Читать книгу Detekcja sygnałów optycznych - Zbigniew Bielecki - Страница 5

Większość informacji, jakie uzyskujemy w otaczającym nas świecie, dociera do naszej świadomości przez organy słuchu i wzroku. Wrażenia wzrokowe są nierozłącznie związane z działaniem promieniowania elektromagnetycznego zakresu widzialnego na siatkówkę oka. Promieniowanie elektromagnetyczne jest więc wszechobecne, a współczesny rozwój różnych form zobrazowania informacji – techniki laserowej, światłowodowej, telekomunikacji, opto­elektroniki, Internetu, jest wynikiem właśnie istnienia tych fal i ich stosowania do przekazania informacji. Obecnie jesteśmy świadkami wprowadzania nowych technik stanowiących podstawę kształtowania się „społeczeństwa informacyjnego”. Podstawą rozwoju tych technik są zjawiska generacji i detekcji promieniowania elektromagnetycznego.

W książce tej przedstawiamy zagadnienia detekcji promieniowania optycznego z punktu widzenia zasad działania różnych typów detektorów; również omawiamy elektroniczne układy detekcyjne. Przez promieniowanie optyczne rozumiemy zakres promieniowania nadfioletowego, widzialnego i podczerwonego. Staraliśmy się uwzględnić także najnowsze osiągnięcia światowe w tym zakresie; mamy więc nadzieję, że książka spełnia funkcję zarówno podręcznika, jak i monografii.

Najnowsze osiągnięcia technologii półprzewodnikowej początku XXI wieku są związane z:

 ● rozwojem technik epitaksjalnych, za pomocą których można kontrolować wzrost warstw półprzewodnikowych na poziomie pojedynczej warstwy atomowej; umożliwia to otrzymanie optymalnie zaprojektowanych struktur przyrządów półprzewodnikowych;

 ● wykorzystaniem kwantowych efektów rozmiarowych (dzięki temu pojawiły się detektory promieniowania podczerwonego z półprzewodników o szerokich przerwach energetycznych, np. AlGaAs i GaAs; supersieci z InAs/GaSb, czy też kropek kwantowych);

 ● rozwojem mikromechaniki krzemowej, co w połączeniu z rozwojem procesorów krzemowych stworzyło warunki do opanowania technologii dobrej jakości krzemowych monolitycznych matryc detektorów;

 ● opracowaniem nowej generacji przyrządów terahercowych, co przyczyniło się do znacznego poszerzenia zakresu zastosowań w różnych dziedzinach ludzkiej aktywności (np. w bezpieczeństwie; w detekcji różnych składników biologicznych, narkotyków, środków wybuchowych, w zobrazowaniu).

 ● odkryciem grafenu i pochodnych materiałów dwuwymiarowych jako nowej generacji materiałów dla przyrządów fotonicznych.

Te nowe możliwości technologiczne spowodowały pojawienie się nowej jakościowo generacji detektorów fotonowych i termicznych. Wśród detektorów fotonowych coraz większą rolę odgrywają detektory półprzewodnikowe, w których procesy absorpcji i generacji promieniowania są znacznie zmodyfikowane wpływem kwantowych efektów rozmiarowych. Z kolei zastosowanie mikromechaniki krzemowej spowodowało gwałtowny rozwój detektorów termicznych pracujących w pokojowej temperaturze. Intensywny rozwój systemów terahercowych, w tym detektorów i nowych źródeł promieniowania o wyższych mocach, wpłynął kreatywnie na innowacyjne zastosowania i wytworzenie nowych narzędzi badań w obszarach fizyki. Z kolei unikalne właściwości optoelektroniczne grafenu i pochodnych materiałów dwuwymiarowych spowodowały pojawienie się nowych przyrządów fotonicznych, takich jak: szybkie fotodetektory, transparentne elektrody w displejach i modułach fotowoltaicznych, modulatory optyczne, przyrządy plazmoniczne, czy też ultraszybkie lasery. Te nowe kierunki rozwoju detektorów staraliśmy się w książce wyraźnie podkreślić. Na ile się nam to udało, ocenią Czytelnicy.

Książka jest adresowana do Czytelników znających podstawy fizyki, ciała stałego i elektroniki. Przyjmujemy, że Czytelnik opanował podstawowy kurs z zakresu elektronicznych przyrządów półprzewodnikowych i wie, jak działają na przykład takie przyrządy jak fotodiody czy tranzystory. Oczekujemy, że książka ta zainteresuje studentów i specjalistów z optoelektroniki, elektroniki, telekomunikacji, automatyki, mechatroniki, techniki wojskowej oraz wielu innych dziedzin nauki i techniki zajmujących się detekcją promieniowania optycznego.

Książka zawiera 15 rozdziałów. W rozdziale pierwszym omówiliśmy najważniejsze prawa radiometrii, na które powołujemy się w dalszych rozdziałach. W rozdziale drugim przedstawiliśmy kryteria oceny detektorów oraz sposoby pomiaru ich głównych parametrów i charakterystyk. Wykrywalności detektorów oraz możliwości wykrywania sygnałów optycznych o małym natężeniu zależą od szumów detektorów i wstępnych układów przetwarzania sygnału. Dlatego w rozdziale trzecim omówiliśmy źródła szumów, które występują zarówno w detektorach, jak i wszystkich elementach elektronicznych. Jednym z najważniejszych rozdziałów jest rozdział czwarty, w którym przedstawiliśmy podstawy fizyczne dotyczące detekcji promieniowania optycznego. Z wiadomości zawartych w tym rozdziale korzystamy dalej przy omawianiu różnych typów detektorów termicznych i fotonowych. Rozdział piąty jest poświęcony detektorom termicznym; wyraźnie podkreśliliśmy osiągnięcia technologiczne ostatnich lat. Podstawy działania detektorów fotoemisyjnych opisaliśmy w rozdziale szóstym. Różne typy detektorów fotonowych, z podziałem na zakresy widmowe, opisaliśmy w rozdziale siódmym. Nową generację detektorów fotonowych ze studni, supersieci i kropek kwantowych omówiliśmy w rozdziale ósmym. Nowością są detektory z materiałów dwuwymiarowych, których podstawy fizyczne podaliśmy w rozdziale dziewiątym. Detektorom terahercowym jest poświęcony rozdział dziesiąty. Sygnały otrzymane z detektorów należy wzmocnić w celu otrzymania takiej wartości napięcia, bądź prądu, które możemy przetwarzać w dalszych układach elektronicznych. W tym celu są niezbędne niskoszumowe przedwzmacniacze sygnału. W rozdziale jedenastym omówiliśmy przedwzmacniacze, które są rekomendowane do poszczególnych typów detektorów promieniowania optycznego. Jednakże uzyskanie dużej wartości stosunku sygnału do szumu w stopniu wejściowym fotoodbiornika wymaga analizy modelu szumowego tego stopnia i minimalizacji poszczególnych składowych szumowych. Dlatego też rozdział dwunasty jest poświęcony modelom szumowym tych stopni. Szczególnie dużo uwagi poświęciliśmy matrycom monolitycznym i hybrydowym detektorów. W rozdziale trzynastym omówiliśmy podstawy dotyczące działania matryc CCD i CMOS. Zdefiniowaliśmy ich parametry oraz przedstawiliśmy techniki odczytu sygnałów z tych przyrządów. Z kolei w rozdziale czternastym podaliśmy wybrane przykłady matryc detektorów, biorąc pod uwagę ich aplikacyjny charakter. W ostatnim rozdziale, piętnastym, przedstawiliśmy zaawansowane metody detekcji sygnałów optycznych, które umożliwiają wykrywanie sygnałów niemożliwych do wykrycia w układach detekcji bezpośredniej.

Na zakończenie chcielibyśmy podziękować dr. inż. Januszowi Mikołajczykowi oraz mgr. inż. Krzysztofowi Achtenbergowi za pomoc w redakcji ostatecznej wersji tej pracy. Szczególne podziękowania kierujemy do Profesora Józefa Piotrowskiego za wiele cennych dyskusji i uwag merytorycznych.

Warszawa, październik 2019 r.

Antoni Rogalski

Zbigniew Bielecki