Фотоэлектронный приемник света

 

Изобретение относится к области оптического приборостроения. Фотоэлектронный приемник света содержит коаксиальный резонатор (КР) 1, внутренний коаксиал (ВК), разделенный на части 2 и 3, фотоэлектронный умножитель 4, фотокатод 5, металлический диск (МД) 6 со сквозным отверстием, создающий емкостный зазор для пучности электрического поля, клинообразную пластину 9 из диэлектрика с приводом 10, с помощью которого она скользит по поверхности МД 6. Часть 2 ВК имеет усеченную форму и может свободно перемещаться в пазу КР 1. Повышается чувствительность за счет повышения отношения сигнал/шум путем концентрации силовых линий электрического поля в рабочей зоне фотокатода 5. 4 ил.

Изобретение относится к элементам оптического приборостроения и может применяться в качестве приемного и фазодетектирующего устройства в системах связи, оптической локации, в геодезическом приборостроении для построения высокоточных светодальномеров геодезического и специального назначения. Целью изобретения является увеличение чувствительности за счет повышения отношения сигнал/шум за счет концентрации силовых линий электрического поля в рабочей зоне фотокатода. На фиг.1 схематично показан фотоэлектронный приемник света; на фиг.2 распределение силовых линий в области фотокатода в устройстве-прототипе; на фиг. 3 то же в устройстве согласно изобретению; на фиг.4 приведены экспериментальные зависимости, полученные при наличии и отсутствии диэлектрика. Приемник света содержит полый объемный резонатор 1 с внутренним коаксиалом, разделенным на первую часть 2 и вторую часть 3, в полости которой установлен фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 4 с фотокатодом 5, контактирующий с контактным диском 6, создающим с торцовой стекой корпуса резонатора и второй частью 2 коаксиала емкостный зазор для пучности электрического поля, в которую помещается фотокатод ФЭУ. Вторая часть 2 коаксиала резонатора имеет усеченную форму и может свободно перемещаться в пазу верхнего корпуса резонатора. Плавность хода обеспечивается пружиной 7 и гайкой 8. В емкостном зазоре резонатора на пути модулированного светового потока установлена клинообразная пластина 9 из прозрачного диэлектрика (например, кристалл КДР), одной плоскостью контактирующая с частью 2 коаксиала, а другой плоскостью с контактным диском 6, имеющим конусность, равную конусности пластины из диэлектрика. Пластина снабжена приводом 10, посредством которого она перемещается (скользит) по поверхности контактного диска. СВЧ-колебания от генератора (не показан на фигурах) подается в резонатор 1 приемника через узел 11 связи, индикация резонанса осуществляется узлом 12 индикации. На выходе ФЭУ установлены усилитель 13 промежуточной частоты и регистрирующий прибор 14. Работает приемник света следующим образом. Сфокусированный амплитудно-модулированный луч частоты f_c направляется на фотокатод 5 ФЭУ 4, расположенный в пучности электрического поля объемного резонатора 1, в который поступают СВЧ-колебания частоты f_г от СВЧ-генератора через узел 11 связи. На пути светового луча в пучности электрического поля установлен прозрачный диэлектрик 9, контактирующий с частью 2 коаксиала и контактным диском 6 фотоприемника. В зависимости от параметров резонатора и диэлектрика в приемнике устанавливаются колебания резонансной частоты f_рез f_г. При воздействии на электронный поток, промодулированный частотой f_с, в катодной камере в электронном потоке появляется составляющая резонансной частоты f_г f_o регистрируемая на выходе приемника. Рассмотрим особенности приемника. Отношение сигнал/шум на выходе системы, определяющее пороговую чувствительность и точность предлагаемого приемника, имеет вид N (1) где I_с фототок, обусловленный полезным световым сигналом; I_т темновой ток; I_ф фоновый ток; Δ f полоса пропускания фотоприемника. Динодная система ФЭУ усиливает лишь часть фототока, образуемого фотокатодом I_фк cI_с (2), где коэффициент с < 1, характеризует эффективность сбора фотоэлектронов, обеспечиваемых электростатической фокусировкой ФЭУ. С учетом выражения (2) преобразуем выражение (1) N= (3) Рассмотрим факторы, влияющие на N. Величина напряжения в емкостном зазоре приемника, являющаяся величиной гетеродинного напряжения, действующего на фотокатод ФЭУ, имеет вид U²_г= (4) где Р мощность, подаваемая в резонатор; Q_н нагруженная добротность резонатора;
f_р= (5) резонансная частота приемника;
L, C_Σ индуктивность и суммарная емкость коаксиального резонатора:
C_Σ С_диэл + С_р С_диэл + С_з + С_б, (6) где С_р емкость резонатора без диэлектрика;
С_диэл емкость диэлектрика;
С_з емкость зазора между коаксиалами резонатора, не заполненная диэлектриком;
С_б емкость боковой поверхности резонатора. Как следует из формулы (4), чем выше нагруженная добротность резонатора, тем больше величина напряженности поля, действующая на фотокатод ФЭУ. При применении высокодобротного диэлектрика, например КДР (Q_КДР 2000), нагруженная добротность реального резонатора 2Q_н≃ Q_КДР и всегда выполнимо условие C_р С_диэл. Поскольку диэлектрическая проницаемость диэлектрика (ε) минимум на порядок превышает диэлектрическую проницаемость воздуха, то очевидно, что в диэлектрике (пластина 9) происходит концентрация силовых линий 15 электрического поля, действующих на рабочую зону фотокатода (фиг.3). При этом градиент электрического поля (потенциал), влияющий на фотоэмиссию, в зоне облучаемой части фотокатода (сигнальные фотоэлектроны) возрастает, а в зоне необлучаемой части (темновые фотоэлектроны) падает. Таким образом происходит увеличение I_c и уменьшение I_т в формуле (3), что приводит к увеличению N и соответственно чувствительности приемника. Дальнейшее повышение напряжения гетеродина ведет к росту чувствительности приемника. Если на фотокатод приемника принимается световой сигнал, вызывающий ток
I I_o + I_м sin (ω_мt+ϕ_c), (7) где I_о постоянная составляющая оптического потока;
I_м амплитуда переменной составляющей, то величина первой гармоники анодного тока промежуточной частоты на выходе приемника
i= I_ok(U_г)J₂(m)sin[(ω_м-ω_т)t+Ψ]
(8) где J₂(m) функция Бесселя первого рода, второго порядка;
m глубина модуляции оптического потока;
k(U_г) функция, модулирующая фототок, зависящая от периода колебаний гетеродина и его амплитуды;
η квантовый выход;
ω_г круговая частота гетеродина. Как следует из формулы (8), сигнальный анодный ток прямо пропорционален функции k(U_г). На фиг.4 показан экспериментальный график зависимости i[k(P_г)] снятый при наличии диэлектрика в зазоре резонатора (кривая 16) и при его отсутствии (кривая 17). Там же показан экстремальный график зависимости постоянной составляющей тока на выходе ФЭУ от мощности гетеродина Р_г(кривая 18). Как видно из фиг.4, сигнал разностной частоты линейно возрастает до Р_г ≈ 40 мВт. Дальнейшее увеличение мощности приводит к насыщению. Однако отношение амплитуды первой гармоники в режиме насыщения к постоянному току в случае наличия диэлектрика составляет 60% а при его отсутствии 40% Последнее свидетельствует о том, что при равных уровнях мощности гетеродина чувствительность приемника в первом случае (наличие диэлектрика) в 1,5 превышает чувствительность того же приемника без диэлектрика. Таким образом, влияние концентрации силовых линий электрического поля в диэлектрике заключается в увеличении амплитуды первой гармоники анодного тока и в соответствии с формулой (3) повышении отношения сигнал/шум N (чувствительности) приемника. Плавное перемещение диэлектрика по поверхности фотокатода ведет к изменению средней величины зазора d между частью 2 коаксиала с площадью S торцовой поверхности и контактным диском, заполненным диэлектриком, и соответственно рабочей емкости диэлектрика C_диэл= участвующего в создании градиента поля в рабочей зоне фотокатода. Очевидно, что изменение d, меняющее С_диэл, а также общую емкость pезонатора C_Σ ведет к изменению напряжения гетеродина, действующего на фотокатод (4), сигнального анодного тока (8) и соответственно чувствительности предлагаемого приемника (3).

Формула изобретения

ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИЕМНИК СВЕТА, содержащий коаксиальный резонатор с внутренним коаксиалом, разделенным на первую и вторую части, образующие емкостной зазор, причем вторая часть внутреннего коаксиала выполнена с возможностью перемещения в направлении оси резонатора и с осевым сквозным отверстием для прохождения света, фотоэлектронный умножитель, расположенный внутри первой части внутреннего коаксиала так, что его фотокатод находится в электрическом поле резонатора, и узлы связи с гетеродином и детекторной головкой, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности за счет повышения отношения сигнал/шум, на торцовой поверхности фотоэлектронного умножителя расположен металлический диск со сквозным отверстием, аксиальным отверстию второй части внутреннего коаксиала, и диаметром отверстия, не превышающим диаметр рабочей площади фотокатода, при этом плоская поверхность диска, не прилегающая к торцовой поверхности фотоэлектронного умножителя, составляет угол 20°≅ α≅ 70° с осью резонатора, а между диском и второй частью внутреннего коаксиала расположена клинообразная пластина из диэлектрика, одна из плоскостей которой прилегает к поверхности диска, а противоположная ей поверхность контактирует с второй частью коаксиала, при этом клинообразная пластина снабжена приводом для ее перемещения перпендикулярно оси резонатора в направлении конусности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 36-2000

Извещение опубликовано: 27.12.2000        

---