( SUPERFICIES PLANAS )

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Técnicas Experimentales en Investigación Óptica
1 Fuentes de luz
2 Detección de luz
2 Detección de luz
3 Ejercicios y experimentos
F. González F. Moreno J.M. Saiz
2007-08
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Sistemas de detección de luz tipos
DETECTOR Sistema para transformar irradiancia
(IR-Vis-UV) en señal eléctrica.
Cuánticos (o fotónicos)
Térmicos
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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 hn suficiente libera
esos e- - Se genera una corriente i en el
circuito. - Si Va 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 RL - La caída de
potencial en RL nos da la medida de la irradiancia
La dependencia con hn determina que se trate
de un detector selectivo
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Fotodiodo de vacío - Célula fotoeléctrica
El más sencillo fotocátodo semicilíndrico con
ánodo en su eje (varilla). - Responde a
frecuencias de aprox. 108 Hz.
El diodo biplanar usa V más altas. - Es menos
eficiente y más rápido (1010 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 103 Hz.
Se tienen sensibilidades luminosas del orden de
50 mA/lm.
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Fotodiodo de vacío - Fotomultiplicador
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 106 - 1010 CUIDADO!
Precauciones con la luz - Optimizado puede
llegar a responder a frecuencias 108Hz. la
respuesta es rápida (ns), pero la dispersión del
pulso nos limita (20ns)
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Fotodiodo de vacío - Fotomultiplicador
La eficiencia cuántica máxima que alcanzan es
muy alta ( 0,2 - 0,3). - El umbral de
detección está en aprox. 10-15W - La respuesta
alcanza 106 A/W - Es selectivo con l ?
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)
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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(No Transcript)
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Fotoconductividad Fotorresistencia semiconductora
SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO Si Eg es suficiente
A T ambiente la BC está vacía - Fotón con
hn suficiente ? e- a BC ? h a BV - Se
genera corriente. Circuito con RL. - No se
alcanza IR, ni rojo siquiera.
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
l3mm (T amb) - También Ge dopado con Au o Hg
También SbIn TePb - Se llega a medir hasta
l del orden de la fracción de mm (refrigerando a
77K) - En general son detectores lentos. Rango
de respuesta desde 10Hz hasta 106 Hz
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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
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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-n ? p-i-n - El circuito es como los
anteriores con una RL - 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 10-4
hasta 10-9 W - Tipicamente responden en
1ns. - Con InGaAs se ha conseguido (2006) hasta
10GHz
Los detectores pin han sido los más usados en
comunicaciones
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(No Transcript)
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Curvas de sensibilidad específicas fotómetro
- Una combinación de curva de sensibilidad
adecuada y filtros puede conseguir imitar la
curva de sensibilidad espectral del ojo humano
- Según el fabricante
Environmental monitoring Industrial and
laboratory safety Industrial and residential
lighting Art and museum maintenance
Photography and film studios Clinical studies
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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.
- El control de la modulación informa de la
respuesta en frecuencias
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Curva completa de comportamiento del diodo (sin
proporción) -Avalancha en pin
Nuevo (2007) MPPC Multi-Pixel
Photon-Counter (Hamamatsu)
Es una matriz (40x40) de fotodiodos de avalancha
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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 20-100
ms Mínimo detectable 100-150 fotones en
pupila (SNR3)
Emulsión fotográfica
Cámaras CCD y CMOS
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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 DT 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 CO2, pulsos,
etc) (Usando un detector en forma de cono
metálico)
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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 Multipl
ica la sensibilidad x10.
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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
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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(l)
Eficiencia cuántica Cociente fotones
detectados / fotones incidentes
Respuesta en frecuencias frecuencia de
corte tiempo de respuesta Tiempo para alcanzar
63,2 (1-1/e) de la respuesta capacidad de
modulación
Tiempos de subida y bajada (Para
pulsos) Tiempo para alcanzar el 90 y para
bajar del máximo hasta el 10
Potencia equivalente al ruido (NEPNoise
Equivalent Power) Es la señal necesaria para
producir la misma corriente que produce el ruido
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Sistemas de detección de luz características
Mínimo detectable
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)
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
Otras Área de detección Homogeneidad espacial
de la respuesta sobre el detector Efecto de la
direccionalidad de la luz Estabilidad temporal
(fatiga)
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Ruido en la fotodetección
1.- ANTERIOR A LA DETECCIÓN Luces parásitas
? Apantallamientos, filtros, habitaciones
oscuras, Detectores encapsulados,
superficies absorbentes Fluctuaciones de la
fuente Espaciales ? Mesas antivibratorias Temp
orales ? 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
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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.
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Ruido en la fotodetección (caso
fotomultiplicadores)
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
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Ruido en la fotodetección (caso
fotomultiplicadores)
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)
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Ruido en la fotodetección (caso
fotomultiplicadores)
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)
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TRATAMIENTO DE SEÑALES
Señal débil ? Eliminación de ruido ( ?SNR )
Procesado
Amplificador de paso bajo Amplificador
síncrono Cuenta de fotones
Procesado
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
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TRATAMIENTO DE SEÑALES Efecto de RL
Medida de V en una resistencia de carga -
Fotom. ? Capacidad C ? Circuito RC - Frecuencia
de corte wc 1/RC - wc tal que IH(wc)I2
lH(0)l2 / 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.
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TRATAMIENTO DE SEÑALES
Amplificador de paso bajo - Frecuencia de
corte wc - Amplificador desde w0 hasta wwc
(controlable) 1º) wc al menos 10 veces la w del
primer armónico de la señal 2º) El ruido de
wwc ? x(1/2) el de w10wc ? x10-2
wc tan baja como se pueda satisfaciendo la 1ª
condición
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TRATAMIENTO DE SEÑALES
Amplificador síncrono - Si la eliminación de
ruido mejora al estrechar el paso de banda Dw ? ?
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TRATAMIENTO DE SEÑALES
Amplificador síncrono
- Medida del detector f(t) fs(t)
fr(t) donde fs(t) A(t) sen(wot) Señal A(t)
lenta modulada a frec wo fr(t) ? Ar(w,t)
sen(wt)dw Ruido descompuesto en frecuencias
- Función de Transferencia H(w)
f(t) ? g1(t)
Y se obtiene g1(t) gs1(t) gr1(t) donde
gs1(t) A(t) sen(wot) gr1(t)
- Posteriormente Rectificado (utilizando la
referencia) Filtro de paso bajo
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TRATAMIENTO DE SEÑALES
Amplificador síncrono
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(No Transcript)
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TRATAMIENTO DE SEÑALES
Tratamiento por cuenta de fotones

• Fotón ? Pulso Contar pulsos es detectar ? n
  (T)
• Duración de los pulsos 10-8 - 10-9 s ? wc debe
  ser alta ? RL debe ser baja
• Ej Si C 8pF, con R50? ? wc 2,5109
• Tras R se sitúa un amplificador de pulsos y un
  discriminador.
• - Después de amplificar un pulso hay un tiempo
  muerto (tm10-8s)
• Cuanto más intensa sea una señal más pulsos se
  perderán ?
• Un sistema de cuenta de fotones es sólo para
  señales débiles
• lt106 pulsos/s para una perturbación lt1
• - Es importante señalar que el muestreo en un
  intervalo T introduce una frecuencia de corte
  del orden de su inversa wc 2,78 / T

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Técnicas Experimentales en Investigación Óptica
2 Detección de luz
F. González F. Moreno J.M. Saiz
2007-08