文档介绍：第6章光电探测技术
光电探测技术就是把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术。光探测过程可以形象地称为光频解调,光探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测量的物理量的器件。光探测器的发展可追溯到1873年,英国的Smith和May在大西洋横断海底电信局所进行的实验中发现,当光照射到用作电阻的Se棒后,其电阻值约改变,同年Simens将铂金绕在这种Se棒上,制成了第一个光电池;l888年,德国的Hallwachs在作Hertz的电磁波实验中,发现光照射到金属表面上会引起电子发射,l909年,Richtmeyer发现,封入真空中的Na光电阴极所发射的电子总数与照射的光子数成正比,奠定了光电管的基础;接着美国的Zworkyn研制出各种光电阴极材料,并制造出了光电倍增管,并于1933年发明了光电摄像管;l950年,美国的Weimer等人研制出光导摄像管,D(电荷耦合器件)。如今,激光的发展进一步促进和刺激了光电探测领域的发展,各种光电探测器件大都已工业化、商品化,摄像机等已微型化。由于现阶段的激光系统可提供巨大的带宽与信息容量,因而光电探测技术在信息光电子技术中也就有了特别重要的意义。
表征光探测器的基本性能参数有量子效率,响应度R,灵敏度S,噪声等效功率NEP,探测度D,光谱响应和频率响应等。
1)量子效率,又称量子产额,是指每一个入射光子所释放的平均电子数。它与入射光子能量(即入射光波长)有关。对内光电效应还与材料内电子的扩散长度有关;对于外光电效应与光电材料的表面逸出功有关。其表达式为
式中,P是入射到探测器上的光功率,是入射光产生的平均光电流大小,是单位时间内入射光子平均数,是单位时问产生的光电子平均数,e是电子电荷。
理想光探测器应有,实际光探测器一般有。显然,光探测器的量子效率越高越好。对于光电倍增管、雪崩光电二极管等有内部增益机制的光探测器,可大于1。
2)响应度R,为探测器输出信号电压与输入光功率P之比
单位为V/W。
3)灵敏度S,为探测器输出信号电流与输入光功率P之比
R和S均用来描述探测器输出电信号与输入光功率的关系,均是波长的函数。入射光波长一定,则响应度与灵敏度确定。
4)光谱响应,就是表征R(或S)随波长变化的特性参数,如图6-1所示。
图6-1 光电探测器与热电探测器的光谱响应曲线
由于许多光探测器是基于光电效应而工作的,因而存在一个最低频率。只有入射光频率大于才能有响应信号输出,相应存在一个探测波长极限,在时,探测器对于某一频率(波长)光的响应与探测器对该波长光子的吸收速率,即单位时间内入射的光子数密度成正比,因而时,其响应随着波长的增加而呈线性上升。而时,光谱响应曲线迅速下降到零。
光谱响应中还有一个重要参量,称为响应峰值波长,它指相对光谱响应曲线中对应于最
高响应率的辐射波长。
5)噪声等效功率,定义为相应于单位信噪比的入射光功率,用来表征探测器探测能力,定义式为
NEP越小,探测能力越强。
由于噪声频谱很宽,为减小噪声影响,一般将探测器后面的放大器做成窄带通的,其中心频率选为调制频率。这样,信号将不受损失而噪声可被滤去,从而使NEP减小,这种情况下的NEP定义为
式中,为放大器带宽。
6)探测度D,是NEP的倒数,即单位入射功率相应的信噪比
通常归一化探测度比前述D更能体现探测器性能。表示单位探测器面积、单位带宽的探测度,定义式为
式中,为探测器面积,为放大器带宽。
和NEP一样是波长的函数,由于噪声通常和信号调制频率有关,故也是调制频率的函数。
7)频率响应R(f),是描述光探测器响应度在入射光波长不变时,随入射光调制频率,变化的特性参数。它是光探测器对加在光载波上的电调制信号的响应能力的反映,是表征光探测器频率特性的重要参数,其曲线如图6—2。
图6-2 光探测器频率响应曲线
除了以上7个基本参数以外,我们在使用探测器时还会遇到以下参数:
1)暗电流,指没有信号和背景辐射时通过探测器的电流;
2)工作温度,对于非冷却型探测器指环境温度,对于冷却型探测器指冷却源标称温度;
3)响应时间,指探测器将入射辐射转变为信号电压或电流的弛豫时间;
4)光敏面积,指灵敏元的几何面积。
光探测器的光吸收过程是直接由某种光量子作用产生的,这种量子作用由检测系统读取其大小,因此其输出是由光量子的吸收率决定的,而不是由光量子的能量来决定,其工作原理基础是单位时间内探测器的输出电信号正比于光生载流子数目,而单位时间内光生载流子的数目,即载流子的跃迁速率,正比于总入射光场振幅的平方,即
设入射为缓变