02-光电探测器2012

光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件。它是光电系统的核心组成部分，在光电系统中的作用是发现信号、测量信号，并为随后的应用提取某些必要的信息。第二章、光电检测器件热电探测器特点：①响应波长无选择性，它对从可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感。②响应慢，吸收辐射产生信号需要的时间长，一般在几毫秒以上。光电探测器特点：①响应波长有选择性，存在某一截止波长λ0，超过此波长，器件没有响应。②响应快，一般在纳秒到几百微秒。1.响应度（或灵敏度)光电探测器的输出电压或输出电流(或光电导)与入射光功率(或光照度)之比，它描述器件的光电转换效能。igiOIiOVEgSPISPVS光电导响应度电流响应度电压响应度第一节、基本特性参数一、响应方面的参数⑴光谱响应度光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上的单色辐射通量之比，光谱响应度愈大，表示光电探测器愈灵敏。OOISVS或⑵积分响应度光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量之比称为积分响应度。积分灵敏度表示探测器对连续辐射通量的反应程度。001ddSISO2．响应时间当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。上升时间和下降时间3．频率响应光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应。二、噪声方面的参数从响应度的定义来看，好象只要有光辐射存在，不管它的功率如何小，都可探测出来。但事实并非如此。当入射功率很低时，输出只是些杂乱无章的变化信号，而无法肯定是否有辐射入射在探测器上。这并不是探测器不好引起的，而是它所固有的“噪声”引起的。如果对这些随时间而起伏的电压(流)按时间取平均值，则平均值等于零。但这些值的均方根不等于零，这个均方根电压(流)称为探测器的噪声电压(流)。⑴热噪声：也称约翰逊噪声，载流子无规则的热运动造成的噪声。①热噪声存在于任何电阻中。②热噪声与温度成正比。③热噪声与频率无关。热噪声是各种频率分量组成，就像白光是各种波长的光组成一样，所以热噪声也称为白噪声。1、器件的噪声⑵散粒噪声：也称散弹噪声，穿越势垒的载流子的随机涨落（统计起伏）所造成的噪声。在每个时间间隔内，穿过势垒区的载流子的数或从阴极到阳极的电子数都围绕一平均值上下起伏。散粒噪声也是白噪声。⑶产生－复合噪声：载流子的产生率与复合率在某个时间间隔内也会在平均值上下起伏，这种起伏导致载流子浓度的起伏，从而也产生均方噪声电流。它不是白噪声。⑷1/f噪声(闪烁噪声或低频噪声）：由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲称为1/f噪声。频率越低，这种噪声越大，所以也称为低频噪声，它是属于“红”噪声。2、噪声参数：⑴信噪比(S／N)：信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，即2222NSLNLSNSIIRIRIPPNS若用分贝(dB)表示，则为NSNSdBIIIINSlg20lg1022利用S／N评价两种光电探测器性能时，必须在信号辐射功率相同的情况下才能比较。但对单个光电探测器，其S／N的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关。如果入射辐射强，接收面积大，S／N就大，但性能不一定就好。因此用S／N评价器件有一定的局限性。⑵等效噪声输入(ENl)：它定义为器件在特定带宽内(1Hz)产生的均方根信号电流恰好等于均方根噪声电流值时的输入通量，此时，其他参数，如频率温度等应加以规定。这个参数是在确定光电探测器件的探测极限(以输入通量为瓦或流明表示)时使用。⑶噪声等效功率(NEP)：或称最小可探测功率Pmin。它定义为信号功率与噪声功率之比为1(即S／N=1)时，入射到探测器上的辐射通量(单位为瓦)。即NSNEPe/⑷探测率D：只用NEP无法比较两个不同来源的光探器的优劣。为此，引入两个新的性能参数——探测率D和比探测率D*。探测率D定义为NEP（噪声等效功率）的倒数，即NEPD1显然，D愈大，光电探测器的性能就愈好。探测率D所提供的信息与NEP一样，也是一项特征参数。不过它所描述的特性是：光电探测器在它的噪声电平之上产生一个可观测的电信号的本领，即光电探测器能响应的入射光功率越小，则其探测率越高。⑸归一化探测率D*：为了在不同带宽内对测得的不同的光敏面积的光电探测器件进行比较，使用了归一化探测率（比探测率）D*。⑹暗电流Id：即光电探测器在没有输入信号和背景辐射时所流过的电流(加电源时)。一般测量其直流值或平均值。1、量子效率η(λ)：在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。一般η(λ)反映的是入射辐射与最初的光敏面的相互作用。若η(λ)＝1（理论上），则入射一个光量子就能发射一个电子或产生一对电子孔穴对。实际上η(λ)1。对于有增益的光电器件，η(λ)远大于1，此时我们一般用增益或放大倍数。三、其它参数2、线性度：描述探测器的光电特性或光照特性曲线，输出信号与输入信号保持线性关系的程度。在规定范围内，探测器的输出电量精确地正比于输入光量的性能。这一范围称为线性区。3、工作温度：描指光电探测器最佳工作状态时的温度。工作温度不同时，性能有变化。一、概念理解1、光电探测器的响应度（或灵敏度）2、信噪比3、最小可探测功率二、简答题热电检测器件和光电检测器件的特点是什么？三、选择题1、光电检测系统的核心是（）A、处理电路B、光电管C、透镜D、光电探测器第二节、真空光电探测器件光电管分真空光电管和充气光电管两种。若球内充低压惰性气体就成为充气光电管。1、结构及分类光电阴极通常采用逸出功小的光敏材料。当光线照射到光敏材料上便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。若在外电路串入一定阻值的电阻，则在该电阻上的电压降或电路中的电流大小都与光强成函数关系，从而实现光电转换。2、工作原理优点：光电阴极面积大，灵敏度较高；暗电流小，最低可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。3、优缺点缺点：真空光电管一般体积都比较大、工作电压高达百伏到数百伏、玻壳容易破碎等。目前已基本被固体光电器件所代替。建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上的，把微弱入射光转换成光电子，并获倍增的器件。㈠、基本结构与原理光入射窗口光电阴极电子光学输入系统二次发射电子倍增器阳极光窗分侧窗式和端窗式两种，它是入射光的通道。由于光窗对光的吸收与波长有关，波长越短吸收越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。1．光入射窗侧窗式端窗式2．光电阴极光电阴极由光电发射材料制作。光电发射材料大体可分为：金属材料、半导体材料。⑴光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级（真空中静止电子能量）的激发态。⑵受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。⑶达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即溢出功）时，即可从表面溢出。光电发射大致可分三个过程：⑴光吸收系数大，以便体内有较多的电子受到激发；⑵光电子在体内传输过程中受到的能量损失小，使其溢出深度大；⑶材料的逸出功要小，使到达真空界面的电子能够比较容易地溢出；⑷另外，作为光电阴极，其材料还要有一定的电导率，以便能够通过外电源来补充因光电发射所失去的电子。良好的光电发射材料应具备下述条件：★金属吸收效率很低；★金属中光电子溢出深度很浅，只有几纳米；★金属溢出功大多为大于3eV，对λ410nm的可见光来说，很难产生光电发射，量子效率低；金属材料是否满足良好的光电发射材料的条件？半导体材料是否满足良好的光电发射材料的条件？★光吸收系数比金属大；★体内自由电子少，散射能量变小——故量子效率比金属大；★光发射波长延伸至可见光、近红外波段。★70年代后期，发展了负电子亲和势（NEA）光电阴极，长波可至1.6μm。(1)使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到第一倍增极上，而将其他部分的杂散电子散射掉，提高信噪比；(2)使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中有尽可能相等的渡越时间，以保证光电倍增管的快速响应。光电阴极聚焦极3．电子光学系统倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成，具有使一次电子倍增的能力。因此倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。4．二次发射倍增系统阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。光入射窗口光电阴极电子光学输入系统二次发射电子倍增器阳极5．阳极1、光子透过入射窗入射到光电阴极K上。2、光电阴极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中。3、光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1上，倍增极发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N级倍增后，光电子就放大N次。4、经过倍增后的二次电子由阳极a收集起来，形成阳极光电流，在负载RL上产生信号电压。㈡、基本特性参数1．光谱响应度PMT的光谱响应曲线与光电阴极的相同，主要取决于光电阴极材料的性质。2．放大倍数(电流增益)在一定工作电压下，光电倍增管的阳极电流与阴极电流之比称为管子的放大倍数M或电流增益G。KaiiGM）或(3.暗电流它限制了可测直流光通量的最小值，同时也是产生噪声的重要因素，是鉴别管子质量的重要参量。应选取暗电流较小的管子。4.伏安特性光电倍增管的伏安特性曲线分为阴极伏安特性曲线与阳极伏安特性曲线。在电路设计时，一般使用阳极伏安特性曲线来进行负载电阻、输出电流、输出电压的计算。5.频率响应由于PMT是光电发射型器件，而光电发射的延迟时间≤3×10－13S，所以PMT有很高的频率响应。6.噪声主要来源是光电阴极、光电发射的随机性和各倍增极二次电子发射的随机性，同时也与背景光或信号光中的直流分量有关。㈢、PMT的供电电路倍增管各电极要求直流供电，从阴极开始至各级的电压要依次升高，一般多采用电阻链分压办法来供电。一般情况下，各级间电压均相等，约80V～100V，总电压约1KV～1.3KV。对电源电压稳定性要求较高。如果电源电压不稳，会引起许多参量的变化，特别是电流增益变化，从而直接影响输出特性。目前已有光电倍增管专用的电源稳压块。1)电源电压稳定性的要求DDUUMM电源电压的变化和放大倍数变化的关系为：因倍增管中的电流与电阻链中的电流是并联关系，要保证各级电压稳定，要求流过电阻链的电流IR至少要比阳极电流Ia大20倍以上。一般说，IR越大，对稳定极间电压UD越有利。但IR也不能太大，因为IR太大会增大电阻的功耗，加重电源负担。当UD给定后，分压电阻R的最大值应取决于阳极的最大平均电流，R最小值应取决于高压电源输出的功率。一般常用分压器的阻值选择范围为20KΩ～500KΩ2)电阻链分压电阻的确定倍增管的输出电流主要是来自于最后几级，探测脉冲光时，为了不使阳极脉动电流引起极间电压发生大的变化，常在最后几级的分压电阻上并联电容器。3)并联电容的确定1C2C3C倍增管供电电路与其后续信号处理电路必须要有一个共用的参考电位，即接地点。倍增管的接地方式有两种，即阴极接地或阳极接地。4)接地方式阴极接地阳极接地优点：便于屏蔽，光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得近些，屏蔽效果好；暗电流小，噪声低。缺点：但这时阳极要处于正高压，会导致寄生电容大，匹配电缆连接复杂，特别是后面若接直流放大器，整个放大器都处于高电压，不利于安全操作；如果后面接交流放大器，则必须接一个耐压很高的隔直电容器，而一般耐压很高的电容器体积大而且价格高。阴极接地的特点优点：便于跟后面的放大器相接，操作安全，后面不仅可以通过一个低压耦合电容与交流放大器相接，也可以直接与直流放大器相接。缺点：但这时阴极要处于负高压，屏蔽罩不能跟阴极靠得很近，至少要间隔1cm～2cm，因此屏蔽效果差一些，暗电流和噪声都比阴极接地时大，而且整