光輻射探測與成像技術(shù)

1、關(guān)于光輻射的探測及成像技術(shù)第1頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光電探測技術(shù)基礎(chǔ)光電探測技術(shù)就是把被調(diào)制的光信號轉(zhuǎn)換成電信號并將信息提取出來的技術(shù)。光探測過程可以形象地稱為光頻解調(diào)。光探測器就是將光輻射能量轉(zhuǎn)換成為一種便于測量的物理量的器件。第2頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光電探測技術(shù)基礎(chǔ)1873年，英國的Smith和 May在大西洋橫斷海底電信局所進(jìn)行的實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光照射到用作電阻的Se棒后，其電阻值約改變30%，同年Simens將白金繞在這種Se棒上，制成了第一個光電池；1888年，德國的Hallwachs在作Hertz的電磁波實驗中，發(fā)

2、現(xiàn)光照射到金屬表面上會引起電子發(fā)射，1909年，Richtmeyer發(fā)現(xiàn)，封入真空中的Na光電陰極所發(fā)射的電子總數(shù)與照射的光子數(shù)成正比，奠定了光電管的基礎(chǔ)；接著美國的Zworkyn研制出各種光電陰極材料，并制造出了光電倍增管，并于1933年發(fā)明了光電攝像管；1950年，美國的Weimer等人研制出光導(dǎo)攝像管，1970年Boyle等人發(fā)明了CCD(電荷耦合器件)。如今，激光的發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)和刺激了光電探測領(lǐng)域的發(fā)展，各種光電探測器件大都已工業(yè)化、商品化，攝像機等已微型化。由于現(xiàn)階段的激光系統(tǒng)可提供巨大的帶寬與信息容量，因而光電探測技術(shù)在信息光電子技術(shù)中也就有了特別重要的意義。 第3頁，共61頁，

3、2022年，5月20日，9點44分，星期四光電探測的物理效應(yīng)光電探測的物理效應(yīng)可以分為三大類：光電效應(yīng)、光熱效應(yīng)和波相互作用效應(yīng)，并以光電效應(yīng)應(yīng)用最為廣泛。光電效應(yīng)是入射光的光子與物質(zhì)中的電子相互作用并產(chǎn)生載流子的效應(yīng)。事實上，此處我們所指的光電效應(yīng)是一種光子效應(yīng)，也就是單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子直接作用的一類光電效應(yīng)。根據(jù)效應(yīng)發(fā)生的部位和性質(zhì)，又將其分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)是指發(fā)生在物質(zhì)表面上的光電轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，主要包括光陰極直接向外部放出電子的現(xiàn)象，典型的例子是物質(zhì)表面的光電發(fā)射；內(nèi)光電效應(yīng)指發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，特別是半導(dǎo)體內(nèi)部載流子產(chǎn)生效應(yīng)，主要包括光電導(dǎo)效應(yīng)與光伏

4、效應(yīng)。外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)第4頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光電探測的物理效應(yīng)光電效應(yīng)類探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)改變，因而光子能量的大小直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)改變的大小，因而這類探測器受波長限制，存在“紅限”截止波長 ，截止波長表達(dá)式：式中，c為真空中光速，E在外光電效應(yīng)中為表面逸出功，在內(nèi)光電效應(yīng)中為半導(dǎo)體禁帶寬度。第5頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光電探測的物理效應(yīng)是物體吸收光，引起溫度升高的一種效應(yīng)。探測器件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量，引起探測元件溫度

5、上升，并進(jìn)一步使探測元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。探測體常用Pt、Ni、Au等金屬和熱敏電阻、熱釋電器件、超導(dǎo)體等。原則上，光熱效應(yīng)對光波波長沒有選擇性，但由于材料在紅外波段的熱效應(yīng)更強，因而光熱效應(yīng)廣泛用于對紅外輻射、特別是長波長的紅外線的測量，許多激光功率計常用該種類型的探測器。由于溫升是熱積累的作用，所以光熱效應(yīng)的速度一般比較慢，而且易受環(huán)境溫度變化的影響。 是指激光與某些敏感材料相互作用過程中產(chǎn)生的一些參量效應(yīng)，包括非線性光學(xué)效應(yīng)和超導(dǎo)量子效應(yīng)等。光熱效應(yīng)波相互作用效應(yīng)第6頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四外光電效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體受光照時，

6、若入射光子能量 足夠大，它就和物質(zhì)當(dāng)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出，這種現(xiàn)象就稱為光電發(fā)射效應(yīng)，也稱外光電效應(yīng)。其中，能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體稱為光電發(fā)射體，在光電管中又稱光陰極。光電發(fā)射效應(yīng)是真空光電器件中光電陰極的物理基礎(chǔ)，它遵從兩個基本定律：(1)光電效應(yīng)第一定律斯托列托夫定律：當(dāng)照射到光電陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時，飽和光電流(即單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目)與入射光強度成正比：式中， 是光電流， 是入射光強， 是該陰極對入射光線的靈敏度。該定律有時表達(dá)為 式中， 是t時刻入射到探測器上的光功率， 是探測器的量子效率。該式常被稱作光電轉(zhuǎn)換定律。第7頁，共61頁，2022

7、年，5月20日，9點44分，星期四外光電效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)(2)光電發(fā)射第二定律愛因斯坦定律：如果發(fā)射體內(nèi)電子吸收的光子能量大于發(fā)射體表面逸出功，則電子將以一定速度從發(fā)射體表面發(fā)射，光電子離開發(fā)射體表面時的初動能隨入射光的頻率線性增長，與入射光的強度無關(guān) 式中， 為光電子的初動能，m為電子質(zhì)量， 為電子離開發(fā)射體表面時的速度， 為入射光子能量， 為金屬逸出功(從材料表面逸出時所需的最低能量)，又稱功函數(shù)。該式表明，入射光子必須具有足夠的能量，也就是說至少要等于逸出功，才能發(fā)生光發(fā)射，就此推出外光電效應(yīng)發(fā)生的條件為： 截止波長：第8頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四入射光波長

8、大于截止波長時，無論光強有多大、照射時間有多長，都不會有光電子發(fā)射。光電發(fā)射大致可分為三個過程：(1)光射入物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)；(2)受激電子從受激處出發(fā)，向表面運動，其間必然要同其它電子或晶格發(fā)生碰撞而失去部分能量；(3)到達(dá)表面的電子克服表面勢壘對其的束縛，逸出形成光電子。 由此得到光電發(fā)射對陰極材料的要求：(1)對光的吸收大，以便體內(nèi)有較多的電子受激發(fā)射；(2)電子受激發(fā)生在表面附近，以使碰撞損失盡量小；(3)材料逸出功小，以使到達(dá)表面的電子容易逸出；(4)電導(dǎo)率好，以便能夠通過外電源來補充光電發(fā)射失去的電子。 外光電效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)第9頁，共61頁，2

9、022年，5月20日，9點44分，星期四外光電效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)金屬的光電發(fā)射 金屬反射掉大部分入射的可見光(反射系數(shù)大于90%)，吸收效率較低，且光電子與金屬中大量自由電子碰撞，能量損失大，因而只有表面附近(幾納米范圍內(nèi))的光電子才有可能克服逸出功(大都大于3eV)發(fā)出光電子。對于能量小于3eV的可見光很難產(chǎn)生光電發(fā)射，只有銫(逸出功2eV)對可見光靈敏，可用于可見光電極，但其量子效率很低(小于0.1%)，在光電發(fā)射前兩階段能量損耗極大。第10頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四外光電效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)半導(dǎo)體光電發(fā)射 半導(dǎo)體光電發(fā)射的光電逸出參量有兩個，分別是電子親和勢和電子

10、逸出功。電子親和勢是指導(dǎo)帶底上的電子向真空逸出時所需的最低能量，數(shù)值上等于真空能級(真空中靜止電子的能量)與導(dǎo)帶底能級之差。有表面親和勢和體內(nèi)親和勢之分。表面親和勢是材料參量，與摻雜、表面能帶彎曲等因素?zé)o關(guān)，而體內(nèi)親和勢不是材料參量，可隨表面能帶彎曲變化。電子逸出功是描述材料表面對電子束縛強弱的物理量，在數(shù)量上等于電子逸出表面所需的最低能量，即光電發(fā)射的能量閾值。第11頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四外光電效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)金屬與半導(dǎo)體逸出功金屬有大量的自由電子，沒有禁帶，費米能級以下基本上為電子所填滿，而費米能級以上基本上是空態(tài)，因而表面能受內(nèi)外電場影響很小，費米能級只

11、決定于材料，因而其逸出功定義為T=0K時真空能級與費米能級之差，是材料的參量，可用來做為電子發(fā)射的能量閾值。半導(dǎo)體中自由電子較少，且有禁帶，費米能級一般都在禁帶當(dāng)中，且隨摻雜和內(nèi)外場變化，所以真空能級與費米能級之差不是材料參量。半導(dǎo)體的逸出功定義為T=0K時真空能級與電子發(fā)射中心能級之差，而電子發(fā)射中心的能級有的是價帶頂，有的是導(dǎo)帶底，情況復(fù)雜，而不管逸出功從何算起，其中都包含以親和勢，因而半導(dǎo)體中很少用逸出功而常用親和勢來判別光電子發(fā)射的難易，許多資料中光電發(fā)射的能量閾值常用親和勢加禁帶寬度來計算。 第12頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四內(nèi)光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng)型探測器

12、主要包括光電導(dǎo) (Photoconductive：PC) 型和光伏(Photovoltaic：PV)型兩種。 1.光電導(dǎo)效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)是光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時，材料吸收光子的能量，使得非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，從而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。該現(xiàn)象是100多年來有關(guān)半導(dǎo)體與光作用的各種現(xiàn)象中最早為人們所知的現(xiàn)象。下圖為光電導(dǎo)效應(yīng)示意圖。光電導(dǎo)效應(yīng) 第13頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)對于本征半導(dǎo)體，在無光照時，由于熱激發(fā)只有少數(shù)電子從價帶躍遷至導(dǎo)帶，此時半導(dǎo)體的電導(dǎo)率很低，稱為半導(dǎo)體的暗電導(dǎo)，用

13、 表示，且式中，e為電子電荷，n和 分別是無光照時導(dǎo)帶電子密度和遷移率；p和 分別是無光照時價帶空穴密度和遷移率。 當(dāng)光入射到本征半導(dǎo)體材料上時，入射光子將電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，使導(dǎo)電電子、空穴數(shù)量變化 、 ，從而引起電導(dǎo)率變化 ： 第14頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四以N型半導(dǎo)體為例，如上圖。圖中，V為外加偏壓， 為負(fù)載電阻，L、W、d分別為樣品模型的長、寬、高，則探測器電極面積A=Wd。若光功率P沿x方向均勻入射，光電導(dǎo)材料吸收系數(shù)為 ，則入射光功率在材料內(nèi)部沿x方向的變化為 式中P為x=0處的入射光功率。則光生電子在外電場作用下的漂移電流 為式中 為x處光生載流

14、子密度， 為光生載流子在外電場E作用下的漂移速度。則探測器收集極上的光電流平均值為內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)第15頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四代入上式，得光電流平均值為 與光生載流子的產(chǎn)生復(fù)合率有關(guān)，若非平衡載流子平均壽命為 ，則復(fù)合率為 ，產(chǎn)生率為 ，在穩(wěn)態(tài)條件下產(chǎn)生率與復(fù)合率相等，由此得于是的光電導(dǎo)探測器輸出的平均光電流為內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)第16頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四同時求得，入射光功率全部被吸收時，探測器體內(nèi)的平均光生載流子濃度為 此時的光電流為內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)根據(jù)量子效率的定義可求得式中， 為外電場下載流子在電極間的渡越時間

15、， 為光電導(dǎo)探測器的內(nèi)部增益，表示一個光生載流子對探測器外回路電流的有效貢獻(xiàn)，它是光電導(dǎo)探測器的一個特有參數(shù)。為了提高其值，應(yīng)該用平均壽命長、遷移率大的材料作探測器，且將探測器電極做成梳狀，以減小極間距離。G的大小隨使用條件和器件本身的結(jié)構(gòu)不同而不同，可在 量級間很寬的范圍內(nèi)變化。第17頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。產(chǎn)生這種電位差的機理有多種，主要的一種是由于阻擋層的存在引起的，我們就以P-N結(jié)為例來分析光伏效應(yīng)。P-N結(jié)結(jié)區(qū)存在一個由N指向P的內(nèi)建電場，熱平衡時，多數(shù)載流子的擴散作用與少數(shù)載流子的

16、漂移作用相抵消，沒有電流通過P-N結(jié)；當(dāng)有光照射P-N結(jié)時，樣品對光子的本征和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子，但由于P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子都被勢壘阻擋而不能穿過結(jié)，因而只有本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子能引起光伏效應(yīng)：P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴以及結(jié)區(qū)的電子-空穴對擴散到結(jié)電場附近時，在內(nèi)建電場的作用下漂移過結(jié)，電子-空穴對被阻擋層的內(nèi)建電場分開，光生電子與空穴分別被拉向N區(qū)與P區(qū)，從而在阻擋層兩側(cè)形成電荷堆積，產(chǎn)生與內(nèi)建電場反向的光生電場，使得內(nèi)建電場勢壘降低，降低量等于光生電勢差。光生電勢差導(dǎo)致的光生電流方向 與結(jié)電流方向相反，而與P-N結(jié)反向飽和電流 同向，且 。 內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)2.

17、光伏效應(yīng)第18頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四并非所產(chǎn)生的全部光生載流子都對光生電流有貢獻(xiàn)。設(shè)N區(qū)中空穴在其壽命p時間內(nèi)擴散距離為Lp，P區(qū)中電子在e時間內(nèi)擴散距離為Le，一般情況下L=Lp+Le遠(yuǎn)大于P-N結(jié)寬度，因而可得，結(jié)附近平均擴散距離L內(nèi)所產(chǎn)生的光生載流子對光電流有貢獻(xiàn)，此外的電子-空穴對在擴散過程中將復(fù)合掉，對P-nN結(jié)光伏效應(yīng)無貢獻(xiàn)。光伏效應(yīng)有兩個重要參數(shù)：開路電壓Uoc與短路電流Isc，他們的定義都要從P-N結(jié)電流出發(fā)。光伏效應(yīng)下P-N結(jié)總電流其中E為光照度，U為結(jié)電壓，T為絕對溫度，S為光照面積。內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)第19頁，共61頁，2022年，5月

18、20日，9點44分，星期四則定義光照下P-N結(jié)外電路開路(即I=0)時P端對N端的電壓為開路電壓Uoc：在一定溫度下，它與光照度E呈對數(shù)關(guān)系，但最大值不超過接觸電勢差。 短路電流Isc定義為光照下p-n結(jié)外電路短路(即U=0)時，從p端流出，經(jīng)過外電路流入n端的電流： 可見它在弱光照射下與E呈線性關(guān)系。內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)第20頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)中典型的有溫差電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)。 1.溫差電效應(yīng) 當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料兩端并聯(lián)熔接時，在接點處可產(chǎn)生電動勢，這種電動勢的大小和方向與該接點處兩種不同材料的性質(zhì)和接點處溫差有關(guān)，如果把這兩種

19、不同材料連接成回路，當(dāng)兩接頭溫度不同時，回路中即產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)，又稱塞貝克效應(yīng)。下圖是溫差電效應(yīng)示意圖溫差電效應(yīng) 第21頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光熱效應(yīng)溫差熱電偶接收輻射一端稱為熱端，另一端為冷端。為了提高吸收系數(shù)，熱端常裝有涂黑的金箔。半導(dǎo)體熱電偶熱端接收輻射后升溫，載流子濃度增加，多子從熱端向冷端擴散，從而使p型材料熱端帶負(fù)電、冷端帶正電，n型則相反。當(dāng)冷端開路時，開路電壓為：式中，M是一個比例系數(shù)，稱為塞貝克常數(shù)，又稱溫差電勢率，單位為V/ ; 為溫度增量。為了提高靈敏度，并使工作穩(wěn)定，常把溫差熱電偶或溫差熱電堆放在真空外殼里。真空溫差熱

20、電偶的主要參量有：靈敏度R，響應(yīng)時間常數(shù)，噪聲等效功率NEP等。第22頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光熱效應(yīng)溫差熱電偶的靈敏度定義式為：式中， 為冷端負(fù)載上所產(chǎn)生的電壓降； 為入射于探測器的輻射通量。要使R大，應(yīng)選用M大的材料，并增大吸收系數(shù)，同時減小內(nèi)阻與熱導(dǎo)。交變情況下，調(diào)制頻率 低時R更大， 和 減小都有利于R提高，響應(yīng)率與帶寬之積為一常數(shù)。由于溫差熱電偶的 多為毫秒量級，因而帶寬較窄，多用于測量恒定輻射或低頻輻射，只有少數(shù) 小的材料才能測量中高頻輻射。 第23頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光熱效應(yīng)2.熱釋電效應(yīng)熱電晶體的自發(fā)極化矢量隨

21、溫度變化，從而使入射光可引起電容器電容改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)示意圖如下圖，圖中 為熱電體的居里溫度。 熱釋電效應(yīng) 熱電晶體是一種結(jié)晶對稱性很差(即具有非中心對稱性)的壓電晶體，在常態(tài)下，某個方向上正負(fù)電荷中心不重合，從而晶體表面存在著一定量的極化電荷，稱為自發(fā)極化。晶體溫度變化會引起正負(fù)電荷中心發(fā)生位移，從而引起表面極化電荷變化。 第24頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光熱效應(yīng)溫度恒定時，因晶體表面吸附有來自于周圍空氣的異性電荷，因而觀察不到自發(fā)極化現(xiàn)象；溫度變化時，晶體表面的極化電荷發(fā)生變化，而周圍的吸附自由電荷對面電荷的中和作用十分緩慢，一般在1100

22、0s量級，難以跟上溫度變化導(dǎo)致的極化點和變化速度，因而晶體表面電荷失去平衡，自發(fā)極化現(xiàn)象得以顯示。但這種溫度變化相應(yīng)的面電荷變化過程僅發(fā)生在平均作用時間內(nèi)。其中， 為晶體介電常數(shù)， 為晶體電導(dǎo)率?？梢?，這種輻射探測方法僅適用于變化的輻射，且輻射調(diào)制頻率必須大于 。第25頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光熱效應(yīng)如果把熱釋電體放進(jìn)一個電容器極板之間，并將一個電流表與電容器極板連接，電流表中就會有電流流過，該電流稱為短路熱釋電流： 可見，當(dāng)照射光恒定不變時， 與 均為恒值，熱釋電流為零。設(shè)晶體的自發(fā)極化矢量為 ，其方向垂直于晶體表面，則輻射引起的表面極化電荷變化為式中，A為接

23、收輻射面與另一面的重合部分面積， 為輻射引起的晶體溫度變化， 稱為熱釋電系數(shù)。 返回第26頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光探測器性能參數(shù) 表征光探測器的基本性能參數(shù)有量子效率 ，響應(yīng)度 ，靈敏度 ，噪聲等效功率 ，探測度 ，光譜響應(yīng)和頻率響應(yīng)等。 (1) 量子效率，又稱量子產(chǎn)額，是指每一個入射光子所釋放的平均電子數(shù)。它與入射光子能量(即入射光波長)有關(guān)。對內(nèi)光電效應(yīng)還與材料內(nèi)電子的擴散長度有關(guān)；對于外光電效應(yīng)與光電材料的表面逸出功有關(guān)。其表達(dá)式為：式中P是入射到探測器上的光功率， 是入射光產(chǎn)生的平均光電流大小， 是單位時間內(nèi)入射光子平均數(shù)， 是單位時間產(chǎn)生的光電子平均

24、數(shù)， 是電子電荷。 想光探測器應(yīng)有 ，實際光探測器一般有 。顯然，光探測器的量子效率越高越好。對于光電倍增管、雪崩光電二極管等有內(nèi)部增益機制的光探測器， 可大于1。 第27頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光探測器性能參數(shù) (2)響應(yīng)度 ，為探測器輸出信號電壓 與輸入光功率 之比：單位為V/W。 (3)靈敏度 為探測器輸出信號電流 與輸入光功率 之比： 和 均用來描述探測器輸出電信號與輸入光功率的關(guān)系，均是波長 的函數(shù)。入射光波長一定，則響應(yīng)度與靈敏度確定。 第28頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光探測器性能參數(shù)(4)光譜響應(yīng)，就是表征 (或 )隨

25、波長 變化的特性參數(shù)，如圖所示。光電探測器與熱電探測器的光譜響應(yīng)曲線 由于許多光探測器是基于光電效應(yīng)而工作的，因而存在一個最低頻率 ，只有入射光頻率大于 才能有響應(yīng)信號輸出，相應(yīng)存在一個探測波長極限 ，在時 ，探測器對于某一頻率(波長)光的響應(yīng)與探測器對該波長光子的吸收速率，即單位時間內(nèi)入射的光子數(shù)密度成正比，因而 時，其響應(yīng)隨著波長的增加而呈線性上升。而 時，光譜響應(yīng)曲線迅速下降到零。 光譜響應(yīng)中還有一個重要參量，稱為響應(yīng)峰值波長，它指相對光譜響應(yīng)曲線中對應(yīng)于最高響應(yīng)率的輻射波長。第29頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光探測器性能參數(shù)(5) 噪聲等效功率，定義為相應(yīng)于

26、單位信噪比的入射光功率，用來表征探測器探測能力，定義式為： 越小，探測能力越強。 由于噪聲頻譜很寬，為減小噪聲影響，一般將探測器后面的放大器做成窄帶通的，其中心頻率選為調(diào)制頻率。這樣，信號將不受損失而噪聲可被濾去，從而使 減小，這種情況下 的定義為： 式中f為放大器帶寬。 第30頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光探測器性能參數(shù)(6)探測度 ，是 的倒數(shù)，即單位入射功率相應(yīng)的信噪比。 通常歸一化探測度 比前述 更能體現(xiàn)探測器性能。 表示單位探測器面積、單位帶寬的探測度，定義式為： 式中 為探測器面積， 為放大器帶寬。 和 一樣是波長的函數(shù)，由于噪聲通常和信號調(diào)制頻率有關(guān)，

27、故 也是調(diào)制頻率的函數(shù)。 第31頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光探測器性能參數(shù)(7) 頻率響應(yīng) ，是描述光探測器響應(yīng)度在入射光波長不變時，隨入射光調(diào)制頻率變化的特性參數(shù)。它是光探測器對加在光載波上的電調(diào)制信號的響應(yīng)能力的反應(yīng)，是表征光探測器頻率特性的重要參數(shù)，其曲線如圖。光探測器頻率響應(yīng)曲線 第32頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光探測器性能參數(shù)除了以上7個基本參數(shù)以外，我們在使用探測器時還會遇到以下參數(shù)： 暗電流，指沒有信號和背景輻射時通過探測器的電流；工作溫度，對于非冷卻型探測器指環(huán)境溫度，對于冷卻型探測器指冷卻源標(biāo)稱溫度；響應(yīng)時間，指探測

28、器將入射輻射轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘栯妷夯螂娏鞯某谠r間；光敏面積，指靈敏元的幾何面積。返回第33頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光電探測方式 直接探測與外差探測 光探測器的光吸收過程是直接由某種光量子作用產(chǎn)生的，這種量子作用由檢測系統(tǒng)讀取其大小，因此其輸出是由光量子的吸收率決定的，而不是由光量子的能量來決定，其工作原理基礎(chǔ)是單位時間內(nèi)探測器的輸出電信號正比于光生載流子數(shù)目，而單位時間內(nèi)光生載流子的數(shù)目，即載流子的躍遷速率，正比于總?cè)肷涔鈭稣穹钠椒?，?設(shè)入射為緩變場 與 的合成場，則：于是： 第34頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四直接探測與外差探測 直接探

29、測系統(tǒng) 直接探測法能檢測光強及光強的變化，是非相干輻射的唯一探測方法，而對于相干輻射進(jìn)行直接探測具有簡單、方便、室溫運轉(zhuǎn)等優(yōu)點，但它不能反映光載波頻率及相位的變化，因而探測靈敏度低，信噪比差。 (1)當(dāng) 時，它對應(yīng)于直接探測方式，這種方式下，由于探測器的輸出電信號正比于光生載流子躍遷速率，而光生載流子躍遷速率又正比于 (即入射光功率)，因而，探測器的輸出電流是入射光功率的線性函數(shù)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖。 第35頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四直接探測與外差探測 (2)當(dāng) 時，躍遷幾率中除兩入射光功率數(shù)量和 這一常數(shù)項外，還包含一項以 振蕩、相位 的分量。因而能反映入射相干光載

30、波的頻率及相位變化，它對應(yīng)于外差探測方式，也叫相干探測，其結(jié)構(gòu)框圖見圖。 外差探測系統(tǒng) 外差探測法可以消除背景噪聲和暗電流的影響，大大提高探測靈敏度，達(dá)到近乎理想量子極限，它不僅可以探測光強調(diào)制信號，還可用于頻率或相位調(diào)制波的探測，但外差探測系統(tǒng)復(fù)雜，對信號光與本振光要求均很高，技術(shù)困難大，成本高。由于激光的高度相干性、單色性和方向性，使光頻的外差探測成為現(xiàn)實。光電探測器除了具有解調(diào)光功率包絡(luò)變化的功能外，只要光譜響應(yīng)匹配，就可以實現(xiàn)外差探測。 第36頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四兩種探測方式性能分析1.直接探測方式性能分析直接探測方式中調(diào)制信號頻率為 ，光信號頻率為

31、 ，調(diào)制光信號為由于光電探測器的響應(yīng)時間一般遠(yuǎn)大于光頻變化周期，因而光電轉(zhuǎn)換過程實際上是光場變化的時間積分響應(yīng)，于是得到入射到探測器上的平均光功率：由此可得入射光在具有內(nèi)增益G的探測器光敏面上輸出的平均電功率為直接探測時，入射光產(chǎn)生的光電流大小為 第37頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四兩種探測方式性能分析很多情況下直接探測只響應(yīng)光功率的時變信息，而不考慮直流部分，則有 又由于 對應(yīng)于光探測器的頻率響應(yīng)，而不是光譜響應(yīng)，頻率太高，光電探測器根本不能響應(yīng)，因而考慮自增益后，直接探測光探測器的實際輸出電流為：其功率信噪比式中，G為光探測器的內(nèi)部增益， 為背景光電流， 為光電陰

32、極暗電流。 ， ， 和 分別是光電倍增管的信號光噪聲功率、背景光噪聲功率、暗電流產(chǎn)生的噪聲功率和熱噪聲功率。第38頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四兩種探測方式性能分析 對于光電倍增管， ， ， 和 ，其信噪比對于光電二極管， ， ， ， ， ，其信噪比 由此可推得，在只存在光信號噪聲，不考慮其他噪聲時的信號極限噪聲為：第39頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四兩種探測方式性能分析2.外差探測方式性能分析 光頻外差探測的原理和無線電波外差接收原理完全一樣，其中必須有兩束滿足相干條件的光束。光外差探測系統(tǒng)中的光電探測器起著光學(xué)混頻器的作用，它響應(yīng)信號光與

33、本振光的差頻分量，輸出一個中頻光電流。由于探測量利用信號光和本振光在光電探測器光敏面上干涉得出，因而外差探測又稱相干探測。光外差探測中的光電轉(zhuǎn)換過程不是檢波過程，而是一種“轉(zhuǎn)換”過程，其中的被測信號 與第二個光場，即本地振蕩場 混頻，從而產(chǎn)生頻移 ，即把以 為載頻的光頻信息轉(zhuǎn)換到以 為載頻的中頻電流上。這一轉(zhuǎn)換是本地振蕩光波的作用，它使光外差探測天然地有一種轉(zhuǎn)換增益G。以直接探測為基準(zhǔn)加以描述為式中， 為信號光功率， 為本振光功率， 為探測器輸出電功率，也就是中頻光功率 第40頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四兩種探測方式性能分析由此推得若不考慮其中的直流部分，則有 外差

34、探測中，本振散粒噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱噪聲及其他散粒噪聲，于是可推得外差探測極限靈敏度為 此 即為光外差探測的量子極限。 入射到光電陰極上的總電場為：第41頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四兩種探測方式性能分析比較外差探測與直接探測的極限靈敏度可得，二者形式十分相似。但由于外差探測中的 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直接探測中的值，因而外差探測的極限靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直接探測的極限靈敏度。這主要是因為外差探測中的高質(zhì)量本振光束不僅給信號光束提供了轉(zhuǎn)換增益，而且還清除了探測器內(nèi)部噪聲。 返回第42頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光電探測器 本節(jié)首先在前述光電探測物理基礎(chǔ)上綜合分析了各

35、類光電探測器，接著介紹幾種典型光探測器。 第43頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光電探測器類型1.光電探測器分類 光探測器的分類可以按其工作時所利用的物理效應(yīng)來劃分，也可以根據(jù)探測器結(jié)構(gòu)形式來分，還可以根據(jù)探測方式來分。根據(jù)探測器結(jié)構(gòu)形式，可將探測器分為單元探測器和多元探測器，其中的多元探測器已由線陣發(fā)展為面陣，且目前已能將探測器陣列與信號處理電路集成為半導(dǎo)體集成塊，大大方便了應(yīng)用。 根據(jù)探測方式不同可分為直接探測和外差探測。各種分類方式中，更多的是根據(jù)光電探測工作時所依據(jù)的各種物理效應(yīng)來對光電探測器進(jìn)行分類。這種分類中，以光電導(dǎo)模式工作的反偏結(jié)型光探測器與光電三極管的

36、歸屬問題存在歧義。有人將之歸入結(jié)型光電導(dǎo)類探測器，有人將其歸入光導(dǎo)模式結(jié)型光伏探測器，就現(xiàn)有資料來看，更多學(xué)者傾向?qū)⑵錃w入光伏探測器。表6-1為將光電導(dǎo)模式工作的反偏結(jié)型光探測器與光電三極管歸入光伏效應(yīng)類型中時，光電探測的物理效應(yīng)與相應(yīng)探測器分類表。第44頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四第45頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光電探測器類型表6-2是將光電導(dǎo)模式工作的反偏結(jié)型光探測器與光電三極管歸入結(jié)型光電導(dǎo)類探測器所得常見光電探測器的分類情況表。第46頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光電探測器類型2.光電導(dǎo)型探測器 利用光

37、電導(dǎo)效應(yīng)工作的光電探測器稱為光電導(dǎo)型探測器，這類探測器在光照下會改變自身的電阻率，且光照越強器件電阻率越小，因而常稱為光導(dǎo)管或光敏電阻。它們一般都為體結(jié)構(gòu)，阻抗呈阻性，沒有極性，且靈敏度較高，具有內(nèi)電流增益G，響應(yīng)速度則一般較慢。光敏電阻主要用于電子電路、儀器儀表、光電控制、計量分析、光電制導(dǎo)、激光外差探測等方面。 光敏電阻元件主要是族的化合物半導(dǎo)體，如CdS (硫化鎘)、CdTe (碲化鎘)、PbS (硫化鉛)之類的燒結(jié)體，和InSb (銻化銦)、GaS等族化合物半導(dǎo)體，及Ge:Cu、Ge:Au等族半導(dǎo)體晶體。圖6-9為光敏電阻的結(jié)構(gòu)和偏置電路。表6-3給出幾種光敏電阻典型特性。 光敏電阻的

38、結(jié)構(gòu)和偏置電路 第47頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 CdS、CdTe具有高可靠性、長壽命、低造價、可見光響應(yīng)等特點，探測器，光電導(dǎo)增益為103-104，響應(yīng)時間約50ms，在工業(yè)中應(yīng)用最廣。 PbS是一種軍用最多的優(yōu)良近紅外光敏電阻，其響應(yīng)范圍在1-3.4m，峰值響應(yīng)波長2m，響應(yīng)時間200s，室溫有較大電壓輸出。 光電探測器類型第48頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光電探測器類型3.光伏型探測器 利用光導(dǎo)型光伏效應(yīng)的p-n結(jié)型光電二極管(PD)，響應(yīng)速度快，其基本工作原理是：光照所產(chǎn)生的大量空穴被施加在p-n結(jié)上的反向偏壓所加速，移動速度加

39、快，從而產(chǎn)生光電流。最常用的材料是Si (波長探測范圍：0.3-1.1 )、Ge (波長探測范圍：1.0-1.7 )等族半導(dǎo)體。InGaAsP和InGaSbP制作的長波長光電二極管對于 波段光通信至關(guān)重要，也是目前研究的重點。 光接收面積增大，則p-n結(jié)電容增大，響應(yīng)速度減慢，為此，常在p-n結(jié)中加入本征層，形成p-i-n結(jié)光電二極管。p-n結(jié)、p-i-n結(jié)光電二極管中，電子和空穴的產(chǎn)生僅由光能量引起，而另一種二極管雪崩光電二極管(APD)卻具有“自增益”，能進(jìn)一步增大電子和空穴數(shù)，同時又不損害高速響應(yīng)性能。但APD卻存在需要穩(wěn)定的高偏壓，倍增系數(shù)受溫度影響很大、使用困難等缺陷。 肖特基勢壘光

40、電二極管具有量子效率高(70%)，響應(yīng)頻率高(10GHz)等特性。以上各種光電二極管原理上都是反偏的p-n結(jié)結(jié)構(gòu)。 第49頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光電探測器類型 光電三極管(p-n-p結(jié)和n-p-n結(jié)構(gòu)成)形成光敏晶體管，它相當(dāng)于在普通的晶體三極管結(jié)構(gòu)中，基極由光照射電極來代替而形成。當(dāng)在發(fā)射極與集電極之間加上電壓，基極周圍產(chǎn)生的電子和空穴向集電極擴散的過程中，會因三極管的放大作用而放大，具有靈敏度高的優(yōu)點。但由于結(jié)電容和包含內(nèi)電阻的負(fù)載電阻的時間常數(shù)的影響，響應(yīng)速度慢。 光電池和太陽能電池為零偏的二極管機構(gòu)，能直接將光能轉(zhuǎn)變成電能，不再需要外加電源，在響應(yīng)速度

41、要求不高的場合，因其使用簡便，常用于光電子學(xué)信息處理和光耦合器件的光接收部件上，目前使用的有 (1)Si、GaAs、AlSb等族及族的單晶和非晶半導(dǎo)體制備的的p-n結(jié)；(2)燒結(jié)型的CdS與其它物質(zhì)構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)；(3)用CdTe薄膜制備的p-n結(jié)半導(dǎo)體等。第50頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四光電探測器類型4.熱電型探測器 熱電型探測器在紅外、激光功率/能量測量中應(yīng)用廣泛。 如果把溫差熱電偶的冷端分開并與一個電表相連，那么當(dāng)光照熔接端時，吸收光能使熱電偶接頭溫度升高，電表就有相應(yīng)的電流讀數(shù)，其數(shù)值間接反映了光照能量的大小，這就是熱電偶探測器的工作原理。構(gòu)成溫差熱電偶的材

42、料可以是金屬，也可以是半導(dǎo)體；可以是線、條狀的實體，也可以是真空淀積或光刻所得薄膜。實際中為提高靈敏度，常將若干個熱電偶串聯(lián)起來使用，稱為熱電堆。實體型溫差熱電偶多用于測溫，薄膜型溫差熱電堆多用于測量各種輻射，如標(biāo)定各類光源、測量光功率、充當(dāng)紅外分光光度計/光譜分析儀的輻射接收元件等。熱電探測器最小可探測功率的主要限制因素為溫度噪聲和約翰遜噪聲。理想熱電探測器NEP為 W量級，溫差熱電堆常溫理想情況下可達(dá) W量級。利用熱釋電效應(yīng)工作的探測器具有工作時無需冷卻，也無需偏壓電源，在室溫與高溫下均可工作，結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，在遠(yuǎn)紫外到遠(yuǎn)紅外很寬的波譜范圍內(nèi)具有幾乎均勻的光譜響應(yīng)，在較寬的頻率和溫度范

43、圍內(nèi)有較高的探測度等等優(yōu)點，是目前功率/能量探頭的重要類型。 第51頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四典型光電探測器 1.光電倍增管 光電倍增管具有以下優(yōu)點： (1)光譜響應(yīng)寬，從近紫外、可見光到近紅外均可覆蓋；(2)固有的高電流增益和低噪聲，是最靈敏的探測器之一，可探測低達(dá)W的微弱光信號；(3)電陰極尺寸可做到很大，因而可用作大面積信息傳輸。 第52頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四典型光電探測器 光電倍增管由光電陰極C、一系列倍增電極D、收集陽極A三大部分密封在真空外殼中組成(如圖6-10所示)。倍增電極，即能發(fā)射二次電子的電極，其電位與陰極相比逐漸升高，一般極間電位差為V。光電陰極是光電倍增管的關(guān)鍵部分，它將入射光轉(zhuǎn)換為電流，決定著探測器的波長響應(yīng)特性及極限靈敏度。收集陽極用來匯總經(jīng)一系列光電倍增陰極作用而在最后一級倍增陰極產(chǎn)生出數(shù)目巨大的二次電子。第53頁，共61頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四典型光電探測器 光照下，光電陰極發(fā)射出來的電子聚焦后射到第