第七章光輻射的探測及成像技術

1、第七章第七章 光輻射的探測光輻射的探測 及成像技術及成像技術 1 光電探測的物理效應光電探測的物理效應 2 光探測器性能參數(shù)光探測器性能參數(shù) 3 光電探測方式光電探測方式 4 光電探測器光電探測器 光電探測技術基礎光電探測技術基礎 光電探測技術光電探測技術 就是把被調(diào)制的光信號轉換成電信號并將信息提取出來的技術。就是把被調(diào)制的光信號轉換成電信號并將信息提取出來的技術。 光探測過程可以形象地稱為光頻解調(diào)。光探測過程可以形象地稱為光頻解調(diào)。 光探測光探測 器器 就是將光輻射能量轉換成為一種便于測量的物理量的器件。就是將光輻射能量轉換成為一種便于測量的物理量的器件。 光電探測技術基礎光電探測技術基礎

2、 1873年，英國的年，英國的Smith和和 May在大西洋橫斷海底電信局所進行的實驗中發(fā)現(xiàn)，當光在大西洋橫斷海底電信局所進行的實驗中發(fā)現(xiàn)，當光 照射到用作電阻的照射到用作電阻的Se棒后，其電阻值約改變棒后，其電阻值約改變30%，同年，同年Simens將白金繞在這種將白金繞在這種Se棒棒 上，制成了第一個光電池；上，制成了第一個光電池； 1888年，德國的年，德國的Hallwachs在作在作Hertz的電磁波實驗中，發(fā)現(xiàn)光照射到金屬表面上會的電磁波實驗中，發(fā)現(xiàn)光照射到金屬表面上會 引起電子發(fā)射，引起電子發(fā)射，1909年，年，Richtmeyer發(fā)現(xiàn)，封入真空中的發(fā)現(xiàn)，封入真空中的Na光電陰極所

3、發(fā)射的電子光電陰極所發(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；總數(shù)與照射的光子數(shù)成正比，奠定了光電管的基礎； 接著美國的接著美國的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；年發(fā)明了光電攝像管； 1950年，美國的年，美國的Weimer等人研制出光導攝像管，等人研制出光導攝像管，1970年年Boyle等人發(fā)明了等人發(fā)明了CCD(電電 荷耦合器件荷耦合器件)。 如今，激光的發(fā)展進一步促進和刺激了光電探測領域的發(fā)展，各種光電探測器件大如今，激光的發(fā)展進一步促進和刺激了光電探測領域的發(fā)

4、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，因而光電探測技術在信息光電子技術中也就有了特別重要的意義。與信息容量，因而光電探測技術在信息光電子技術中也就有了特別重要的意義。 光電探測的物理效應光電探測的物理效應 光電探測的物理效應可以分為三大類：光電探測的物理效應可以分為三大類：光電效應光電效應、光熱效應光熱效應和和波相互作用效應波相互作用效應，并以，并以 光電效應應用最為廣泛。光電效應應用最為廣泛。 光電效應光電效應 是入射光的光子與物質(zhì)中的電子相互作

5、用并產(chǎn)生載流子的效應。事實上，此處我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。事實上，此處我 們所指的光電效應是一種光子效應，也就是單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子直接們所指的光電效應是一種光子效應，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。作用的一類光電效應。 根據(jù)效應發(fā)生的部位和性質(zhì)，又將其分為外光電效應和內(nèi)光電效應。根據(jù)效應發(fā)生的部位和性質(zhì)，又將其分為外光電效應和內(nèi)光電效應。外光電效應外光電效應 是指發(fā)生在物質(zhì)表面上的光電轉換現(xiàn)象，主要包括光陰極直接向外部放出電子的是指發(fā)生在物質(zhì)表面上的光電轉換現(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

6、面的光電發(fā)射；現(xiàn)象，典型的例子是物質(zhì)表面的光電發(fā)射；內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應指發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部的光電指發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部的光電 轉換現(xiàn)象，特別是半導體內(nèi)部載流子產(chǎn)生效應，主要包括光電導效應與光伏效應。轉換現(xiàn)象，特別是半導體內(nèi)部載流子產(chǎn)生效應，主要包括光電導效應與光伏效應。 外光電效應和內(nèi)光電效應外光電效應和內(nèi)光電效應 光電探測的物理效應光電探測的物理效應 光電效應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，因而光光電效應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，存子能量的大小直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)改

7、變的大小，因而這類探測器受波長限制，存 在在“紅限紅限”截止波長截止波長 ，截止波長表達式：，截止波長表達式： c E hc c 式中，式中，c為真空中光速，為真空中光速，E在外光電效應中為表面逸出功，在內(nèi)光電效應中為半導體在外光電效應中為表面逸出功，在內(nèi)光電效應中為半導體 禁帶寬度。禁帶寬度。 光電探測的物理效應光電探測的物理效應 是物體吸收光，引起溫度升高的一種效應。探測器件吸收光輻射能量后，并不直接引是物體吸收光，引起溫度升高的一種效應。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，引起探測元件溫起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變

8、為晶格的熱運動能量，引起探測元件溫 度上升，并進一步使探測元件的電學性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。度上升，并進一步使探測元件的電學性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。 探測體常用探測體常用Pt、Ni、Au等金屬和熱敏電阻、熱釋電器件、超導體等。原則上，光熱效等金屬和熱敏電阻、熱釋電器件、超導體等。原則上，光熱效 應對光波波長沒有選擇性，但由于材料在紅外波段的熱效應更強，因而光熱效應廣泛應對光波波長沒有選擇性，但由于材料在紅外波段的熱效應更強，因而光熱效應廣泛 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

9、用該種類型的探 測器。由于溫升是熱積累的作用，所以光熱效應的速度一般比較慢，而且易受環(huán)境溫測器。由于溫升是熱積累的作用，所以光熱效應的速度一般比較慢，而且易受環(huán)境溫 度變化的影響。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，包括非線性光學效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，包括非線性光學效 應和超導量子效應等。應和超導量子效應等。 光熱效應光熱效應 波相互作用效應波相互作用效應 外光電效應外光電效應光電發(fā)射效應光電發(fā)射效應 金屬或半導體受光照時，若入射光子能量金屬或半導體受光照時，若入射光子能量 足夠大，它就和物質(zhì)當中的電子相互作足夠大，它就和

10、物質(zhì)當中的電子相互作 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)射效應光電發(fā)射效應，也稱，也稱外光電效應外光電效應。其中，。其中， 能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應的物體稱為能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應的物體稱為光電發(fā)射體光電發(fā)射體，在光電管中又稱光陰極。光電發(fā)射效，在光電管中又稱光陰極。光電發(fā)射效 應是真空光電器件中光電陰極的物理基礎，它遵從兩個基本定律：應是真空光電器件中光電陰極的物理基礎，它遵從兩個基本定律： h (1)光電效應第一定律光電效應第一定律斯托列托夫定律：斯托列托夫定律： 當照射到光電陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時，飽和光電流當照射到光電陰極上的入

11、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)即單位時間內(nèi)發(fā) 射的光電子數(shù)目射的光電子數(shù)目)與入射光強度成正比：與入射光強度成正比： ISic 式中，式中， 是光電流，是光電流， 是入射光強，是入射光強， 是該陰極對入射光線的靈敏度。是該陰極對入射光線的靈敏度。 c iIS 該定律有時表達為該定律有時表達為 P(t) h e (t)ic 式中，式中， 是是t時刻入射到探測器上的光功率，時刻入射到探測器上的光功率， 是探測器的量子效率。該式常被是探測器的量子效率。該式常被 稱作光電轉換定律。稱作光電轉換定律。 )(tP 外光電效應外光電效應光電發(fā)射效應光電發(fā)射效應 (2)光電發(fā)射第二定律光

12、電發(fā)射第二定律愛因斯坦定律：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)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 光的強度無關光的強度無關 EhEk 式中，式中， 為光電子的初動能，為光電子的初動能，m為電子質(zhì)量，為電子質(zhì)量， 為電子離開發(fā)射體表面為電子離開發(fā)射體表面 時的速度，時的速度， 為入射光子能量，為入射光子能量， 為金屬逸出功為金屬逸出功(從材料表面逸出時所

13、需的最低從材料表面逸出時所需的最低 能量能量)，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，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發(fā)生的條件為：于逸出功，才能發(fā)生光發(fā)射，就此推出外光電效應發(fā)生的條件為： 2 2 1 mEk h E h E 截止波長：截止波長：)( )( 24. 1 m eVEE hc c 入射光波長大于截止波長時，無論光強有多大、照射時間有多長，都不會有光電子入射光波長大于截止波長時，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：發(fā)射。光電發(fā)射

14、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)；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；撞而失去部分能量； (3)到達表面的電子克服表面勢壘對其的束縛，逸出形成光電子。到達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：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；對光的吸收大，以便體內(nèi)有較多的電子受

15、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??；電子受激發(fā)生在表面附近，以使碰撞損失盡量?。?(3)材料逸出功小，以使到達表面的電子容易逸出；材料逸出功小，以使到達表面的電子容易逸出； (4)電導率好，以便能夠通過外電源來補充光電發(fā)射失去的電子。電導率好，以便能夠通過外電源來補充光電發(fā)射失去的電子。 外光電效應外光電效應光電發(fā)射效應光電發(fā)射效應 外光電效應外光電效應光電發(fā)射效應光電發(fā)射效應 金屬的光電發(fā)射金屬的光電發(fā)射 金屬反射掉大部分入射的可見光金屬反射掉大部分入射的可見光(反射系數(shù)大于反射系數(shù)大于90%)，吸收效率較低，且光電子與金，吸收效率較低，且光電子與金 屬中大量自由電子

16、碰撞，能量損失大，因而只有表面附近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)幾納米范圍內(nèi))的光電子才的光電子才 有可能克服逸出功有可能克服逸出功(大都大于大都大于3eV)發(fā)出光電子。對于能量小于發(fā)出光電子。對于能量小于3eV的可見光很難產(chǎn)生的可見光很難產(chǎn)生 光電發(fā)射，只有銫光電發(fā)射，只有銫(逸出功逸出功2eV)對可見光靈敏，可用于可見光電極，但其量子效率很對可見光靈敏，可用于可見光電極，但其量子效率很 低低(小于小于0.1%)，在光電發(fā)射前兩階段能量損耗極大。，在光電發(fā)射前兩階段能量損耗極大。 外光電效應外光電效應光電發(fā)射效應光電發(fā)射效應 半導體光電發(fā)射半導體光電發(fā)射 半

17、導體光電發(fā)射的光電逸出參量有兩個，分別是電子親和勢和電子逸出功。半導體光電發(fā)射的光電逸出參量有兩個，分別是電子親和勢和電子逸出功。 電子親和勢電子親和勢是指導帶底上的電子向真空逸出時所需的最低能量，數(shù)值上等于真空能級是指導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真空中靜止電子的能量)與導帶底能級之差。有表面親和勢和體內(nèi)親和勢之分。表面與導帶底能級之差。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無關，而體內(nèi)親和勢不是材料參量，親和勢是材料參量，與摻雜、表面能帶彎曲等因素無關，而體內(nèi)親和勢不是材料參量， 可隨表面能帶彎

18、曲變化。可隨表面能帶彎曲變化。 電子逸出功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。需的最低能量，即光電發(fā)射的能量閾值。 外光電效應外光電效應光電發(fā)射效應光電發(fā)射效應 金屬與半導體逸出功金屬與半導體逸出功 金屬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，費米能級只決定于材料，因而以上基本上是空態(tài)，因而表面能受內(nèi)外電

19、場影響很小，費米能級只決定于材料，因而 其其逸出功定義逸出功定義為為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。發(fā)射的能量閾值。 半導體中自由電子較少，且有禁帶，費米能級一般都在禁帶當中，且隨摻雜和內(nèi)外場半導體中自由電子較少，且有禁帶，費米能級一般都在禁帶當中，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。變化，所以真空能級與費米能級之差不是材料參量。半導體的逸出功定義半導體的逸出功定義為為T=0K時時 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，有的是導真空能級與

20、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 帶底，情況復雜，而不管逸出功從何算起，其中都包含以親和勢，因而半導體中很少帶底，情況復雜，而不管逸出功從何算起，其中都包含以親和勢，因而半導體中很少 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。用親和勢加禁帶寬度來計算。 內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應 內(nèi)光電效應型探測器主要包括內(nèi)光電效應型探測器主要包括光電導光電導 (Photoconductive：PC) 型型和和光伏光伏 (Photovoltaic：PV

21、)型型兩種。兩種。 1.光電導效應光電導效應 光電導效應是光照變化引起半導體材料電導變化的現(xiàn)象。當光照射到半導體材料時，光電導效應是光照變化引起半導體材料電導變化的現(xiàn)象。當光照射到半導體材料時， 材料吸收光子的能量，使得非傳導態(tài)電子變?yōu)閭鲗B(tài)電子，引起載流子濃度增大，從材料吸收光子的能量，使得非傳導態(tài)電子變?yōu)閭鲗B(tài)電子，引起載流子濃度增大，從 而導致材料電導率增大。而導致材料電導率增大。 該現(xiàn)象是該現(xiàn)象是100多年來有關半導體與光作用的各種現(xiàn)象中最早為人們所知的現(xiàn)象。下圖多年來有關半導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 為光電導效應示意圖。為光電導效應示意圖。 光電導效應光電導效

22、應 內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應光電導效應光電導效應 對于本征半導體，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帶，對于本征半導體，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帶， 此時半導體的電導率很低，稱為半導體的暗電導，用此時半導體的電導率很低，稱為半導體的暗電導，用 表示，且表示，且 0 )( 0pe pne 式中，式中，e為電子電荷，為電子電荷，n和和 分別是無光照時導帶電子密度和遷移率；分別是無光照時導帶電子密度和遷移率；p和和 分別分別 是無光照時價帶空穴密度和遷移率。是無光照時價帶空穴密度和遷移率。 e p 當光入射到本征半導體材料上時，入射光子將電子從價帶激發(fā)到導帶，使導電

23、電子、當光入射到本征半導體材料上時，入射光子將電子從價帶激發(fā)到導帶，使導電電子、 空穴數(shù)量變化空穴數(shù)量變化 、 ，從而引起電導率變化，從而引起電導率變化 ： np )( pe pne 以以N型半導體為例，如上圖。圖中，型半導體為例，如上圖。圖中，V為外加偏壓，為外加偏壓， 為負載電阻，為負載電阻，L、W、d分別分別 為樣品模型的長、寬、高，則探測器電極面積為樣品模型的長、寬、高，則探測器電極面積A=Wd。若光功率。若光功率P沿沿x方向均勻入射，方向均勻入射， 光電導材料吸收系數(shù)為光電導材料吸收系數(shù)為 ，則入射光功率在材料內(nèi)部沿，則入射光功率在材料內(nèi)部沿x方向的變化為方向的變化為 L R )ex

24、p()(xPxP 式中式中P為為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 為為)(xJ )()(xnexJ 式中式中 為為x處光生載流子密度，處光生載流子密度， 為光生載流子在外電場為光生載流子在外電場E作作 用下的漂移速度。則探測器收集極上的光電流平均值為用下的漂移速度。則探測器收集極上的光電流平均值為 )(xnLVE ee / A p dAxJi)( 內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應光電導效應光電導效應 代入上式，得光電流平均值為代入上式，得光電流平均值為 d p dxxnWei 0 )( 與光生載流子的產(chǎn)生復合率有關，若非平衡載流子平

25、均壽命為與光生載流子的產(chǎn)生復合率有關，若非平衡載流子平均壽命為 ，則復合率，則復合率 為為 ，產(chǎn)生率為，產(chǎn)生率為 ，在穩(wěn)態(tài)條件下產(chǎn)生率與復合率相等，由此得，在穩(wěn)態(tài)條件下產(chǎn)生率與復合率相等，由此得 )(xn 0 0 / )(xn WLh P(x) )exp 0 0 x( WLh P WLh P(x) n(x) 于是的光電導探測器輸出的平均光電流為于是的光電導探測器輸出的平均光電流為 d p x)dx( Lh eP i 0 0 exp 內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應光電導效應光電導效應 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

26、流子濃度為 WLdh P n 0 0 此時的光電流為此時的光電流為 Lhv eP i p 0 0 內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應光電導效應光電導效應 根據(jù)量子效率的定義根據(jù)量子效率的定義 d p p dxx i i 0 0 )exp( 可求得可求得 h PGe h Pe L/h Pe Lh eP i d p 000 式中，式中， 為外電場下載流子在電極間的渡越時間，為外電場下載流子在電極間的渡越時間， 為光電導探為光電導探 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，它是光電導測器的內(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，它是光電導 探測器的一個特有參數(shù)。為了提高其

27、值，應該用平均壽命長、遷移率大的材料作探測探測器的一個特有參數(shù)。為了提高其值，應該用平均壽命長、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。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的大小隨使用條件和器件本身的 結構不同而不同，可在結構不同而不同，可在 量級間很寬的范圍內(nèi)變化。量級間很寬的范圍內(nèi)變化。 /L d d G/ 0 33 1010 到 指光照使不均勻半導體或半導體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。指光照使不均勻半導體或半導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

28、引起的，我們就產(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 以以P-N結為例來分析光伏效應。結為例來分析光伏效應。 P-N結結區(qū)存在一個由結結區(qū)存在一個由N指向指向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)載流子的漂移作用相抵消，沒有電流通過數(shù)載流子的漂移作用相抵消，沒有電流通過P-N結；當有光照射結；當有光照射P-N結時，樣品對光結時，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)和區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子都被勢區(qū)的多數(shù)載流子都被勢 壘阻擋而不能穿過結，因

29、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：壘阻擋而不能穿過結，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：P區(qū)區(qū) 的光生電子和的光生電子和N區(qū)的光生空穴以及結區(qū)的電子區(qū)的光生空穴以及結區(qū)的電子-空穴對擴散到結電場附近時，在內(nèi)建空穴對擴散到結電場附近時，在內(nèi)建 電場的作用下漂移過結，電子電場的作用下漂移過結，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 別被拉向別被拉向N區(qū)與區(qū)與P區(qū)，從而在阻擋層兩側形成電荷堆積，產(chǎn)生與內(nèi)建電場反向的光生區(qū)，從而在阻擋層兩側形成電荷堆積，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

30、等于光生電勢差。光生電勢差導致的光生電電場，使得內(nèi)建電場勢壘降低，降低量等于光生電勢差。光生電勢差導致的光生電 流方向流方向 與結電流方向相反，而與與結電流方向相反，而與P-N結反向飽和電流結反向飽和電流 同向，且同向，且 。 0 II p p I 0 I 內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應光電導效應光電導效應 2.光伏效應光伏效應 并非所產(chǎn)生的全部光生載流子都對光生電流有貢獻。設并非所產(chǎn)生的全部光生載流子都對光生電流有貢獻。設N區(qū)中空穴在其壽命區(qū)中空穴在其壽命 p時間內(nèi)時間內(nèi) 擴散距離為擴散距離為Lp，P區(qū)中電子在區(qū)中電子在 e時間內(nèi)擴散距離為時間內(nèi)擴散距離為Le，一般情況下，一般情況下L=Lp+Le遠大

31、于遠大于P- N結寬度，因而可得，結附近平均擴散距離結寬度，因而可得，結附近平均擴散距離L內(nèi)所產(chǎn)生的光生載流子對光電流有貢獻，內(nèi)所產(chǎn)生的光生載流子對光電流有貢獻， 此外的電子此外的電子-空穴對在擴散過程中將復合掉，對空穴對在擴散過程中將復合掉，對P-nN結光伏效應無貢獻。結光伏效應無貢獻。 光伏效應有兩個重要參數(shù)：開路電壓光伏效應有兩個重要參數(shù)：開路電壓Uoc與短路電流與短路電流Isc，他們的定義都要從，他們的定義都要從P-N結電結電 流出發(fā)。光伏效應下流出發(fā)。光伏效應下P-N結總電流結總電流 )()/exp()()/exp( 0000 SEIKTqUIIIKTqUII p 其中其中E為光照度

32、，為光照度，U為結電壓，為結電壓，T為絕對溫度，為絕對溫度，S為光照面積。為光照面積。 內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應光電導效應光電導效應 則定義光照下則定義光照下P-N結外電路開路結外電路開路(即即I=0)時時P端對端對N端的電壓為開路電壓端的電壓為開路電壓Uoc： )/ln()/(/ )(ln)/( 000 ISEqKTIISEqKTU oc 在一定溫度下，它與光照度在一定溫度下，它與光照度E呈對數(shù)關系，但最大值不超過接觸電勢差。呈對數(shù)關系，但最大值不超過接觸電勢差。 短路電流短路電流Isc定義為光照下定義為光照下p-n結外電路短路結外電路短路(即即U=0)時，從時，從p端流出，經(jīng)過外電路流端流出，

33、經(jīng)過外電路流 入入n端的電流：端的電流： SEI sc 可見它在弱光照射下與可見它在弱光照射下與E呈線性關系。呈線性關系。 內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應光電導效應光電導效應 光熱效應光熱效應 光熱效應中典型的有光熱效應中典型的有溫差電效應溫差電效應和和熱釋電效應熱釋電效應。 1.溫差電效應溫差電效應 當兩種不同的導體或半導體材料兩端并聯(lián)熔接時，在接點處可產(chǎn)生電動勢，這種電動當兩種不同的導體或半導體材料兩端并聯(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，如果把這兩種不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，如果把這兩種不 同材料

34、連接成回路，當兩接頭溫度不同時，回路中即產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象稱為溫差電同材料連接成回路，當兩接頭溫度不同時，回路中即產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象稱為溫差電 效應，又稱塞貝克效應。下圖是溫差電效應示意圖效應，又稱塞貝克效應。下圖是溫差電效應示意圖 溫差電效應溫差電效應 光熱效應光熱效應 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。半導體熱電偶熱端接收輻射后升溫，載流子濃度增加，端常裝有涂黑的金箔。半導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，從而使多子從熱端向冷端擴散，從而

35、使p型材料熱端帶負電、冷端帶正電，型材料熱端帶負電、冷端帶正電，n型則相型則相 反。當冷端開路時，開路電壓為：反。當冷端開路時，開路電壓為： TMU oc 式中，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。為溫度增量。 C T 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。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。 真空溫差熱電偶的主要參量有：靈敏度真空溫差熱電偶的主要參量有：靈敏度R，響應時間常數(shù)，響應時間常數(shù) ，噪聲等效功率，噪聲等效功率NE

36、P等。等。 光熱效應光熱效應 溫差熱電偶的靈敏度定義式為：溫差熱電偶的靈敏度定義式為： / L UR 式中，式中， 為冷端負載上所產(chǎn)生的電壓降；為冷端負載上所產(chǎn)生的電壓降； 為入射于探測器的輻射通量。要使為入射于探測器的輻射通量。要使R大，大， 應選用應選用M大的材料，并增大吸收系數(shù)，同時減小內(nèi)阻與熱導。交變情況下，調(diào)制頻率大的材料，并增大吸收系數(shù)，同時減小內(nèi)阻與熱導。交變情況下，調(diào)制頻率 低時低時R更大，更大， 和和 減小都有利于減小都有利于R提高，響應率與帶寬之積為一常數(shù)。由于溫差提高，響應率與帶寬之積為一常數(shù)。由于溫差 熱電偶的熱電偶的 多為毫秒量級，因而帶寬較窄，多用于測量恒定輻射或低

37、頻輻射，只有少多為毫秒量級，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)數(shù) 小的材料才能測量中高頻輻射。小的材料才能測量中高頻輻射。 L U 光熱效應光熱效應 2.熱釋電效應熱釋電效應 熱電晶體的自發(fā)極化矢量隨溫度變化，從而使入射光可引起電容器電容改變的現(xiàn)熱電晶體的自發(fā)極化矢量隨溫度變化，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。熱釋電效應示意圖如下圖，圖中象稱為熱釋電效應。熱釋電效應示意圖如下圖，圖中 為熱電體的居里溫度。為熱電體的居里溫度。 熱釋電效應熱釋電效應 c T 熱電晶體是一種結晶對稱性很差熱電晶體是一種結晶對稱性很差(即具有非中心對稱性即具有非中心對稱性)

38、的壓電晶體，在常態(tài)下，某的壓電晶體，在常態(tài)下，某 個方向上正負電荷中心不重合，從而晶體表面存在著一定量的極化電荷，稱為自發(fā)個方向上正負電荷中心不重合，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電荷中心發(fā)生位移，從而引起表面極化電荷變化。極化。晶體溫度變化會引起正負電荷中心發(fā)生位移，從而引起表面極化電荷變化。 光熱效應光熱效應 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現(xiàn)象；溫度變化時

39、，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，一般在的中和作用十分緩慢，一般在11000s量級，難以跟上溫度變化導致的極化點和變化量級，難以跟上溫度變化導致的極化點和變化 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的速度，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的 面電荷變化過程僅發(fā)生在平均作用時間面電荷變化過程僅發(fā)生在平均作用時間 內(nèi)。其中，內(nèi)。其中， 為晶體介電常數(shù)，為晶體介電常數(shù)， 為晶體電導率。可見，這種輻射探測方法僅適用為晶體電導率?？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

40、大于于變化的輻射，且輻射調(diào)制頻率必須大于 。 1 光熱效應光熱效應 如果把熱釋電體放進一個電容器極板之間，并將一個電流表與電容器極板連接，電流如果把熱釋電體放進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：表中就會有電流流過，該電流稱為短路熱釋電流： dt dT A dt dQ i 可見，當照射光恒定不變時，可見，當照射光恒定不變時， 與與 均為恒值，熱釋電流為零。均為恒值，熱釋電流為零。 s P T 設晶體的自發(fā)極化矢量為設晶體的自發(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，其方向垂直于晶體表面，則輻射引起的表面極化電

41、 荷變化為荷變化為 s P TAT T P APAQ S S )( 式中，式中，A為接收輻射面與另一面的重合部分面積，為接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，為輻射引起的晶體溫度變化， 稱為熱釋電系數(shù)。稱為熱釋電系數(shù)。 T T PS 返回返回 光探測器性能參數(shù)光探測器性能參數(shù) 表征光探測器的基本性能參數(shù)有量子效率表征光探測器的基本性能參數(shù)有量子效率 ，響應度，響應度 ，靈敏度，靈敏度 ，噪聲等效功，噪聲等效功 率率 ，探測度，探測度 ，光譜響應和頻率響應等。，光譜響應和頻率響應等。 RS NEPD (1) 量子效率量子效率，又稱量子產(chǎn)額，是指每一個入射光子所釋放的平均電

42、子數(shù)。它與入又稱量子產(chǎn)額，是指每一個入射光子所釋放的平均電子數(shù)。它與入 射光子能量射光子能量(即入射光波長即入射光波長)有關。對內(nèi)光電效應還與材料內(nèi)電子的擴散長度有有關。對內(nèi)光電效應還與材料內(nèi)電子的擴散長度有 關；對于外光電效應與光電材料的表面逸出功有關。其表達式為：關；對于外光電效應與光電材料的表面逸出功有關。其表達式為： eP hI hP eI cc 式中式中P是入射到探測器上的光功率，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，是入射光產(chǎn)生的平均光電流大小， 是單是單 位時間內(nèi)入射光子平均數(shù)，位時間內(nèi)入射光子平均數(shù)， 是單位時間產(chǎn)生的光電子平均數(shù)，是單位時間產(chǎn)生的光電子平均

43、數(shù)， 是電子電是電子電 荷。荷。 c IhP eI c e 想光探測器應有想光探測器應有 ，實際光探測器一般有，實際光探測器一般有 。顯然，光探測器的量子效率。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，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， 可大于可大于1。 11 光探測器性能參數(shù)光探測器性能參數(shù) (2)響應度響應度 ，為探測器輸出信號電壓為探測器輸出信號電壓 與輸入光功率與輸入光功率 之比：之比： R s VP P V R s 單位為單位為V/W。 (3)靈敏度靈敏度 為探測器輸出信號電流為探測器輸出信號電流

44、與輸入光功率與輸入光功率 之比：之比：S s I P P I S s 和和 均用來描述探測器輸出電信號與輸入光功率的關系，均是波長均用來描述探測器輸出電信號與輸入光功率的關系，均是波長 的函數(shù)。的函數(shù)。 入射光波長一定，則響應度與靈敏度確定。入射光波長一定，則響應度與靈敏度確定。 RS 光探測器性能參數(shù)光探測器性能參數(shù) (4)光譜響應光譜響應，就是表征，就是表征 (或或 )隨波長隨波長 變化的特性參數(shù)，如圖所示。變化的特性參數(shù)，如圖所示。 RS 光電探測器與熱電探測器的光譜響應曲線光電探測器與熱電探測器的光譜響應曲線 由于許多光探測器是基于光電效應而工作的，由于許多光探測器是基于光電效應而工作

45、的， 因而存在一個最低頻率因而存在一個最低頻率 ，只有入射光頻率大，只有入射光頻率大 于于 才能有響應信號輸出，相應存在一個探測才能有響應信號輸出，相應存在一個探測 波長極限波長極限 ，在時，在時 ，探測器對于某一頻，探測器對于某一頻 率率(波長波長)光的響應與探測器對該波長光子的吸收光的響應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，速率，即單位時間內(nèi)入射的光子數(shù)密度成正比， 因而因而 時，其響應隨著波長的增加而呈線性時，其響應隨著波長的增加而呈線性 上升。而上升。而 時，光譜響應曲線迅速下降到零。時，光譜響應曲線迅速下降到零。 0 0 c c c c 光譜響應中還

46、有一個重要參量，稱為響應峰光譜響應中還有一個重要參量，稱為響應峰 值波長，它指相對光譜響應曲線中對應于最高響值波長，它指相對光譜響應曲線中對應于最高響 應率的輻射波長。應率的輻射波長。 光探測器性能參數(shù)光探測器性能參數(shù) (5) 噪聲等效功率噪聲等效功率，定義為相應于單位信噪比的入射光功率，用來表征探測器探測能，定義為相應于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：力，定義式為： ns VV P NEP 越小，探測能力越強。越小，探測能力越強。 NEP 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

47、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，這種情況下減小，這種情況下 的定義為：的定義為： NEPNEP ns VV fP NEP )/( 2/1 式中式中f為放大器帶寬。為放大器帶寬。 光探測器性能參數(shù)光探測器性能參數(shù) (6)探測度探測度 ，是，是 的倒數(shù)，即單位入射功率相應的信噪比。的倒數(shù)，即單位入射功率相應的信噪比。NEP )( 11 n s V V PNEP D 通常歸一化探測度通常歸一化探測度 比前述比前述 更能體現(xiàn)探測器性能。更能體現(xiàn)探測器性能。 表示單位探測器面表

48、示單位探測器面 積、單位帶寬的探測度，定義式為：積、單位帶寬的探測度，定義式為： * DD * D D )( )( )( 2 1 2 1 * n sd d V V P fA fADD 式中式中 為探測器面積，為探測器面積， 為放大器帶寬。為放大器帶寬。 d Af 和和 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，故一樣是波長的函數(shù)，由于噪聲通常和信號調(diào)制頻率有關，故 也是也是 調(diào)制頻率的函數(shù)。調(diào)制頻率的函數(shù)。 * DNEP * D 光探測器性能參數(shù)光探測器性能參數(shù) (7) 頻率響應頻率響應 ，是描述光探測器響應度在入射光波長不變時，隨入射光調(diào)制頻，是描述光探測器響應度在入射光波長不變時，

49、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)制信號的響應能力的反率變化的特性參數(shù)。它是光探測器對加在光載波上的電調(diào)制信號的響應能力的反 應，是表征光探測器頻率特性的重要參數(shù)，其曲線如圖。應，是表征光探測器頻率特性的重要參數(shù)，其曲線如圖。 )( fR 光探測器頻率響應曲線光探測器頻率響應曲線 光探測器性能參數(shù)光探測器性能參數(shù) 除了以上除了以上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)：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；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

50、環(huán)境溫度，對于冷卻型探測工作溫度，對于非冷卻型探測器指環(huán)境溫度，對于冷卻型探測 器指冷卻源標稱溫度；器指冷卻源標稱溫度； 響應時間，指探測器將入射輻射轉變?yōu)樾盘栯妷夯螂娏鞯某谠ロ憫獣r間，指探測器將入射輻射轉變?yōu)樾盘栯妷夯螂娏鞯某谠?時間；時間； 光敏面積，指靈敏元的幾何面積。光敏面積，指靈敏元的幾何面積。 返回返回 光電探測方式光電探測方式 直接探測與外差探測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

51、決定，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，而單位時其工作原理基礎是單位時間內(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，正比于總入射光場振幅的平方，即間內(nèi)光生載流子的數(shù)目，即載流子的躍遷速率，正比于總入射光場振幅的平方，即 )()( * tEtEW 設入射為緩變場設入射為緩變場 )( 11 11 )( ti eEtE 與與 )( 22 22 )( ti eEtE 的合成場，則：的合成場，則：Re)( )( 2 )( 1 2211 titi e

52、EeEtE Re 121 )( 21 titii eeEeE 于是：于是： )cos(2)()( 1221 2 2 2 1 * tEEEEtEtEW )cos(2 21 2 2 2 1 tEEEE 直接探測與外差探測直接探測與外差探測 直接探測系統(tǒng)直接探測系統(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 輻射進行直接探測具有簡單、方便、室溫運轉等優(yōu)點，但它不能反映光載波頻率及輻射進行直接探測具有簡單、方便、室溫運轉等優(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。相位的

53、變化，因而探測靈敏度低，信噪比差。 (1)當當 時，它對應于直接探測方式，這種方式下，由于探測器的輸出時，它對應于直接探測方式，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 (即入射光即入射光 功率功率)，因而，探測器的輸出電流是入射光功率的線性函數(shù)，其結構框圖如圖。，因而，探測器的輸出電流是入射光功率的線性函數(shù)，其結構框圖如圖。 )()( 21 tEtE 2 1 E 直接探測與外差探測直接探測與外差探測 (2)當當 時，躍遷幾率中除兩入射光功率數(shù)量和時，躍遷幾率中除兩入射光功率數(shù)量和 這

54、一常數(shù)項外，這一常數(shù)項外， 還包含一項以還包含一項以 振蕩、相位振蕩、相位 的分量。因而能反映入射相干的分量。因而能反映入射相干 光載波的頻率及相位變化，它對應于外差探測方式，也叫相干探測，其結構框圖見圖。光載波的頻率及相位變化，它對應于外差探測方式，也叫相干探測，其結構框圖見圖。 )()( 21 tEtE)( 2 2 2 1 EE 12 12 外差探測系統(tǒng)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，達到近乎理想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，但外量

55、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)復雜，對信號光與本振光要求均很高，技術困難大，成本高。由于激光的差探測系統(tǒng)復雜，對信號光與本振光要求均很高，技術困難大，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)光功率包絡變化的功能外，只要光譜響應匹配，就可以實現(xiàn)外差探測。調(diào)光功率包絡變化的功能外，只要光譜響應匹配，就可以實現(xiàn)外差探測。 兩種探測方式性能分析兩種探測方式性能分析 1.直接探測方式性能分直接探測方式性能分析析 直接探測

56、方式中調(diào)制信號頻率為直接探測方式中調(diào)制信號頻率為 ，光信號頻率為，光信號頻率為 ，調(diào)制光信號為，調(diào)制光信號為 m s )cos1 (Recos)cos1 ()( ti mssmss s etmEttmEte 由于光電探測器的響應時間一般遠大于光頻變化周期，因而光電轉換過程實際上由于光電探測器的響應時間一般遠大于光頻變化周期，因而光電轉換過程實際上 是光場變化的時間積分響應，于是得到入射到探測器上的平均光功率：是光場變化的時間積分響應，于是得到入射到探測器上的平均光功率： 2 2 1 ss EP 由此可得入射光在具有內(nèi)增益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的探測器光敏

57、面上輸出的平均電功率為 Ls s Lcc RP h e GRiGP 2 2 222 直接探測時，入射光產(chǎn)生的光電流大小為直接探測時，入射光產(chǎn)生的光電流大小為 t m tm m P h e tmP h e ti mms s ms s c 2cos 2 cos2 2 1cos1)( 22 2 兩種探測方式性能分析兩種探測方式性能分析 很多情況下直接探測只響應光功率的時變信息，而不考慮直流部分，則有很多情況下直接探測只響應光功率的時變信息，而不考慮直流部分，則有 )2cos 2 cos2()( 2 t m tm h Pe ti mm s s c 又由于又由于 對應于光探測器的頻率響應，而不是光譜響應

58、，頻率對應于光探測器的頻率響應，而不是光譜響應，頻率 太高，光電探測器根本不能響應，因而考慮自增益后，直接探測光探測器的實際輸出太高，光電探測器根本不能響應，因而考慮自增益后，直接探測光探測器的實際輸出 電流為：電流為： t m h Pe m s s 2cos 2 2 tm h eGP ti m s s c cos2)( 其功率信噪比其功率信噪比 LnTndnbns Lss nTndnbns c nc Riiii R)heGP( PPPP P PPSNR 2222 2 2 式中，式中，G為光探測器的內(nèi)部增益，為光探測器的內(nèi)部增益， 為背景光電流，為背景光電流， 為光電陰極暗電流。為光電陰極暗電

59、流。 ， ， 和和 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。聲功率和熱噪聲功率。 b i d i ns P nb P nd P nT P 兩種探測方式性能分析兩種探測方式性能分析 Ledbs ss RkTiiieG heGP SNR 4)(2 )(2 2 2 對于光電倍增管，對于光電倍增管， ， ， 和和 ，其信噪比，其信噪比 LsLnTns RieGRiP 22 2 Lbnb RieGP 2 2 Ldnd RieGP 2 2 kTP enT 4 對于光電二極管，對于光電二極管， ，

60、， ， ， ，其信噪比，其信噪比 Lsns RieGP 2 4 Lbnb RieGP 2 4 Ldnd RieGP 2 4 kTP enT 41G )4()(4 )(2 2 Ledbs ss RkTiiie heGP SNR 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：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： h NEP s i 2 兩種探測方式性能分析兩種探測方式性能分析 2.外差探測方式性能分析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