往届学习供参考远光电测量第六课

光学和光电子测量Optical

and

optoelectronic

measurements第六课（光辐射探测器总论）上节回顾法布里－珀罗干涉光谱仪本堂课内容光辐射探测器总论光辐射探测器光辐射探测器是一种能把光信号转化为电信号的器件，在光电系统中起着将光信号转化为电信号的核心作用，在很大程度上决定了光电系统的性能。光辐射探测器按工作原理分类光子探测器基于光子与物质相互作用所引起的光电效应。特点：灵敏度高，响应速度快，对波长敏感，有些要在低温下工作。热探测器基于光辐射作用下的光－热效应和热－电转换效应。特点：灵敏度低，响应速度慢，对波长不敏感，在室温下工作。光辐射探测器的性能参数响应参数工作使用参数噪声参数光辐射探测器的响应参数探测器将光辐射能量转换为电信号的能力响应波长范围响应速度量子效率h入射到探测器的光子数所能产生的光电子的数目无量纲数，越大越好e

hnhnPih

=

IPiiI

=

aP

=

eh响应度（响应率）R探测器输出电信号与入射到探测器上的光辐射功率之比，越大越好与测试条件有关s,

rmsivPs,

rmsIR

=Ps,

rmsVs,

rmsR

=光谱响应R(l)或D*(l)探测器的响应度R或归一化探测度D*与入射

波长l的依赖关系，称作探测器的光谱响应。它是探测器对不同波长辐射响应能力的度量。以R或D*为纵坐标，以波长l为横坐标的关系曲线称为光谱响应曲线。对于热探测器，光谱响应曲线原则上是一条平行于横轴的直线。对于光子探测器，光谱响应曲线有极大值，称为探测器的峰值响应波长。光电导探测器的光谱特性频率响应R(f)和时间常数t1+(2pft)2探测器的响应度随调制频率的变化称作探测器的频率响应。

t称为探测器的响应时间或时间常数。它是探测器将入射辐射转变为电信号的弛豫时间，是探测器响应速度的度量。2pfct

=1，fc截止响应频率。R(0)R(

f

)

=脉冲时间响应光辐射探测器的工作使用参数几何参数探测器的面积、探测器的视场角和立体角工作参数探测器的阻抗、偏置条件、工作环境温度探测器的面积标称面积：制造厂家提供的探测器响应面积选用面积：将入射辐射在探测器上的幅照度E转换为功率P的选用面积P=AsE有效面积：探测器整体响应度与最大响应度的比值。

R(x,

y)dxdyAe

=

s

Rmax

(x,

y)探测器的视场角和立体角在致冷型探测器中，响应元的中心对冷光阑的张角称为探测器的视场角。有效权重立体角：cosq

sinqR(x,

y,q,j)dqdj0dxdyAe

Rmax

(0,0)s

0W

e

=

p

2p探测器的阻抗探测器两端的瞬时电压V(t)对通过它的瞬时电流i(t)的微分。2pfCzX

=zd

zdi(t)Z

=

dV

(t)

=

R

-

jX1探测器的偏置条件依探测器的工作原理不同而不同。探测器制造商通常都给出探测器所需要的极限偏置参数及最佳偏置值。探测器的工作环境温度探测器指定需要工作在特定的环境温度。光辐射探测器的噪声噪声：信号在传输和处理过程重总会受到一些无用信号的干扰，这些干扰信号被称为噪声。噪声是不可避免的！无规则的（随机的）！微弱信号的探测问题，就是如何从噪声中提取信号的问题，是信息探测研究的中心课题之一！光辐射探测器噪声的分类外部噪声：人为噪声、自然干扰等等。可以设法减少和消除。内部噪声：由电和光的基本性质引起，只能设法减弱，不可能消除。噪声的描述均方根电压（电流）虽然噪声电压（电流）的起伏是毫无规律、无法预知的，但其均方根却具有确定值。2In

(t)V

2

(t)In,

rms

=Vn,

rms

=

n总噪声功率我们把探测器输出的均方根噪声电压（电流）称为探测器的噪声电压（电流）探测器总的噪声功率等于各种独立的噪声功率之和。V

2

=

V

2

+V

2

+n

n1

n

2=

V

2

+V

2

+n1

n

2nV

2nV

=白噪声功率密度谱均匀分布在整个频率区间（－∞<f<＋∞）的噪声，称为白噪声。噪声的等效处理等效噪声带宽，它是网络通过噪声能力的一种量度。¥Df

=0

1

G0G(

f

)df光辐射探测器的主要内部噪声散弹噪声（散粒噪声）产生－复合噪声热噪声温度噪声闪烁噪声散弹噪声由探测器或电路元件中组成电流的微粒流随机起伏引起的噪声称为散弹噪声。主要在光电子发射器件和光伏型器件中出现。光电探测器中的散弹噪声主要由光辐射随机起伏导

致的光电流的随机起伏所造成，在无光辐射照射时，光电管中的热电子发射、场致发射和半导体中晶格

热振动激发载流子等所形成的电流起伏，也是造成

散弹噪声的原因。I

2

=

2eIDfG2

=

2e(i

+

i

+

i

)DfG

2n

s

b

d产生－复合噪声对于光电导探测器，光生载流子的产生有一定的随机性，复合也有一定的随机性，由此产生的噪声称为产生－复合噪声。2I

n,

g

-r

=

4eI

0

d

Df1+w

2t2(t

t

)2热噪声（约翰逊噪声）在任何导电体中，由于电子不停地无规则热运动，形成与此相应的瞬时无规电流，因而形成噪声。I

2

n,

h

=

4k

TDf

/

RBV

2

n,

h

=

4k

TRDfB温度噪声由于环境温度或元器件自身温度的随机起伏所引起的噪声称为温度噪声。这是热敏探测器件的主要噪声。g(DT

)

=

(

2

)Df24kT

2

121+w

tT闪烁噪声（1/f噪声）主要在半导体辐射探测器中存在的一种基本噪声。通常是由元器件中存在局部缺陷或有微量杂质所引起，但主要出现在大约1kHz以下的低频频域，而且与光辐射的调制频率f成反比。nfI

=

f

b

DfkIa2噪声等效功率NEP投射到探测器响应平

面上光辐射功率所产

生的信号等于探测器

无入射辐射时探测器

本身的均方根噪声电

压（或电流）时的光

辐射功率，叫做探测

器的最小可探测功率，也称为噪声等效功率

NEP，单位为W，其

值越小越好。In,

rmsIs,

rmss,

rmsRin,

rmsVs,

rms

Vn,

rmsPV

PNEP

=

n,

rms

=

s,

rms

RvINEP

==归一化的噪声等效功率NEP*NEP*