《光辐射探测器》PPT课件.ppt

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1、第三章光辐射探测器光辐射测量原理与技术本章内容3.1光辐射探测器的性能参数3.2光电探测器3.3热探测器光辐射量的测量通常采用各种探测器把光辐射能变换成一种可测的量，因而光辐射探测器是光辐射量测量系统中的关键组成部分，其性能往往直接影响到光辐射度量测量的可行性及精确性客观探测器主观探测器人眼探测器的分类随着光学和光电技术的展以及对光辐射探测与精确定量、高灵敏度测量的需要，光辐射探测器的品种和数量发展，可对光辐射客观物理量进行精确的定量测量光谱响应范围宽响应速度快响应度高这些优点使光辐射量的探测和测量能力大大地提高广义地讲，只要能提示光辐射存在，并可确定其大小都应包含的

2、光辐射探测器的范畴内。光电探测器利用光电效应，把入射到物体表面的辐射能变换成可测量的电量：（1）外光电效应基于外光电效应的光电探测器有真空光电管、充电光电管、光电倍增管、像增强器等。（3）光电导效应这类光电探测器有各种半导体材料制成的光敏电阻等。（2）光伏效应基于这类效应的探测器有以硒、硅、锗、砷化镓等材料做成的光电池、光电二极管、光电三极管等。热探测器利用热电效能通过这些探测器参量的变化温度的变化使探测器的电阻值发生变化，或表面电荷发生变化，或产生电动势等探测器接收光辐射能引起物体自身温度升高反映入射光辐射量光辐射探测器光电探测器热探测器气动光导探测器外光电效应内

3、光电响应无放大作用有放大作用真空光电管充气光电管光电倍增管充气光电管光伏型光导型无放大作用光电池光电二极管双光电二极管有放大作用光电三极管光电场效应管光电开关管光电雪崩二级管本征光导探测器杂质光导探测器光敏电阻光导探测器高莱探测器N型/P型光导探测器常见光辐射探测器的分类3.1光辐射探测器的性能参数对于光辐射探测器的应用，较关注的性能是：探测器的响应度大小（探测器的输出信号值定量地表示多大的光辐射度量）（1）与噪声相当的辐射功率大小（对某种探测器，需要多大的辐射度量才能使探测器产生可区别于噪声的信号量）（2）探测器的光谱响应范围，响应速度，线性动态范围等。（3）3.1

4、.1响应度定义：单位辐射度量产生的电信号量，记作R，电信号可以是电流，称为电流响应度；也可以是电压，称为电压响应度。（1）对辐射通量的电流响应度（2）对辐照度的电流响应度（3）对辐亮度的电流响应度探测器的响应度描述光信号转换成电信号大小的能力。辐射度量测量中，测不同的辐射度量，应当用不同的响应度。探测器的响应度一般是波长的函数。与上面定义的积分响应度对应的光谱响应度为（3-1)积分响应度和光谱响应度的关系为(3-2)注意积分响应度不仅与探测器的光谱响应度有关，也与入射辐射的光谱特性有关，因而，说明积分响应度时通常要求指出测量所用的光源特性。光电探测器响应度可简单地推导

5、如下由普朗克量子理论可知，单个光子的入射能量为hv，则单位时间内入射到探测器表面的光子数为探测器的量子效率为（3-3）输出信号电子数探测器接收的光子数=单位时间内探测器的输出信号电子数为（3-4）探测器的辐射通量光谱电流响应度为（3-5）对于光电探测器，最大响应波长为（3-6）内光电效应外光电效应3.1.2噪声及其评价参数1噪声2噪声等效功率NEP1、噪声在系统中任何虚假的或不需要的信号统称为噪声。研究噪声的目的是探讨系统探测信息的极限以及在系统设计中如何抑制噪声以提高探测本领。系统内部噪声：人为噪声固有噪声来自外部的噪声：人为干扰自然干扰系统的噪声分析噪声源的性质（

6、1）散粒噪声（2）产生-复合（G-R）噪声（3）热噪声或Johnson噪声（4）1/f噪声（5）温度噪声3.1.2（1）散粒噪声由于光子流以间断入射的形式投射到探测器表面，以及探测器内部光子转换成电子动能而产生的电子流具有统计涨落的特征，形成散粒噪声。假设入射光子服从Poisson概率密度分布(3-8）在实验室进行光辐射测量时，可用一固定频率对信号进行调制。这样，系统的工作频带宽度可减少。锁频技术可使系统工作在一个很窄的通频带范围内，有利于减少系统噪声。增加信号的积分时间，缩小测量系统的频带，也可以减少散粒噪声。（2）产生-复合（G-R）噪声光导型探测器的G-R噪声是

7、由于半导体内的载流子在产生和复合过程中，自由电子和空穴数随机起伏所形成的，也属于白噪声，相当于光伏型中单向导电P-N结内的散粒噪声。(3-9)（3）热噪声或Johnson噪声热噪声由电阻材料中离散的载流子（主要是电子）的热运动造成。热噪声电流的均方值为：(3-10)使探测器制冷或者探测器及前置放大器一起制冷，可以减少热噪声电流。（4）1/f噪声一般认为，它与半导体的接触、表面、内部存在的势垒有关，所以有时叫做“接触噪声”，其值随信号调制频率的增加而减少(3-11)(3-12)（5）温度噪声由热探测器和背景之间的能量交换所造成的探测器自身的温度起伏，称