探測(cè)器第一章 概述

探測(cè)器第一章概述第1頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（3）工作溫度許多探測(cè)器的性能與它的工作溫度有密切的關(guān)系，在給出探測(cè)器的性能參數(shù)時(shí)需給出探測(cè)器的工作溫度。較重要的幾個(gè)工作溫度：室溫（295K或300K）、干冰溫度（194.6K）、液氮沸點(diǎn)（77.3K）、液氦沸點(diǎn)（4.2K）。（4）光敏面積和形狀探測(cè)器的性能與探測(cè)器面積的大小和形狀有關(guān)。因此，給出探測(cè)器的性能參數(shù)時(shí)應(yīng)給出它的面積。（5）探測(cè)器的偏置條件探測(cè)器的性能與偏置條件有關(guān)，所以在給出探測(cè)器的性能參數(shù)時(shí)應(yīng)給出偏置條件。（6）特殊工作條件第2頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.3.2主要性能參數(shù)（性能指標(biāo)）

性能指標(biāo)可分為實(shí)際指標(biāo)、參考指標(biāo)。實(shí)際指標(biāo)：指對(duì)每個(gè)實(shí)際探測(cè)器直接測(cè)量出來(lái)的指標(biāo)。參考指標(biāo)：對(duì)某類探測(cè)器折合到標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)的指標(biāo)值。

（1）響應(yīng)率（響應(yīng)度）R

響應(yīng)率R是探測(cè)器輸出信號(hào)S與探測(cè)器的輸入量X之比，即

響應(yīng)率表征探測(cè)器對(duì)輻射響應(yīng)的靈敏度，是探測(cè)器的一個(gè)重要的性能參數(shù)。（a）根據(jù)輸入量的不同，定義不同的響應(yīng)率（通量響應(yīng)率、輻照度響應(yīng)率）。第3頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（b）電壓響應(yīng)率（Rv，V/W）和電流響應(yīng)率（Ri，I/W）。（c）直流響應(yīng)率（R0）和交流響應(yīng)率（R(f)

）。

R0

：入射輻射是恒定的，探測(cè)器的輸出信號(hào)也是恒定的。

R(f)：若入射輻射是交變輻照，探測(cè)器的輸出信號(hào)也是交變的。

（d）黑體響應(yīng)率（R(T,f)）和單色響應(yīng)率（R(λ,f)）。

R(T,f)

：表示對(duì)絕對(duì)溫度為T(mén)的黑體入射輻射，在調(diào)制頻率f下測(cè)得的響應(yīng)率。常用的參考輻射源為500K黑體。

R(λ,f)：采用波長(zhǎng)為λ的單色光源測(cè)得的響應(yīng)率。第4頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（2）噪聲等效功率NEP

當(dāng)輻射在探測(cè)器上產(chǎn)生的信號(hào)電壓V，恰好等于探測(cè)器自身的噪聲電壓VN（即信號(hào)噪聲比為1）時(shí)，所需投射到探測(cè)器上的輻射功率P，即

（a）黑體噪聲等效功率NEP(T,f)

（NEP(T,f,△f)）和光譜噪聲等效功率NEP(λ,f)（NEP(λ,f,△f)）。（b）另一種表示式：第5頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（3）探測(cè)率D、D*、D**（a）探測(cè)率D

表示輻照在探測(cè)器上的單位輻射功率所獲得的信噪比。探測(cè)率越大，表示探測(cè)器的探測(cè)能力越強(qiáng)。

（b）歸一化探測(cè)率D*有由從而表示當(dāng)探測(cè)器的敏感元具有單位面積、放大器的測(cè)量帶寬為1Hz時(shí)，單位輻射功率所能獲得的信號(hào)噪聲比。它消除了探測(cè)器面積AD和噪聲等效帶寬△f

的影響，稱為歸一化探測(cè)率或比探測(cè)率

D*，單位為cm.Hz1/2/W

（或Jones）。

第6頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六*黑體探測(cè)率（D*(T,f)）和光譜（單色）探測(cè)率（D*(λ,f)）

式中是入射黑體輻射通量（W），E(T,λ)是黑體輻照度（W/cm2）。（c）D**式中Ω是探測(cè)器響應(yīng)單元向擋板或冷屏所張的有效立體角。對(duì)于Ω在半角為θ/2的錐形中為常數(shù)的特殊情況（如圖），第7頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（4）光譜響應(yīng)

功率相等的不同波長(zhǎng)的輻射照在探測(cè)器上所產(chǎn)生的信號(hào)與輻射波長(zhǎng)的關(guān)系叫做探測(cè)器的光譜響應(yīng)（等能量光譜響應(yīng)函數(shù)）。

（a）光譜響應(yīng)率函數(shù)與總響應(yīng)率函數(shù)對(duì)具有給定的光譜響應(yīng)率函數(shù)的探測(cè)器在總的輸入（例如輻射通量功率P）和總的輸出（例如光電壓V）之間存在下列關(guān)系則探測(cè)器總響應(yīng)率（總輸出與總輸入之比）可寫(xiě)成

第8頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（b）相對(duì)光譜響應(yīng)和絕對(duì)光譜響應(yīng)探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)函數(shù)r(λ)可表示為總響應(yīng)率的公式可改寫(xiě)為：式中，R(λ)為絕對(duì)光譜響應(yīng)率，R(λ0)為歸一化波長(zhǎng)上的絕對(duì)光譜響應(yīng)率。在光譜響應(yīng)測(cè)量中，一般都是測(cè)量相對(duì)光譜響應(yīng)。稱為“光譜匹配系數(shù)”（），并把它解釋為發(fā)生在探測(cè)器光譜響應(yīng)分布和入射通量光譜分布之間的相對(duì)覆蓋程度。如圖：式中p(λ)是光源的相對(duì)光譜分布。第9頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（c）光子探測(cè)器和熱探測(cè)器的光譜響應(yīng)曲線

實(shí)際的截止波長(zhǎng)λc：響應(yīng)率下降到峰值波長(zhǎng)的50％處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。

第10頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（5）響應(yīng)時(shí)間探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間（也稱時(shí)間常數(shù)τ）表示探測(cè)器對(duì)交變輻射響應(yīng)的快慢。

決定探測(cè)器時(shí)間常數(shù)最重要的因素：自由載流子壽命、熱時(shí)間常數(shù)和電時(shí)間常數(shù)。光電導(dǎo)探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間取決于多數(shù)載流子壽命，而光伏和光磁電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間取決于少數(shù)載流子的壽命。

第11頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六探測(cè)器受輻照的輸出信號(hào)遵從指數(shù)上升規(guī)律。式中，S為輸出信號(hào)，S0為一恒定值，τ為響應(yīng)時(shí)間（時(shí)間常數(shù)）。當(dāng)時(shí)，除去輻照后輸出信號(hào)隨時(shí)間下降，如下式所示當(dāng)時(shí)，因此，響應(yīng)時(shí)間的物理意義是：當(dāng)探測(cè)器受紅外輻射照射時(shí)，輸出信號(hào)上升到穩(wěn)定值的63％時(shí)所需要的時(shí)間；或去除輻照后輸出信號(hào)下降到穩(wěn)定值的37％時(shí)所需要的時(shí)間。

τ越短，響應(yīng)越快；τ越長(zhǎng)，響應(yīng)越慢。熱探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)毫秒量級(jí)，光子探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)可小于微秒量級(jí)。

第12頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（6）頻率響應(yīng)探測(cè)器的響應(yīng)率隨調(diào)制頻率變化的關(guān)系叫探測(cè)器的頻率響應(yīng)。大多數(shù)探測(cè)器，響應(yīng)率隨頻率的變化如同一個(gè)低通濾波器，可表示為式中，R0為低頻時(shí)的響應(yīng)率；R(f)指頻率為f時(shí)的響應(yīng)率。第