光源和光電探測(cè)器

1、關(guān)于光源與光電探測(cè)器第1頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四第1章 光源與光電探測(cè)器第2頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四光源應(yīng)用科學(xué)研究共用應(yīng)用物質(zhì)成分分析材料結(jié)構(gòu)研究光電檢測(cè)照明工程第3頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四能把光輻射量轉(zhuǎn)換為另一種便于測(cè)量的物理量的器件光輻射量光電探測(cè)器電信號(hào)光探測(cè)器光子探測(cè)器光電探測(cè)器的物理效應(yīng)光子效應(yīng)光熱效應(yīng)熱探測(cè)器第4頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.1 光電信息技術(shù)中常用的光源一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源，無(wú)論是天然的，還是人造的，都稱為光源。天然光源是自然界

2、中存在的，如太陽(yáng)、恒星等，在天文學(xué)電探測(cè)中，常常會(huì)遇到這些光輻射的測(cè)量。人造光源是人為將各種形式能量（熱能、電能、化學(xué)能）轉(zhuǎn)化成光輻射能的器件，其中利用電能產(chǎn)生光輻射的器件稱為電光源。在一般光電測(cè)量系統(tǒng)中，電光源是最常見的光源。第5頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.1.1 光源的基本特性參數(shù)1. 輻射效率和發(fā)光效率 在給定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率之比，稱為該光源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率相應(yīng)地，對(duì)于可見光范圍，某一光源的發(fā)光效率v為所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比，就是該光源的光效率，即第6頁(yè)，共122頁(yè)，202

3、2年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四2. 光譜功率分布 4.1.1 光源的基本特性參數(shù)自然光源和人造光源大都是由單色光組成的復(fù)色光。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來(lái)描述。若令其最大值為1，將光譜功率分布進(jìn)行歸一化，那么經(jīng)過歸一化后的光譜功率分布稱為相對(duì)光譜功率分析。光源種類發(fā)光效率(lm.W-1)光源種類發(fā)光效率(lm.W-1)普通鎢絲燈8-18高壓汞燈30-40鹵鎢燈14-30高壓鈉燈90-100普通熒光燈35-60球形氙燈30-40三基色熒光燈55-90金屬鹵化物燈60-80表1 常用光源的發(fā)光效率第7頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4

4、.1.1 光源的基本特性參數(shù)圖中（a）稱為線狀光譜，由若干條明顯分隔的細(xì)線組成，如低壓汞燈。圖（b）稱為帶狀光譜，它由一些分開的譜帶組成，每一譜帶中又包含許多細(xì)譜線。如高壓汞燈、高壓鈉燈就屬于這種分布。圖（c）為連續(xù)光譜，所有熱輻射光源的光譜都是連續(xù)光譜，圖（d）是混合光譜，它由連續(xù)光譜與線、帶譜混合而成，一般熒光燈的光譜就屬于這種分布。典型的光譜功率分布第8頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.1.1 光源的基本特性參數(shù)在選擇光源時(shí)，它的光譜功率分布應(yīng)由測(cè)量對(duì)象的要求來(lái)決定。在目視光學(xué)系統(tǒng)中，一般采用可見光譜輻射比較豐富的光源。對(duì)于彩色攝影用光源，為了獲得較好的色彩還

5、原，應(yīng)采用類似于日光色的光源，如鹵鎢燈、氙燈等。在紫外分光光度計(jì)中，通常使用氚燈、紫外汞氙燈等紫外輻射較強(qiáng)的光源，在光纖技術(shù)中，通常使用發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器等光源 第9頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.1.1 光源的基本特性參數(shù)3. 空間光強(qiáng)分布 對(duì)于各向異性光源，其發(fā)光強(qiáng)度在空間各方向上是不相同的，若在空間某一截面上，自原點(diǎn)向各徑向取矢量，矢量的長(zhǎng)度與該方向的發(fā)光強(qiáng)度成正比。將各矢量的端點(diǎn)連起來(lái)，就得到光源在該截面上的發(fā)光強(qiáng)度曲線，即配光曲線。超高壓球形氙燈的光強(qiáng)分布在有的情況下，為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強(qiáng)度高的方向作為照明方向。為了進(jìn)一步利用背面方向

6、的光輻射，還可以在光源的背面安裝反光罩，反光罩的焦點(diǎn)位于光源的發(fā)光中心上。第10頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.1.1 光源的基本特性參數(shù)4. 光源的色溫 黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對(duì)非黑體輻射，它的某些特性常可用黑體輻射的特性來(lái)近似地表示。對(duì)于一般光源，經(jīng)常用分布溫度、色溫或相關(guān)色溫表示。 （1）分布溫度輻射源在某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射的相對(duì)光譜分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對(duì)光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為該輻射源的分布溫度。這種輻射體的光譜輻亮度可表示為第11頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四（2）色溫4.1.1 光源的基本

7、特性參數(shù)若輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。輻射源發(fā)射光的顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生，所以色溫相同的光源，它們的相對(duì)光譜功率分布不一定相同（3）相關(guān)色溫。對(duì)于一般光源，它的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時(shí)的光源用相關(guān)色溫表示，在均勻色度圖中，如果光源的色坐標(biāo)點(diǎn)與某一溫度下黑體輻射的色坐標(biāo)點(diǎn)最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。第12頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.1.1 光源的基本特性參數(shù)5. 光源的顏色 光源的顏色包含了兩方面的含義，即色表和顯色性。用眼睛直接觀察光源時(shí)所看到的顏色稱為光

8、源的色表。比如高壓鈉燈的色表呈黃色，熒光燈的色表呈白色。當(dāng)用這種光源照射物體時(shí)，物體呈現(xiàn)的顏色（也就是物體反射光在人眼內(nèi)產(chǎn)生的顏色感覺）與該物體在完全輻射體照射下所呈現(xiàn)顏色的 一致性，稱為該光源的顯色性。第13頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.1.2 熱輻射源（1）它們的發(fā)光特性都可以利用普朗克公式進(jìn)行精確的估算，即可以精確掌握和控制它們的發(fā)光或輻射性質(zhì)；（2）它們發(fā)出的光通量構(gòu)成連續(xù)的光譜，且光譜范圍很寬，因此使用的適應(yīng)性強(qiáng)。但在通常情況下，紫外輻射含量很少，這又限制了這類光源的使用范圍；（3）采用適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓或穩(wěn)流供電，可使這類光源的光獲得很高的穩(wěn)定度。任何物體只

9、要其溫度大于絕對(duì)零度，就會(huì)向外界輻射能量，其輻射特性與溫度有關(guān)。物體靠加熱保持一定溫度，使其內(nèi)能不變而持續(xù)輻射的形式稱為熱輻射。 （3）采用適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓或穩(wěn)流供電，可使這類光源的光獲得很高的穩(wěn)定度。第14頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.1.2 熱輻射源熱輻射源應(yīng)用科學(xué)研究共用應(yīng)用照明光學(xué)系統(tǒng)-光源光電探測(cè)-光源光度或輻射度標(biāo)準(zhǔn)光源第15頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.1.2 熱輻射源1. 太陽(yáng) 太陽(yáng)可看成是一個(gè)直徑為1.392 109 m的光球。它到地球的年平均距離是1.491011m因此從地球上觀看太陽(yáng)時(shí)，太陽(yáng)的張角只有0.5330。

10、大氣層外的太陽(yáng)光譜能量分布相當(dāng)于5900K左右的黑體輻射。其平均輻亮度為2.01l07Wm-2sr-1平均亮度為1.95109cdm-2。太陽(yáng)的光譜能量分布曲線第16頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.1.2 熱輻射源 射到地球上的太陽(yáng)輻射，要斜穿過一層厚厚的大氣層，使太陽(yáng)輻射在光譜和空間分布、能量大小、偏振狀態(tài)等都發(fā)生了變化。大氣的吸收光譜比較復(fù)雜，其中氧(O2)、水汽(H2O)、臭氧(O3)，二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和其它碳?xì)浠衔?如CH4)等，都在不同程度上吸收了大陽(yáng)輻射，而且它們都是光譜選擇性的吸收介質(zhì)，在標(biāo)準(zhǔn)海平面上太陽(yáng)的光譜輻射照度曲線，其中

11、的陰影部分表示大氣的光譜吸收帶第17頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.1.2 熱輻射源2. 黑體模擬器 在許多軍用紅外光電信息技術(shù)和光電系統(tǒng)中，往往需要這樣一種輻射源，它的角度特性和光譜特性酷似理想黑體的特性。這種輻射源常稱為黑體模擬器。黑體模擬器的結(jié)構(gòu)第18頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.1.2 熱輻射源3. 白熾燈 白熾燈是照明工程和光電測(cè)量中最常用的光源之一。白熾燈發(fā)射的是連續(xù)光譜，在可見光譜段中部和黑體射曲線相差約0.5%，而在整個(gè)光譜段內(nèi)和黑體輻射曲線平均相差2%。此外，白熾燈使用和量值復(fù)現(xiàn)方便，它的發(fā)光特性穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，因而

12、也廣泛用作各種輻射度量和光度量的標(biāo)準(zhǔn)光源。第19頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.1.2 熱輻射源圖(a)所示為BDQ型發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈，用來(lái)傳遞和復(fù)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度單位(cd)的量值。發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈是通過精確控制流過燈絲的直流電流，復(fù)現(xiàn)在規(guī)定的色溫下和在燈絲平面中心的法線方向上的光強(qiáng)度。圖(b)是BDT型光通量標(biāo)準(zhǔn)燈，用來(lái)傳遞和復(fù)現(xiàn)光通量值光通量標(biāo)準(zhǔn)燈的燈絲是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，這樣使電壓與燈參數(shù)的變化曲線其光分布在各旋轉(zhuǎn)方向盡可能一致。 圖(c)為BW型溫度標(biāo)準(zhǔn)燈，它的發(fā)光體是一條狹長(zhǎng)的鎢帶，當(dāng)通以電流時(shí)，鎢帶熾熱發(fā)光。主要工作在80025000C 范圍內(nèi)，復(fù)現(xiàn)和驗(yàn)定光學(xué)高溫計(jì)

13、及某些以光學(xué)高溫計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)的溫度源，也可以代替能量標(biāo)準(zhǔn)燈使用。第20頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.1.3 氣體放電光源第21頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.2 光電探測(cè)器的性能參數(shù)與噪聲第22頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.2.1 光電探測(cè)器的性能參數(shù)響應(yīng)度是光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入輻射功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換效能。定義為光電探測(cè)器的輸出均方根電壓或電流與入射到光電探測(cè)器上的平均光功率之比 1. 響應(yīng)度 -靈敏度第23頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四 R

14、V和R I分別稱為光電探測(cè)器的電壓響應(yīng)度和電流響應(yīng)度，由于光電探測(cè)器的響應(yīng)度隨入射輻射的波長(zhǎng)變化而變化，因此又有光譜響應(yīng)度和積分響應(yīng)度 光電探測(cè)器本質(zhì)是一個(gè)外電壓偏置的電流輸出器件，通過負(fù)載電阻可改變?yōu)殡妷狠敵銎骷?.2.1 光電探測(cè)器的性能參數(shù)第24頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四2. 光譜響應(yīng)度 光譜響應(yīng)度又叫單色響應(yīng)度，它表示不同波長(zhǎng)的單位輻射功率，輻射入射到一個(gè)探測(cè)器的敏感元上，探測(cè)器輸出強(qiáng)弱的不同。光譜響應(yīng)度用R表示，是光電探測(cè)器的輸出電壓或者輸出電流與入射到探測(cè)器上單色輻射通量（光通量）之比R是常數(shù)時(shí)，相應(yīng)探測(cè)器稱為無(wú)選擇性探測(cè)器(如光熱探測(cè)器)，光子探

15、測(cè)器則是選擇性探測(cè)器。4.2.1 光電探測(cè)器的性能參數(shù)第25頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四3.積分響應(yīng)度積分響應(yīng)度表示探測(cè)器對(duì)連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度。對(duì)包含有各種波長(zhǎng)的輻射光源，總光通量為光電探測(cè)器輸出的電流或電壓與入射總光通量之比稱為積分響應(yīng)度。由于光電探測(cè)器輸出的光電流是由不同波長(zhǎng)的光輻射引起的，所以輸出光電流為可得積分響應(yīng)度為4.2.1 光電探測(cè)器的性能參數(shù)第26頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4. 響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間是描述光電探測(cè)器對(duì)入射輻射響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù)。即當(dāng)入射輻射到光電探測(cè)器后或入射輻射遮斷后，光電探測(cè)器的輸出上升到穩(wěn)定值

16、或下降到照射前的值所需時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間。上升時(shí)間和下降時(shí)間4.2.1 光電探測(cè)器的性能參數(shù)第27頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四由于光電探測(cè)器信號(hào)的產(chǎn)生和消失存在著一個(gè)滯后過程，所以入射光輻射的頻率對(duì)光電探測(cè)器的響應(yīng)將會(huì)有較大的影響。光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。利用時(shí)間常數(shù)可得到光電探測(cè)器響應(yīng)度與入射輻射調(diào)制頻率的關(guān)系，其表達(dá)式為5頻率響應(yīng) 一般規(guī)定，R f下降到可得到放大器的上限截止頻率光電探測(cè)器的頻率響應(yīng)曲線4.2.1 光電探測(cè)器的性能參數(shù)第28頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四信噪比是判定噪聲大小通常使用

17、的參數(shù)。它是在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的信號(hào)功率與噪聲功率之比，即6信噪比（S/N） 若用分貝（dB）表示，則為 信號(hào)功率相同方可比較單個(gè)光電探測(cè)器，其S/N的大小與入射信號(hào)輻射功率及接收面積有關(guān)，若入射輻射強(qiáng)，接收面積大，S/N就大，但性能不一定好-局限性4.2.1 光電探測(cè)器的性能參數(shù)第29頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四它定義為器件在特定帶寬內(nèi)（1Hz）產(chǎn)生的均方根信號(hào)電流恰好等于均方根噪聲電流值時(shí)的輸入通量，此時(shí)，其他參數(shù)，如頻率、溫度等應(yīng)加以規(guī)定。這個(gè)參數(shù)是在確定光電探測(cè)器件的探測(cè)極限（以輸入能量為瓦或流明表示）時(shí)使用。7等效噪聲輸入（ENI） 4.2.1 光電探

18、測(cè)器的性能參數(shù)第30頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四或稱最小可探測(cè)功率Pmin。它定義為探測(cè)器輸出的信號(hào)功率與噪聲功率之比為1時(shí)所需的入射到探測(cè)器上的輻射通量（單位為瓦），即8噪聲等效功率（NEP） 一個(gè)良好的探測(cè)器NEP約為1011W，NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。信號(hào)輻射功率小于噪聲等效功率，則探測(cè)器信號(hào)輸出小于噪聲，意味著探測(cè)器將無(wú)法感知目標(biāo)輻射。噪聲等效功率實(shí)際上就是探測(cè)器能夠探知的最小目標(biāo)輻射，標(biāo)志著一個(gè)探測(cè)器的靈敏度、噪聲等效功率越小，探測(cè)器靈敏度越高。4.2.1 光電探測(cè)器的性能參數(shù)第31頁(yè)，共122頁(yè)，20

19、22年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四9探測(cè)率D與比探測(cè)率D* 只用NEP無(wú)法比較兩個(gè)不同來(lái)源的光探器的優(yōu)劣。為此，引入兩個(gè)新的性參數(shù)探測(cè)率D和比探測(cè)率D*探測(cè)率D又稱探測(cè)度，是探測(cè)器接收單位功率輻射所能獲得的信噪比，是NEP的倒數(shù)，作為探測(cè)器探測(cè)最小輻射信號(hào)能力的指標(biāo)。D愈大，光電探測(cè)器的性能愈好。所描述的特性是：光電探測(cè)器在它的電平之上產(chǎn)生一個(gè)可觀測(cè)的電信號(hào)的本領(lǐng)。即光電探測(cè)器能響應(yīng)的入射光功率越小，其探測(cè)能力越高4.2.1 光電探測(cè)器的性能參數(shù)第32頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四“D值大的探測(cè)器其探測(cè)能力一定好”的結(jié)論并不充分。？主要是探測(cè)器光敏面積A和測(cè)量帶

20、寬f對(duì)D值影響甚大。通常情況下 為了比較比較各種探測(cè)器的性能，需除去A、 的差別所帶來(lái)的影響 歸一化參數(shù)來(lái)表示 4.2.1 光電探測(cè)器的性能參數(shù)第33頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四歸一化探測(cè)度 D*大的探測(cè)器其探測(cè)能力一定好。考慮到光譜的響應(yīng)特性，一般給出D*值時(shí)注明響應(yīng)波長(zhǎng)、光輻射調(diào)制頻率f及測(cè)量帶寬f，即D*(, f ,f )。4.2.1 光電探測(cè)器的性能參數(shù)第34頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四10噪聲等效帶寬 噪聲等效帶寬fN是在噪聲計(jì)算中所討論的帶寬。反映系統(tǒng)對(duì)噪聲的選擇性。噪聲等效帶寬定義為一個(gè)矩形噪聲功率增益曲線的頻率間隔。

21、矩形噪聲功率增益曲線與頻率坐標(biāo)圖圍成的面積等于實(shí)際噪聲功率增益曲線與頻率坐標(biāo)間的面積。此矩形的高為實(shí)際最大功率增益。4.2.1 光電探測(cè)器的性能參數(shù)第35頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四噪聲帶寬可表示為：11.暗電流Id 即光電探測(cè)器在沒有輸入信號(hào)和背景輻射時(shí)所流過的電流（加電源時(shí)）。一般測(cè)量其直流值或平均值。G(f)是功率增益；G0是最大功率增益；Av(f)是電壓增益；Av0是最大電壓增益。4.2.1 光電探測(cè)器的性能參數(shù)第36頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四12量子效率 量子效率是評(píng)價(jià)光電器件性能的一個(gè)重要參數(shù)，它是在某一特定波長(zhǎng)上在單位

22、時(shí)間內(nèi)光電探測(cè)器輸出的光電子數(shù)與這一特定波長(zhǎng)入射光子數(shù)之比。 量子流速率N為量子流速率N即為每秒入射的光量子數(shù)4.2.1 光電探測(cè)器的性能參數(shù)第37頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)量子效率為4.2.1 光電探測(cè)器的性能參數(shù)第38頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四13線性度 線性度是描述探測(cè)器的光電特性或光照特性曲線輸出信號(hào)與輸入信號(hào)保持線性關(guān)系的程度。線性度是輻射功率的復(fù)雜函數(shù)，是指器件中的實(shí)際響應(yīng)曲線接近擬合直線的程度，通常用非線性誤差來(lái)度量max為實(shí)際響應(yīng)曲線與擬合直線之間的最大偏差，I1和I2分別為線性區(qū)中最小和最大響應(yīng)

23、值。4.2.1 光電探測(cè)器的性能參數(shù)第39頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.2.2 光電探測(cè)器的噪聲因?yàn)樵诠怆娹D(zhuǎn)換過程中，半導(dǎo)體中的電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，或者電子逸出材料表面等過程，都是一系列獨(dú)立事件，是一種隨機(jī)的過程。每一瞬間出現(xiàn)載流子是不確定的，所以隨機(jī)起伏將不可避免地與信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)。尤其在信號(hào)較弱時(shí)，光電探測(cè)器的噪聲會(huì)顯著地影響信號(hào)探測(cè)的準(zhǔn)確性。 是光電轉(zhuǎn)換物理過程中固有的，是一種不可能人為消除的輸出信號(hào)的起伏，是與器件密切相關(guān)的一個(gè)參量。第40頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.2.2 光電探測(cè)器的噪聲按噪聲產(chǎn)生的原因，可分為以下幾

24、類 噪聲 外部原因 內(nèi)部原因 人為噪聲 自然噪聲散粒噪聲 產(chǎn)生復(fù)合噪聲 光子噪聲 熱噪聲 低頻噪聲 第41頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.2.2 光電探測(cè)器的噪聲1、散粒噪聲無(wú)光照下，由于熱激發(fā)作用，而隨機(jī)地產(chǎn)生電子所造成的起伏（以光電子發(fā)射為例）。由于起伏單元是電子電荷量e，故稱為散粒噪聲，這種噪聲存在于所有光電探測(cè)器中。理論計(jì)算結(jié)果給出熱激發(fā)散粒噪聲的功率譜為i是流過探測(cè)器的平均暗電流，M是探測(cè)器的內(nèi)增益，q是電子電荷電量。第42頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.2.2 光電探測(cè)器的噪聲散粒噪聲的電流為：f是測(cè)量帶寬相應(yīng)的噪聲電壓為

25、按照式中平均電流i產(chǎn)生的具體物理過程，有Id是熱激發(fā)暗電流，ib和is分別為背景和信號(hào)電流它們服從下式的轉(zhuǎn)換關(guān)系如果用背景光功率Pb和信號(hào)光功率Ps顯式表示，則有S2是光電發(fā)射和光伏過程，S4是光電導(dǎo)、產(chǎn)生復(fù)合過程，M1是光伏過程，M1是光電倍增管、雪崩過程第43頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.2.2 光電探測(cè)器的噪聲 對(duì)光電導(dǎo)探測(cè)器，載流子熱激發(fā)是電子空穴對(duì)。電子和空穴在運(yùn)動(dòng)中，與光伏器件重要的不同點(diǎn)在于存在嚴(yán)重的復(fù)合過程，而復(fù)合過程本身也是隨機(jī)的。因此，不僅有載流子產(chǎn)生的起伏，而且還有載流子復(fù)合的起伏，其本質(zhì)也是散粒噪聲，為強(qiáng)調(diào)產(chǎn)生和復(fù)合兩個(gè)過程，取名為產(chǎn)生復(fù)

26、合散粒噪聲，簡(jiǎn)稱為產(chǎn)生復(fù)合噪聲，記為Ig-r和Vg-r即2.產(chǎn)生復(fù)合噪聲 i是流過器件的平均電流，為載流子平均壽命，t為載流子在器件兩極間平均漂移時(shí)間，f為頻率。如果頻率很低，且滿足2fRL2第81頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.3.3 光伏探測(cè)器第三象限是反偏壓狀態(tài)。這時(shí)iD=iS，它是普通二極管中的反向飽和電流，現(xiàn)在稱為暗電流(對(duì)應(yīng)于光功率P=0)，數(shù)值很小，這時(shí)的光電流(等于i-iS)是流過探測(cè)器的主要電流，此情況下的外回路特性與光電導(dǎo)相似，對(duì)應(yīng)于光導(dǎo)工作模式-相應(yīng)探測(cè)器-光電二極管。第一象限是正偏壓狀態(tài)，iD 本來(lái)就很大，所以光電流不起重要作用。作為光電探

27、測(cè)器，工作在這一區(qū)域沒有意義。i+RLVi+V第82頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.3.3 光伏探測(cè)器在第四象限中，外偏壓為零。流過探測(cè)器的電流仍為反向光電流，隨著光功率的不同，出現(xiàn)明顯的非線性。這時(shí)探測(cè)器的輸出是通過負(fù)載電阻RL上的電壓或流過RL上的電流來(lái)體現(xiàn)，因此，稱為光伏工作模式-相應(yīng)探測(cè)器-光電池。iRL第83頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.3.3 光伏探測(cè)器2兩種工作模式的比較 光導(dǎo)模式工作時(shí)，光電二極管加反偏壓，可以大大提高器件的頻率特性。此外反偏壓可增加長(zhǎng)波端靈敏度及擴(kuò)展線性區(qū)上限。但反偏產(chǎn)生的暗電流引起較大的散粒噪聲，

28、且頻率低于1KHz時(shí)還有1/f噪聲，這又限制了探測(cè)能力的下限。 因光伏式二極管無(wú)偏壓工作，故暗電流造成的散粒噪聲小，且無(wú)1/f噪聲，有高得多的信噪比。光伏式二極管主要應(yīng)用于超低噪聲、低頻及儀器方面。光導(dǎo)式二級(jí)管則主要用來(lái)探測(cè)高速光脈沖和高頻調(diào)制光。第84頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四光電池 光電池是一種不需要加偏壓的能把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的pn結(jié)光電器件，-采用光伏工作模式的光伏探測(cè)器光電池分類測(cè)量光電池-當(dāng)作光電探測(cè)器使用 太陽(yáng)能電池-用作電源 它的工作模式是光伏工作模式-光伏電池。4.3.3 光伏探測(cè)器第85頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星

29、期四太陽(yáng)能光電池主要用作向負(fù)載提供電源，對(duì)它的要求主要是光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低。由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、高可靠性、壽命長(zhǎng)、可在空間直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的特點(diǎn)，因此成為航天工業(yè)中的重要電源，且還被廣泛地應(yīng)用于供電困難的場(chǎng)所和一些日用便攜電器中。 測(cè)量光電池的主要功能是作為光電探測(cè)，即在不加偏置的情況下將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，此時(shí)對(duì)它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性高、壽命長(zhǎng)等。廣泛用于紅外輻射探測(cè)器、光電開關(guān) 4.3.3 光伏探測(cè)器第86頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四如圖所示，當(dāng)光作用于PN結(jié)時(shí)，耗盡區(qū)內(nèi)的光生電子與空穴在內(nèi)建電場(chǎng)力的作用

30、下分別向N區(qū)和P區(qū)運(yùn)動(dòng)，在閉合的電路中將產(chǎn)生如圖所示的輸出電流IL，且負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生電壓降為U。顯然，PN結(jié)獲得的偏置電壓U與光電池輸出電流IL與負(fù)載電阻RL有關(guān)，即 1）光電池的工作原理當(dāng)以輸出電流的IL為電流和電壓的正方向時(shí)，可以得到如下圖所示的伏安特性曲線。4.3.3 光伏探測(cè)器第87頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四光電池的伏安特性曲線從曲線可以看出，負(fù)載電阻RL所獲得的功率為其中，光電池輸出電流IL包括光生電流、擴(kuò)散電流與暗電流等三部分4.3.3 光伏探測(cè)器第88頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四光電池的等效電路2）光電池的等效電路

31、-光電流 -二極管電流 -p-n結(jié)漏電流 Rsh-等效泄露電阻 Cj結(jié)電容 Rs引線管芯接觸電阻 RL負(fù)載電阻 RLUU1RsRshishCjiDi4.3.3 光伏探測(cè)器第89頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四Rsh很大，很小，若不計(jì)影響，則 若將RL短接，忽略RS的影響，則U1=0（二極管的壓），iD=0。則流過光電池的短路電流 就是光電流 表明：光電池在短路工作狀態(tài)下，光電池的短路電流與入射的光功率成正比 （ ）在這狀態(tài)下工作的光電池可用做光電探測(cè)器 4.3.3 光伏探測(cè)器第90頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四3）短路電流和開路電壓負(fù)載電阻

32、RL所獲得的功率PL與負(fù)載電阻的阻值有關(guān)，當(dāng)RL=0（電路為短路）時(shí)，U=0，輸出功率PL=0；當(dāng)RL=（電路為開路）時(shí)，IL=0，輸出功率PL=0；在短路和開路兩種工作狀態(tài)，光電池均無(wú)電功率輸出，當(dāng)負(fù)載電阻為某一Rm時(shí)，才得到最大電輸出功率Pm。 Rm稱為特定照射光功率條件下最佳負(fù)載電阻，初略值 4.3.3 光伏探測(cè)器第91頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四由 當(dāng)RL趨近無(wú)窮大時(shí)，i=0，光電池輸出電壓U1即開路電壓 4.3.3 光伏探測(cè)器第92頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4）光電池的工作特性 （1）光譜特性光電池的光譜特性主要由材料決定

33、，材料不同，光譜特性不同。 由圖可見，Se光電池在可見光范圍內(nèi)具有高的靈敏度，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)在500um左右。特別適用于可見光應(yīng)用。Si光電池的光譜響應(yīng)范圍要寬，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)在850um左右，可見光和近紅外波段都有廣泛應(yīng)用。4.3.3 光伏探測(cè)器第93頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四（2）頻率特性對(duì)于光電池來(lái)說(shuō)，由于載流子在pn結(jié)區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散漂移，產(chǎn)生與復(fù)合都要一定的時(shí)間。 光電池的頻率特性一般說(shuō)來(lái)不是太好，主要有以下幾個(gè)原因： 1）光敏面積一般做的較大，因而極間結(jié)電容cj較大，則響應(yīng)時(shí)間變大，給定RL， 2）光電池工作在第四象限，有較小的正偏壓存在，所以光電池的內(nèi)阻很低

34、，而且隨入射功率變化而變化。光功率很小時(shí)，內(nèi)阻變大，頻率特性變壞。4.3.3 光伏探測(cè)器第94頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四（3）溫度特性光電池的溫度特性曲線主要指光照射光電池時(shí)開路電壓Voc與短路電流Isc隨溫度變化的情況。 開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量或控制精度等主要指標(biāo)。當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施4.3.3 光伏探測(cè)器第95頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.3.3 光伏探測(cè)器第96頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.

35、3.3 光伏探測(cè)器第97頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.3.4 其他光子探測(cè)器光子牽引探測(cè)器 光子牽引探測(cè)器是一種非勢(shì)壘光伏效應(yīng)探測(cè)器。它和HgCdTe光電二極管一樣適用于10.6m的激光波長(zhǎng)探測(cè)。但是HgCdTe光電二極管只能在微弱光信號(hào)下使用，而光子牽引探測(cè)器則適用于強(qiáng)光探測(cè)。因此它廣泛用于CO2脈沖激光器輸出的探測(cè)這種探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快，可在損傷閾值高及室溫下工作，不需要電源。缺點(diǎn)是靈敏度低，典型器件的單位帶寬等效噪聲功率為103W，只有在強(qiáng)光下才能使用。P型鍺的光子牽引探測(cè)器示意圖第98頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.3.4

36、 其他光子探測(cè)器光電磁探測(cè)器 光電磁效應(yīng)將半導(dǎo)體置于強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)半導(dǎo)體表面受到光輻射照射時(shí)，在表面產(chǎn)生電子空穴對(duì)，并且濃度逐漸增大，電子和空穴便向體內(nèi)擴(kuò)散，在擴(kuò)散過程中，受到強(qiáng)磁場(chǎng)的洛倫茲力的作用，使空穴和電子的偏轉(zhuǎn)方向相反，從而在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，阻礙著電子和空穴的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，如果這時(shí)將半導(dǎo)體兩端短路，則產(chǎn)生短路電流；開路時(shí)，則有開路電壓。這種現(xiàn)象叫做光電磁效應(yīng)。利用這種效應(yīng)制成的光電探測(cè)器叫做光電磁探測(cè)器（PME器件）。第99頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.3.4 其他光子探測(cè)器Josephson結(jié)探測(cè)器 PbPbOPb隧道結(jié)的伏安特性曲線在兩超導(dǎo)薄膜之間被

37、一層（厚約10）電介質(zhì)隔開，這種結(jié)構(gòu)稱為Jesephson結(jié)，或超導(dǎo)隧道結(jié)。若通過隧道結(jié)的電流小于某一臨界值，在結(jié)上沒有電位降，則在隧道結(jié)的伏安特性曲線中存在一個(gè)零電壓的電流。若通過隧道結(jié)的電流超過臨界值，在結(jié)上將產(chǎn)生電位降，這時(shí)在伏安特性曲線中，將沿著測(cè)量負(fù)載線跳到正常電子隧道的曲線上，如圖449所示。這種在隧道結(jié)中有隧道電流通過而不產(chǎn)生電位降的現(xiàn)象，稱之為直流Josephson效應(yīng)第100頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.3.4 其他光子探測(cè)器若在隧道結(jié)上維持一個(gè)有限電位降V，在隧道結(jié)兩超導(dǎo)體之間將有一個(gè)頻率為f的交流電流通過，頻率f和電壓V之間有下述關(guān)系E為電

38、子電荷，h為普朗克常數(shù)若隧道結(jié)受到光輻射照射時(shí)，在一系列分立的電壓值上可感應(yīng)出額外直流電流，則在隧道結(jié)的直流伏安特性曲線上，出現(xiàn)常電壓電流階梯現(xiàn)象。階梯處電壓Vn和外加輻照信號(hào)頻率f的關(guān)系為n為階梯級(jí)數(shù)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，由于隧道結(jié)受到輻射照射時(shí)，在結(jié)上可感應(yīng)出交流電壓，而這交流電壓反過來(lái)對(duì)結(jié)上的Josephson電流進(jìn)行調(diào)制，從而產(chǎn)生許多使電流增大的邊帶。利用Josephson結(jié)效應(yīng)可研制出從射頻到遠(yuǎn)紅外寬廣頻率范圍內(nèi)、靈敏度為皮瓦的探測(cè)器。在射電天文、毫米波通信等方面有實(shí)際應(yīng)用。第101頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四4.4 熱探測(cè)器第102頁(yè)，共122頁(yè)，2

39、022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四熱探測(cè)器對(duì)輻射的響應(yīng)和光子探測(cè)器不同。它基于材料吸收了光輻射能量以后溫度升高的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱為光熱效應(yīng)，光熱效應(yīng)的特點(diǎn)是入射光輻射與物質(zhì)中晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振動(dòng)能量，這與光子將能量直接轉(zhuǎn)移給電子的光電效應(yīng)有本質(zhì)的不同。光熱效應(yīng)與入射的光子的性質(zhì)沒有關(guān)系，取決于入射輻射功率而與入射輻射的光譜成分無(wú)關(guān)，即對(duì)入射輻射的響應(yīng)無(wú)波長(zhǎng)選擇性光熱效應(yīng)可以產(chǎn)生溫差電效應(yīng)、電阻率變化效應(yīng)、自發(fā)極化強(qiáng)度的變化效應(yīng)、氣體體積和壓強(qiáng)的變化效應(yīng)等等，利用這些效應(yīng)可制作各種熱探測(cè)器。第103頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四1 溫差熱電偶和

40、熱電堆 在用不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的具有溫度梯度的電路中，會(huì)有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，這就是溫差電勢(shì)。通過這兩點(diǎn)的閉合回路中就有電流流過，這個(gè)現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)。（1）塞貝克（Seebeck）效應(yīng)當(dāng)由兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成閉合回路的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)置于不同溫度（兩結(jié)點(diǎn)間的溫差為時(shí)），在兩點(diǎn)之間就產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)V12，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)在閉合回路中引起連續(xù)電流，這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)。所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為溫差電動(dòng)勢(shì)，回路稱為熱電偶或溫差電池。是由于受熱不均勻的兩節(jié)點(diǎn)的接觸電位差不同所致第104頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四定義溫差電動(dòng)勢(shì)率為1 溫差熱電偶和熱電堆 物理意義：?jiǎn)挝粶夭钏a(chǎn)生的電動(dòng)

41、勢(shì)的凈增量第105頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四1 溫差熱電偶和熱電堆 （2）珀耳帖（Peltier）效應(yīng)珀耳帖應(yīng)被認(rèn)為是塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)。當(dāng)電流流過兩個(gè)不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的回路的時(shí)，除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，在不同的節(jié)點(diǎn)處分別出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象。這一效應(yīng)是熱力學(xué)可逆的。熱交換速率與通過的電流成正比，這種現(xiàn)象稱為珀耳帖效應(yīng)。在每一接頭上熱量流出率或流入率與通過的電流I間的關(guān)系可表示為第106頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四1 溫差熱電偶和熱電堆 （3）湯姆遜（Tomson）效應(yīng)在單一均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體中存在著與珀耳帖效應(yīng)相同的現(xiàn)象。如

42、果通有電流的材料有溫差存在，也就是說(shuō)，當(dāng)電流通過具有一定溫度梯度的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體時(shí)，就會(huì)可逆地吸收熱或放出熱，這一現(xiàn)象稱為湯姆遜效應(yīng)。單位時(shí)間單位體積吸收或放出熱量為物理意義：?jiǎn)挝粶夭钔ㄟ^單位電流吸熱或放熱的速率第107頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四1 溫差熱電偶和熱電堆 光輻射入射到導(dǎo)體或半導(dǎo)體上便產(chǎn)生溫度梯度，從而產(chǎn)生溫差電勢(shì)，由電動(dòng)勢(shì)的高低可測(cè)出接收端所吸收的光輻射的能量或功率。當(dāng)由兩種不同金屬或半導(dǎo)體臂狀物在兩端分別連接成的閉合回路為溫差電偶，如圖所示。設(shè)J1點(diǎn)為光敏面，J2、J3為環(huán)境溫度Td，光照產(chǎn)生的J1點(diǎn)的溫升為Td，此溫差產(chǎn)生的Seebeck效應(yīng)

43、會(huì)使電路產(chǎn)生開路電勢(shì)當(dāng)形成閉合回路時(shí)，電流將與V0方向相同，此電流將會(huì)引起Peltier效應(yīng)，會(huì)使此溫差電偶的熱端J1變冷，使冷端變熱，在熱結(jié)點(diǎn)J1處吸收的熱量Q1為第108頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四1 溫差熱電偶和熱電堆 式中12為珀?duì)柼禂?shù)，它與Seebeck系數(shù)12有如下關(guān)系由于有Q1，會(huì)使J1點(diǎn)的溫度下降（Td），式中Zt為熱結(jié)J1處敏感元的熱阻。此溫度降低量相當(dāng)于附加一個(gè)Seebeck電勢(shì)Vp因此，總的電勢(shì)應(yīng)等于：由入射輻射使J1升溫而產(chǎn)生的電勢(shì)V0與珀?duì)柼?yīng)引起的電勢(shì)之和Rd為探測(cè)器電阻，RL為負(fù)載電阻第109頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日

44、，9點(diǎn)36分，星期四1 溫差熱電偶和熱電堆 由上式可得上式表明，珀?duì)柼?yīng)相當(dāng)于在電路中加了一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻Rdn由上式可得若敏感面上入射功率為P，敏感面表面的吸收率為，則在敏感面上的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的熱流平衡方程為第110頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四1 溫差熱電偶和熱電堆 將上式代入，得在求開路電壓時(shí)，可不涉及珀?duì)柼?yīng)，此時(shí)溫升可用T0表示 探測(cè)器對(duì)常值入射輻射功率P的響應(yīng)率R為為得到更高的響應(yīng)率，應(yīng)選擇具有高值12的溫差電偶臂的材料，光敏面具有高的吸收率。第111頁(yè)，共122頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)36分，星期四1 溫差熱電偶和熱電堆 增大熱阻也將可以成比例地增大響應(yīng)率。對(duì)傳導(dǎo)性熱傳輸，熱阻Zt為增大溫差電偶臂L、減小熱導(dǎo)系數(shù)k和電偶臂界面A均可以增大Zt，從而增大溫差電偶的響應(yīng)率。為研究