第三章光辐射探测器解读.ppt

第三章 光辐射探测器 光辐射测量原理与技术 本章内容 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 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 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： 热探测器利用热电效能 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： 3.1.1 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。 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。 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） 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 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。 分析噪声源的性质 （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，称为温度噪声。 （3-13） 只有信号足够强，才能与噪声电流区别开。 信噪比，作为表征探测系统探测能力和精度的一个十分重要的指标，记作SNR (3-14) 2. 噪声等效功率NEP 噪声等效功率是探测器产生与其噪声均方根电压相等的信号所需入射到探测器的辐射功率 (3-15) 用NEP描述探测器探测能力的不便之处 数值越小，表示探测器的探测能力越强，相对缺乏直观性。为此一般引入NEP的倒数——D探测率 （3-16） 更常采用的是采用比探测率D* （3-17） 需要注意：探测器的比探测率不是一个固有常量。 探测器的比探测率不是一个固有常量。 首先，它和响应度成正比，随波长变化的规律与响应度的相同。 其次，与各种影响响应度和噪声电流的因素都有关系，所以在给出探测器的比探测率时，一般注明测量的条件。一些不在圆弧号内说明的可另加注释。 3.2 光电探测器 3.2.1 光电管和光电倍增管 2.光电效应方程 根据光子说及能量转换和守恒定律有: hυ—表示一个光子的能量 E0—金属的逸出功 3.光阴极的量子效率: 4.光电管的基本特征 ①积分响应度: ②响应时间约10-8S(快速变化的脉冲光)