1.5. Оценка потерь в макете датчика с однопроходным чувствительным элементом

Эксперимент показал, что достижимые потери при последовательном прохождении двух градиентных линз составляют 3 дБ.

С увеличением расстояния между торцами градиентных линз до 0,025 м потери возрастают незначительно. Вклад в общие потери от поляризационных призм, при условии, что их коэффициент экстинкции не хуже 10 дБ, составляет не более 0,5 дБ. Потери при прохождении кристалла составляют 2,4 дБ на 12 мм.

Суммирование перечисленных потерь даёт оценку достижимых минимальных потерь для описываемой оптической схемы (рис. 1.2) в 9,4 дБ. Измеренные полные потери в чувствительном элементе составляют дБ.

1.6. Расчёт соотношения «сигнал-шум» и чувствительности датчика

Интенсивность света I на входе фотоприёмника в рассматриваемой схеме составляет

, (1.21)

где I₀ – средняя интенсивность света;

– глубина магнитооптической модуляции света внешним полем H;

V – константа Верде материала;

– коэффициент оптической активности;

– угол между разрешёнными направлениями в системе «поляризатор-анализатор».

Из выражения (1.21) отношение «сигнал-шум» на выходе фотоприёмника при использовании в качестве детектора p-i-n фотодиода можно записать как

, (1.22)

где А – вольт-ваттная чувствительность;

e – заряд электрона;

k – константа Больцмана;

T – температура в ⁰К;

B – полоса рабочих частот фотоприёмника;

R – сопротивление нагрузки фотодиода;

F – коэффициент шума входного усилителя фототока;

N_изб – величина избыточных шумов, вносимых флуктуацией мощности источника и потерями в тракте.

При выборе в качестве источника излучения полупроводникового светодиода и путём соответствующей стабилизации тракта, в ВОД реализуются условия, когда величиной избыточных шумов N_изб можно пренебречь [37], считая значимыми источниками шумов в схеме дробовые шумы тока фотодиода и тепловые шумы сопротивления нагрузки. В исследуемой схеме ВОД рабочая точка выбирается таким образом, что фотодиод работает в режиме «сильной засветки», так как при взаимной ориентации осей поляризатора и анализатора под углом в 45⁰ половина мощности источника излучения проходит на фотодиод. Отсюда основным источником шумов для данной схемы являются дробовые шумы тока засветки фотодиода. В используемом фотоприёмнике в качестве детектора излучения был выбран кремниевый p-i-n фотодиод. Усилитель фототока был построен по трансимпедансной схеме с коэффициентом передачи МоМ и полосу пропускания до 10⁶ Гц. Следовательно, отношение «сигнал-шум» на выходе фотоприёмного устройства можно записать, как

. (1.23)

Принимая С/Ш=1, можно оценить чувствительность датчика, то есть величину минимально регистрируемого значения глубины модуляции в единичной полосе частот, для ранее показанного Вт на входе фотоприёмника , что даёт чувствительность датчика к магнитному полю А/м.

Зависимость выходного сигнала однопроходного ВОД от напряжённости приложенного магнитного поля имеет линейный вид, угол наклона прямой соответствует чувствительности (коэффициенту преобразования) ВОД и составляет , что близко к расчётным значениям.

Величина минимально обнаружимого магнитного поля составляет  А/м, что в 5 раз хуже расчётного значения. Расхождение может быть объяснено неучтёнными дополнительными потерями в оптическом тракте, а также неточностями в измерении мощности излучения на входе фотоприёмника.