Université Joseph Fourier Grenoble. Master Pro «Optique et Photonique» TP «Photométrie, détecteurs»

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1 Université Joseph Fourier Grenoble Master Pro «Optique et Photonique» TP «Photométrie, détecteurs» Campus de aint Martin d Hères, Bt C, 2 ème étage On réalisera le TP «Calibration photométrique d une chaîne de détection» parties 1 à 4 (la partie 5 sera intégrée dans un microprojet), et, au choix, l un des deux TP «Caractérisation d une photodiode» ou «Caractérisation d un tube photomultiplicateur»

2 CALIBRATION PHOTOMETRIQUE D'UNE CHAINE DE DETECTION. COLORIMETRIE Matériel: -spectro multicanal miniature (marque "Avantes" ou "Ocean Optics") gamme spectrale nm, avec fibre optique diamètre cœur environ 800µm (Pour UB2586 fichier ORIELusb2586.TXT) -sphère intégrante avec port latéral adapté pour fibre optique (connecteur MA) (cf JD-LP) -lampe tungstène-halogène ORIEL calibrée en intensité (200W) (cf JD-LP) -alimentation stabilisée 6,5 Ampère, environ 30V -expression mathématique de l'éclairement spectral de la lampe permettant d établir un fichier de calibration -fichiers des fonctions CIE avec échelle en longueur d'onde correspondant à celles des spectres du spectro (Pour UB2586 c'est CIEXUB2586.TXT CIEYUB2586.TXT et CIEZUB2586.TXT) -laser polarisé (He-Ne vert ou rouge ou diode laser) -2 polariseurs dont un sur monture graduée -PC avec prise UB et logiciel OOIBase32, plus logiciel de traitement de données -puissancemètre laser Melles Griot (utilisation ponctuelle) -écran vertical, voiles noirs pour disposer lampe étalon suivant préconisations ORIEL -lampe halogène 100W avec filament plat -règle graduée 1m -1 colonne de environ 70cm -1 colonne de environ 50cm -pince écartement mâchoires 2cm -pince écartement mâchoires 10cm pour tenir sphère intégrante -2 noix chimiste -3 paires lunettes de soleil 1. Vérification de la linéarité du détecteur CCD intégré au spectromètre Envoyer le faisceau laser He-Ne polarisé dans la sphère intégrante reliée au spectromètre par son port latéral. Prendre garde d'incliner légèrement la sphère de quelques degrés pour que le faisceau laser ne frappe pas le port fibre optique situé en face du trou principal. Interposer deux polariseurs sur le faisceau pour pouvoir varier la puissance introduite dans la sphère. Dans un premier temps placer le deuxième polariseur parallèle au premier. Activer le logiciel OOIBase32, et choisir le temps d'exposition pour que le signal ne soit pas saturé. Retrancher le signal enregistré avec le faisceau laser bloqué. Choisir alors l'option "boxcar=3" de façon à moyenner le signal recueilli sur plusieurs pixels et faciliter le pointé du maximum de la raie. Faire varier la puissance du faisceau en tournant le polariseur et déterminer la gamme suivant laquelle le détecteur est linéaire. Ensuite faire varier le temps d'exposition 1ms, 5ms, 10ms, 100ms, 1000ms, et vérifier si le signal recueilli est bien proportionnel au temps d'exposition. 2. Calibration du spectromètre équipé d'une sphère intégrante Disposer la lampe ORIEL suivant les indications du constructeur (surfaces noires derrière et sur la table), et placer la sphère intégrante (toujours légèrement inclinée pour que la lumière incidente frappe le fond de la sphère en dehors du port) à hauteur du filament de la lampe et à une distance horizontale de 50cm. Mettre des lunettes de soleil (UV!) et alimenter la lampe en augmentant progressivement, sur une durée d'environ 1mn, le courant circulant dans la lampe jusqu'à atteindre 6,50A. Attendre

3 quelques minutes que la lampe se stabilise, et pendant ce temps régler le temps d'exposition pour ne pas saturer le signal. Penser à retrancher le signal enregistré avec l'entrée de la sphère bloquée. On peut moyenner sur plusieurs expositions pour améliorer le signal sur bruit. Choisir "boxcar=1". Le constructeur délivre un fichier de calibration donnant l'éclairement spectral (en mw/(cm 2.nm)) délivré par la lampe à une distance de 50 cm en fonction de la longueur d'onde, sous la forme d une expression mathématique I(A partir de cette expression construire un fichier donnant cet éclairement pour une suite de 2048 valeurs de longueurs d'onde correspondant au spectre enregistré par le spectromètre. On pourra s'amuser à déduire du spectre I( la température du corps noir équivalent à la lampe. En déduire un fichier de calibration permettant à partir de n'importe quel enregistrement effectué avec le spectromètre d'en déduire l'éclairement spectral à l'entrée de la sphère intégrante. 3. Vérification de la calibration du puissancemètre laser Envoyer un faisceau laser dans la sphère intégrante et enregistrer le spectre correspondant (sans saturer!) après avoir mesuré la puissance du faisceau au moyen du puissancemètre laser. Mesurer la hauteur de la raie au moyen du curseur après avoir réparti son intensité sur quelques nm en sélectionnant la valeur adéquate pour l'option "boxcar". En utilisant le fichier de calibration établi précédemment, en déduire l'estimation de la puissance du faisceau et comparer avec l'indication du puissancemètre. 4. Etablissement et caractérisation d'un étalon secondaire Mettre en place une lampe tungstène-halogène de puissance 100W: Enlever la carrosserie, et disposer la lampe dans une position comparable à la lampe étalon. Remarquer que le filament de cette lampe est bobiné de façon à former une surface relativement plane. Enregistrer le spectre d'émission avec le spectromètre et la sphère intégrante. Vérifier la loi en cos 4 pour l'éclairement dans un plan parallèle à la surface émettrice, où est l'angle entre la normale à la surface et la ligne joignant les surfaces émettrice et réceptrice (ici le trou de la sphère intégrante). Déterminer la luminance spectrale de la source, le flux (puissance totale émise) dans le visible en Watt et en lumen. Estimer la température de la source. 5. Analyse colorimétrique des luminophores d'un écran cathodique On va utiliser la chaîne de détection désormais calibrée pour déterminer les "coordonnées colorimétriques" correspondant aux luminophores d'un écran de micro-ordinateur. Ce concept de coordonnées colorimétriques repose sur le fait qu'il est possible de caractériser la couleur apparente d'un rayonnement de spectre I() au moyen de 3 quantités notées x, y, z et définies par les relations: x I( ) C ( ) d x, y I( ) C ( ) d y, z I( ) C ( ) d z avec I( ) C ( ) d I( ) C ( ) d I( ) C ( ) d x y z

4 Les fonctions de base Cx, Cy, Cz ont été déterminées de telle sorte (entre autres) que les couleurs de deux rayonnements ayant les mêmes coefficients x,y,z apparaissent identiques à une majorité d'observateurs. Comme par définition x+y+z=1, deux coordonnées suffisent pour caractériser une teinte, que l'on peut ainsi associer à un point représentatif de coordonnées (x,y) dans un plan. De fait toutes les teintes visibles peuvent être associées à des points qui se trouvent confinés à l'intérieur d'un domaine bordé d'une frontière qui est le lieu des teintes monochromatiques plus un segment de droite dite "ligne des pourpres". L'intérêt de cette représentation est qu'elle permet de prédire la gamme de teintes qui sera générée par l'assemblage de trois teintes de bases suivant des intensités variables: i A(xa,ya), B(xb,yb), C(xc,yc) sont les points représentatifs dans le plan colorimétrique des trois teintes de base, alors les teintes composables avec ces trois teintes de bases sont associées à des points qui se trouvent à l'intérieur du triangle ABC. Trouver le menu windows permettant de sélectionner la couleur du fond d'écran: choisir l'option "autre", et remarquer que chaque teinte est définie par la composition en "bleu", "vert" et "rouge". Enregistrer les spectres émis lorsqu'on sélectionne chacune de ces 3 couleurs de base et en déduire à chaque fois les indices x et y qu'on reportera dans un diagramme CIE.

5 CARACTERIATION D'UNE PHOTODIODE AU ILICIUM Matériel: -Photodiode silicium sur monture orientable (cf JD-LP) -Ampli adaptateur d'impédance (cf JD-LP) -Multimètre -Laser polarisé (He-Ne vert ou rouge ou diode laser) -Polariseur -Puissancemètre laser -Monochromateur type H20 -Filtre jaune (pour couper ordre 2 quand test proche infra-rouge) -Lampe tungstène-halogène -Hacheur de faisceau -Générateur de fonctions -Lampe de poche 1. La réponse du détecteur est-elle bien proportionnelle à la puissance incidente? Avec et sans ampli adaptateur d'impédance. 2. La réponse du détecteur est-elle bien uniforme sur sa surface? 3. La réponse du détecteur est-elle indépendante de l'incidence de la lumière sur la surface? 4. Quelle est la rapidité de la réponse du détecteur? Avec et sans ampli adaptateur d'impédance 5. Quelle est le rendement quantique du détecteur à la longueur d'onde du laser? 6. Quelle est la réponse spectrale du détecteur? 7. Quel est le signal d'obscurité du détecteur? Dépendance avec la température? Peut-on observer le bruit et déterminer la détectivité du détecteur?

6 CARACTERIATION D'UN TUBE PHOTOMULTIPLICATEUR Attention: un tube PM supporte mal les surintensités lumineuses qui aboutissent à une dégradation progressive ou brutale, le plus souvent irréversible, de ses performances. Ne jamais dépasser un courant de 1µA au niveau de l'anode en limitant l'éclairement et la haute tension appliquée. Un tel niveau de courant est atteint avec des picowatts! La valeur de la haute tension est commandée par un potentiomètre. Limiter sa position à 9 tours. Même sans haute tension appliquée ne pas exposer la photocathode à la lumière (a fortiori quand elle est sous tension!). Matériel: -Module PM avec alim intégrée de chez Hamamatsu, sensibilité ajustable par potentiomètre -ampli transimpédance avec sensibilité allant de 10 3 à 10 9 V/A (cf JD-LP) -voltmètre digital -photodiode silicium de sensibilité spectrale calibrée (cf JD-LP) -monochromateur H20 Jobin Yvon avec fentes fines -colonne avec plateau sur crémaillère pour monochromateur -filtre jaune (pour filtrer 2 ème ordre dans le proche infrarouge) -voiles noirs et scotch noir TEA -petite lampe (20 à 30W) -lampe de poche -2 polariseurs sur monture rotative -compteur de photons R avec discriminateur (cf JD-LP) -3 pieds optiques avec colonne, Utilisation en mode analogique: 1. Déterminer l'évolution de la sensibilité en fonction de la tension de commande: éclairer pour cela avec une source de très faible intensité (lampe blanche+spectro avec fentes fines+atténuateur à polariseur+voiles noir, ruban adhésif noir ). Choisir le niveau de lumière pour avoir 1µA pour pot=9tours, puis diminuer peu à peu. Exprimer le résultat sous la forme d'une loi de puissance (Tracer log(signal) en fonction de log(pot)). 2. Déterminer le courant d'obscurité en fonction de la valeur de pot 3. Vérifier la linéarité du signal avec l'intensité lumineuse pour deux valeurs extrêmes de pot. 4. En travaillant à bas niveau d'amplification (pot~4 tours) déterminer la sensibilité en µa/nw en fonction de la longueur d'onde entre et 900nm : utiliser la lumière issue du monochromateur éclairé par une lampe blanche (utiliser un filtre jaune au delà de nm pour couper le 2éme ordre de diffraction) dont on mesurera la puissance au moyen d une photodiode étalonnée (il est nécessaire de reprogrammer l appareil pour chaque valeur de la longueur d onde). Le rendement quantique de la photocathode ne peut être connu qu'en déterminant le coefficient de multiplication des photoélectrons. Cela nécessite de pouvoir comparer le signal analogique avec le signal de "comptage de photons" (ou plutôt de photoélectrons).

7 Utilisation en mode comptage: 5. Eclairer le PM à très bas niveau de signal (peu importe la longueur d'onde) et fixer pot=9. Brancher la sortie sur l'ampli et le compteur de photons. Noter le nombre d'impulsions comptées en 1s. Comparer avec le signal analogique. En tirer le coefficient de multiplication, et utiliser cette valeur pour en déduire le rendement quantique d'après les mesures du Noter les fluctuations sur le nombre d'impulsions. ont-elles de type "bruit de grenaille" (mesurer la valeur moyenne et la variance)? Faire varier éventuellement le niveau de signal et/ou le temps d'intégration 7. Déterminer le nombre de coups comptés dans le noir, ses fluctuations, la puissance équivalente au bruit et la détectivité du photomultilicateur.