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1 - DOMAINES D'APPLICATION

2 - GRANDEURS CARACTÉRISTIQUES DES RAYONNEMENTS

  • 2.1 - Propriétés d'une onde électromagnétique, domaine spectral
  • 2.2 - Grandeurs à mesurer et unités
  • 2.3 - Conditions d'étalonnage : le faisceau et ses qualités

3 - CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES DES DÉTECTEURS

  • 3.1 - Différents types de détecteurs
  • 3.2 - Détecteurs quantiques et thermiques : domaine spectral, détectivité, homogénéité, stabilité à long terme
  • 3.3 - Détecteurs plan ou en cavité : réduction de la réflexion en surface
  • 3.4 - Références primaires et références de transfert
  • 3.5 - Références de rayonnement de meilleur niveau : références de flux

4 - RADIOMÈTRE CRYOGÉNIQUE : DÉTECTEUR THERMIQUE PRIMAIRE

  • 4.1 - Détecteurs thermiques
  • 4.2 - Radiomètre à substitution électrique
  • 4.3 - Spécificités du radiomètre cryogénique
  • 4.4 - Bilan des incertitudes liées au fonctionnement du radiomètre cryogénique

5 - DÉTECTEURS QUANTIQUES

  • 5.1 - Définition et propriétés essentielles du détecteur quantique
  • 5.2 - Utilisation des photodiodes au silicium dans un détecteur de référence
  • 5.3 - Réflexion à la surface du détecteur
  • 5.4 - Interaction photon-matière et recueil des charges électriques dans une jonction semi-conductrice
  • 5.5 - Évolutions vers une référence quantique performante

6 - APPLICATION DES DÉTECTEURS ÉTALONS À D'AUTRES GRANDEURS PHOTOMÉTRIQUES ET RADIOMÉTRIQUES

  • 6.1 - Mesures spectrales
  • 6.2 - Mesures globales

7 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : R6412 v1

Détecteurs quantiques
Références radiométriques pour les mesures de rayonnement optique

Auteur(s) : Bernard ROUGIÉ, Jeanne-Marie COUTIN

Date de publication : 10 déc. 2015

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RÉSUMÉ

Cet article traite de la mesure des rayonnements optiques et des références primaires que sont les étalons élaborés d'après les définitions des unités fondamentales ou dérivées du Système international d'unités. Après une revue des grandeurs radiométriques et des détecteurs utilisables, le radiomètre cryogénique, étalon primaire, est décrit en détail. Les mesures de flux effectuées par cet instrument ont les meilleures incertitudes. Un autre instrument, le PQED (Predictable Quantum Efficiency Detector), nouvellement développé, est plus précis mais restreint au domaine spectral "visible". Le transfert et l'application des capacités de ces étalons primaires de flux aux autres grandeurs radiométriques, photométriques ou pyrométriques sont développés, et les incertitudes sont explicitées.

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ABSTRACT

Radiometric references for optical radiation measurements

This paper concerns optical radiation measurements, especially the primary references established from the definition of the fundamental SI units (International System of Units). After reviewing the radiometric quantities and the available detectors, the cryogenic radiometer, a primary standard is described in detail. The uncertainties of flux measurements made by this instrument are best at the 1 or 2 10-4 level. A second instrument, the PQED (Predictable Quantum Efficiency Detector) has recently been developed. It is simpler and potentially more accurate, but limited to the visible spectrum range. Transfer and application of these primary standards for radiometric, photometric or pyrometric quantities are developed and their uncertainties evaluated in a few examples.

Auteur(s)

  • Bernard ROUGIÉ : Ingénieur de recherche, responsable du laboratoire de rayonnements optiques - Laboratoire commun de métrologie LNE-Cnam, Conservatoire national des arts et métiers, Saint-Denis, France

  • Jeanne-Marie COUTIN : Ingénieur de recherche, responsable des références de sensibilité des détecteurs - Laboratoire commun de métrologie LNE-Cnam, Conservatoire national des arts et métiers, Saint-Denis, France

INTRODUCTION

Le sujet, tel que présenté dans le titre, est très large ; il convient d'abord de le préciser : c'est essentiellement le caractère énergétique du rayonnement qui sera envisagé ici, avec son application importante en photométrie. Seuls les détecteurs utilisés comme référence seront considérés ainsi que leur application à l'étalonnage des lampes avec de meilleures incertitudes.

La grandeur à quantifier est donc la puissance du rayonnement, appelée « flux », exprimée en watt, mesurée par un détecteur placé sur le trajet du rayonnement. Le domaine spectral habituellement inclus dans ce que l'on nomme un peu improprement le « rayonnement optique » s'étend de l'ultraviolet, 200 nm, à l'infrarouge, 2 500 nm.

Le détecteur primaire est un instrument capable de réaliser des mesures en ne se référant qu'à la définition du système international d'unités (SI). Ce sont deux instruments de ce type qui font l'objet principal du présent article. Le radiomètre cryogénique est depuis la fin des années 1980 la meilleure référence autant pour sa faible incertitude que pour l'étendue de son domaine spectral (200 nm à 15 µm, voire au-delà) qui couvre largement le domaine des rayonnements optiques. Une nouvelle génération de photodiodes promet d'être un concurrent aussi précis et beaucoup plus simple d'emploi dans un domaine spectral plus réduit allant de 400 nm à 900 nm.

Ces objets de laboratoire de métrologie étant difficiles d'emploi, ils sont remplacés par des instruments de transfert et des instruments spécialisés adaptés à la grande variété des grandeurs utilisées en matière de mesure du rayonnement. Quelques méthodes d'étalonnage d'autres détecteurs, de mesures de grandeurs autres que le flux (éclairement, luminance) et les applications aux mesures concernant l'étalonnage de sources de rayonnement sont présentées, au moins dans leur principe.

Il n'est pas possible en métrologie de parler de « référence » sans évoquer la question de la confiance à lui attribuer. Les incertitudes seront donc étudiées pour chacun des instruments de référence et pour les méthodes de transfert.

Le lecteur pourra s'appuyer sur un article généraliste [R 6 410] Radiométrie, photométrie des Techniques de l'Ingénieur.

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KEYWORDS

electronics   |   optics   |   radiation   |   temperature

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-r6412


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5. Détecteurs quantiques

5.1 Définition et propriétés essentielles du détecteur quantique

L'adjectif « quantique » fait référence aux photons, c'est-à-dire à la nature granulaire de l'énergie transportée par le rayonnement électromagnétique. Pour un détecteur quantique, un photon, pourvu qu'il soit porteur d'une énergie supérieure à une valeur limite (h, constante de Planck et ν, fréquence du rayonnement), provoque un effet sur la matière qui peut être soit l'ionisation d'un atome, soit une modification chimique, soit l'éjection d'un électron du milieu, soit le passage d'un électron depuis la bande de valence vers la bande de conduction d'un semi-conducteur, etc. La réponse d'un détecteur quantique étant le plus souvent le courant dans un semi-conducteur, elle est proportionnelle au nombre de photons incidents. Pour les faibles flux, chaque impulsion créée par un photon incident peut être comptée. Pour les flux élevés, l’intensité du courant peut être mesurée en moyenne. Nous nous limiterons aux effets du rayonnement dans une jonction semi-conductrice de silicium qui est le matériau de base du détecteur de référence étudié ci-après.

Dans un détecteur quantique idéal, un photon génère un électron. Un rayonnement de puissance constante Φ, de fréquence ν transportant n photons par unité de temps, a un flux énergétique Φn · h· ν et le courant électrique généré est i = n.e, e étant la charge élémentaire de l'électron. La sensibilité i/Φ d'un tel détecteur est :

( 6 )

La sensibilité est nulle pour les photons d'énergie inférieure au minimum requis w min pour l'interaction avec la matière, de même qu'au-delà d'une certaine énergie 2 w min, un photon peut avoir plus d'une interaction. La relation linéaire liant la sensibilité à la longueur d'onde du rayonnement n'est donc valable que dans un domaine limité d'énergie des photons (de w min à 2 w...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BOYD (R.W.) -   Radiometry and the detection of optical radiation.  -  John Wiley and sons (1983).

  • (2) - PUTLEY (E.H.) -   Thermal Detectors.  -  Dans « Optical and Infrared Detectors » – (ed. R. J. Keyes) – Chapter 3, Springer-Verlag, Berlin and New York (1980).

  • (3) - DESVIGNES (F.) -   Détection et détecteurs de rayonnement optiques.  -  Collection Mesures Physiques, Masson, 346 pages (1987).

  • (4) - GAUSSORGUES (G.) -   La thermographie infrarouge, principes, technologies, applications.  -  3e édition, Technique et Documentation, Lavoisier, Paris, 539 pages (1989).

  • (5) -   Electrically calibrated thermal detectors of optical radiation (absolute radiometers).  -  Publication CIE, n° 65 (1985).

  • (6) - HENGSTBERGER (F.) -   Absolute...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

NORMES

  • Caractérisation des performances des luxmètres et des luminancemètres. - ISO/CEI 19476 - 2014

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