第6章热探测器ppt课件.ppt

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1、光电信号检测第六章热探测器8/2/20211热探测器是不同于光子探测器的另一类光探测器。它是基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。热探测器有热电偶、热敏电阻和热释电探测器等多种。具有不需制冷、在全部波长上具有平坦响应两大优点。主要缺点是：响应较低，响应时间较长。自热释电探测器出现后，缓和了这一矛盾。热释电探测器的响应度和响应速度已比过去那些热探测器有了很大提高，因此热探测器的使用范围扩大了，延伸到原来部分光子探测器独占的领域，而且在大于14μm的远红外域更有广阔的用途。第六章热探测器8/2/20

2、212热探测器探测光辐射包括两个过程：一是吸收光辐射能量后，探测器的温度升高；二是把温度升高所引起的物理特性的变化转变成电信号。§6－1热探测器的一般原理一、热探测器的温度变化规律8/2/20213探测器的热容量是H，它表示探测器升高一度所需的热量(J/K)。通常周围环境的热容量为无限大，整个环境温度是一致的。探测器通过热导G与周围环境发生热交换。入射辐射热探测器（热容量H）热导G环境温度T08/2/20214如果探测器的温度比环境高ΔT，则探测器在单位时间内通过热导流向环境的热量流ΔP为其中，热导G

3、的单位是W/K。8/2/20215当探测器接收入射光辐射功率P时，热探测器吸收热辐射后每秒接受的热量为αP。其中α为热探测器的吸收率。此时探测器温度升量ΔT由下式确定此式表示了探测器吸收的辐射功率等于每秒中探测器温升所需的能量和传导损失的能量。通常投射到热探测器上的辐射是经过调制的，它包括一个与时间无关的直流分量P0和一个以角频率ω调制的交变分量Pωexp(iωt)，即8/2/20216温升包括两个部分：与时间无关的平均温升ΔT0和与时间有关的温度变化ΔTω，即其中：是温升与辐射功率之间的相位差称为热

4、探测器的热时间常数。它对应于热探测器的响应时间。8/2/20217典型的热探测器的热时间常数在几毫秒到几秒的范围内，比光子探测器的响应时间长。增大热导G可减小τH，但增大G会导致热探测器对温度变化不敏感，探测灵敏度下降。因此，减小热时间常数主要在降低热容量H上，所以热探测器的光敏元很小。8/2/20218吸收率α代表了对入射辐射吸收过程的效率。为了提高吸收比，热探测器光敏元的表面都进行黑化。一些表面黑化用的材料的吸收率如图。8/2/20219二、热探测器的极限探测率由于热探测器与周围环境之间的热交换存

5、在着热流起伏，引起热探测器的温度在T0附近呈现小的起伏，这种温度起伏构成了热探测器的主要噪声源，称为温度噪声。若热探测器的其他噪声与温度噪声相比可以忽略，那么温度噪声将限制热探测器的极限探测率。8/2/202110探测器和环境的热交换包括辐射、对流和传导。当探测器光敏元被悬挂在支架上并真空封装时，总的热导将取决于辐射热导。在理想情况下，光敏面是理想的吸收面，即α＝1。这时辐射热导GR根据黑体辐射为式中，Ad是光敏面的面积，σ为斯忒藩一波耳兹曼常数。从此式看到，若热探测器的吸收率为常数，则其辐射热导与波

6、长无关，而与温度的三次方成正比。当温度降低时，辐射热导将急剧减小。8/2/202111温度噪声的功率谱密度为：温度噪声功率为：则辐射热导引起的温度噪声为：8/2/202112于是，热探测器的温度噪声电压和比探测率分别是：室温下，T＝300K，则理想的热探测器的极限比探测率己接近或达到一般光子探测器的比探测率。8/2/202113热释电探测器是一种利用某些晶体材料自发极化强度随温度变化所产生的热释电效应制成的新型热探测器。因为热释电探测器的电信号正比于探测器温度随时间的变化率，不像其他热探测器那样需要有

7、热平衡过程，所以其响应速度比其他热探测器快得多，一般热探测器的时间常数典型值在1～0.01s范围，而热释电探测器的有效时间常数可达10-4～3×10-5s。虽然目前热释电探测器在比探测率和响应速度方面还不及光子探测器，但由于它还具有光谱响应范围宽、较大的频响带宽、在室温下工作无需制冷、可以有大面积均匀的光敏面、不需偏压、使用方便等特点，而得到广泛的应用。§6－2热释电探测器8/2/202114一、热释电效应某些物质(例如硫酸三甘肽、铌酸锂、铌酸锶钡等晶体)吸收光辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温

8、度升高，温度的变化又改变了晶体内晶格的间距，这就引起在居里温度以下存在的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。热释电效应是通过热释电材料实现的。热释电材料首先是一种电介质，是绝缘体。在常态下具有自发电极化(即固有电偶极矩)现象，且温度变化时电矩的极性也改变，这类介质称为热电介质。8/2/202115外加电场能使热电介质的自发极化矢量方向趋同，去掉外电场后，其极化特性保持不变的热电介质叫铁电体。热释电探测器是用铁电