три фотодіоди встановлено послідовно під прямими кутами один до одного, а четвертий під прямим кутом до напрямку на третій фотодіод, якщо рахувати по прямому ходу оптичного променя, що досліджується. Він послідовно відбивається від СП фотодіодів в прямому і зворотному напрямках. При цьому промінь відбивається від четвертого фотодіоду одразу в зворотному напрямку на третій фотодіод. При кожному відбитті частка енергії променя перетворюється у електричну енергію, характеристики якої вимірюються відомими пристроями. Залишок променя повертається в джерело випромінювання, наприклад в лазер. Загальна кількість відбиттів променя від СП фотодіодів у цьому варіанті трап-детектора дорівнює семи. Найбільш близький аналог (Фіг. 3) містить чотири фотодіоді [3], розташовані просторово таким чином, що три з них, перший 1, другий 2 і четвертий 4, розташовані в площині Р1 падіння первісного оптичного променя 6 на перший фотодіод 1, а один фотодіод 3 розташовано поряд з зазначеною площиною Р1, на лінії ВС променя, вперше відбитого від другого фотодіода 2. Четвертий фотодіод 4 встановлено таким чином, що його СП розташована перпендикулярно до бісектриси 5 кута α між напрямками на третій 3 і перший 1 фотодіоди. В окремому випадку використання винаходу лінія DA напрямку від четвертого фотодіоду 4 на перший фотодіод 1 може бути перпендикулярна до СП першого фотодіоду 1. Принцип дії найближчого аналогу такий. Первинний оптичний промінь (Фіг. 3), що досліджується, падає послідовно на СП фотодіодів 1, 2, 3 і 4. Відбитий від фотодіоду 4 оптичний промінь падає на фотодіод 1, а потім рухається в зворотному напрямку, відбиваючись послідовно від фотодіодів 4, 3, 2 і 1. Загальна кількість відбиттів оптичного променя від СП фотодіодів у цьому варіанті трап-детектора дорівнює дев'яти. Порівняння відомих аналогів показує, що всі вони побудовані за одним принципом - вся сукупність N фотодіодів утворює єдину кільцеву циклічну конфігурацію, в якій оптичний промінь послідовно відбивається від кожного фотодіода. Останній фотодіод конфігурації встановлюється перпендикулярно оптичному променю, змушуючи його пройти ще раз всю конфігурацію в зворотному напрямку. Так як оптичний промінь відбивається від кожного фотодіода (за винятком останнього, що повертає промінь назад) два рази, то загальна кількість відбиттів дорівнює (2N-1). Збільшення кількості відбиттів на два досягається механічним додаванням в циклічну конфігурацію ще одного фотодіода. Таким чином, конфігурація з трьох фотодіодів дає п'ять відбиттів, конфігурація з чотирьох - сім, і т. д., що і підтверджується описами відомих аналогів. У аналогу за Фіг. 3 перший фотодіод в циклічній конфігурації використовується два рази, тобто у відому конфігурацію додано віртуальний фотодіод, що дозволяє збільшити число віддзеркалень оптичного променя в трап-детекторі на два. Однак поширити цей підхід на більшу кількість фотодіодів в єдиній циклічній конфігурації неможливо, так як просторове положення всіх фотодіодів конфігурації, за винятком першого, жорстко взаємопов'язано. 1 UA 100456 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Суттєвим недоліком відомих трап-детекторів є те, що вони чутливі до стану поляризації оптичного випромінювання, чим знижується точність вимірювань. Збільшення кількості фотодіодів у відомих трап-детекторах для зниження чутливості до поляризації веде до того, що пропорційно кількості фотодіодів збільшується темновий струм трап-детектора, що також знижує точність вимірювань. Крім того, збільшення кількості фотодіодів збільшує кут падіння променя на кожний окремий фотодіод, що збільшує коефіцієнт відбиття та погіршує поляризаційні характеристики трап-детектора. Таким чином, загальним недоліком відомих трап-детекторів є: - малопродуктивне використання досить дорогих фотодіодів, що знижує економічну ефективність метрологічних робіт; - недостатня кількість відбиттів, що збільшує похибку вимірювань та погіршує поляризаційні характеристики трап-детектора; - близькість більшості кутів падіння до 45°, що збільшує коефіцієнт відбиття від СП фотодіодів і призводить до збільшення похибки вимірів і погіршення поляризаційних характеристик трап-детектора. Задачею винаходу, який пропонується, є усунення недоліків існуючих трап-детекторів. Поставлена мета досягається тим, що фотодіоди трап-детектора розташовують таким чином, щоб утворилося кілька окремих взаємопов'язаних циклічних конфігурацій. Для цього вся сукупність фотодіодів трап-детектора розділена на окремі циклічні конфігурації з трьох фотодіодів кожна. Два фотодіода загальної сукупності, перший і третій по ходу оптичного променя, є загальними для всіх конфігурацій, а кожен з решти фотодіодів формує з двома загальними окрему циклічну конфігурацію. Загальні фотодіоди забезпечують взаємозв'язок всіх циклічних конфігурацій між собою і повернення оптичного променя для зворотного обходу всіх конфігурацій. Утворення циклічних конфігурацій забезпечено тим, що СП кожного фотодіода, які формують окремі конфігурації, встановлена перпендикулярно бісектрисі кута між напрямками від формуючого фотодіода на перший і третій фотодіоди загальної сукупності. Взаємозв'язок між окремими циклічними конфігураціями забезпечений тим, що СП загального фотодіода, який здійснює зв'язок (тобто першого або третього фотодіода загальної сукупності), встановлена перпендикулярно бісектрисі кута між напрямками від цього загального фотодіода зв'язку на формуючі фотодіоди конфігурації, які необхідно зв'язати. Повернення оптичного променя для зворотного обходу забезпечено тим, що СП останнього формуючого фотодіода встановлена на перпендикулярі до СП одного із загальних фотодіодів. На фіг. 4 показаний приклад реалізації багатоциклічної конфігурації трап-детектора з чотирма фотодіодами. Фотодіоди 1, 2 і 3 (перерахування в порядку обходу оптичним променем) утворюють першу окрему циклічну конфігурацію, а фотодіоди 3, 1 і 4 - другу окрему конфігурацію. Загальні фотодіоди 1 і 3 здійснюють взаємозв'язок обох конфігурацій, а загальний фотодіод 3 здійснює повернення оптичного променя для зворотного обходу обох конфігурацій (оптичний промінь проходить фотодіоди в наступному порядку їх номерів 1-2-3-1-4-3-4-1-3-2-1). Результатом побудови багатоциклічної конфігурації в трап-детекторі з чотирма фотодіодами є реалізація одинадцяти відбиттів оптичного променя, що істотно більше, ніж у відомих чотиридіодних трап-детекторах. Темновий струм цього трап-детектора такий же, як у чотиридіодних аналогів. На фіг. 5 показано приклад реалізації багатоциклічної конфігурації трап-детектора з п'ятьма фотодіодами. Фотодіоди 1, 2 і 3 (перерахування в порядку обходу оптичним променем) утворюють першу окрему циклічну конфігурацію, фотодіоди 3, 1 і 4 - другу, а фотодіоди 3, 5 і 1 - третю окрему конфігурацію. Загальні фотодіоди 1 і 3 здійснюють взаємозв'язок всіх трьох окремих конфігурацій, а загальний фотодіод 1 здійснює повернення оптичного променя для зворотного обходу конфігурацій (оптичний промінь проходить фотодіоди в наступному порядку їх номерів 1-2-3-1-4-3-5-1-5-3-4-1-3-2-1). У цій конструкції трап-детектора реалізовано п'ятнадцять відбиттів оптичного променя. Такий результат не досягнуто в жодному з відомих трап-детекторів. На фіг. 6 показаний приклад реалізації багатоциклічної конфігурації трап-детектора з шістьма фотодіодами. Фотодіоди 1, 2 і 3 (перерахування в порядку обходу оптичним променем) утворюють першу окрему циклічну конфігурацію, фотодіоди 3, 1 і 4 - другу, фотодіоди 3, 5 та 1 - третю, фотодіоди 1, 6 і 3 - четверту окрему циклічну конфігурацію. Загальні фотодіоди 1 і 3 здійснюють взаємозв'язок всіх чотирьох окремих циклічних конфігурацій, а загальний фотодіод 3 здійснює 2 UA 100456 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 повернення оптичного променя для зворотного обходу конфігурацій (оптичний промінь проходить фотодіоди в наступному порядку їх номерів 1-2-3-1-4-3-5-1-6-3-6-1-5-3-4-1-3-2-1, що дає дев'ятнадцять відбиттів). Аналогічним чином будується конструкція трап-детектора на семи фотодіодах, що містить п'ять окремих циклічних конфігурацій, на восьми фотодіодах, що містить шість окремих циклічних конфігурацій, і т. д. Загалом в багатоциклічній конфігурації трап-детектора, що пропонується, кількість відбиттів оптичного променя від СП фотодіодів дорівнює (4N-5), що значно більше, ніж в будь-якому відомому трап-детекторі з аналогічною кількістю фотодіодів. Діє трап-детектор, що пропонується, таким чином (за прикладом конструкції з шістьма фотодіодами). Первісний оптичний промінь падає на світлочутливу поверхню фотодіоду 1 і, відбившись від нього, проходить послідовно фотодіоди 2, 3 і 1. Фотодіод зв'язку 1 відбиває промінь на фотодіод 4, який направляє його на фотодіод 3. Далі з фотодіода зв'язку 3 промінь потрапляє на фотодіод 5, який передає промінь на фотодіод 1. Фотодіод зв'язку 1 направляє промінь на фотодіод 6, який відбиває промінь на фотодіод 3. Фотодіод 3 повертає промінь просто назад на фотодіод 6 і він проходить усі окремі циклічні конфігурації в зворотному напрямку. При кожному відбитті промінь ослаблюється внаслідок часткового перетворення оптичної енергії у електричну і після обхода всіх конфігурацій практично повністю поглинається. Запропонована конструкція трап-детектора за рахунок великої кількості відбиттів малочутлива до поляризації пучка випромінювання, забезпечує малу похибку вимірювань та дозволяє розширити спектральний діапазон вимірювання випромінювань на ті області, де чутливість існуючих фотоприймачів мала. Джерела інформації: 1. Fox N.P. Improved Near-Infrared Detectors // Metrologia.-1993. - № 30. - P. 321-325. 2. E. F. Zalewski and C. R. Duda. Silicon photodiode device with 100 % external quantum efficiency // Appl Opt / Vol. 22, No. 18 / 15 September 1983. 3. Патент України № 87197, Бюл. № 12, 2009 p. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Трап-детектор для дослідження оптичного випромінювання, що містить чотири або більше фотодіодів, які розташовані по ходу оптичного променя під різними кутами один до одного в площині падіння первинного оптичного променя на перший фотодіод, при цьому світлочутлива поверхня одного із фотодіодів перпендикулярна оптичному променю, що падає на неї, який відрізняється тим, що кожний фотодіод, крім першого та третього, встановлено таким чином, що його світлочутлива поверхня перпендикулярна до бісектриси кута між напрямками по ходу оптичного променя від цього фотодіода на перший та третій фотодіоди, при цьому останній за номером фотодіод встановлено на перпендикулярі до світлочутливої поверхні третього фотодіода, якщо загальна кількість фотодіодів парна, або першого фотодіода, якщо загальна кількість непарна. 3 UA 100456 C2 4 UA 100456 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5