Charakterisierung eines berechenbaren, quanteneffizienten Detektors für Anwendungen in Photometrie und Radiometrie

Im Rahmen des internationalen EMRP SIB57 Forschungsprojekts „New Primary Standards and Traceability for Radiometry“ (NEWSTAR) wurde ein sogenannter berechenbarer, quanteneffizienter Detektor (Predictable Quantum Efficient Detector, PQED) experimentell untersucht. Quanteneffizient bedeutet, dass der photoelektrische Effekt (die Umwandlung von Photonen in Elektronen) in den verwendeten Photodioden mit einer hohen Effizienz abläuft (nahe 100 %) und nur sehr geringe Verluste auftreten. Die Reflexionsverluste werden nahezu komplett durch eine bestimmte Anordnung der Photodioden zueinander verringert. Die dann immer noch verbleibenden, sehr geringen Verluste können aufgrund der Kenntnis der Photodiodenstruktur und bekannter physikalischer Effekte berechnet werden. Insgesamt ist die spektrale Empfindlichkeit des Detektors so sehr genau berechenbar. Innerhalb des Forschungsprojekts NEWSTAR war ein Ziel, die spektrale Empfindlichkeit einer Variante dieses Detektortyps, welche bei Raumtemperatur betrieben wird, mit einer Unsicherheit von 10^-4 (0,01 %) zu berechnen bzw. diese Berechnungen experimentell zu validieren.

Abb. 1: Foto eines berechenbaren, quanteneffizienten Detektors [1].

Ein Teil der Charakterisierungsmessungen untersuchte die Verwendbarkeit dieses Detektors in der Photometrie und Radiometrie, also für Messungen optischer Strahlung mit unterschiedlichen Eigenschaften bzgl. Polarisationsgrad, spektraler Bandbreite, Divergenz des Strahlfeldes, Bestrahlungsstärke usw..

Die Ergebnisse der Charakterisierungen wurden nun im Journal Metrologia veröffentlicht [2]. Sie belegen die Berechenbarkeit des Detektors innerhalb der angestrebten Messunsicherheit von 10^-4 und für die unterschiedlichen Messbedingungen. Diese Ergebnisse sind somit ein starkes Indiz dafür, dass diese Art von berechenbaren, quanteneffizienten Detektoren als einfach handhabbare und kosteneffiziente Primärstandards für die Photometrie und Radiometrie verwendet werden könnten.

[1] T Dönsberg, M Sildoja, F Manoocheri, M Merimaa, L Petroff, and E Ikkonen: A primary standard of optical power based on induced-junction silicon photodiodes operated at room temperature, Metrologia, 51, S. 197-202, 2014, https://doi.org/10.1088/0026-1394/51/3/197

[2] K Salffner, T Dönsberg, G Porrovecchio, M Smid, K Nield, and S Nevas: Characterization of a room temperature predictable quantum efficient detector for applications in radiometry and photometry, Metrologia, 55, S. 654-661, 2018, doi.org/10.1088/1681-7575/aad19d