Способ измерения параметров однофотонных источников излучения инфракрасного диапазона

Изобретение относиться к области измерения параметров слабых потоков излучения и касается способа измерения параметров однофотонных источников излучения. Параметры источника излучения измеряются с помощью однофотонного сверхпроводникового детектора. Для осуществления способа измеряют среднее число отсчетов и количество темновых срабатываний детектора. Количество зарегистрированных фотонов определяют как разность среднего числа отсчетов и количества темновых срабатываний. Мощность излучения определяют как произведение количества зарегистрированных фотонов на энергию фотона, деленное на квантовую эффективность приемника излучения. Технический результат заключается в увеличении точности измерений и обеспечении возможности измерения малых величин мощности излучения. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способам измерения параметров слабых потоков излучения в диапазоне частот от видимого света до ближнего инфракрасного, например для измерения мощности лазеров на квантовых точках. Изобретение может применяться как при проведении научных исследований, так и для сертификации изделий и продукции наноэлектроники и нанофотоники.

Известен тепловой способ измерения энергетических параметров лазерного излучения, основанный на использовании в качестве приемника излучения слоя жидкости со свободной поверхностью на поглощающей излучение нетеплопроводной подложке (Пат. РФ 2178155, МПК⁷ G01J 1/00, публ. 09.04.2001). Поглощаемая мощность лазерного пучка приводит к развитию в жидкости термокапиллярного конвективного вихря, что вызывает появление интерференционной картины и по эволюции диаметра этой картины определяют мощность излучения. Основным недостатком предлагаемого способа является недостаточная чувствительность, т.е. невозможность измерить малые мощности излучения порядка мкВт.

Также известен способ определения потока электромагнитного излучения в спектральном интервале от оптического до миллиметрового (пат. РФ 2065141, МПК⁶ G01J 5/20, публ. 10.08.1996), основанный на преобразовании энергии электромагнитного излучения в тепловую приемным элементом, имеющим переход из резистивного состояния в сверхпроводящее. Способ заключается в воздействии на приемный элемент потоком электромагнитного излучения и определении величины этого потока по изменению параметра приемного элемента благодаря тому, что предварительно определяют эталонную зависимость интервала времени достижения приемным элементом критической температуры при воздействии на него потоком эталонного электромагнитного излучения ИК диапазона, затем измеряют интервал времени достижения приемным элементом критической температуры при воздействии на него определяемого потока электромагнитного излучения, по которому с помощью эталонной зависимости определяют величину потока. Предложенный способ, как заявляют авторы, дает возможность практически абсолютного определения электромагнитного излучения, но при этом не позволяет определить мощность полученного излучения, особенно это касается излучения сверхмалых величин мощности порядка мкВт и меньше.

Для регистрации слабого электромагнитного излучения, в том числе ИК диапазона, и измерения сверхмалых величин мощности такого излучения используют сверхпроводниковые однофотонные детекторы. Известны однофотонные детекторы, в которых чувствительный элемент выполнен в виде тонкой сверхпроводящей полоски различной топологии (пат. РФ 2346357, МПК H01L 39/02, публ. 10.02.2009, пат. США 6812464, МПК G01J 1/02, H01L 39/00, публ. 02.11.2004). Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому способу измерения параметров является способ обнаружения фотонов на основе сверхпроводникового однофотонного детектора (пат. США 7049593, МПК H01L 39/00, G01J 1/42, публ. 23.05.2006). В известном патенте заявлен сверхпроводниковый однофотонный детектор с временным разрешением и хорошей квантовой эффективностью и способ регистрации фотонов с длинами волн от видимой до дальней ИК области спектра на основе этого разработанного детектора.

Способ прототип обнаружения падающего от источника излучения фотона включает следующие этапы. Сверхпроводящую полоску поддерживают при температуре ниже ее критической, подают электрическое смещение на уровне чуть ниже критического тока для данной сверхпроводящей полоски, что позволяет повысить чувствительность детектора, и постоянно поддерживают ее в сверхпроводящем состоянии. При поглощении фотона в небольшой области полоски сверхпроводимость подавляется и появляется «горячее пятно», при этом происходит перераспределение тока и его плотность превышает критическую. Т.к. полоска очень узкая, «горячее пятно» перекрывает сечение полоски и возникает резистивная область, что сопровождается импульсом напряжения. В течение небольшого времени «горячее пятно» исчезает, сверхпроводимость восстанавливается, и детектор вновь готов к регистрации очередного фотона. Возникающие выходные импульсы напряжения усиливают, записывают и подают на систему сбора и обработки данных, в итоге получают информацию о наличие и количестве принятых детектором фотонов.

Основным недостатком способа прототипа является невозможность получить количественную оценку принятой от источника величины излучения, т.е. определить мощность.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа измерения с достаточной точностью параметров однофотонных источников излучения инфракрасного диапазона спектра, причем в первую очередь разработка способа измерения малых мощностей излучения до уровня 10^-12 - 10^-8 Вт в диапазоне длин волн 800-1600 нм.

Технический результат в предлагаемом способе измерения параметров однофотонных источников излучения, как и в способе прототипе, основанном на использовании в качестве чувствительного элемента однофотонного сверхпроводникового детектора, достигается за счет того, что измеряют количество фотонов, зарегистрированных за определенный промежуток времени. В качестве чувствительного элемента используют однофотонный детектор на основе сверхпроводниковых наноструктур на основе тонкой (4 нм) сверхпроводящей пленки NbN на сапфировой подложке. Такой детектор обладает высокой чувствительностью и малым уровнем темновых отсчетов, т.е. количеством ложных срабатываний в единицу времени (квантовая эффективность 30%, уровень темновых отсчетов 0,01 с^-1). Кроме того, детектор является широкополосным, его чувствительность остается постоянной в диапазоне частот от видимого света до ближнего инфракрасного (ИК).

Новым в разработанном способе измерения параметров является то, что определяют мощность Р однофотонного источника излучения как

$$P=\frac{N_c-N_T}{\eta }hv,\text{ (1)}$$

где N_c - среднее число отсчетов сверхпроводникового детектора в единицу времени, N_T - число темновых срабатываний детектора, hv - энергия фотона, η -рассчитанная квантовая эффективность однофотонного сверхпроводникового детектора, для получения которой предварительно калибруют установку для измерений.

В частном случае реализации разработанного способа целесообразно использовать в качестве чувствительного элемента однофотонный сверхпроводниковый детектор, содержащий подложку, контактные площадки, размещенные на подложке, выполненную из пленки сверхпроводника полоску, расположенную на подложке между контактными площадками, толщину полоски выбрать порядка длины когерентности, а ширину полоски - меньше глубины проникновения магнитного поля, при этом полоску изготавливают в форме меандра, заполняющего площадь 10 мкм × 10 мкм со скважностью 60%.

Таким образом, технический результат, обеспечиваемый разработанным способом измерения параметров однофотонных источников излучения, заключающийся в возможности измерять малые величины мощности излучения с высокой точностью, обеспечивается за счет измерения количества фотонов, зарегистрированных за определенный промежуток времени и определения мощности излучения как произведения количества зарегистрированных фотонов на энергию фотона.

Разработанный способ поясняется следующими фигурами:

На фиг.1 представлена схема измерения мощности калибровочного источника излучения.

На фиг.2 представлена схема калибровка первого аттенюатора с фиксированным ослаблением.

На фиг.3 представлена схема калибровки второго перестраиваемого оптического аттенюатора и повторного измерения мощности калибровочного источника излучения.

На фиг.4 представлена схема для измерения квантовой эффективности η сверхпроводникового однофотонного детектора.

На фиг.5 представлена схема для измерения мощности исследуемого источника излучения.

На фиг.6 представлено изображение сверхпроводящей полоски однофотонного детектора, используемого в качестве чувствительного элемента согласно п.2 формулы, полученное с помощью растрового электронного микроскопа.

Разработанный способ измерения параметров однофотонных источников излучения реализуется следующим образом. Вначале каждой серии измерений мощности исследуемого однофотонного источника излучения для повышения точности измерений проводят калибровку установки, включающую измерение мощности известного источника излучения, калибровку первого и второго оптических аттенюаторов. После чего определяют квантовую эффективность η чувствительного элемента измерительной установки. На основе полученных предварительно данных измеряют мощность излучения исследуемого однофотонного источника излучения и определяют относительную погрешность измерений мощности.

Согласно схеме, представленной на фиг.1, производят измерение мощности калибровочного источника излучения - лазерного диода 1, к которому подключен источник питания 2. Диод 1 укрепляют на входе оптоволоконного шнура 3, выход которого подключают ко входу оптического измерителя мощности 4 и измеряют мощность диода 1. Затем между оптоволоконным шнуром 3 и измерителем мощности 4 включают первый калибруемый аттенюатор 5 с фиксированной величиной ослабления и оптоволоконный шнур 6 (фиг.2).

Коэффициент ослабления К (в разах) первого аттенюатора 5 с фиксированным ослаблением находят по формуле:

$$K=\frac{I_1-I_{01}}{I_2-I_{02}}\text{ (2a)}$$

где I₁, I₂ - мощности на выходе оптического измерителя мощности 4 при включенном диоде 1 без аттенюатора 5 (все величины с индексом "1") и с аттенюатором 5 (величины с индексом "2"), I₀₁, I₀₂ - мощности на выходе оптического измерителя мощности 4 при выключенном калибровочном диоде 1.

По схеме, представленной на фиг.3, калибруют второй перестраиваемый аттенюатор 7 аналогично первому аттенюатору 5. Для этого лазерный диод 1 с подключенным источником питания 2 укрепляют на входе оптоволоконного шнура 3, далее подсоединяют второй калибруемый аттенюатор 7. Выход аттенюатора 7 с помощью оптоволоконного шнура 6 подключают ко входу измерителя мощности излучения 4. Для второго аттенюатора 7 находят коэффициент ослабления К по формуле:

$$K=\frac{I_1-I_{01}}{I_2-I_{02}}\text{ (2б)}$$

где I₁, I₂ - мощности на выходе оптического измерителя мощности 4 при включенном диоде 1 без аттенюатора 7 (все величины с индексом "1") и с аттенюатором 7 (величины с индексом "2"), I₀₁, I₀₂ - мощности на выходе оптического измерителя мощности 4 при выключенном калибровочном диоде 1.

После измерений мощности оптоволоконный шнур 3, второй оптический аттенюатор 7 и оптоволоконный шнур 6 от диода 1 не отсоединяют. В случае отсоединения процедуру измерения мощности калибровочного лазерного диода 1 повторяют снова.

В конкретном примере реализации в качестве лазерного диода 1 использовался диод Furukawa Electric FOL15DCWB-A82-19270-B с длиной волны 1,55 мкм, источником питания 2 светодиода служил прецизионный источник тока Keithley 224, а оптическим измерителем мощности 4, например Newport 918D-IR. В качестве оптоволоконного шнура 3 и 6 использовался одномодовый оптоволоконный кабель РС-SM-FC 9/125. В качестве аттенюатора 5 с фиксированным ослаблением использовался аттенюатор типа ThorLabs FAxxT (где "хх" - номинал ослабления в дБ: 05, 10, 15, 25 и т.д.) с выбранной величиной ослабления. Второй оптический аттенюатор 7 - это, например, перестраиваемый оптический аттенюатор ThorLabs V0A50-APC с ослаблением от 0 до 50 дБ.

По схеме, представленной на фиг.4, проводят измерение квантовой эффективности η сверхпроводникового однофотонного детектора 8. Для калибровки однофотонного детектора 8 измеряется квантовая эффективность η, приведенная ко входу оптоволоконного шнура 9, соединяющего сверхпроводниковый детектор 8 с разъемом на корпусе криогенной вставки 10. К «связке» источник питания 2, лазерный диод 1, оптоволоконный шнур 3, второй оптический аттенюатор 7 и оптоволоконный шнур 6 подсоединяют откалиброванный ранее первый аттенюатор 5 и оптоволоконный шнур 11. При этом излучение лазерного диода 1 ослабляется оптическими аттенюаторами 5 и 7, точные величины ослабления К которых предварительно измерены по формулам 2а и 26.

Квантовая эффективность определяется как отношение числа зарегистрированных фотонов к числу фотонов, попавших на вход оптоволоконного шнура 9. Среднее число отсчетов сверхпроводникового детектора в единицу времени N_C равно сумме числа фотоотсчетов, зарегистрированных детектором 8 в единицу времени и числа темновых срабатываний N_T, т.е. спонтанных срабатываний детектора 8, когда на него не подается излучение. Тогда квантовая эффективность однофотонного детектора 8 будет равна

$$\eta =\frac{N_C-N_T}{N_{inc}},\text{ (3)}$$

где N_c - среднее число возникших электрических импульсов в единицу времени (среднее число отсчетов сверхпроводникового детектора), N_T - число темновых срабатываний детектора, N_inc - число фотонов на входе оптоволоконного шнура 9.

Зная мощность калибровочного диода 1, число фотонов на входе оптоволоконного шнура 9 находят по формуле:

$$N_{inc}=\frac{I\lambda }{Khc},\text{ (4)}$$

где I- измеренная мощность калибровочного диода 1, λ - длина волны лазерного диода 1, К - суммарный коэффициент ослабления аттенюаторов 5 и 7 (в разах), h -постоянная Планка, с - скорость света в вакууме.

Измерение квантовой эффективности выполняют следующим образом. Криогенную вставку 10 с установленным в нее однофотонным детектором 8 медленно погружают в сосуд Дьюара 12 с жидким гелием. Присоединяют блок управления 13 при помощи соответствующего кабеля к разъему на криогенной вставке 10. Включают блок управления 13 и при помощи регуляторов «плавно» и «точно» подают ток на детектор 8, выставляя необходимое значение тока. Включают калибровочный диод 1 и с помощью подстраиваемых оптических аттенюаторов 5 и 7 ослабляют излучение лазерного диода 1 до необходимого. С помощью счетчика-частотомера 14 измеряют количество N_C импульсов напряжения детектора 8. С помощью осциллографа 15 отслеживают возникающие на детекторе 8 импульсы и контролируют наличие или отсутствие помех, отраженных импульсов, т.е. паразитных факторов. На этой же установке при выключенном источнике излучения - калибровочном диоде 1 измеряют число темновых срабатываний N_T детектора 8. На основе полученных данных вычисляют квантовую эффективность по формуле (3). Измерения повторяют многократно и определяют среднее значение измеряемой величины квантовой эффективности сверхпроводникового однофотонного детектора 8.

На практике для определения квантовой эффективности детектор размещается внутри криогенной вставки 10 собственного изготовления, опускаемой в стандартный транспортный сосуд Дьюара СТГ-40, блок управления 13 содержит адаптер смещения bias-T Mini Circuits ZFBT-4R2GW и высокочастотные усилители Mini Circuits ZFL-1000LN. Измерение возникающих на детекторе 8 импульсов напряжения выполнялось с помощью счетчика-частотомера 14 типа 53131А (225 MHz) фирмы Agilent Technologies, в качестве осциллографа 15 использовался AKTAKOM/IWATSU АСК-7404.

Определение мощности однофотонных источников излучения выполняют с помощью установки, представленной на фиг.5. Исследуемый однофотонный источник излучения 16 подключается к оптическому входу криогенной вставки 10 с помощью оптоволоконного шнура 11. Измерение числа электрических импульсов однофотонного детектора 8 при попадании на него излучения от исследуемого источника инфракрасного излучения 16 производится вышеописанным способом (измерение квантовой эффективности). Мощность излучения однофотонного источника определяют по формуле:

$$P=\frac{N_c-N_T}{\eta }hv,\text{ (1)}$$

где N_C - среднее число отсчетов сверхпроводникового детектора 8 в единицу времени, N_T - число темновых срабатываний детектора 8, hv - энергия фотона, η - рассчитанная квантовая эффективность однофотонного сверхпроводникового детектора 8, для получения которой предварительно калибруют установку для измерений.

В заключении определяют относительную погрешность измерений мощности ΔР/Р по формуле:

$$\frac{\Delta P}{P}=\sqrt{\frac{1}{n_{отс}\tau }}+\frac{\Delta \lambda }{\lambda }+\frac{\Delta \eta }{\eta }+{\alpha }_{сч},\text{ (5)}$$

где n_отс=N_C-N_T, τ - время измерения, Δλ/λ - относительная погрешность измерения длины волны исследуемого источника 16, Δη/η -относительная погрешность измерения квантовой эффективности, α_сч=Δn_отс/n_отс - относительная погрешность счетчика-частотомера 14.

При проверке работоспособности предложенного способа в качестве исследуемого однофотонного источника излучения использовался стандартный лазер марки PLS-1500/9 с длиной волны 1, 56 мкм. При измеренном среднем числе отсчетов в единицу времени N_C=10⁸ Гц, квантовой эффективности η=0,2, величина мощности получается Р=6,6 10^-12 Вт.

Пределы допускаемой относительной погрешности измерений мощности ΔP/P в предложенном способе определяется точностью используемого для калибровки сверхпроводникового детектора 8 оптического измерителя мощности и составила ±4%.

1. Способ измерения параметров однофотонного источника излучения инфракрасного диапазона, основанный на использовании в качестве чувствительного элемента однофотонного сверхпроводникового детектора, с помощью которого измеряют количество фотонов, зарегистрированных за определенный промежуток времени, отличающийся тем, что определяют мощность Р однофотонного источника излучения как
,
где N_C - среднее число отсчетов сверхпроводникового детектора в единицу времени, N_T - число темновых срабатываний детектора, hv - энергия фотона, η - рассчитанная квантовая эффективность однофотонного сверхпроводникового детектора, для получения которой предварительно калибруют установку для измерений.

2. Способ измерения параметров однофотонного источника излучения по п.1, отличающийся тем, что используют однофотонный сверхпроводниковый детектор, содержащий подложку, контактные площадки, размещенные на подложке, выполненную из пленки сверхпроводника полоску, расположенную на подложке между контактными площадками, толщину полоски выбирают порядка длины когерентности, а ширину полоски - меньше глубины проникновения магнитного поля, при этом полоску изготавливают в форме меандра, заполняющего площадь 10 мкм×10 мкм со скважностью 60%.