光電子技術(shù)(第五章)ppt精選課件

第五章光波的探測(cè)與解調(diào),5.1光子探測(cè)方法5.1.1光子探測(cè)機(jī)理的分類,1、光電探測(cè)技術(shù)把被調(diào)制的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并將信息提取出來(lái)的技術(shù)。光探測(cè)過程可以形象地稱為光頻解調(diào)，光探測(cè)器就是將光輻射能量轉(zhuǎn)換成為一種便于測(cè)量的物理量的器件。,2、光電探測(cè)器,按光電相互作用分類,2、探測(cè)機(jī)理及其分類,按響應(yīng)區(qū)域分類,光子直接對(duì)電子產(chǎn)生擾動(dòng),溫升使材料的某些特性發(fā)生變化,電磁場(chǎng)對(duì)材料的擾動(dòng)所引起材料某些內(nèi)特性發(fā)生變化,輸出信號(hào)是敏感區(qū)域的平均值,對(duì)敏感區(qū)域的空間變化所產(chǎn)生的響應(yīng),4、光電效應(yīng),光照射到物體上使物體發(fā)射電子，或電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這些因光照引起物體電學(xué)特性改變的現(xiàn)象，統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)光子激發(fā)的載流子(電子或空穴)將保留在材料內(nèi)部。外光電效應(yīng)將電子打離材料表面，外光電效應(yīng)器件通常有多個(gè)陰極，以獲得倍增效果。,外光電效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng),當(dāng)光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時(shí)，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射的光能使表面的電子獲得足夠的能量，電子就會(huì)克服正離子對(duì)它的吸引力，脫離金屬表面而進(jìn)入外界空間，這種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)可用兩條基本定律來(lái)描述：斯托列托夫定律當(dāng)入射光的頻率或頻譜成分不變時(shí)，飽和光電流（單位時(shí)間內(nèi)反射的光子數(shù)目）與入射光的強(qiáng)度成正比。斯托列托夫定律是光電管、光電倍增管的檢測(cè)基礎(chǔ)。,外光電效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng),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，則電子將以一定的速度從發(fā)射體表面發(fā)射，光電子離開發(fā)射體表面時(shí)的初動(dòng)能隨入射光的頻率線性增長(zhǎng)，與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。光電效應(yīng)方程：,入射光子能量,電子的動(dòng)能,逸出功,該式表明，入射光子必須具有足夠的能量，也就是說(shuō)至少要等于逸出功，才能發(fā)生光電發(fā)射。0為產(chǎn)生光電發(fā)射的最低頻率，即該頻率與材料的屬性有關(guān)，與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)。,逸出功,愛因斯坦定律,入射光波長(zhǎng)大于截止波長(zhǎng)時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)有多大、照射時(shí)間多長(zhǎng)，都不會(huì)有光電子發(fā)射。光電發(fā)射大致可分為三個(gè)過程：光入射物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)；受激電子從受激處出發(fā)，向表面運(yùn)動(dòng)，其間必然要同其他電子或晶格發(fā)生碰撞而失去部分能量；到達(dá)表面的電子克服表面勢(shì)壘對(duì)其的束縛，逸出形成光電子。,愛因斯坦定律,由此得到光電發(fā)射對(duì)陰極材料的要求：對(duì)光的吸收大，以便體內(nèi)有較多的電子受激發(fā)射；電子受激發(fā)生在表面附近，以使碰撞損失盡量?。徊牧弦莩龉π?，以使到達(dá)表面的電子容易逸出；電導(dǎo)率好，以便能夠通過外電源來(lái)補(bǔ)充光電發(fā)射失去的電子。,內(nèi)光電效應(yīng)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(shí)，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。這種變化可以通過測(cè)量負(fù)載電阻兩端的電壓來(lái)觀察。該現(xiàn)象是100多年來(lái)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。,內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng),利用此現(xiàn)象制成的光探測(cè)器稱為光電導(dǎo)探測(cè)器。20世紀(jì)又先后在氧化亞銅、硫化鉈、硫化鎘、硫化鉛等材料中發(fā)現(xiàn)光電導(dǎo)效應(yīng)，并由此發(fā)展了從紫外、可見到紅外各個(gè)波段的輻射探測(cè)器。,內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng),光子能量紅限波長(zhǎng)光電流,當(dāng)光子波長(zhǎng)大于0時(shí)，本征型半導(dǎo)體器件將不會(huì)出現(xiàn)光電導(dǎo)現(xiàn)象,通常是多子起作用，少子由于其壽命相對(duì)短得多，故對(duì)光電流的貢獻(xiàn)不大。,ISO為直流下的短路電流，為量子效率，N為器件單位時(shí)間吸收的波長(zhǎng)為的光子數(shù)，G為器件內(nèi)增益。,內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng),光電導(dǎo)增益G由自由載流子壽命和渡越時(shí)間T的比值來(lái)決定。,渡越時(shí)間T是指多數(shù)載流子穿過器件電極的時(shí)間，它由下式?jīng)Q定：,式中l(wèi)為電極間的距離，為多數(shù)載流子的遷移率，VA為器件所加上的偏壓。,內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng),響應(yīng)速度(由多數(shù)載流子的壽命決定),頻率為時(shí)的短路電流,頻率為時(shí)的開路電壓,由上面兩式可知，低頻時(shí)光電器件的輸出基本上與頻率無(wú)關(guān)；高頻時(shí)則與頻率成反比，轉(zhuǎn)折點(diǎn)定義在為1的頻率。,直流短路電流,器件開路電壓,內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng),光子在材料中激發(fā)出的載流子必須在外加電壓（電場(chǎng)）作用下方能作空間流動(dòng)，對(duì)外電路產(chǎn)生貢獻(xiàn)。這種器件必須加上偏壓才能正常工作。,內(nèi)光電效應(yīng)光伏效應(yīng),光伏效應(yīng)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(jī)理有多種，主要的一種是由于阻擋層的存在引起的勢(shì)壘型光伏效應(yīng)。,短路光電流,開路光電壓,反向飽和電流,暗電流,內(nèi)光電效應(yīng)光伏效應(yīng),光伏效應(yīng)載流子的激發(fā)光子載流子的分離內(nèi)建電場(chǎng)光電流：,Id暗電流，Is為無(wú)光照射時(shí)的反向飽和電流，V為施加在器件上的電壓(正向?yàn)檎聪驗(yàn)樨?fù))，k為波耳茲曼常數(shù)，為近似為1的常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。,內(nèi)光電效應(yīng)光伏效應(yīng),光伏器件的電流電壓特性（5-5）,對(duì)應(yīng)的工作模式：開路、短路、反偏（光電導(dǎo)工作模式）、正偏。,內(nèi)光電效應(yīng)光伏效應(yīng),光電導(dǎo)效應(yīng)和光伏效應(yīng)的區(qū)別光電導(dǎo)效應(yīng)必須在外加偏壓下才能正常工作光伏效應(yīng)則可以不加偏壓，其開路電壓就反映了光輻射的信號(hào)，但光伏效應(yīng)器件通常工作在反偏狀態(tài)，即給器件加上反向電壓，其反向電流即為光電流，此時(shí)可以說(shuō)器件工作在光電導(dǎo)模式下。,光伏效應(yīng),光電導(dǎo)效應(yīng),光伏器件工作模式,光伏器件,光電池光敏二極管光敏三極管,光敏二極管,(1)結(jié)構(gòu),光敏二極管是利用硅結(jié)受光照后產(chǎn)生光電流的一種光電器件。光敏二極管的電路符號(hào)、外形見圖所示。其封裝有金封和塑封兩種（即圓柱形和扁方形）。有的光敏二極管為了提高其穩(wěn)定性，還外加了一個(gè)屏蔽接地腳，外形似光敏三極管。光敏二極管工作于反向偏壓，其光譜響應(yīng)特性主要由半導(dǎo)體材料中所摻的雜質(zhì)濃度所決定。同一型號(hào)的光敏二極管在一定的反偏電壓、相同強(qiáng)度和不同波長(zhǎng)的入射光照射下，產(chǎn)生的光電流并不相同，但有一最大值。不同型號(hào)的光敏二極管在同一反偏電壓、同一強(qiáng)度的入射光照射下，所產(chǎn)生的光電流最大值也不相同，且光電流最大值所對(duì)應(yīng)的入射光的波長(zhǎng)也不相同。,光敏二極管,圖的曲線、分別是光敏二極管、的光譜響應(yīng)特性曲線。由圖可看出，它們的光電流的最大值分別在可見光區(qū)和紅外線區(qū)，其中二極管的光譜響應(yīng)值最大。由于光敏二極管的基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)結(jié)，故其檢測(cè)方法也與普通二極管相同，其測(cè)得的正、反向電阻也類似于普通二極管，但在測(cè)反向電阻遇光照時(shí)，阻值會(huì)明顯減小，否則說(shuō)明管子已損壞。,PIN光敏二極管,特點(diǎn)1、最大的特點(diǎn)是頻帶寬。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體（I層）。這樣，P-N結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于I層中，從而使P-N結(jié)空間電荷層的間距加寬，因此結(jié)電容變小。響應(yīng)時(shí)間變短，頻帶變寬。,2、管子的線性輸出范圍很寬。因?yàn)镮層（相對(duì)）很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓。不足：I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般為零點(diǎn)幾A至數(shù)A。,PIN光敏二極管的光電轉(zhuǎn)換原理,雪崩光敏二極管（APD）,雪崩光敏二極管是利用P-N結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來(lái)工作的一種光伏器件。它具有響應(yīng)度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，通常工作在很高的反偏狀態(tài)100200V，接近于反向擊穿電壓。當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的自持雪崩。頻率響應(yīng)很高，帶寬可達(dá)100GHz。是目前響應(yīng)最快的一種光敏二極管。適用于光纖通信、激光測(cè)距及其他微弱光的探測(cè)等。原理：根據(jù)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到PN結(jié)時(shí)，光子被吸收而產(chǎn)生電子空穴對(duì)如果電壓增加到使電場(chǎng)達(dá)到200kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場(chǎng)區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)高速運(yùn)動(dòng)的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，見圖。,APD的雪崩倍增效應(yīng),雪崩光敏二極管（APD）,雪崩光敏二極管頻率響應(yīng)很高，帶寬可達(dá)100GHz。是目前響應(yīng)最快的一種光敏二極管。適用于光纖通信、激光測(cè)距及其他微弱光的探測(cè)等。光敏二極管陣列將光敏二極管以線列或面陣形式集合在一起，用來(lái)同時(shí)探測(cè)被測(cè)物體各部位提供的不同光信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。,光敏二極管的特點(diǎn),體積小，穩(wěn)定性好；靈敏度高，響應(yīng)速度快；易于獲得定向性；光譜響應(yīng)在可見和紅外區(qū)。,光敏三極管,靈敏度比光敏二極管高，是光敏二極管的數(shù)十倍，故輸出電流要比光敏二極管大得多，一般為毫安級(jí)。但其它特性不如光敏二極管好，在較強(qiáng)的光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。頻率特性和溫度特性也變差，故光敏三極管多用作光電開關(guān)或光電邏輯元件。,復(fù)習(xí),外光電效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)相應(yīng)器件：光電倍增管內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)相應(yīng)器件：光敏電阻、光電導(dǎo)攝像管內(nèi)光電效應(yīng)光伏效應(yīng)相應(yīng)器件：光電池、光敏二極管、光敏三極管,5、熱釋電效應(yīng),熱釋電效應(yīng)指的是某些晶體的電極化強(qiáng)度隨溫度變化而釋放表面吸附的部分電荷?；谠撔?yīng)制成的光電轉(zhuǎn)換器件有紅外探測(cè)器，熱電激光量熱計(jì)，夜視儀以及各種光譜儀接收器等。,熱釋電探測(cè)器,結(jié)構(gòu),熱釋電探測(cè)器工作原理,器件吸收入射輻射功率產(chǎn)生溫升，溫升引起材料某種有賴于溫度的參量的變化，檢測(cè)該變化，可以探知輻射的存在和強(qiáng)弱。這一過程比較緩慢，因此一般熱電探測(cè)器件的響應(yīng)時(shí)間多為ms量級(jí)。熱釋電器件相當(dāng)于一個(gè)以熱電晶體為電介質(zhì)的平板電容器。入射輻射可引起電容器電容的變化，因此，可利用這一特性來(lái)探測(cè)變化的輻射。對(duì)光輻射的轉(zhuǎn)換過程：第一步按系統(tǒng)的熱力學(xué)特性來(lái)確定入射輻射所引起的溫度升高；第二步探測(cè)器件因溫升引起器件物理特性的變化而輸出各種電信號(hào)。,熱釋電探測(cè)器的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍特別寬，從紫外到紅外幾乎都有相同的響應(yīng)，光譜特性曲線近似為一條平線。工作時(shí)無(wú)需制冷。缺點(diǎn)：靈敏度低，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。,熱釋電探測(cè)器使用注意,1、比較理想的熱探測(cè)器，其機(jī)械強(qiáng)度、響應(yīng)靈敏度、響應(yīng)速度都很高。2、只能測(cè)量變化的輻射，輻射恒定時(shí)無(wú)輸出。3、輸出是背景與熱輻射體的溫差，而不是熱輻射體的實(shí)際溫度。測(cè)溫時(shí)，需先用輔助探測(cè)器測(cè)出背景溫度。4、各種熱釋電材料都存在一個(gè)居里溫度，使用范圍小于居里溫度。,居里溫度,居里溫度是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度。低于居里溫度時(shí)該物質(zhì)成為鐵磁體，此時(shí)和材料有關(guān)的磁場(chǎng)很難改變。當(dāng)溫度高于居里溫度時(shí),該物質(zhì)成為順磁體，磁體的磁場(chǎng)很容易隨周圍磁場(chǎng)的改變而改變。這時(shí)的磁敏感度約為10的負(fù)6次方。如鐵的居里溫度是770,鐵硅合金的居里溫度是690等。利用這個(gè)特點(diǎn)，人們開發(fā)出了很多控制元件。例如，我們使用的電飯鍋就利用了磁性材料的居里點(diǎn)的特性。在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點(diǎn)為105度的磁性材料。當(dāng)鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100度上升。當(dāng)溫度到達(dá)大約105度時(shí)，由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失，磁鐵就對(duì)它失去了吸力，這時(shí)磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會(huì)把它們分開，同時(shí)帶動(dòng)電源開關(guān)被斷開，停止加熱。,居里溫度,熱釋電探測(cè)器,光譜范圍：一般熱釋電在0.220m；用途：主要用于防盜報(bào)警和安全報(bào)警裝置、自動(dòng)門、自動(dòng)照明裝置、火災(zāi)報(bào)警等一些自動(dòng)控制系統(tǒng)中。特點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍寬，對(duì)于從紫外到毫米量級(jí)的電磁輻射幾乎都有相同的響應(yīng)。（與測(cè)輻射計(jì)、溫差熱電堆等比較）頻率特性好，室溫下工作，無(wú)需致冷，體積小，重量輕，堅(jiān)固。,5.1光子探測(cè)方法5.1.2光電探測(cè)器中的噪聲,5.1光子探測(cè)方法5.1.2光電探測(cè)器中的噪聲,依據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因，光電探測(cè)器的噪聲可大致分為散粒噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲、熱噪聲和低頻噪聲。上述噪聲是光電轉(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。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)多少載流子是不確定的，所以隨機(jī)的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。,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。熱激發(fā)散粒均方噪聲電流為其有效值為相應(yīng)的噪聲電壓為如果探測(cè)器具有內(nèi)增益M，則上式還應(yīng)乘以M。光電探測(cè)器是依靠?jī)?nèi)場(chǎng)把電子空穴對(duì)分開，空穴對(duì)電流貢獻(xiàn)不大，主要是電子貢獻(xiàn)。上兩式也適用于光伏探測(cè)器。,1光電探測(cè)器中的噪聲散粒噪聲,熱噪聲,電阻材料，即使在恒定的溫度下，其內(nèi)部的自由載流子數(shù)目及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也是隨機(jī)的，由此而構(gòu)成無(wú)偏壓下的起伏電動(dòng)勢(shì)。這種由載流子的熱運(yùn)動(dòng)引起的起伏就是電阻材料的熱噪聲，或稱為約翰遜（Johnson）噪聲。熱噪聲是由導(dǎo)體或半導(dǎo)體中載流子隨機(jī)熱激發(fā)的波動(dòng)而引起的。其大小與電阻的阻值、溫度及工作帶寬有關(guān)。,熱噪聲,光電探測(cè)器本質(zhì)上可用一個(gè)電流源來(lái)等價(jià)，這就意味著探測(cè)器有一個(gè)等效電阻R。電阻中自由電子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)將引起電阻器R兩端隨機(jī)起伏的電壓。,電阻R的熱噪聲電流為:,相應(yīng)的熱噪聲電壓為：,G-R噪聲,對(duì)于光電導(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，這樣就使起伏加倍，雖然本質(zhì)也是散粒噪聲，但為強(qiáng)調(diào)產(chǎn)生和復(fù)合兩個(gè)因素，取名為產(chǎn)生復(fù)合散粒噪聲，簡(jiǎn)稱為產(chǎn)生復(fù)合噪聲。,1/f噪聲,1/f噪聲又稱為閃爍或低頻噪聲。這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質(zhì)的存在，當(dāng)電流流過時(shí)在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖。幾乎在所有探測(cè)器中都存在這種噪聲。它主要出現(xiàn)在大約1KHz以下的低頻頻域，而且與光輻射的調(diào)制頻率f成反比，故稱為低頻噪聲或1/f噪聲。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，探測(cè)器表面的工藝狀態(tài)(缺陷或不均勻等)對(duì)這種噪聲的影響很大，所以有時(shí)也稱為表面噪聲或過剩噪聲。一般說(shuō)，只要限制低頻端的調(diào)制頻率不低于1千赫茲，這種噪聲就可以防止。,光電探測(cè)器中的噪聲分布,1/f低頻噪聲,產(chǎn)生復(fù)合噪聲,熱噪聲,拐點(diǎn)（1KHz）,拐點(diǎn)（1MHz）,其他噪聲（續(xù)）,發(fā)射噪聲：只要有電流通過，便會(huì)產(chǎn)生發(fā)射噪聲，這是由電子電荷的離散性所決定的，這種離散性將造成電流的微小起伏。暗電流噪聲：即使沒有光信號(hào)照到光電倍增管中，由于熱電子發(fā)射也會(huì)形成暗電流噪聲，這種暗電流噪聲系基于外光電效應(yīng)器件的主要噪聲。倍增噪聲：由于倍增極二次電子發(fā)射過程的隨機(jī)性產(chǎn)生的，它使得倍增極的增益在附近有一定的起伏。熱噪聲：由陽(yáng)極負(fù)載電阻所產(chǎn)生。,2、光電探測(cè)器的特性指標(biāo),2.1響應(yīng)度R定量描述光電器件輸出電信號(hào)與輸入的光信號(hào)之間的關(guān)系。探測(cè)器輸出信號(hào)電壓Vs與輸入光功率P的比值。單位一般為V/W或A/W。該值是直流狀態(tài)下的測(cè)試值。,探測(cè)器面積,光源的輻射度,2.2光譜響應(yīng)（光電探測(cè)器最基本的參數(shù)，通常用相對(duì)光譜響應(yīng)來(lái)描）,表征響應(yīng)度R隨波長(zhǎng)變化的特性參數(shù)。由于許多光探測(cè)器是基于光電效應(yīng)而工作的，因而存在一個(gè)最低頻率0，只有入射光頻率大于0才能有響應(yīng)信號(hào)輸出，相應(yīng)存在一個(gè)探測(cè)波長(zhǎng)極限c，在c時(shí)探測(cè)器對(duì)于某一頻率（波長(zhǎng)）光的響應(yīng)與探測(cè)器對(duì)該波長(zhǎng)的吸收速率，即單位時(shí)間內(nèi)入射的光子數(shù)密度成正比，因而c時(shí)，其響應(yīng)隨著波長(zhǎng)的增加而呈線性上升。而c時(shí)，光譜響應(yīng)曲線迅速下降到零。,隨波長(zhǎng)線性增長(zhǎng)區(qū),峰值區(qū),急劇下降區(qū),2.3能量閾P(yáng)th,從響應(yīng)度R的定義式可見，如果P0，應(yīng)有Is=0實(shí)際情況是，當(dāng)P0時(shí)，光電探測(cè)器的輸出電流并不為零。這個(gè)電流稱為暗電流或噪聲電流它是瞬時(shí)噪聲電流的有效值。顯然，這時(shí)響應(yīng)度R巳失去意義，我們必須定義一個(gè)新參量來(lái)描述光電探測(cè)器的這種特性。,考慮到這個(gè)因素之后，一個(gè)光電探測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換過程的模型如圖所示。,圖中的光功率Ps和Pb分別為信號(hào)和背景光功率?？梢?，即使Ps和Pb都為零，也會(huì)有噪聲輸出。噪聲的存在，限制了探測(cè)微弱信號(hào)的能力。通常認(rèn)為，如果信號(hào)光功率產(chǎn)生的信號(hào)光電流is等于噪聲電流in，那么就認(rèn)為剛剛能探測(cè)到光信號(hào)存在。,依照這一判據(jù)，定義探測(cè)器的能量閾P(yáng)th為,若Ri=10A/W，in=0.01A，則能量閾P(yáng)th0.001W。也就是說(shuō)，小于0.001微瓦的信號(hào)光功率不能被探測(cè)器所得知，所以，能量閾是探測(cè)器所能探測(cè)的最小光信號(hào)功率。,2.3能量閾P(yáng)th,2.4等效噪聲功率（NEP）,同一個(gè)問題，還有另一種更通用的表述方法，這就是等效噪聲功率NEP。它定義為單位信噪比時(shí)的信號(hào)光功率。信噪比SNR定義為,(電壓信噪比),(電流信噪比),顯然，NEP越小，表明探測(cè)器探測(cè)微弱信號(hào)的能力越強(qiáng)。所以NEP是描述光電探測(cè)器探測(cè)能力的參數(shù)。,2.4等效噪聲功率（NEP）,產(chǎn)生單位信噪比所需的入射功率給出了探測(cè)器能夠探測(cè)的最小光功率，表征探測(cè)器的探測(cè)能力。NEP越小，探測(cè)能力越強(qiáng)。,由于噪聲頻譜很窄，為減小噪聲影響，一般將探測(cè)器后面的放大器做成窄帶通的，其中心頻率為調(diào)制頻率，這樣，信號(hào)將不受損失而噪聲可以被濾去，從而使NEP減小,NEP越小，探測(cè)器探測(cè)能力越高，不符合人們“越大越好”的習(xí)慣，于是取NEP的倒數(shù)并定義為探測(cè)度D，即這樣，D值大的探測(cè)器就表明其探測(cè)力高。,2.5歸一化探測(cè)度D*(讀作D星),2.6頻率響應(yīng),是描述光探測(cè)器響應(yīng)度在入射光波長(zhǎng)不變時(shí)，隨入射光調(diào)制頻率f變化的特性參數(shù)。是表征光探測(cè)器頻率特性的重要參數(shù)。當(dāng)器件的輸出信號(hào)功率降到零頻時(shí)的一半，即信號(hào)幅度下降到零頻的0.707時(shí)，可得到器件的上限截止頻率fc,2.7其它參數(shù),暗電流：指沒有信號(hào)和背景輻射時(shí)通過探測(cè)器的電流。工作溫度：對(duì)于非冷卻型探測(cè)器指環(huán)境溫度，對(duì)于冷卻型探測(cè)器指冷卻源標(biāo)稱溫度。響應(yīng)時(shí)間：指探測(cè)器將入射輻射轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)電壓或電流的馳豫時(shí)間。光敏面積：指靈敏元的幾何面積。,2.7其它參數(shù),光電探測(cè)器還有其它一些特性參數(shù)，在使用時(shí)必須注意到，例如光敏面積，探測(cè)器電阻，電容等。特別是極限工作條件，正常使用時(shí)都不允許超過這些指標(biāo)，否則會(huì)影響探測(cè)器的正常工作，甚至使探測(cè)器損壞。通常規(guī)定了工作電壓、電流、溫度以及光照功率允許范圍，使用時(shí)要特別加以注意。,3、各種光子探測(cè)器件的性能比較和應(yīng)用選擇,1、接收光信號(hào)的方式2、各種光子探測(cè)器件的性能比較3、應(yīng)用選擇,3.1接收光信號(hào)的方式,判斷信號(hào)的有無(wú)如光電開關(guān)、光電報(bào)警等。這類光電系統(tǒng)檢測(cè)由被測(cè)對(duì)象造成的投射到光電器件上的光信號(hào)的通過或者截?cái)唷＿@時(shí)不關(guān)心光電器件的線性，而是關(guān)注其靈敏度。,3.1接收光信號(hào)的方式,系統(tǒng)中的光信號(hào)按一定調(diào)制頻率交替變化這種光電系統(tǒng)中的光強(qiáng)度信號(hào)被調(diào)制在一定的頻帶內(nèi)或某一調(diào)制頻率下。所選光電器件的截止頻率光信號(hào)的調(diào)制頻率。,3.1接收光信號(hào)的方式,檢測(cè)光信號(hào)的幅度大小被測(cè)對(duì)象本身光輻射的強(qiáng)度發(fā)生變化；被測(cè)對(duì)象因?qū)獾姆瓷渎?、透過率發(fā)生變化；光電器件接收到的光照度亦隨之變化。為準(zhǔn)確檢測(cè)出這種變化，選擇器件需注意：靈敏度適當(dāng)、線性好、響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)范圍合適。如光敏二極管、光電倍增管。,3.1接收光信號(hào)的方式,檢測(cè)光信號(hào)的色度差異被測(cè)對(duì)象造成光電器件接受到的色溫發(fā)生變化；被測(cè)對(duì)象本身的表面顏色發(fā)生變化。選擇光譜特性合適的光電器件。,3.2各種光子探測(cè)器件的性能比較,在時(shí)間響應(yīng)和頻率特性，即動(dòng)態(tài)特性方面：光電倍增管和光敏二極管較好；PIN光敏二極管和雪崩光敏二極管最好。光電特性方面：光電倍增管、光敏二極管和光電池的線性都較好。,3.2各種光子探測(cè)器件的性能比較,靈敏度方面：光電倍增管、雪崩光敏二極管最好，光敏電阻和光敏晶體管較好。需要說(shuō)明的是，靈敏度高不一定就是輸出電流大。輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光敏二極管和光敏晶體管。,3.2各種光子探測(cè)器件的性能比較,外加偏壓：外加偏壓最低的是光敏二極管和光敏晶體管，光電池不需加電源便可工作；暗電流：光電倍增管和光敏二極管最小，光電池不加電源時(shí)無(wú)暗電流，加反向偏壓后暗電流比光電倍增管和光敏二極管要大；,3.2各種光子探測(cè)器件的性能比較,長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性方面：光敏二極管和光電池最好；其次是光電倍增管和光敏晶體管；光譜響應(yīng)方面：光電倍增管和光敏電阻最寬；光電倍增管的響應(yīng)偏在紫外方面，光敏電阻的響應(yīng)偏向紅外方面；,3.2各種光子探測(cè)器件的性能比較,3.3應(yīng)用選擇,光電器件必須和輻射信號(hào)以及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上相匹配。如測(cè)量波長(zhǎng)在紫外波段，則可選光電倍增管或?qū)ｉT的紫外半導(dǎo)體光電器件；如果信號(hào)是可見光，則可選光敏電阻、硅光電器件或光電倍增管；對(duì)于紅外信號(hào)，可選光敏電阻；近紅外波段可選硅材料光電器件或光電倍增管。,3.3應(yīng)用選擇,光電器件與入射輻射能量在空間上對(duì)準(zhǔn)。a、光電器件的光敏面要與入射輻射在空間上匹配好。太陽(yáng)能電池光敏面大用于雜散光或沒有達(dá)到聚集狀態(tài)的光束的接收。光敏電阻（光調(diào)可變電阻）通過光路和機(jī)械設(shè)計(jì)控制光照在全部電阻體上，有效利用全部光敏面。光敏二極管和光敏晶體管的感光面只是結(jié)附近的一個(gè)極小的面積用透鏡把光聚焦到感光的光敏點(diǎn)上。,3.3應(yīng)用選擇,光電器件的光電轉(zhuǎn)換特性要與入射輻射相匹配。通常使入射輻射通量的變化中心處于光電器件的線性范圍內(nèi)，以確保獲得良好的線性檢測(cè)。對(duì)于微弱光信號(hào)，器件要有高的靈敏度，以保證一定的信噪比和足夠強(qiáng)的輸出電信號(hào)。,3.3應(yīng)用選擇,光電器件的響應(yīng)特性要與光信號(hào)的信號(hào)頻率、調(diào)制形式和波形相匹配，以保證輸出波形沒有頻率失真和良好的時(shí)間響應(yīng)。這種情況主要是選擇響應(yīng)時(shí)間短或者上限頻率高的器件，同時(shí)在電路上也要注意匹配好動(dòng)態(tài)參數(shù)。,3.3應(yīng)用選擇,光電器件還應(yīng)和后繼電路在電特性上相互匹配，以保證最大的轉(zhuǎn)換系數(shù)、線性范圍、信噪比以及快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。,3.3應(yīng)用選擇,注意選好器件的規(guī)格和使用的環(huán)境條件，以使器件具有長(zhǎng)期工作的可靠性。當(dāng)工作條件超過最大限額時(shí)，器件的特性會(huì)急劇惡化，特別是超過電流容限值后，其損壞往往是永久性的。使用的環(huán)境溫度和電流容限一樣，當(dāng)超過溫度的容限值后，往往會(huì)引起緩慢的特性惡化。,3.4光電檢測(cè)電路,大多數(shù)的光電器件都需要經(jīng)過檢測(cè)與轉(zhuǎn)換電路才能實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的變換，通常的光電檢測(cè)電路由光電檢測(cè)器件、輸入電路和前置放大器組成。,核心：光電檢測(cè)器件，是溝通光學(xué)量和電子系統(tǒng)的接口環(huán)節(jié)。重要環(huán)節(jié)：前置放大及耦合電路。中間環(huán)節(jié)：輸入電路，為光電器件提供正常的電路工作條件，同時(shí)也完成與前置放大及耦合電路的電路匹配。,光電檢測(cè)器件,輸入電路,前置放大器,3.4光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)要求,1、光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合的電信號(hào)，是實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)的先決條件。所以光電轉(zhuǎn)換能力的高低對(duì)整個(gè)光電檢測(cè)系統(tǒng)具有至關(guān)重要的影響和作用。因此，具備較強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)換能力，是對(duì)光電檢測(cè)電路的最基本要求。表示光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)弱的參數(shù)，通常采用光電靈敏度，即單位輸入光信號(hào)的變化量所引起的輸出信號(hào)的變化量。,3.4光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)要求,2、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快光電檢測(cè)電路應(yīng)滿足信號(hào)通道所要求的頻率選擇性或?qū)λ沧冃盘?hào)的快速響應(yīng)。,3.4光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)要求,3、信號(hào)檢測(cè)能力強(qiáng)信號(hào)檢測(cè)能力，主要是指光電檢測(cè)電路輸出信號(hào)中有用信號(hào)成分的多少，常用信噪比、功率等參數(shù)表征。通常要求光電檢測(cè)電路具有可靠檢測(cè)所必須的信噪比或最小可檢測(cè)信號(hào)功率。,3.4光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)要求,4、穩(wěn)定性、可靠性好光電檢測(cè)電路在長(zhǎng)期工作的情況下應(yīng)該穩(wěn)定、可靠，特別是在一些特殊場(chǎng)合下，對(duì)穩(wěn)定性、可靠性的要求會(huì)更高。,5.3.1光波的解調(diào),強(qiáng)度調(diào)制的解調(diào)輸入：輸出：,特點(diǎn)：對(duì)于強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)，采用直接探測(cè)便可獲得不失真解調(diào)。,5.3.1光波的解調(diào),振幅調(diào)制的解調(diào)輸入：輸出：,開平方運(yùn)算：模擬電路運(yùn)算成本低，速度高，但精度較差；數(shù)值運(yùn)算一般由計(jì)算機(jī)完成，可達(dá)到相當(dāng)高的精度，但成本較高，且速度稍低。,5.3.1光波的解調(diào),偏振調(diào)制的解調(diào)偏振分光棱鏡的原理,Wollaston棱鏡,5.3.1光波的解調(diào),Wollaston棱鏡的取向使得當(dāng)未受到偏振調(diào)制時(shí)I1和I2的光強(qiáng)相等。兩路光的振幅為：,當(dāng)偏振面轉(zhuǎn)動(dòng)后：,5.3.1光波的解調(diào),可以證明，兩路信號(hào)的光強(qiáng)與角度有如下關(guān)系：,特點(diǎn)：可以消除光源波動(dòng)無(wú)傳輸通道的干擾的影響,5.3.1光波的解調(diào),頻率及相位調(diào)制的解調(diào)信號(hào)預(yù)處理：將頻率或相位信息轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)信息。,信號(hào)光s,參考光0,輸出信號(hào),光電接收器,放大器,5.3.1光波的解調(diào),設(shè)Es(信號(hào)光)和Eo(參考光)為平面波，對(duì)于探測(cè)器接收面上，則可認(rèn)為空間定點(diǎn)，故Es和Eo可表示為：,在探測(cè)器D處，總光場(chǎng)為：,和頻分量,外差檢測(cè)原理,在光混頻器上的輸出光強(qiáng)為：,差頻分量,光學(xué)外差信號(hào)表達(dá)式！,說(shuō)明,在外差干涉信號(hào)中，參考光束（又稱為本機(jī)振蕩光束或簡(jiǎn)稱本振光）是兩相干光的光頻率和相位的比較基準(zhǔn)。信號(hào)光可以是由本振光分束后經(jīng)調(diào)制形成，也可以采用獨(dú)立的相干光源保持與本振光波的頻率跟蹤和相位同步。前者多用于干涉測(cè)量，后者用于相干通信。不論用哪種方式，由上式可知在保持本振光的E0、0、0不變的前提下，外差信號(hào)的振幅、頻率和相位可以表征信號(hào)光波的特征參量Es、s、s，即信號(hào)光的參量受到被測(cè)信息調(diào)制，外差信號(hào)能夠無(wú)畸變地精確復(fù)制這些調(diào)制信號(hào)。,調(diào)幅信號(hào),如信號(hào)光振幅Es受頻譜如圖的調(diào)制信號(hào)F(t)的調(diào)制，則,調(diào)制信號(hào)的振幅,調(diào)制信號(hào)的調(diào)制度,調(diào)制信號(hào)的角頻率,調(diào)制信號(hào)的相位,可見，信號(hào)光波振幅上所載荷的調(diào)制被轉(zhuǎn)換到了外差信號(hào)上去。對(duì)于其他調(diào)制方式也有類似的結(jié)果，這是直接探測(cè)所不可能到達(dá)的。,光波的解調(diào)（4）零差檢測(cè),零差檢測(cè),簡(jiǎn)化計(jì)算，令0，則,說(shuō)明,上式表明零差探測(cè)能無(wú)畸變地獲得信號(hào)的原形，只是包含了本振光振幅的影響。此外，在信號(hào)光不作調(diào)制時(shí)，零差信號(hào)只反映相干光振幅和相位的變化而不能反映頻率的變化。,光波的解調(diào),以上各種采用相干(零差或外差)法的解調(diào)方法，從理論上講是可行的，而且在信噪比靈敏度等方面比直接探測(cè)有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但在具體應(yīng)用時(shí)，由于靈敏度非常高，故對(duì)干擾信號(hào)同樣也很