Artikli esimene autor on Metroserdi juhatuse esimees Aigar Vaigu, kaasautorid Metroserdi teadus- ja arendusdivisjoni juhtivteadur Toomas Kübarsepp ja teadur Matt Rammo ja Aalto Ülikooli professor ning elektriinseneriteaduse ja automatiseerimise osakonna juht Erkki Ikonen. Nad tutvustasid uudset detektorit, mis ühendab kaks erinevat pooljuhtdetektorit (Si ja InGaAs fotodioodid) üheks laia tundlikkusega (400–1600 nm) detektoriks.

Uudse fotodetektori idee põhineb asjaolul, et räni (Si) peegeldustegur on laias spektrivahemikus (ultravioletist infrapunaseni) ühtlane, hästi ennustatav ning sõltub vähe valguse lainepikkusest. Erinevate fotodioodide tundlikust ja peegeldusi kombineerides ongi võimalik ühendada mõlema fotodioodi kasulikud omadused. Laia spektraalse tundlikkusega fotodetektori üks võimalik kasutusala on kvantkrüptograafia süsteemides (kvantvõtme vahetus), et tuvastada võimalikke ründeid. Sellistes rünnetes võidakse kasutada valgust, millele põhisüsteem ehk võtmevahetus ei ole tundlik, kuid ometi mõjutatav. Loodud uudne lõksdetektor võimaldab tuvastada selliseid ründeid. Samas on võimalik seda seadet kasutada ka tavapärasteks optilisteks mõõtmisteks ja laserkiire kontrollitud nõrgendamiseks. 

Artikli põhiautor on Metroserdi teadus- ja arendusdivisjoni juhtivteadur Toomas Kübarsepp,  kaasautorid on Metroserdi teadus- ja arendusdivisjoni teadur Meelis-Mait Sildoja, Metroserdi juhatuse esimees Aigar Vaigu, Tartu observatooriumi vaneminsener Ilmar Ansko ja observatooriumi kosmosetehnoloogia osakonna kaasprofessor  Riho Vendt ning teadur Viktor Vabson.

Põhjalikult uuriti fotodetektori 2XIGA etalondetektorina kasutamise eesmärgil valguse infrapunases piirkonnas. Unikaalses fotodetektoris on kaks InGaAs-põhist fotodioodi monteeritud langeva valguse suhtes 17-kraadise nurga all viisil, mis kindlustaks kogu fotodetektori spektraalse tundlikkus ja läbilaskvuse sõltumatuse sisenenud valguskiire polarisatsioonist (vt joonis 1). 

Joonis 1. InGaAs-põhiste fotodioodide paigutus fotodetektoris 2XIGA. Valguse langemisnurk dioodidele tähistega PDA ja PDB on 17° ja paiknevad seadmes sümmetriliselt sisend- ja väljundvalgusekiire suhtes. 

Leiti, et lainepikkustel 852 nm, 1309 nm ja 1545 nm on detektori 2XIGA suhtelise tundlikkuse muutused üle aktiivse pinna ±1 % piires, tundlikkus, läbilaskvus ja kvantsaagis polarisatsioonist sõltumatud suhtelisel laiendmääramatusel 3%, optilisest väljundavast lahkuv valgusekiir moonutamata. 

Oleme edasi arendamas üksikute footonite laviindetektori (Single Photon Avalanche Detector, SPAD) kalibreerimismeetodit kasutades fotodetektorit 2XIGA samaaegselt etalonina kui ka valguse nõrgendajana nii pidevas kui ka impulssrežiimis lainepikkustel 1309 nm ja 1545 nm. 

See teadustöö ilmus 21. oktoobril 2024 ajakirjas Metrologia, mida avaldatakse koostöös BIPM-i ja IOP Publishing Ltd-ga. Artiklis käsitletakse kahepoolse võrdlusmõõtmise EURAMET.T-K9.1 tulemuste sidumist rahvusvahelise võrdlusmõõtmise CCT-K9 võtmeväärtusega.

Kahepoolne (Justervesenet ja Metrosert AS) võrdlusmõõtmine EURAMET.T-K9.1 toimus 2017. aastal ja lõpparuanne valmis aastal 2018. Kuna CCT-K9 lõppraport avaldati alles 2023. aastal ja jõudis avalikkuseni 2024. aasta sügisel, siis kahe võrdluse tulemuste sidumine tehti alles peale lõpparuande ilmumist, mida on antud artiklis kirjeldatud. Kahe võrdluse seostamine annab võimaluse avaldada AS Metrosert kinnispunktides (Hg, Ga, Sn ja Zn) termomeetrite kalibreerimisvõime rahvusvahelises andmebaasis (KCDB).

Artiklis tutvustatakse optilise primaaretaloni Predictable Quantum Efficient Detector (PQED) võimekust mõõta mõnesaja femtovati (fW = 10^-15 W) suurusi optilisi võimsusi. Kaasaegsete võimendite ja hoolikalt ette valmistatud eksperimendi tulemusel suutsime näidata, et primaaretaloni saab kasutada optiliste detektorite kalibreerimiseks, mis suudavad tuvastada üksikuid footoneid. Selle näitlikustamiseks võrreldi Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudis (KBFI) välja töötatud nõrkade valgusimpulsside mõõtmise fotodetektorit PQED-ga. 

Mõlema detektori eripäraks on vedela lämmastiku temperatuurini jahutatud valgustundlikud elemendid – fotodioodid – , mille foto-elektrilist signaali mõõdetakse väga tundlike võimenditega. PQED puhul kasutati selleks kommertsiaalset femto-ampermeetrit, KBFI detektori võimendi on seevastu disaininud ja ehitanud Eesti elektroonikafirma Hedgehog OÜ. 

Ehkki kumbki detektor ei suuda otseselt üksikuid footoneid tuvastada, suudavad mõlemad detektorid mõõta nõrku valgusvooge, mida kasutatakse üksikute footonite detektorite (näiteks SPAD) kalibreerimisel. Võrdlusmõõtmised näitasid, et nii PQED kui ka KBFI detektor suudavad optilisi võimsusi mõõta piirkonnas 130 fW – 3.3 pW laiendmääramatusega 8%-1.4%. Need määramatused võivad tunduda suured, kuid femtoamper piirkonnas on antud määramatused siiski esmaklassilised. KBFI detektori baasil on kavas arendada AS Metroserdile madalate footonvoogude etalondetektor.

Joonis 2. Vasakul: KBFI detektor koos integreeriva võimendi ja kontrolleriga. Paremal: PQED ja KBFI detektor võrdlusmõõtmistel. Pikad mustad torud detektorite ees välistavad hajunud valguse sattumist detektoritesse.