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Técnicas Experimentales en Investigación : Óptica F. González F. Moreno J.M. Saiz 2007-08 2 – Detección de luz 3 – Ejercicios y experimentos 1 – Fuentes.

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1 Técnicas Experimentales en Investigación : Óptica F. González F. Moreno J.M. Saiz – Detección de luz 3 – Ejercicios y experimentos 1 – Fuentes de luz 2 – Detección de luz

2 Sistemas de detección de luz: tipos · DETECTOR: Sistema para transformar irradiancia (IR-Vis-UV) en señal eléctrica. Cuánticos (o fotónicos) Térmicos Termopar y termopila Bolómetro y termistor Detector piroeléctrico Fotodiodo de vacío (célula fotoeléctrica) Fotomultiplicador Fotoconductivo (Fotorr. sc) Fotodetectores de unión pn Detector fotovoltaico Fotodiodo pn y pin Fotodiodo de avalancha Efecto fotoel. externo Efecto fotoel. interno Otros (imaging detectors) Ojo Emulsión fotográfica CCD, CMOS

3 Fotodiodo de vacío - Célula fotoeléctrica · Un fotocátodo se recubre de material con e - externos poco ligados. - Cátodo y ánodo están en vacío (en una ampolla de vidrio o cuarzo) - La llegada de fotones con [ h ] suficiente libera esos e - - Se genera una corriente i en el circuito. - Si V a es suficiente todos los e- son recogidos en el ánodo (saturación) - En saturación: i I - Se hace pasar esa corriente por una resistencia de carga R L - La caída de potencial en R L nos da la medida de la irradiancia + - RLRL VaVa I VaVa i I3I3 I2I2 I1I1 · La dependencia con [h ] determina que se trate de un detector selectivo

4 Fotodiodo de vacío - Célula fotoeléctrica · El más sencillo: fotocátodo semicilíndrico con ánodo en su eje (varilla). - Responde a frecuencias de aprox Hz. · El diodo biplanar usa V más altas. - Es menos eficiente y más rápido ( Hz ) · El diodo se puede llenar de gas que se ioniza al paso de los e -. Se mejora la sensibilidad x10 y se pierde rapidez hasta aprox 10 3 Hz · Se tienen sensibilidades luminosas del orden de 50 A/lm.

5 · Similar a un fotodiodo, con una amplificación interna de la corriente. - También trabaja en régimen de saturación - Las etapas intermedias (aprox. 10 dínodos) liberan varios e - al recibir un e -. - Unos 100 volt/dínodo El conjunto suele superar el KV (fuente alta tensión) - La ganancia es alta [ ] [¡CUIDADO!: Precauciones con la luz] - Optimizado puede llegar a responder a frecuencias 10 8 Hz. [la respuesta es rápida ( ~ns ), pero la dispersión del pulso nos limita ( ~20ns ) ] Fotodiodo de vacío - Fotomultiplicador

6 · La eficiencia cuántica máxima que alcanzan es muy alta ( ~ 0,2 - 0,3 ). - El umbral de detección está en aprox W - La respuesta alcanza 10 6 A/W - Es selectivo con Respuesta en forma de curva - La curva de eficiencia depende del material del fotocátodo) Con un cátodo de Ag o de Cs presenta buena respuesta en el UV + Vis - La detección en zonas de IR próximo requiere refrigeracion (agua Peltier) Fotodiodo de vacío - Fotomultiplicador · La fatiga es muy importante en estos detectores - Hacen falta minutos (a veces horas) para estabilizar la respuesta. - Para intensidades de luz más altas el tiempo de estabilización es ambién mayor. · Volveremos a hablar de ello al hablar del ruido de detección

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8 Fotoconductividad: Fotorresistencia semiconductora · SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO: Si E g es suficiente : A T ambiente la BC está vacía - Fotón con [h ] suficiente e - a BC h + a BV - Se genera corriente. Circuito con R L. - No se alcanza IR, ni rojo siquiera. + - RLRL SC VRLVRL [Irrad] R SC V R L · SEMICONDUCTOR DOPADO: Se introducen niveles en el gap donores (n) o aceptores (p) - Problema: A T ambiente se producen e - en BC y h + en BV ; Solución: Refrigerar - Cuanto más IR se mide más pequeño kT más refrigerar - Con Sulfuro de Pb o Sulfuro de Cd refrigerado se mide hasta =3 m ( T amb) - También: Ge dopado con Au o Hg ; También SbIn; TePb - Se llega a medir hasta del orden de la fracción de mm (refrigerando a 77K) - En general son detectores lentos. Rango de respuesta desde 10Hz hasta 10 6 Hz

9 Detector de unión p-n : 1º) Detector fotovoltaico · Unión: Concentración de e - y h + a los lados - Sin aplicar campo externo hay un campo en la zona de recombinación. - La irradiancia externa sobre la unión produce pares e - h + en esa zona. Esas cargas circulan debido al campo Corriente [EFECTO FOTOVOLTAICO] Los campos producidos por la luz en esta configuración son de ~0,5V - Suelen ser de Si o de Se - Si es muy eficiente (células solares) - Se trata de una configuración bastante lenta, aunque el AsGa es más rápido

10 Detector de unión p-n : 2º) Fotodiodo pn y pin · La unión se coloca en un circuito en modo inverso [ El V es desde unos pocos v hasta 50 v ] - La zona de recombinación se ensancha - Es la zona de recombinación en la que se genera corriente al llegar la luz - Se puede ensanchar aún más introduciendo un sc intrínseco en medio p-np-i-n - El circuito es como los anteriores: con una R L - Estos detectores son bastante rápidos - La sensibilidad está en aprox 10nW. - La respuesta es de 0,6 A/W (aprox 1mA/lm ) - La respuesta es lineal desde hasta W - Tipicamente responden en 1ns. - Con InGaAs se ha conseguido (2006) hasta 10GHz pn + - pn + - i + - RLRL n VRLVRL p · Los detectores pin han sido los más usados en comunicaciones

11 · Detector fotovoltaico frente a fotodiodo · Respuesta espectral

12 · Environmental monitoring · Industrial and laboratory safety · Industrial and residential lighting · Art and museum maintenance · Photography and film studios · Clinical studies - Una combinación de curva de sensibilidad adecuada y filtros puede conseguir imitar la curva de sensibilidad espectral del ojo humano PMA 2130 Photopic Detector · Curvas de sensibilidad específicas: fotómetro - Según el fabricante…

13 Detector de unión p-n : 3º) Fotodiodo de avalancha (APD) · Son fotodiodos en polarización inversa muy intensa - Se aplican potenciales típicos del orden de 150 v - Los e - se aceleran tanto que producen emisión secundaria de e - de la capa n - Ese efecto de multiplicación produce altas corrientes rápidos y sensibles - La eficiencia cuántica puede alcanzar el 90% - Respuesta de hasta 100A/W - Pero también son muy ruidosos y sensibles a la T. pn + - i + - RLRL n VRLVRL p i · Linealidad de la respuesta: - Si R pin i I - Pero si R pin ~R L i I - Introducimos una señal luminosa lineal: I t - El control de la modulación informa de la respuesta en frecuencias VRLVRL t Mal VRLVRL t Bien

14 Nuevo (2007): MPPC Multi-Pixel Photon-Counter (Hamamatsu) Es una matriz (40x40) de fotodiodos de avalancha · Curva completa de comportamiento del diodo (sin proporción) -Avalancha en pin:

15 Detectores de imagen : ojo, fotografía, CCD, CMOS · Ojo - Hay distintos fotorreceptores: Máxima eficiencia cuántica:3% (fotópica) 10% (escotópica) Pigmento visual: Rodopsina (bajo ruido térmico) Tiempo de respuesta: ms Mínimo detectable: fotones en pupila (SNR=3) · Emulsión fotográfica · Cámaras CCD y CMOS

16 Detectores térmicos : Termopar y termopila detectores · Termopar : unión de dos metales que crean un V(T) permanente - El detector es una pequeña pieza ennegrecida conectada a un termopar - Se coloca otro termopar en serie con el primero pero opuesto - El 2º termopar esta apantallado (no le llega radiación). Se llama Unión fría, mientras que el 1º se denomina unión caliente. - En ausencia de luz ambos se compensan para cualquier temperatura (así se consigue que las variaciones de T no produzcan V(T) ) - Al recibir radiación el 1º (y el 2º no) se crea un T entre termopares y un V neto. - Son detectores lentos (apenas unos Hz), pero de gran rango espectral · Termopila detectora: Muchas uniones frías y calientes en serie - Las uniones calientes están conectadas a una única placa detectora - Es más sensible y también más lenta que el termopar detector - Tienen un uso importante: Medidas de alta potencia (láseres CO 2, pulsos, etc) (Usando un detector en forma de cono metálico)

17 Detectores térmicos : Bolómetro · Material cuya resistencia depende de la temperatura. - No genera V, así que debe estar alimentado en un circuito - Se coloca en un puente, con otras R de referencia. - Se consigue que la salida sea muy lineal con la irradiancia - El Termistor: bolómetro que usa como material receptor un semiconductor Multiplica la sensibilidad x10.

18 Detectores térmicos : Detector piroeléctrico · El material receptor es un material piroeléctrico (cristal o plástico enfriado) - Estos materiales producen un cambio de polarización eléctrica al calentarse - El cambio de polarización crea una corriente de desplazamiento. - Realmente es sensible a cambios en la irradiancia - Se utiliza para fuentes intensas pulsadas, moduladas, chopping

19 Detectores: Caracterización · Respuesta (Responsivity) Señal que produce el detector por unidad de potencia de luz incidente A/W (mA/mW …) ; V/W (mV/mW) · Respuesta espectral: Es la expresión correcta de la respuesta como f( ) · Respuesta en frecuencias frecuencia de corte tiempo de respuesta: Tiempo para alcanzar 63,2% (1-1/e) de la respuesta capacidad de modulación · Potencia equivalente al ruido (NEP=Noise Equivalent Power): Es la señal necesaria para producir la misma corriente que produce el ruido · Eficiencia cuántica: Cociente fotones detectados / fotones incidentes · Tiempos de subida y bajada (Para pulsos): Tiempo para alcanzar el 90% y para bajar del máximo hasta el 10%

20 · Mínimo detectable · Otras: Área de detección Homogeneidad espacial de la respuesta sobre el detector Efecto de la direccionalidad de la luz Estabilidad temporal (fatiga) … · Linealidad: Se suele especificar para el rango dinámico. Termina con la saturación. Muy alta en los PIN: Ej: Una falta de linealidad del 5% sobre 8 órdenes de magnitud · Rango dinámico: Intervalo de potencias incidentes que se detectan en buenas condiciones Con frecuencia el final del rango dinámico es un régimen de saturación Suele indicarse un nivel superior de irradiancia que deteriora el detector (rotura) Sistemas de detección de luz: características

21 1.- ANTERIOR A LA DETECCIÓN · Luces parásitas Apantallamientos, filtros, habitaciones oscuras, Detectores encapsulados, superficies absorbentes… · Fluctuaciones de la fuente Espaciales Mesas antivibratorias Temporales Estabilización de T y de V · Perturbaciones del medio sobre la señal Polvo atravesando el haz Tubos, Flujo de aire laminar Dilataciones y vibraciones del medio estudiado Termostatización Otros, específicos de cada experimento Pruebas a la instalación Ruido en la fotodetección

22 Ruido en la fotodetección (caso: fotomultiplicadores) 2.- RUIDO EN LA CONVERSIÓN A CORRIENTE ELÉCTRICA · Ruido cuántico: Detección Fotón Pulso Haz continuo I En un intervalo T, valor de n irregular · Ruido de multiplicación La emisión secundaria fluctúa Fotones iguales Pulsos diferentes · Ruido Johnson Fluctuaciones térmicas en el propio circuito del fotomult. Proceso Poissoniano:

23 3.- RUIDO DE OSCURIDAD[ Detección en ausencia de luz ] · Térmico: Emisión térmica por fotocátodo y dinodos Refrigeración · No Térmico: Emisión por radioisótopos en los materiales Radiación cósmica Ruido en la fotodetección (caso: fotomultiplicadores)

24 4.- CAMPOS EXTERNOS · Desvían los e - entre dínodos · La radiofrecuencia ambiente es captada por todos los conductores · Hacen necesario el uso de apantallamientos eléctricos y magnéticos 5.- POST-PULSOS [ Pulsos generados como un eco de un pulso verdadero ] · Un e - puede ionizar un átomo, el ión golpear el cátodo y despedir nuevos e - · En el ánodo se pueden generar rayos X que a su vez generan e - en el cátodo. Modifican la linealidad del detector Discriminador 6.- DERIVAS EN EL FOTOMULTIPLICADOR · Variaciones de T cambian la sensibilidad del fotocátodo · Oscilaciones en el V de alimentación de la fuente cambian el ñ observado · IMPORTANTE: Fatiga del fotomultiplicador (pérdida de eficiencia del fotocátodo) Hay que esperar hasta que se estabilice (minutos – horas) Ruido en la fotodetección (caso: fotomultiplicadores)

25 7.- RUIDO ORIGINADO POR EL TRATAMIENTO DE LA SEÑAL · Se trata de ruido posterior al proceso de detección · Ej: Fluctuaciones en la ganancia de los amplificadores, ruido de los amplif. · Ej. Ruido en el proceso de procesado de la señal · PERO el tratamiento de la señal también puede reducir ruido (el cuántico y el de multiplicación)

26 TRATAMIENTO DE SEÑALES · Señal débil Eliminación de ruido ( SNR ) + Procesado · Procesado Amplificador de paso bajo Amplificador síncrono Cuenta de fotones · Señal: f(t) · Su Transformada de Fourier: F(w) = TF[ f(t) ] · La señal procesada: f(t) g(t) Y a su vez: G(w) = TF[ g(t) ] · H(w) Función de transferencia del dispositivo que trata la señal Entonces: G(w) = F(w) H(w) · Señal procesada:

27 TRATAMIENTO DE SEÑALES : Efecto de R L · Medida de V en una resistencia de carga : - Fotom. Capacidad C Circuito RC - Frecuencia de corte: w c = 1/RC - w c tal que I H ( w c ) I 2 = l H(0) l 2 / 2 (ancho de banda) - Esto YA ES parte del procesado · h(t) y H(w) se pueden expresar: · Al añadir una etapa amplificadora posterior el sistema se comportará como un amplificador de paso bajo. Tubo Fotomultiplicador RLRL Ejemplo

28 TRATAMIENTO DE SEÑALES · Amplificador de paso bajo: - Frecuencia de corte: w c - Amplificador desde w=0 hasta w=w c (controlable) 1º) w c al menos 10 veces la w del primer armónico de la señal 2º) El ruido de w=w c x(1/2); el de w=10w c x10 -2 w c tan baja como se pueda satisfaciendo la 1ª condición

29 TRATAMIENTO DE SEÑALES · Amplificador síncrono - Si la eliminación de ruido mejora al estrechar el paso de banda… w 1º) Modulamos la señal con una frecuencia w o (chopper, AO, Kerr, fuente LED…) 2º) El modulador genera una señal de REF a frecuencia w o que va al LOCK-IN 3º) La señal de salida del detector también va al LOCK-IN 4º) El LOCK-IN amplifica la señal en un entorno w alrededor de w o. - Ejemplo de montaje experimental:

30 TRATAMIENTO DE SEÑALES · Amplificador síncrono - Medida del detector : f(t) = f s (t) + f r (t) donde: f s (t) = A(t) sen(w o t) Señal A(t) [lenta] modulada a frec w o f r (t) = A r (w,t) sen(wt)dw Ruido descompuesto en frecuencias - Función de Transferencia H(w) : 1 0 wowo w o Y se obtiene: g 1 (t)= g s1 (t) + g r1 (t) donde: g s1 (t) = A(t) sen(w o t) g r1 (t) = f(t) g 1 (t) - Posteriormente: Rectificado (utilizando la referencia) + Filtro de paso bajo =

31 TRATAMIENTO DE SEÑALES · Amplificador síncrono

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33 TRATAMIENTO DE SEÑALES · Tratamiento por cuenta de fotones - Fotón Pulso :Contar pulsos es detectar n (T) - Duración de los pulsos s w c debe ser alta R L debe ser baja Ej: Si C = 8pF, con R=50 w c = 2,5· Tras R se sitúa un amplificador de pulsos y un discriminador. - Después de amplificar un pulso hay un tiempo muerto ( m ~10 -8 s ) Cuanto más intensa sea una señal más pulsos se perderán Un sistema de cuenta de fotones es sólo para señales débiles [ <10 6 pulsos/s para una perturbación <1% ] - Es importante señalar que el muestreo en un intervalo T introduce una frecuencia de corte del orden de su inversa: w c = 2,78 / T

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