Improved Reference Infrared Spectrometer

Infrapunasäteily on sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on 750 nn - 1 mm. Se on tärkeä työväline optisessa spektroskopiassa, vaikka onkin ihmissilmälle näkymätöntä. Optisella spektrometrillä tarkoitetaan laitetta, joka mittaa materiaalin emissio-, absorptio- tai fluoresenssispektriä. Tässä työssä uudistettiin Aalto-yliopiston Mittaustekniikan ryhmän referenssi-infrapunaspektrometriä. Laitetta käytetään ilmaisimen vasteen, aineen läpäisyn ja lähteen tehojakauman spektrisiin mittauksiin aallonpituusalueella 750 nm - 16 µm. Mittauslaitteisto automatisoitiin käyttäen LabVIEW-ohjelmistoa. Lisäksi kalibrointi- ja mittausmenetelmiä paranneltiin. Automatisoitu mittauslaitteisto soveltuu monipuolisesti erilaisiin mittausjärjestelyihin ja on aiempaa helpompi käyttää. Mittauksissa käytetään vaihelukittua vahvistinta, joka mahdollistaa hyvin heikkojen signaalien havaitsemisen suuren kohinasignaalin läsnäolosta huolimatta. Mitattavaa signaalia moduloidaan katkomalla valolähdettä referenssitaajuudella. Optisen menetelmän sijaan vaihelukitun vahvistimen lineaarisuusmittauksiin kehitettiin täysin sähköinen menetelmä, joka parantaa ulkoista tarkkuutta vertailumittauksissa. Lisäksi osana työtä suunniteltiin, rakennettiin ja karakterisoitiin esivahvistin valojohtaville ilmaisimille. Tavanomaisesta sovitetusta esivahvistimesta poiketen laitteen keskeiset parametrit ovat säädettäviä, joten sitä voidaan käyttää lukuisien eri ilmaisimien kanssa.Infrared radiation is electromagnetic radiation with a spectrum ranging from 750 nm to 1 mm in wavelength. It is invisible to the human eye, but has significance in optical spectroscopy. An optical spectrometer is a device that measures the emission, absorption, or fluorescence spectrum of a material. In this work, a reference infrared spectrometer facility at the Metrology Research Institute was upgraded. The spectrometer can be used to measure spectral responsivity of detectors, spectral transmittance of optical materials and spectral power distribution measurements of light sources in the wavelength range of 750 nm to 16 ?m. The measurement setup was improved for full automation using LabVIEW and the previous calibration and automation procedures were refined. Automated facility is versatile for different measurement setups and is easy to operate. Phase sensitive detection is utilized in the measurement setup by using a lock-in amplifier. It enables the detection of very small signals in the presence of overwhelming noise. Optical chopping is used to modulate the measurement signal at a known reference frequency. Typically the linearity of the measurement system is determined optically. Also in this work, a fully electronic method for linearity measurements of lock-in amplifiers was developed and tested. This method improves the accuracy in lock-in comparison measurements. In addition, a preamplifier for photoconductive detectors was constructed and characterized. The amplifier was designed so that it can be used with wide variety of detectors

Use of the Predictable Quantum Efficient Detector with Light Sources of Uncontrolled State of Polarization

Analysis of the reflectance losses of the Predictable Quantum Efficient Detector (PQED) operated at room temperature is presented. An efficient method of using the ratio of photocurrents from the two photodiodes of the PQED is developed to determine the reflectance losses without direct measurement of the reflectance for an unknown state of polarization of the incident light. A detailed analysis is presented to estimate the associated reflectance losses for detectors with either seven or nine internal reflections. For the seven-reflection PQED, the relative standard uncertainty component of spectral responsivity due to reflectance loss correction can be reduced typically below 100 ppm with the photocurrent ratio measurement whereas for the nine‑reflection PQED the uncertainties remain below 20 ppm in the wavelength range from 400 nm to 900 nm with an uncontrolled polarization state of the incident light

Predictable quantum efficient detector based on n-type silicon photodiodes

Timo Dönsberg et al. -- 16 pags., 16 figs., 4 tabs. -- Open Access funded by Creative Commons Atribution Licence 3.0The predictable quantum efficient detector (PQED) consists of two custom-made induced junction photodiodes that are mounted in a wedged trap configuration for the reduction of reflectance losses. Until now, all manufactured PQED photodiodes have been based on a structure where a SiO2 layer is thermally grown on top of p-type silicon substrate. In this paper, we present the design, manufacturing, modelling and characterization of a new type of PQED, where the photodiodes have an Al2O3 layer on top of n-type silicon substrate. Atomic layer deposition is used to deposit the layer to the desired thickness. Two sets of photodiodes with varying oxide thicknesses and substrate doping concentrations were fabricated. In order to predict recombination losses of charge carriers, a 3D model of the photodiode was built into Cogenda Genius semiconductor simulation software. It is important to note that a novel experimental method was developed to obtain values for the 3D model parameters. This makes the prediction of the PQED responsivity a completely autonomous process. Detectors were characterized for temperature dependence of dark current, spatial uniformity of responsivity, reflectance, linearity and absolute responsivity at the wavelengths of 488¿nm and 532¿nm. For both sets of photodiodes, the modelled and measured responsivities were generally in agreement within the measurement and modelling uncertainties of around 100 parts per million (ppm). There is, however, an indication that the modelled internal quantum deficiency may be underestimated by a similar amount. Moreover, the responsivities of the detectors were spatially uniform within 30¿ppm peak-to-peak variation. The results obtained in this research indicate that the n-type induced junction photodiode is a very promising alternative to the existing p-type detectors, and thus give additional credibility to the concept of modelled quantum detector serving as a primary standard. Furthermore, the manufacturing of PQEDs is no longer dependent on the availability of a certain type of very lightly doped p-type silicon wafers.The research leading to these results has received funding from the European Metrology Research Programme (EMRP) project SIB57 'New Primary Standards and Traceability for Radiometry'. The EMRP is jointly funded by the EMRP participating countries within EURAMET and the European Union. Financial support from the Academy of Finland through the Finnish Centre of Excellence in Atomic Layer Deposition is also acknowledged.Peer Reviewe

Ennustettavan kvanttidetektorin kehitys ja karakterisointi sekä sovellukset LED fotometriassa

Radiometry is the science of studying and measuring electromagnetic radiation. It has many uses ranging from industry applications to fundamental research. Recently, the Predictable Quantum Efficient Detector (PQED) was introduced as a convenient method to quantify radiant flux, i.e. optical power, in the visible wavelength range. The PQED enables absolute measurements with an uncertainty around 0.01% even at room temperature. The high quantum efficiency of the PQED is achieved with the use of custom-made photodiodes that are mounted into a trapping configuration. The PQEDs currently in use have photodiodes that have a thermally grown SiO2 layer on a p-type silicon substrate. Such detectors were characterized for spatial uniformity, reflectance, responsivity and dark current properties. The obtained results show that the PQED can serve as the primary standard of optical power and even has the potential to replace more expensive and cumbersome cryogenic radiometers in the visible wavelength range. A new type of PQED photodiode was developed, where atomic layer deposition is used to grow an Al2O3 layer on a n-type silicon substrate. Two sets of photodiodes with varying doping concentrations were manufactured. Their responsivity was modelled using a 3D model of the photodiode. A novel method to obtain input parameters for the modelling was developed. The n-type PQEDs were characterized similarly as the p-type detectors. Results indicated that the n-type PQED is a promising alternative for the p-type. Thus, the manufacturing of PQEDs is no longer dependent on the availability of particular materials and processing. The PQED can be used to calibrate conventional reference photometers. A new method for the realization of photometric units was developed, which exploits the PQED more directly. In the method, the PQED is used together with a precision aperture, but the traditionally used photometric filter is omitted. Instead, the photometric weighting is done numerically. The method is applicable to sources that emit only little light outside the visible wavelength range, such as white LED lamps. The main advantages of the new method are the reduced uncertainty and simplified traceability chain. In many of the applications, the PQED is used together with a precision aperture. A new method was developed to determine the area of an aperture that is mounted to the PQED – without dismantling the assembly. It exploits previously developed method where the aperture is scanned in front of a Gaussian laser beam and the light passing through is measured at with an integrating sphere. In the new method, PQED itself is used to measure the flux passing through the aperture. The diffraction properties of the PQED and aperture assembled were studied using numerical calculations. The results indicated negligible effects due to diffraction.Sähkömagneettisen säteilyn tutkimista ja mittaamista kutsutaan radiometriaksi. Sillä on monia sovelluksia teollisuudesta perustutkimukseen. Viime vuosina optisen tehon mittaamiseen näkyvällä aallonpituusalueella on kehitetty helppokäyttöinen ennustettava kvanttidetektori (eng. Predictable Quantum Efficient Detector, PQED), joka mahdollistaa säteilytehon mittaamisen 0.01 %:n tarkkuudella huoneenlämmössä. Ilmaisimen erikoisvalmisteiset valodiodit, jotka on asennettu heijastusta pienentävään rakenteeseen, mahdollistavat erinomaisen kvanttihyötysuhteen. Nykyään käytössä olevat PQED:t perustuvat valodiodeihin, joissa on lämpöoksidoitu kerros piidioksidia kevyesti seostetun p-tyypin piin päällä. Näiden laitteiden vaste, vasteen tasaisuus, heijastus sekä pimeävirtaominaisuudet määritettiin. Saatujen tulosten perusteella PQED:n todettiin soveltuvan säteilytehon primäärinormaaliksi. Samalla todettiin sen olevan varteenotettava ehdokas korvaamaan nykyisin käytössä olevat kryogeeniset radiometrit näkyvän valon aallonpituuksilla. Myös uudenlainen n-tyypin piihin perustuva PQED kehitettiin. Valodiodeissa on atomikasvatusmenetelmällä tuotettu alumiinioksidikerros n-tyypin piin päällä. Valodiodeja valmistettiin kaksi erää, joissa käytettiin eri seostuspitoisuuksia. Näiden vaste mallinnettiin kolmiulotteisella mallilla ja mallinnusparametrien määrittämiseen kehitettiin uusi menetelmä. N-tyypin PQED karakterisoitiin samalla tavoin kuin p-tyypin PQED:t. Tulosten perusteella uusi n-tyypin detektori on lupaava vaihtoehto p-tyypin rakenteelle. Täten PQED-ilmaisimien valmistus ei ole enää riippuvainen yhdestä tietystä materiaalista ja prosessista. PQED:ta voidaan soveltaa fotometriassa primäärinormaalina fotometrien kalibroinnissa. Fotometristen suureiden realisointiin kehitettiin myös uusi menetelmä, joka hyödyntään suoraan PQED:tä mittalaitteena. Menetelmässä PQED:tä käytetään tarkkuusapertuurin kanssa ilman fotometriassa perinteisesti käytettyjä suodattimia. Sen sijaan valolähteen spektri mitataan tarkasti ja fotometrinen painotus tehdään numeerisesti. Menetelmän suurimman edut ovat LED-lamppujen mittauksissa saavutettu pienempi epävarmuus ja suoraviivaisempi jäjitettävyysketju. Monissa sovelluksissa PQED:tä käytetään yhdessä apertuurin kanssa. Apertuurin pinta-alan määritykseen kehitettiin uusi menetelmä, joka ei vaadi apertuurin ja PQED:n irroittamista toisistaan. Pinta-alan määritys perustuu aikaisemmin kehitettyyn menetelmään, jossa apertuuria liikutetaan lasersäteen edessä ja läpimennyt säteilyteho mitataan monessa kohtaa. Uusi menetelmä käyttää säteilytehon mittaamiseen integroivan pallon sijaan PQED:tä itseään. Diffraktion vaikutusta menetelmän tarkkuuteen tutkittiin numeerisin menetelmin ja sen todettiin kasvattavan mittausepävarmuutta vain hyvin vähän