光電子技術(shù)(第五章)ppt精選課件

第五章光波的探測與解調(diào),5.1光子探測方法5.1.1光子探測機(jī)理的分類,1、光電探測技術(shù)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。,2、光電探測器,按光電相互作用分類,2、探測機(jī)理及其分類,按響應(yīng)區(qū)域分類,光子直接對電子產(chǎn)生擾動,溫升使材料的某些特性發(fā)生變化,電磁場對材料的擾動所引起材料某些內(nèi)特性發(fā)生變化,輸出信號是敏感區(qū)域的平均值,對敏感區(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)生電動勢，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，電子就會克服正離子對它的吸引力，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)的初動能隨入射光的頻率線性增長，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。光電效應(yīng)方程：,入射光子能量,電子的動能,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)無關(guān)。,逸出功,愛因斯坦定律,入射光波長大于截止波長時(shí)，無論光強(qiáng)有多大、照射時(shí)間多長，都不會有光電子發(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，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壘對其的束縛，逸出形成光電子。,愛因斯坦定律,由此得到光電發(fā)射對陰極材料的要求：對光的吸收大，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??；材料逸出功小，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量負(fù)載電阻兩端的電壓來觀察。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。,內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng),利用此現(xiàn)象制成的光探測器稱為光電導(dǎo)探測器。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)波段的輻射探測器。,內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng),光子能量紅限波長光電流,當(dāng)光子波長大于0時(shí)，本征型半導(dǎo)體器件將不會出現(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短得多，故對光電流的貢獻(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）作用下方能作空間流動，對外電路產(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)建電場光電流：,Id暗電流，Is為無光照射時(shí)的反向飽和電流，V為施加在器件上的電壓(正向?yàn)檎?，反向?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，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、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。同一型號的光敏二極管在一定的反偏電壓、相同強(qiáng)度和不同波長的入射光照射下，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應(yīng)的入射光的波長也不相同。,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)，故其檢測方法也與普通二極管相同，其測得的正、反向電阻也類似于普通二極管，但在測反向電阻遇光照時(shí)，阻值會明顯減小，否則說明管子已損壞。,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）很厚的本征半導(dǎo)體（I層）。這樣，P-N結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于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）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、激光測距及其他微弱光的探測等。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)生電子空穴對如果電壓增加到使電場達(dá)到200kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動高速運(yùn)動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、激光測距及其他微弱光的探測等。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，用來同時(shí)探測被測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。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。,熱釋電探測器,結(jié)構(gòu),熱釋電探測器工作原理,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，因此一般熱電探測器件的響應(yīng)時(shí)間多為ms量級。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，可利用這一特性來探測變化的輻射。對光輻射的轉(zhuǎn)換過程：第一步按系統(tǒng)的熱力學(xué)特性來確定入射輻射所引起的溫度升高；第二步探測器件因溫升引起器件物理特性的變化而輸出各種電信號。,熱釋電探測器的優(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)無需制冷。缺點(diǎn)：靈敏度低，響應(yīng)時(shí)間較長。,熱釋電探測器使用注意,1、比較理想的熱探測器，其機(jī)械強(qiáng)度、響應(yīng)靈敏度、響應(yīng)速度都很高。2、只能測量變化的輻射，輻射恒定時(shí)無輸出。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。測溫時(shí)，需先用輔助探測器測出背景溫度。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，磁體的磁場很容易隨周圍磁場的改變而改變。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，磁鐵就對它失去了吸力，這時(shí)磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會把它們分開，同時(shí)帶動電源開關(guān)被斷開，停止加熱。,居里溫度,熱釋電探測器,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、自動門、自動照明裝置、火災(zāi)報(bào)警等一些自動控制系統(tǒng)中。特點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍寬，對于從紫外到毫米量級的電磁輻射幾乎都有相同的響應(yīng)。（與測輻射計(jì)、溫差熱電堆等比較）頻率特性好，室溫下工作，無需致冷，體積小，重量輕，堅(jiān)固。,5.1光子探測方法5.1.2光電探測器中的噪聲,5.1光子探測方法5.1.2光電探測器中的噪聲,依據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因，光電探測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同時(shí)出現(xiàn)。尤其在信號較弱時(shí)，光電探測器的噪聲會顯著地影響信號探測的準(zhǔn)確性。,無光照下，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器具有內(nèi)增益M，則上式還應(yīng)乘以M。光電探測器是依靠內(nèi)場把電子空穴對分開，空穴對電流貢獻(xiàn)不大，主要是電子貢獻(xiàn)。上兩式也適用于光伏探測器。,1光電探測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)動狀態(tài)也是隨機(jī)的，由此而構(gòu)成無偏壓下的起伏電動勢。這種由載流子的熱運(yùn)動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,光電探測器本質(zhì)上可用一個(gè)電流源來等價(jià)，這就意味著探測器有一個(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,對于光電導(dǎo)探測器，載流子熱激發(fā)是電子空穴對。電子和空穴在運(yùn)動中，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)，探測器表面的工藝狀態(tài)(缺陷或不均勻等)對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，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：即使沒有光信號照到光電倍增管中，由于熱電子發(fā)射也會形成暗電流噪聲，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：由陽極負(fù)載電阻所產(chǎn)生。,2、光電探測器的特性指標(biāo),2.1響應(yīng)度R定量描述光電器件輸出電信號與輸入的光信號之間的關(guān)系。探測器輸出信號電壓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)下的測試值。,探測器面積,光源的輻射度,2.2光譜響應(yīng)（光電探測器最基本的參數(shù)，通常用相對光譜響應(yīng)來描）,表征響應(yīng)度R隨波長變化的特性參數(shù)。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(gè)最低頻率0，只有入射光頻率大于0才能有響應(yīng)信號輸出，相應(yīng)存在一個(gè)探測波長極限c，在c時(shí)探測器對于某一頻率（波長）光的響應(yīng)與探測器對該波長的吸收速率，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。,隨波長線性增長區(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)新參量來描述光電探測器的這種特性。,考慮到這個(gè)因素之后，一個(gè)光電探測器完成光電轉(zhuǎn)換過程的模型如圖所示。,圖中的光功率Ps和Pb分別為信號和背景光功率?？梢?，即使Ps和Pb都為零，也會有噪聲輸出。噪聲的存在，限制了探測微弱信號的能力。通常認(rèn)為，如果信號光功率產(chǎn)生的信號光電流is等于噪聲電流in，那么就認(rèn)為剛剛能探測到光信號存在。,依照這一判據(jù)，定義探測器的能量閾P(yáng)th為,若Ri=10A/W，in=0.01A，則能量閾P(yáng)th0.001W。也就是說，小于0.001微瓦的信號光功率不能被探測器所得知，所以，能量閾是探測器所能探測的最小光信號功率。,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，表明探測器探測微弱信號的能力越強(qiáng)。所以NEP是描述光電探測器探測能力的參數(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器能夠探測的最小光功率，表征探測器的探測能力。NEP越小，探測能力越強(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，信號將不受損失而噪聲可以被濾去，從而使NEP減小,NEP越小，探測器探測能力越高，不符合人們“越大越好”的習(xí)慣，于是取NEP的倒數(shù)并定義為探測度D，即這樣，D值大的探測器就表明其探測力高。,2.5歸一化探測度D*(讀作D星),2.6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(shí)，隨入射光調(diào)制頻率f變化的特性參數(shù)。是表征光探測器頻率特性的重要參數(shù)。當(dāng)器件的輸出信號功率降到零頻時(shí)的一半，即信號幅度下降到零頻的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：指沒有信號和背景輻射時(shí)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(shí)間：指探測器將入射輻射轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘栯妷夯螂娏鞯鸟Y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)，否則會影響探測器的正常工作，甚至使探測器損壞。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、各種光子探測器件的性能比較和應(yīng)用選擇,1、接收光信號的方式2、各種光子探測器件的性能比較3、應(yīng)用選擇,3.1接收光信號的方式,判斷信號的有無如光電開關(guān)、光電報(bào)警等。這類光電系統(tǒng)檢測由被測對象造成的投射到光電器件上的光信號的通過或者截?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接收光信號的方式,系統(tǒng)中的光信號按一定調(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的調(diào)制頻率。,3.1接收光信號的方式,檢測光信號的幅度大小被測對象本身光輻射的強(qiáng)度發(fā)生變化；被測對象因?qū)獾姆瓷渎省⑼高^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、動態(tài)范圍合適。如光敏二極管、光電倍增管。,3.1接收光信號的方式,檢測光信號的色度差異被測對象造成光電器件接受到的色溫發(fā)生變化；被測對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各種光子探測器件的性能比較,在時(shí)間響應(yīng)和頻率特性，即動態(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各種光子探測器件的性能比較,長期工作的穩(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以及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上相匹配。如測量波長在紫外波段，則可選光電倍增管或?qū)ｉT的紫外半導(dǎo)體光電器件；如果信號是可見光，則可選光敏電阻、硅光電器件或光電倍增管；對于紅外信號，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。對于微弱光信號，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。,3.3應(yīng)用選擇,光電器件的響應(yīng)特性要與光信號的信號頻率、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，往往會引起緩慢的特性惡化。,3.4光電檢測電路,大多數(shù)的光電器件都需要經(jīng)過檢測與轉(zhuǎn)換電路才能實(shí)現(xiàn)光電信號的變換，通常的光電檢測電路由光電檢測器件、輸入電路和前置放大器組成。,核心：光電檢測器件，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。,光電檢測器件,輸入電路,前置放大器,3.4光電檢測電路的設(shè)計(jì)要求,1、光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合的電信號，是實(shí)現(xiàn)光電檢測的先決條件。所以光電轉(zhuǎn)換能力的高低對整個(gè)光電檢測系統(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，是對光電檢測電路的最基本要求。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，即單位輸入光信號的變化量所引起的輸出信號的變化量。,3.4光電檢測電路的設(shè)計(jì)要求,2、動態(tài)響應(yīng)速度快光電檢測電路應(yīng)滿足信號通道所要求的頻率選擇性或?qū)λ沧冃盘柕目焖夙憫?yīng)。,3.4光電檢測電路的設(shè)計(jì)要求,3、信號檢測能力強(qiáng)信號檢測能力，主要是指光電檢測電路輸出信號中有用信號成分的多少，常用信噪比、功率等參數(shù)表征。通常要求光電檢測電路具有可靠檢測所必須的信噪比或最小可檢測信號功率。,3.4光電檢測電路的設(shè)計(jì)要求,4、穩(wěn)定性、可靠性好光電檢測電路在長期工作的情況下應(yīng)該穩(wěn)定、可靠，特別是在一些特殊場合下，對穩(wěn)定性、可靠性的要求會更高。,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)：對于強(qiáng)度調(diào)制信號，采用直接探測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)動后：,5.3.1光波的解調(diào),可以證明，兩路信號的光強(qiáng)與角度有如下關(guān)系：,特點(diǎn)：可以消除光源波動無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)信號預(yù)處理：將頻率或相位信息轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)信息。,信號光s,參考光0,輸出信號,光電接收器,放大器,5.3.1光波的解調(diào),設(shè)Es(信號光)和Eo(參考光)為平面波，對于探測器接收面上，則可認(rèn)為空間定點(diǎn)，故Es和Eo可表示為：,在探測器D處，總光場為：,和頻分量,外差檢測原理,在光混頻器上的輸出光強(qiáng)為：,差頻分量,光學(xué)外差信號表達(dá)式！,說明,在外差干涉信號中，參考光束（又稱為本機(jī)振蕩光束或簡稱本振光）是兩相干光的光頻率和相位的比較基準(zhǔn)。信號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，外差信號的振幅、頻率和相位可以表征信號光波的特征參量Es、s、s，即信號光的參量受到被測信息調(diào)制，外差信號能夠無畸變地精確復(fù)制這些調(diào)制信號。,調(diào)幅信號,如信號光振幅Es受頻譜如圖的調(diào)制信號F(t)的調(diào)制，則,調(diào)制信號的振幅,調(diào)制信號的調(diào)制度,調(diào)制信號的角頻率,調(diào)制信號的相位,可見，信號光波振幅上所載荷的調(diào)制被轉(zhuǎn)換到了外差信號上去。對于其他調(diào)制方式也有類似的結(jié)果，這是直接探測所不可能到達(dá)的。,光波的解調(diào)（4）零差檢測,零差檢測,簡化計(jì)算，令0，則,說明,上式表明零差探測能無畸變地獲得信號的原形，只是包含了本振光振幅的影響。此外，在信號光不作調(diào)制時(shí)，零差信號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，故對干擾信號同樣也很