Основой фотоэлектрического принципа измерительного преобразования энергетических параметров оптического излучения является поглощение фотона, сопровождаемое электрически регистрируемым переходом носителей заряда на более высокие энергетические уровни. В качестве первичного измерительного преобразователя (ПИП) используются фотоприемники (ФП), которые обычно делят на две группы: с внешним и с внутренним фотоэффектом. Внешний фотоэффект заключается в испускании электронов под действием фотонов в вакуум, внутренний - в переходе электронов из связанного состояния под действием фотонов в свободное, т. е. в возбужденное состояние внутри материала. Речь идет в обоих случаях о прямом взаимодействии квантов излучения с электронами, поэтому ФП такого типа называют еще квантовыми. Выходной электрический сигнал таких ФП зависит не от мощности падающего излучения, а от количества квантов излучения и энергии каждого кванта.

Общее выражение преобразования входного оптического сигнала в выходной электрический сигнал можно записать в следующем виде:

, (1)

где I - полный ток, протекающий через ФП, А; Iфп - ток через ФП, вызванный падающим потоком излучения, А; Iт - темновой ток, А; Sл - спектральный коэффициент преобразования или абсолютная спектральная чувствительность ФП, А/Вт; Р - мощность падающего на ФП излучения, Вт.

ФП как ПИП в средствах измерения параметров лазерного излучения требуют детального исследования ряда свойств и характеристик, учитывающих их работу в реальных условиях. Основными характеристиками ФП являются спектральный диапазон, чувствительность, динамический диапазон, быстродействие, шумовые свойства, стабильность чувствительности, зависимость чувствительности от угла (падения потока излучения, зонная неравномерность чувствительности.

Рассмотрим коротко существующие ФП с точки зрения возможности их применения в качестве ПИП в СИ энергетических параметров лазерного излучения с учетом. перечисленных выше характеристик.

Фотоприемники на основе внешнего фотоэффекта

К фотоприемникам на основе внешнего фотоэффекта относятся вакуумные приборы: фотоэлементы (ФЭ) и фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

Спектральный диапазон вакуумных ФП зависит от материала фотокатода. Наиболее широко распространены приборы с сурьмяно-цезиевыми мультищелочными и серебряно-кислородно-цезиевымн фотокатодами.

Коротковолновая граница чувствительности, определяется главным образом прозрачностью входного окна прибора, длинноволновая зависит от материала фотокатода и определяется работой выхода электронов. В настоящее время разработаны фотокатоды на основе двойных и тройных полупроводниковых соединений (GаАs, InАsР) для расширения спектрального диапазона вакуумных ФП в длинноволновую область.

Одну из основных метрологических характеристик ФЭ - абсолютную спектральную чувствительность - для hн>E0 (h – постоянная Планка, н – частота излучения) можно представить следующим образом:

(2)

где Qэф - эффективный квантовый выход, л -.длина ваяны излучения, мкм.

Абсолютная чувствительность ФЭ в максимуме спектральной характеристики 10-3-10-1 мА/Вт и меняется в зависимости от типа и конструкции прибора.

Динамический диапазон, в котором сохраняется линейность преобразования оптического сигнала в электрический, для ФЭ сравнительно большой. Нижний предел ограничен шумами и темповым током ФЭ, верхний Ї влиянием пространственного заряда, продольного сопротивления фотокатода, его "утомлением". В режиме непрерывного облучения нижний предел может достигать 10-14 А, верхний не превышает 10-4 А. В импульсном режиме верхний предел может быть увеличен до десятков ампер.

Шумы и темновые токи ФЭ сравнительно невелики, однако из-за низкой чувствительности ФЭ нецелесообразно применять их для измерения малых уровней оптических сигналов. В таких случаях следует использовать другие типы ФП с большей чувствительностью. Временные параметры ФП в импульсном режиме обычно описываются параметрами импульсной (длительность импульса) и переходной характеристик (время нарастания фронта). Для линейных систем эти характеристики однозначно связали известными соотношениями и измерение одной из них позволяет точно определить остальные.

Однако реальный ФП в силу внутренних нелинейных эффектов нельзя считать идеальной линейной системой, и поэтому выбор того или иного параметра, характеризующего быстродействие, определяется конкретным применением ФП. Временные характеристики ФЭ, предназначенных для измерений в полосе частот до нескольких гигагерц, определяются следующими параметрами: временем ф1 пролета фотоэлектронов от фотокатода к аноду; дисперсией ф2 фотоэлектронов по времени пролета до анода за счет радиальных начальных скоростей и углового распределения выхода из фотокатода; временем ф3 вытекания заряда, образовавшегося на фотокатоде; инерционностью внешнего фотоэффекта ф4.

Оценку быстродействия (времени нарастания сигнала) ФЭ можно получить из выражения

(3)

По опубликованным данным длительность фотоэмиссии (ф4) меньше 10-12 с, а время пролета от катода к аноду (ф1) определяется расстоянием между электродами н .приложенным напряжением и также может быть меньше 10-12 с, Таким образом, быстродействие ФЭ ограничено в основном разбросом времен пролета фотоэлектронов от катода к аноду .и переходными процессами о контуре фотоэлемент-нагрузка.

Современные сильноточные временные ФЭ благодаря коаксиальной конструкции позволяют получать время нарастания переходной характеристики (между уровнями 0,1 н 0,9 от максимального значения) порядка 10-10 с.

Исследования стабильности чувствительности для вакуумных ФП обычно сводятся к исследованию процессов "старения" и "утомления" и их влияния на чувствительность. Вопросы, связанные с кратковременной стабильностью (в течение времени, необходимого для проведения измерения энергетических параметров, обычно от нескольких минут до 1-2 ч), практически не рассматриваются. Поэтому при подготовке к измерениям энергетических параметров излучения с помощью ФЭ необходимо приводить исследования стабильности чувствительности ФЭ индивидуально.

При построении СИ энергетических параметров лазерного излучения следует учитывать зависимости чувствительности от угла падения и расходимости излучения и зонной неравномерности чувствительности.

3а.висимость чувствительности от угла падения и расходимости излучения объясняется, во-первых, зависимостью коэффициента отражения входного окна приборов, во-вторых, неодинаковой глубиной проникновения излучения в фотокатод. Зонная неравномерность чувствительности определяется неоднородностями материала фотокатода. Количественных данных о зонной неравномерности чувствительности и ее зависимости от угла падения и расходимости потока излучения для ФП практически нет, поэтому возникает необходимость индивидуального их исследования.