Korelacyjny pomiar gęstości widmowej mocy szumów detektorów fotonowych do spektroskopii absorpcyjnej

• Autorzy: Achtenberg Krzysztof , Mikołajczyk Janusz , Bielecki Zbigniew , Wojtas Jacek

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0015.3826

Warianty tytułu

EN

Cross-correlation method for noise measurements of photodetectors used for laser absorption spectroscopy

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wyniki pomiarów gęstości widmowej napięcia szumów detektorów fotonowych o małych rezystancjach przy użyciu specjalnie opracowanego stanowiska pomiarowego. Badania tych detektorów mają duże znaczenie dla wielu aplikacji. Są one szczególnie istotne dla układów laserowej spektroskopii absorpcyjnej do wykrywania śladowych ilości gazów. Uzyskiwana w nich granica wykrywalności jest bezpośrednio związana nie tylko z szumami źródeł promieniowania i szumem tła, lecz także z szumami detektora oraz kolejnych stopni fotoodbiornika. Zastosowanie w opracowanym systemie specjalnie zaprojektowanych ultramałoszumowych torów pomiarowych (wzmacniacze o napięciu szumów 3,6 × 10⁻¹⁹ V²/Hz dla f > 1 kHz) oraz operacji korelacji sygnałów w czasie 10 minut umożliwiło uzyskanie szumu tła poniżej 10⁻¹⁸ V²/Hz dla f > 10 Hz oraz poniżej 10⁻¹⁹ V²/Hz dla f > 1 kHz. Efektywność systemu zweryfikowano poprzez pomiary referencyjnych rezystorów, a następnie detektora z supersieci drugiego rodzaju (T2SL) wykonanego z InAs/InAsSb.

EN

The paper presents noise measurements of low-resistance photon detectors with a specially developed system. These measurements are significant for many applications. This issue is particularly critical for laser absorption spectroscopy systems to detect trace amounts of gases. In these systems, the detection limit is determined by noise origins, e.g., light source, background, and detector noise and its readout electronics. The use of some specially designed components of the system (low-noise - 3.6 × 10⁻¹⁹ V²/Hz for f >1 kHz) cross-correlation signal processing provides to obtain a measuring floor noise below 10⁻¹⁸ V²/Hz for f > 10 Hz and below 10⁻¹⁹ V²/Hz for f > 1 kHz after ten minutes’ analysis. Measurements of some reference resistors have verified the system’s performance. Finally, the system was also applied to determine the spectral noise density of the II-Type SuperLattice photodetector made of InAs/InAsSb.

Słowa kluczowe

PL

szumy; detektory IR; spektroskopia absorpcyjna w podczerwieni; detektor supersieciowy

EN

noise; infrared detectors; infrared absorption spectroscopy; superlattice detector

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 69, nr 4
• Strony: 73--83
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., schem., tab., wykr.

Twórcy

autor

Achtenberg Krzysztof

• https://orcid.org/0000-0003-3806-9276

autor

Mikołajczyk Janusz

• Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Optoelektroniki, ul. gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0002-7091-3521

autor

Bielecki Zbigniew

• Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Optoelektroniki, ul. gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0002-2777-620X

autor

Wojtas Jacek

• Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Optoelektroniki, ul. gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0003-4350-0729

Bibliografia

• [1] Bielecki Z., Stacewicz T., Wojtas J., Mikołajczyk J., Application of quantum cascade lasers to trace gas detection, Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences, 63, 2, 2015, 515-525, DOI :10.1515/bpasts-2015-0059.
• [2] Scheret J.J., Paul J.B., O’Keefe A., Saykally R.J., Cavity ringdown laser absorption spectroscopy: history, development, and application to pulsed molecular beams, Chem. Rev., 97, 1997, 25–51, https://doi.org/10.1021/cr930048d.
• [3] Kaldvee B., Brackmann C., Alden M., Bood J., Highly range-resolved ammonia detection using near-field picosecond differential absorption lidar, Opt. Express, 20, 2012, 20688.
• [4] Alvarez R.J., Senff C.J., Langford A.O., Weickmann A.M., Law D.C., Machol J.L., Mer-Ritt D.A., Marchbanks R.D., Sandberg S.P., Brewer W.A., Hardesty R.M. and Banta R.M., Development and application of a compact, tunable, solid-state airborne ozone lidar system for boundary layer profiling, J. Atmos. Ocean. Technol., 28, 2011, 1258–1272.
• [5] Wojtas J., Mikolajczyk J., Nowakowski M., Rutecka B., Medrzycki R., Bielecki Z., Applying CEAS method to UV, VIS, and IR spectroscopy sensors, Bull. Polish Acad. Sci. Tech. Sci., 59, 2011, 415–418.
• [6] Refaat T.F., Ismail S., Koch G.J., Rubio M., Mack T.L., Notari A., Collins J.E., Lewis J., De Young R., Choi Y., Abedin M.N. and Singh U.N., Backscatter 2-μm lidar validation for atmospheric CO2 differential absorption, lidar applications, IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 49, 2011, 572–580.
• [7] Ghysels M., Gomez L., Cousin J., Amarouche N., Jost H. and Durry G., Spectroscopy of CH4 with a difference-frequency generation laser at 3.3 micron for atmospheric applications, Appl. Phys. B, 104, 2011, 989–1000.
• [8] Owen K., Es-Sebbar E., Farooq A., Measurements of NH3 line strengths and collisional broadening coefficients in N2, O2, CO2, and H2O near 1103.46 cm⁻¹, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf.,121, 2013, 56–68.
• [9] Chao X., Jeffries J.B., Hanson R.K., In situ absorption sensor for NO in combustion gases with a 5.2 μm quantum-cascade laser, Proc. Combust. Inst., 33, 2011, 725–733.
• [10] Wojtas J., Bielecki Z., Stacewicz T., Mikolajczyk J., Medrzycki R., Rutecka B., Application of quantum cascade lasers in nitric oxide and nitrous oxide detection, Acta Physica Polonica A, 120, 4, 2011, 794-797, DOI :10.12693/APhysPolA.120.794.
• [11] Sur R., Peng W.Y., Strand C., Mitchell Spearrin R., Jeffries J.B., Hanson R.K., Bekal A., Halder P., Poonacha S.P., Vartak S., Sridharan A.K., Mid-infrared laser absorption spectroscopy of NO2 at elevated temperatures, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf., 187, 2017, 364–374.
• [12] Liu P.Q., Quantum cascade laser open-path system for remote sensing of trace gases in Beijing, China, Opt. Eng., 49, 2010, 111125.
• [13] Vandamme L.K.J., Noise as a diagnostic tool for quality and reliability of electronic devices, IEEE Trans. Electron Devices, 41, 1994, 2176–87.
• [14] Ciura L., Kolek A., Jurenczyk J., Czuba K., Jasik A., Sankowska I., Papis-Polakowska E., Kaniewski J., Noise-current correlations in InAs/GaSb Type-II superlattice mid wavelength infrared detectors, IEEE Trans. Electron Devices, 63, 2016, 4907–4912.
• [15] Ciura Ł., Kopytko M., Martyniuk P., Low-frequency noise limitations of InAsSb, and HgCdTe based infrared detectors, Sensors and Actuators A: Phys., 305, 2020, 1–6.
• [16] Ciura Ł., Kolek A., Jureńczyk J., Czuba K., Jasik A., Sankowska I., Kaniewski J., 1/f Noise modeling of InAs/GaSb superlattice mid wavelength infrared detectors, Opt. Quantum Electron., 50, 36, 2018, 1–11.
• [17] Achtenberg K., Mikołajczyk J., Ciofi C., Scandurra G., Michalczewski K., Bielecki Z., Low-frequency noise measurements of IR photodetectors with voltage cross correlation system, Measurement, 183, 2021, 109867, https://doi.org/10.1016/j.measurement.2021.109867.
• [18] Ciofi C., Giusi G., Scandurra G., Neri B., Dedicated instrumentation for high sensitivity, low frequency noise measurement systems, Fluct. Noise Lett., 4, 2, 2004.
• [19] Achtenberg K., Mikołajczyk J., Bielecki Z., FET input voltage amplifier for low frequency noise measurements, Metrol. Meas. Syst., 27, 3, 2020, 531–540.
• [20] Achtenberg K., Mikołajczyk J., Ciofi C., Scandurra G., Bielecki Z., Low-noise programmable voltage source, Electronics, 9, 8, 1245, 2020, 1–13.
• [21] Sampietro M., Accomando G., Fasoli L.G., Ferrari G., Gatti E.C., High sensitivity noise measurement with a correlation spectrum Analyzer, IEEE Trans. Instrum. Meas., 49, 4, 2000,820–822.
• [22] Sampietro M., Fasoli L., Ferrari G., Spectrum analyzer with noise reduction by cross-correlation technique on two channels, Rev. Sci. Instrum., 70, 5, 1999, 2520–2525.