光电测试常用器件及检测电路

1、1第4章 光电测试常用器件 及检测(jin c)电路共三十二页2光电检测器件(qjin) + 输入电路 + 前置放大器 （实现(shxin)光电器件输出信号的精确检测）光电转换的核心器件（沟通光学量和电子系统的接口环节）（为光电器件提供正常的电路工作条件，同时完成与前置放大及耦合电路的电路匹配）电信号经过的重要环节中间环节共三十二页3 光电器件 - 光信号转化(zhunhu)为电信号（光电效应-物理基础） 光电成像器件 - 输出图像(t xin)/电视图像 光调制器件 - 物理效应（实现光的变换、调制、扫描）光子探测器 - 光子效应热电探测器 -吸收光辐射导致温升产生温度变化效应转换为电信号电

2、光调制器 - 电光晶体传播特性声光调制器 - 声光效应（电声换能器）磁光调制器 - 法拉第旋光效应光电检测器件共三十二页4- 定量描述光电器件输出的电信号(xnho)与输入的光信号(xnho)之间的关系- 电压(diny)灵敏度（V/W） 1. 探测灵敏度（响应度）定义- 光电器件输出的方均根电压/电流与入射的光通量之比- 电流灵敏度（A/W） 光源 - 500K黑体一、光电器件的性能参数共三十二页5- 相对光谱(gungp)响应表示 光谱响应 - 光谱响应度R随波长的变化(binhu)关系共三十二页6- 描述光电器件对入射辐射(fsh)响应快慢的参数 2. 响应(xingyng)时间时间常数

3、 - 衡量响应从稳态值的10%上升到90%所用的时间 - 上升时间tr响应从稳态值的90%下降到10%所用的时间 - 下降时间tf共三十二页73. 频率响应(pn l xin yn)光电器件的响应随入射辐射的调制频率而变化(binhu)的特性 - 频率响应R0 - 器件在零频时的响应度；=2f为信号的调制圆频率； f为调制频率；为响应时间上限截止频率fc - 输出信号功率降到零频时的一半（信号幅度下降到0.707）R(f)/R0=0.707共三十二页8- 最小可测功率（输出信号(xnho)电压的有效值等于噪声方均根电压值时的入射光功率）4. 噪声等效(dn xio)功率（NEP）Us/Un-器

4、件输出的信噪比；s-入射光功率；Rv-光电器件的电压灵敏度；单位：W共三十二页95. 探测(tnc)度探测(tnc)度 - NEP 的倒数NEP 小 - 器件性能好（衡量光电器件探测能力的指标）（W-1）D - 描述器件在单位输入光功率下输出的信号信噪比共三十二页106. 量子(lingz)效率- 描述光电转换器件光电转换能力(nngl)的一个重要参数（某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子与入射光子数之比）波长为的光辐射的单个光子能量为 h=hc/设光通量为，则入射的光子数为/h相应的光电流为Is，每秒产生的光电子数为Is/q（q-电子电荷）量子效率- 微观灵敏度（统计平均量）（）=1 -

5、 入射一个光量子就能发射一个电子/产生一对电子空穴对（理论上）I共三十二页11二、光电发射器件及检测(jin c)电路1. 光电发射(fsh)效应若入射光辐射的光子能量足够大，它和金属或半导体材料中的电子相互作用的结果使电子从物质表面逸出，在空间作用下会形成电流 - 外光电效应- 真空光电器件光电阴极工作的物理基础 外光电效应的两个实验规律 a） 光电特性 光电流Ik与入射光通量成正比（照射到光阴极上的入射光频率/频谱成分不变、外加电压一定）Ik- 阴极光电流； - 入射光通量；Sk-阴极对入射光的灵敏度- 光电流与入射光通量的关系共三十二页12b） 阈值(y zh)频率 光电子的最大初始(c

6、h sh)动能： Emax- 光电子的最大初动能；vmax-相应的电子最大初速度；m-电子质量；h-普朗克常数；-光频- 与入射光的频率成正比，与入射光强度无关什么时候发生光电发射？W- 金属材料的电子逸出功（电子从金属材料表面逸出时所需的最低能量-与材料性质有关的常数）- 功函数（eV）入射光子能量 = 逸出功0= W/h -阈值频率（产生光电发射的最低频率）波长-共三十二页13 光电发射(fsh)的基本过程 金属和半导体材料(cilio)中的光电子发射步骤: 1）对光子的吸收 - 物体中电子吸收光子能量， 从基态跃迁到激发态（能量高于真空能级）2）光电子向表面运动 - 受激电子从受激地点出

7、发向表面运动， 与其他电子或晶格发生碰撞而损失部分能量3）克服表面势垒逸出材料表面-到达表面的电子，如果有足够的能量克服表面势垒对电子的束缚，可从表面逸出真空中自由电荷的最小能量逸出功共三十二页142. 光电真空器件(qjin)及其特性光电倍增(bi zn)管（PMT）将微弱光信号转换成光电子并获倍增效应的真空光电发射器件1）工作原理光电发射阴极（光阴极）10-4Pa真空电子倍增极阳极（电子收集极）共三十二页15主要(zhyo)组成部分 - 光窗、光电阴极、电子倍增系统、阳极2）结构(jigu)倍增系统- 决定光电倍增管灵敏度的最关键部分二次电子发射系数 - 表示材料二次发射能力的大小定义-单

8、个入射电子所产生的平均二次电子数N1- 入射电子数N2- 出射电子数共三十二页16n个倍增极（倍增系数相同）- 阴极激发(jf)一个光电子，阳极就收集到 n个倍增后的电子倍增(bi zn)极个数：914 - 值：36、 n ：105108- 倍增系数（与材料的性质、电极的结构和形状、所加的电压有关）U- 倍增极间所加外加电压；b-与材料的性质和结构有关的参数共三十二页17共三十二页18共三十二页19基本参数（静态参数）- 工作原理、结构特征、材料(cilio)性质、 制造工艺3. 光电倍增(bi zn)管特性参数应用参数（动态参数）- 应用方法、探测对象 反映应用的特殊要求运行特性（例行特性）

9、- 运行条件、运行环境，外部条件 和使用极限 灵敏度、量子效率、增益、暗电流、光谱响应脉冲幅度分辨力（闪烁计数）；暗噪声计数、单电子分辨力、峰谷比（光子计数）、上升时间、半高宽、渡越时间、时间分辨力等稳定性、温度特性、最大线性电流、抗电磁干扰特性、抗冲击振动特性等共三十二页20(1) 灵敏度光电器件在单位入射光通量下的输出(shch)电流阴极(ynj)灵敏度SK=IK/（IK - 阴极发射电流）；- 描述光电器件对输入信号的响应能力S 光电器件的灵敏度； - 入射光通量；Ip 光电器件的响应电流阳极灵敏度SA=IA/（IA - 阳极出射电流）；共三十二页21(2) 电流(dinli)增益G同样

10、入射光通量下阳极电流(dinli)与阴极电流(dinli)之比/阳极灵敏度与阴极灵敏度之比若倍增管有n个倍增极，并且每个倍增极的倍增系数均相等是电压的函数，G也是电压的函数(3) 光电特性阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系模拟量测量 - 线性关系（偏离直线3%- 线性区上限）共三十二页22(4) 伏安(f n)特性阴极伏安特性曲线- 表征阴极电流与阴极电压(diny)之间关系阳极伏安特性曲线- 表征阳极电流与阳极和最末一级倍增极之间电压关系电路设计 - 计算负载电阻、输出电流、输出电压共三十二页23(5) 暗电流各极都加上正常工作电压，并且(bngqi)阴极无光照情况下阳极的输出

11、电流限制(xinzh)了可测光通量的最小值，产生噪声的主要因素- 鉴别倍增管质量的重要参量弱光探测 - 选取暗电流较小的管子产生因素 阴极和靠近于阴极的倍增极之间的热电子发射； 阳极或其他电极的漏电； 由于极间电压过高引起的场致发射； 光反馈以及窗口玻璃中可能含有的少量的钾、镭、钍等 放射性元素蜕变产生的 粒子； 宇宙射线中的介子穿过光窗式产生的契伦柯夫光子共三十二页24(6) 噪声(zoshng)与噪声(zoshng)等效功率散粒噪声 - 由倍增管本身引起的输出偏离(pinl)于平均值的起伏来源 - 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（背景光或信号光中的直流分量）噪声等效

12、功率（NEP）- 最小可探测功率 光电器件输出信噪比为1时的入射光通量（光功率）- 输出信号噪声比为SNR时的输入光通量NEP 阳极信号与噪声的有效值之比等于1时，入射于倍增管光电阴极的光功率/光通量的有效值- 可能探测到的信号的光功率/光通量的最小值共三十二页25U2-拐点M对应(duyng)的电压；Ua - 阳极电压；光通量为2时的最大负载电阻 Sa-阳极(yngj)灵敏度系数 光通量由1变到2时，输出电流和电压的增益值表示为 阳极伏安特性- 最大光通量所对应的曲线拐点以右，基本上是平直均匀分布的（一般使用时倍增管也都是利用这一区域的特性） 4. 光电倍增管输入电路- 保证输出电流与入射光

13、通量之间呈线性关系共三十二页26直流供电 - 阴极开始电压(diny)依次升高（电阻链分压法-总的工作电压通过分压电阻网络R1R11加到各相应的电极）各级( j)电压均相等（约80100V），总电压约10001300V供电电源电压稳定（优于0.01%）后几级倍增极的分压电阻上并联电容 - 极间电压稳定RL-负载电阻；C1、C2、C3- 旁路电容 共三十二页27接地点(ddin) - 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阴极(ynj)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、噪声低阳极接地缺点 - 寄生电容大，匹配电缆连接复杂

14、（阳极处于正高压）接直流放大器 - 整个放大器都处于高压，不利于安全操作接交流放大器 - 必须接一个耐压很高的隔直电容器，体积大价格高优点 - 便于与后面放大器相接，操作安全；可以通过低电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 - 阴极处于负高压，屏蔽罩不能靠得很近（12cm），屏蔽效果差些，暗电流和噪声大，体积大共三十二页28 稳压电源光电倍增管许多参量都与电压有关（如果电源电压不稳，必然要引起与之有关的各参量的变化 - 特别是电流增益的变化，将直接(zhji)影响输出特性）- 对电源电压(diny)稳定性要求较高光电倍增管的电流增益 - 极间电压UD的函数 C、k -

15、与倍增极材料有关的两个系数 共三十二页29 分压电阻(dinz)网络作用- 按一定比例将电源电压分压，为各倍增(bi zn)极提供工作电压 静态下流过分压网络的电流 - 几个M 各倍增极的工作电压 Un=IRRn Ri - 100500k 对于脉冲信号的探测 - 适当提高第一倍增极对阴极的电压，有利于缩短输出脉冲的上升时间 探测弱信号 - 可适当提高第一倍增极与阴极之间的电压（既可以提高第一倍增极对光电子的收集效率，也可以使第一倍增极有较高的二次发射系数- 提高信噪比）方法-增大分压电阻R1共三十二页30 旁路(pn l)电容光脉冲入射时 - 最后几级倍增极的瞬间电流很大，使分压电阻R9R11

16、上的电压降有明显的突变 - 阳极电流过早(u zo)的饱和，使检测灵敏度下降- 为了使R9R11电阻上的分压稳定，常在最后三级分压电阻上并联旁路电容器C1、C2和C3（容量可在0.020.05F之间选取 ） 负载电阻光电倍增管后接的放大器常采用电压输入- 需要用负载电阻将输出电流变换为电压负载电阻的选择应考虑它的压降不能过大，否则将影响阳极的接收特性，使管子偏离线性工作范围（一般限制在几伏以内）共三十二页311）使用前应了解器件的特性(txng) - 灵敏度高、惰性小、供电电压 高、抗震性差（防震和高压下的安全性）3）工作电流不宜过大 - 烧毁阴极面，倍增极二次电子发射系 数下降，增益(zngy)降低，光电线性变差，缩短寿命 2） 使用时不可用强光照射 - 光照过强，光电特性的线性会变 差，而且容易使光电阴极疲劳，缩短寿命（一般工作电流 控制在0.1几十A以内）4）测量交变光时，负载电阻不宜很大 - 负载电阻大，时间常 数变大，频带变窄，影响动态特性（负载电阻和管子的等 效电容一起构成电路的时间常数）5. 光电倍增管的使用要点共三十二页内容摘要1。波长为的光辐射的单个光子能量为