Detectors of Optical Radiation

stacjonarne

II stopnia

obowiązkowy

W 26/x, C 8/+, L16/+; razem: 50 godz.

Fizyka, miernictwo elektroniczne, obwody i sygnały elektroniczne, układy analogowe / wymagania wstępne: znajomość fizyki półprzewodników, przyrządów półprzewodnikowych, podstawowych obwodów elektronicznych, analogowych układów elektronicznych.

prof. dr hab. inż. Zbigniew Bielecki, płk dr inż. Janusz Mikołajczyk,

ppłk dr inż. Artur Prokopiuk

4 pkt ECTS

Radiometria i fotometria. Wielkości i jednostki radiometryczne i fotometryczne. Parametry detektorów. Wydajność detektora ograniczona szumem fotonowym. Pomiary parametrów detektorów. Źródła szumu. Podstawy systemów detekcji sygnałów optycznych. Klasyfikacja detektorów. Fizyczne podstawy działania czujników termicznych. Podstawy fizyczne działania detektorów fotonowych. Termopary. Bolometry. Detektory piroelektryczne. Detektory fotoemisyjne. Konwencjonalne fotokatody. Fotopowielacze. Płytki mikrokanalikowe. Systemy wzmacniania obrazu. Detektory fotoemisyjne z barierą Schottky’ego. Detektory fotoprzewodzące. Fotodiody p-n. Fotodiody p-i-n. Fotodiody lawinowe. Fotodiody z barierą Schottky’ego. Fotodiody metal-półprzewodnik-metal. Fotodetektory barierowe. Detektory rentgenowskie i gamma. Detektory promieniowania ultrafioletowego, widzialnego i podczerwieni. Fotodetektory na studniach kwantowych, supersieciach i kropkach kwantowych. Detektory terahercowe. Zaawansowane systemy detekcji.

Wykłady:

1. Radiometria i fotometria (2 godz.)

Wielkości i jednostki radiometryczne i fotometryczne. Jasność. Promieniowanie ciała doskonale czarnego. Emisyjność. Propagacja promieniowania optycznego.

2. Charakterystyki detektorów optycznych (2 godz.)

Parametry detektorów. Osiągi detektorów ograniczone szumem fotonowym. Pomiary parametrów detektorów. Pomiary czułości. Pomiary szumów. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych.

3. Źródła szumu (2 godz.)

Klasyfikacja szumów detektora. Szum fotonowy. Szum Johnsona. Szum wybuchowy. Szum generacyjno-rekombinacyjny. Szum 1/f. Szum temperaturowy. Szum typu popcorn.

4. Detektory termiczne (4 godz.)

Podstawy fizyczne detektorów termicznych. Termopary. Materiały termoelektryczne. Budowa i właściwości termopar. Bolometry. Bolometry metalowe. Termistory. Bolometry półprzewodnikowe. Mikrobolometry. Detektory piroelektryczne. Matryce detektorów termicznych.

5. Detektory fotoemisyjne (2 godz.)

Fotokatody konwencjonalne. Fotopowielacze. Płytki mikrokanalikowe. Systemy wzmacniania obrazu. Detektory fotoemisyjne z barierą Schottky’ego. Fotodiody MSM.

6. Detektory fotonowe (2 godz.)

Klasyfikacja detektorów. Podstawy fizyczne detektorów fotonowych. Detektory fotoprzewodzące. Detektory fotowoltaiczne. Fotodiody ze złączem P-N. Fotodiody rzeczywiste. Czas odpowiedzi.

7. Fotodiody PIN i fotodiody lawinowe (2 godz.)

Budowa fotodiody PIN, poziomy energetyczne, rozkład koncentracji wzbudzonych nośników, profil pola elektrycznego. Konfiguracja fotodiod PIN. Parametry fotodiod Si, Ge, InGaAs. Charakterystyki fotodiod PIN. Fotodiody lawinowe: budowa, poziomy energetyczne, profil pola elektrycznego, proces powielania.

8. Fotodetektory na studniach kwantowych, supersieciach i kropkach kwantowych (4 godz.)

Wprowadzenie. Rodzaje supersieci. Fotodetektory podczerwieni ze studniami kwantowymi. Fotodetektory z supersieci typu II. Fotodetektory barierowe. Unipolarne i komplementarne detektory barierowe IR. Wykres pasma wzbronionego detektora z barierą nBn. Detektory barierowe SWIR, MWIR i LWIR. Fotodetektory z kropek kwantowych.

9. Detektory rentgenowskie, UV, VIS, IR i terahercowe (4 godz.)

Bezpośrednia i pośrednia detekcja promieniowania rentgenowskiego. Detektory UV. Detektory promieniowania widzialnego. Fotodetektory podczerwieni. Fotorezystory i fotodiody. Detektory terahercowe: diody z barierą Schottky'ego, detektory oparte na FET i CMOS, mikrobolometry.

10. Systemy detekcji (2 godz.)

Fotoodbiorniki z detektorami fotonowymi i termicznymi. Zaawansowane metody detekcji sygnału: detekcja fazoczuła, detekcja typu box-car.

Ćwiczenia / metoda werbalno-praktyczna

1. Detektory termiczne (2 godz.)

Analiza parametrów wybranych detektorów termicznych. Modele detektorów. Poziom sygnału wyjściowego detektora i szumu. Wpływ warunków pracy na szybkość odpowiedzi detektora.

2. Detektory fotonowe (2 godz.)

Analiza parametrów wybranych detektorów fotonowych. Modele detektorów. Poziom sygnału wyjściowego detektora i szumu. Wpływ warunków pracy na szybkość odpowiedzi detektora.

3. Układy detekcji do detektorów termicznych (2 godz.)

Konfiguracje układów detekcji stosowanych w detektorach termicznych. Funkcje przenoszenia wybranych przedwzmacniaczy. Stosunek mocy sygnału do mocy szumu fotoodbiornika.

4. Układy detekcji do detektorów fotonowych (2 godz.)

Konfiguracje układów detekcji stosowanych w detektorach fotonowych. Funkcje przetwarzania wybranych przedwzmacniaczy. Stosunek mocy sygnału do mocy szumu fotoodbiornika.

Laboratoria:

1. Badanie właściwości fototranzystorów (4 godz.)

Badanie właściwości fototranzystorów poprzez pomiar ich charakterystyk statycznych i dynamicznych. Pomiar prądu ciemnego. Pomiar charakterystyk czasowych fototranzystora. Samodzielne przygotowanie wyników pomiarów i wniosków.

2. Badanie właściwości transoptorów (4 godz.)

Badanie właściwości transoptorów poprzez pomiar ich charakterystyk statycznych i dynamicznych. Pomiar CTR (pomiar przekładni prądowej). Pomiar charakterystyk czasowych transoptora. Samodzielne przygotowanie wyników pomiarów i wniosków.

3. Testowanie wybranych czujników optoelektronicznych (4 godz.)

Analiza danych katalogowych zintegrowanych optoelektronicznych czujników koloru. Pomiar reakcji czujników na promieniowanie optyczne. Konfiguracja transmisyjna i odbiciowa. Synteza danych teoretycznych i wyników badań. Samodzielne przygotowanie wyników pomiarów i wniosków.

4. Badanie detekcji fazoczułej (4 godz.)

Zasada działania systemów detekcyjnych fazoczułych (lock-in). Testowanie układu typu lock-in. Samodzielne przygotowanie wyników pomiarów i wniosków.

podstawowa:

1 A. Rogalski, Z. Bielecki. Detection of optical signals. CRC Press, 2022.

uzupełniająca:

1. M. Johnson. Photodetection and measurement. The McGraw-Hill Comp. USA, 2003.

2. J. Haus. Optical sensors. Wiley-V-ch. 2010.

3. Ed. D. Decoster, J. Harari. Optoelectronic sensors. J. Wiley & Sons, Inc. 2009.

W1 / Ma uporządkowaną wiedzę z zakresu budowy i zasady pracy detektorów termicznych i fotonowych. /K_W04, K_W11.

U1/ Potrafi pozyskiwać informacje z literatury, baz danych i innych źródeł; potrafi integrować uzyskane informacje, dokonywać ich interpretacji, a także wyciągać wnioski oraz formułować i uzasadniać opinie. /K_U03

U2/ Potrafi zaplanować eksperyment badawczy i przeprowadzić pomiary podstawowych parametrów (charakterystyk) detektorów promieniowania optycznego. Potrafi rozwiązywać zadania i problemy związane z obliczaniem parametrów detektorów promieniowania optycznego./K_U11.

K1 / rozumie potrzebę i zna możliwości ciągłego dokształcania się – podnoszenia kompetencji zawodowych, osobistych i społecznych/K_K01

Przedmiot zaliczany jest na podstawie: zaliczenia

Ćwiczenia zaliczane są na podstawie: zaliczenia pisemnego;

Ćwiczenia laboratoryjne zaliczane są na podstawie: zaliczeń ustnych z poszczególnych ćwiczeń laboratoryjnych oraz zaliczonych protokołów.

Zaliczenie przedmiotu jest prowadzone w formie pisemnej i ustnej;

warunkiem dopuszczenia do zaliczenia jest zaliczenie ćwiczeń rachunkowych i laboratoryjnych

efekty W1, U1, U2 sprawdzenie na ćwiczeniach rachunkowych i laboratoryjnych;

efekty W1 - sprawdzenie podczas zaliczenia przedmiotu.

Ocenę bardzo dobrą otrzymuje słuchacz, który osiągnął zakładane efekty uczenia się poziomie 91-100%.

Ocenę dobrą plus otrzymuje słuchacz, który osiągnął zakładane efekty uczenia się na poziomie 81-90%.

Ocenę dobrą otrzymuje słuchacz, który osiągnął zakładane efekty uczenia się na poziomie 71-80%.

Ocenę dostateczną plus otrzymuje słuchacz, który osiągnął zakładane efekty uczenia się na poziomie 61-70%.

Ocenę dostateczną otrzymuje słuchacz, który osiągnął zakładane efekty uczenia się na poziomie 51-60%.

Ocenę niedostateczną otrzymuje słuchacz, który osiągnął zakładane efekty uczenia się na poziomie równym lub niższym niż 50%.

Zaliczenie jest przyznawane słuchaczowi, który osiągnął oczekiwany poziom efektów uczenia się na poziomie wyższym niż 50%.

Brak zaliczenia otrzymuje słuchacz, który uzyskał minimalne oczekiwane efekty uczenia się na poziomie równym lub niższym niż 50%.