оптические системы оптические системы записи, хранения и записи, хранения и отображения отображения информацииинформации

Андрей Викторович ВениаминовАндрей Викторович Вениаминов

Виктор Николаевич МихайловВиктор Николаевич Михайлов

приёмники приёмники излученияизлучения

фотодиодфотодиод

Si 190–1100 нмSi 190–1100 нм

Ge 400–1700 нмGe 400–1700 нм

InGaAsInGaAs 800–2600 нм 800–2600 нм

PbSPbS <1000-3500 нм <1000-3500 нм

режимы работы фотодиодоврежимы работы фотодиодов

zero bias (zero bias (photovoltaic modephotovoltaic mode) ) reverse bias (reverse bias (photoconductive modephotoconductive mode)) aavalanche valanche

Comparison with photomultipliersComparison with photomultipliersAdvantages compared to photomultipliers:Advantages compared to photomultipliers:• Excellent linearity of output current as a function of incident lightExcellent linearity of output current as a function of incident light• Spectral response from 190 nm to 1100 nm (silicon), longer wavelengths Spectral response from 190 nm to 1100 nm (silicon), longer wavelengths

with other semiconductor materialswith other semiconductor materials• Low noiseLow noise• Ruggedized to mechanical stressRuggedized to mechanical stress• Low costLow cost• Compact and light weightCompact and light weight• Long lifetimeLong lifetime• High quantum efficiency, typically 80%High quantum efficiency, typically 80%• No high voltage requiredNo high voltage requiredDisadvantages compared to photomultipliers:Disadvantages compared to photomultipliers:• Small areaSmall area• No internal gain (except avalanche photodiodes, but their gain is typically No internal gain (except avalanche photodiodes, but their gain is typically

10²–10³ compared to up to 108 for the photomultiplier)10²–10³ compared to up to 108 for the photomultiplier)• Much lower overall sensitivityMuch lower overall sensitivity• Photon counting only possible with specially designed, usually cooled Photon counting only possible with specially designed, usually cooled

photodiodes, with special electronic circuitsphotodiodes, with special electronic circuits• Response time for many designs is slowerResponse time for many designs is slower

P-N vs. P-I-N PhotodiodesP-N vs. P-I-N Photodiodes

•Due to the intrinsic layer, a PIN photodiode must be reverse Due to the intrinsic layer, a PIN photodiode must be reverse biased (Vr). The Vr increases the depletion region allowing a larger biased (Vr). The Vr increases the depletion region allowing a larger volume for electron-hole pair production, and reduces the volume for electron-hole pair production, and reduces the capacitance thereby increasing the bandwidth.capacitance thereby increasing the bandwidth.•The Vr also introduces noise current, which reduces the S/N ratio. The Vr also introduces noise current, which reduces the S/N ratio. Therefore, a reverse bias is recommended for higher bandwidth Therefore, a reverse bias is recommended for higher bandwidth applications and/or applications where a wide dynamic range is applications and/or applications where a wide dynamic range is required.required.•A PN photodiode is more suitable for lower light applications A PN photodiode is more suitable for lower light applications because it allows for unbiased operation.because it allows for unbiased operation.

PINPIN

PIN diode (Positive Intrinsic Negative diode)

PMTPMT

CCD (CCD (ПЗСПЗС))

CMOS - CMOS - active-pixel sensor (APS)active-pixel sensor (APS) Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor КМОП - КМОП - комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-

полупроводник

CCD vs. CMOSCCD vs. CMOS

Feature CCD CMOS

сигнал с чипа аналоговый цифровой

шум низкий средний

сложность системы высокая низкая

сложность сенсора низкая высокая

стоимость разработки низкая высокая

динамический диапазон широкий умеренный

однородность высокая низкая-средняя

скорость средняя высокая

электрооптический эффект электрооптический эффект КерраКерра

квадратичный электрооптический эффект квадратичный электрооптический эффект возникновение возникновение двойного лучепреломлениядвойного лучепреломления в в оптически изотропных веществах под воздействием оптически изотропных веществах под воздействием однородного электрического поляоднородного электрического поля

закон Керра:закон Керра:nn = = nnee - - nnoo = nkE= nkE22 = = BBλλEE22 постоянная Керра: постоянная Керра: k k или или В = nkВ = nk//времена изменения ориентации < 10времена изменения ориентации < 10-9-9 сс

оптический эффект Керра:

магнитооптический эффект магнитооптический эффект КерраКерра

John Kerr,John Kerr, 1876 1876

линейно поляризованный свет, отражаясь от линейно поляризованный свет, отражаясь от намагниченного намагниченного ферромагнетикаферромагнетика, становится , становится эллиптически поляризованным; при этом большая ось эллиптически поляризованным; при этом большая ось эллипса поляризации поворачивается на некоторый эллипса поляризации поворачивается на некоторый угол по отношению к плоскости поляризации угол по отношению к плоскости поляризации падающего светападающего света

экваториальный полярный меридианальный

эффект Поккельсаэффект Поккельсалинейный электрооптический эффект линейный электрооптический эффект изменение изменение показателяпоказателя преломления преломления света в кристаллах, света в кристаллах, помещенных в электрическое поле, пропорциональное помещенных в электрическое поле, пропорциональное напряжённости электрического полянапряжённости электрического поля

1010--1313 с сFriedrich Carl Alwin Pockels Friedrich Carl Alwin Pockels , , 1893-1893-18941894

поперечный продольный

эффект Фарадеяэффект ФарадеяM. Faraday, 1845M. Faraday, 1845вращение плоскости поляризациивращение плоскости поляризации электромагнитного электромагнитного излучения (например, излучения (например, светасвета)),, распространяющегося распространяющегося в веществе вдоль силовых линий постоянного в веществе вдоль силовых линий постоянного магнитного поля, проходящих через это веществомагнитного поля, проходящих через это вещество

= = ll((nn++ – n– n--)/)/==VHlVHl

электрооптический электрооптический модулятормодулятор

Electro-optic modulatorElectro-optic modulator (EOM) is an optical device in which a (EOM) is an optical device in which a signalsignal-controlled element -controlled element displaying displaying electro-optic effectelectro-optic effect is used to modulate a is used to modulate a beambeam of of lightlight. The . The modulationmodulation may be imposed may be imposed on the phase, frequency, amplitude, or direction of the modulated beam. Modulation bandwidths on the phase, frequency, amplitude, or direction of the modulated beam. Modulation bandwidths extending into the gigahertz range are possible with the use of laser-controlled modulators.extending into the gigahertz range are possible with the use of laser-controlled modulators.

Generally a nonlinear optical material (organic polymers have the fastest response rates, and Generally a nonlinear optical material (organic polymers have the fastest response rates, and thus are best for this application) with an incident static or low frequency optical field will see a thus are best for this application) with an incident static or low frequency optical field will see a modulation of its refractive index.modulation of its refractive index.

акустооптический дефлектор, акустооптический дефлектор, модулятормодулятор

фоторефракцияфоторефракция

photorefractive effectphotorefractive effect is a nonlinear optical effect seen in certain is a nonlinear optical effect seen in certain crystals and other materials that respond to light by altering their crystals and other materials that respond to light by altering their refractive index refractive index

Photorefractive materials include barium titanate (BaTiO3), lithium Photorefractive materials include barium titanate (BaTiO3), lithium niobate (LiNbO3), certain photopolymers, and some multipleniobate (LiNbO3), certain photopolymers, and some multiple qquantum well structures.uantum well structures.

фотоприсоединение ФХ к полимеру: фотоприсоединение ФХ к полимеру: масс-спектрометрическое масс-спектрометрическое подтверждениеподтверждение

фотоприсоединениефотоприсоединение

малдизаврhttp://www.pslc.ws/macrog/maldi.htm

0 1000 2000 3000 4000

1

2

3

4

5

6

MALDI-TOFF

PMMA+2PQ

PMMA+PQ

PMMA(Mn=1960)+PQ(5%)+h(488nm)

MALDI (J .Spickermann)

PMMA

molar mass [g/mol]

2830 2840 2850 2860 2870 2880

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

20 MMA+4 PQ22 MMA+3 PQ

24 MMA+2 PQ

26 MMA+PQ

28 MMA

molar mass [g/mol]

проявлениедиффузионное выравнивание концентрации ФХ

записьфотоприсоединение ФХ к полимерным цепям

фиксированиефотоприсоединение остатков ФХ при равномерной засветке

диффузионное проявление диффузионное проявление

(усиление) голограмм(усиление) голограмм