光电检测光电探测器2012.ppt
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1、 光电检测器件是利用物质的光电效应把光电检测器件是利用物质的光电效应把光光信号转换成电信号的器件信号转换成电信号的器件。它是光电系统的核。它是光电系统的核心组成部分,在光电系统中的作用是发现信号、心组成部分,在光电系统中的作用是发现信号、测量信号,并为随后的应用提取某些必要的信测量信号,并为随后的应用提取某些必要的信息。息。第二章、光电检测器件第二章、光电检测器件 热电探测器特点:热电探测器特点:响应波长无选择性响应波长无选择性响应波长无选择性响应波长无选择性,它对从可见光,它对从可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感。到远红外的各种波长的辐射同样敏感。响应慢响应慢响应慢响应慢,吸收辐射,吸收
2、辐射产生信号需要的时间长,一般在几毫秒以上。产生信号需要的时间长,一般在几毫秒以上。光电探测器特点:光电探测器特点:响应波长有选择性响应波长有选择性响应波长有选择性响应波长有选择性,存在某一截止,存在某一截止波长波长0 0,超过此波长,器件没有响应。超过此波长,器件没有响应。响应快响应快响应快响应快,一般在纳,一般在纳秒到几百微秒。秒到几百微秒。1.1.响应度(或灵敏度响应度(或灵敏度)光电探测器的输出电压或输出电流光电探测器的输出电压或输出电流(或光电导或光电导)与入射与入射光功率光功率(或光照度或光照度)之比之比,它描述器件的光电转换效能。,它描述器件的光电转换效能。第一节、基本特性参数第
3、一节、基本特性参数一、响应方面的参数一、响应方面的参数光谱响应度光谱响应度 光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上的光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上的单色辐射通量之比单色辐射通量之比,光谱响应度愈大,表示光电探测器愈灵敏。光谱响应度愈大,表示光电探测器愈灵敏。积分响应度积分响应度 光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量之比称为光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量之比称为积分响应度积分响应度。积分灵敏度表示探测器对积分灵敏度表示探测器对连续辐射通量连续辐射通量的反应的反应程度。程度。2 2响应时间响应时间 当入射辐射到光电探测器当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后
4、,光电探后或入射辐射遮断后,光电探测器的输出上升到稳定值或下测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为降到照射前的值所需时间称为响应时间响应时间。上升时间和下降时间上升时间和下降时间3 3频率响应频率响应 光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应为频率响应。二、噪声方面的参数二、噪声方面的参数 从响应度的定义来看,好象只要有光辐射存在,不管它的从响应度的定义来看,好象只要有光辐射存在,不管它的功率如何小,都可探测出来。但事实并非如此。当入射功率很低功率如何小,都可探测出来。但事实并非如此。当入射功率很低时,输出只是
5、些杂乱无章的变化信号,而无法肯定是否有辐射入时,输出只是些杂乱无章的变化信号,而无法肯定是否有辐射入射在探测器上。这并不是探测器不好引起的,而是它所固有的射在探测器上。这并不是探测器不好引起的,而是它所固有的“噪声噪声”引起的。如果对这些随时间而起伏的电压引起的。如果对这些随时间而起伏的电压(流流)按时间取按时间取平均值,则平均值等于零。但这些值的平均值,则平均值等于零。但这些值的均方根不等于零,这个均均方根不等于零,这个均方根电压方根电压(流流)称为探测器的噪声电压称为探测器的噪声电压(流流)。热噪声:热噪声:也称约翰逊噪声,也称约翰逊噪声,载流子无规则的热运动造成的噪声。载流子无规则的热运
6、动造成的噪声。热噪声存在于任何电阻中。热噪声存在于任何电阻中。热噪声存在于任何电阻中。热噪声存在于任何电阻中。热噪声与温度成正比。热噪声与温度成正比。热噪声与温度成正比。热噪声与温度成正比。热噪声与频率无关。热噪声与频率无关。热噪声与频率无关。热噪声与频率无关。热噪声是各种频率分量组成,就像白热噪声是各种频率分量组成,就像白光是各种波长的光组成一样,所以热噪声也称为光是各种波长的光组成一样,所以热噪声也称为白噪声白噪声。1 1、器件的噪声、器件的噪声散粒噪声:散粒噪声:也称散弹噪声,也称散弹噪声,穿越势垒的载流子的随机涨落(统计起伏)所穿越势垒的载流子的随机涨落(统计起伏)所造成的噪声。在每个
7、时间间隔内,穿过势垒区的载流子的数或从阴造成的噪声。在每个时间间隔内,穿过势垒区的载流子的数或从阴极到阳极的电子数都围绕一平均值上下起伏。散粒噪声也是极到阳极的电子数都围绕一平均值上下起伏。散粒噪声也是白噪声白噪声。产生复合噪声:产生复合噪声:产生复合噪声:产生复合噪声:载流子的产生率与复合率在某个时间间隔内也会在平均值上下载流子的产生率与复合率在某个时间间隔内也会在平均值上下载流子的产生率与复合率在某个时间间隔内也会在平均值上下载流子的产生率与复合率在某个时间间隔内也会在平均值上下起伏,这种起伏导致载流子浓度的起伏,从而也产生均方噪声电流。起伏,这种起伏导致载流子浓度的起伏,从而也产生均方噪
8、声电流。起伏,这种起伏导致载流子浓度的起伏,从而也产生均方噪声电流。起伏,这种起伏导致载流子浓度的起伏,从而也产生均方噪声电流。它不是白噪声。它不是白噪声。它不是白噪声。它不是白噪声。1/f 噪声噪声(闪烁噪声或低频噪声):闪烁噪声或低频噪声):由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在,当电流由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在,当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲称为流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲称为1/f 噪声。噪声。频率越低,这种噪声越大,所以也称为低频噪声,它是属于频率越低,这种噪声越大,所以也称为低频噪声,它是属于“红红”噪声。噪声。2
9、 2、噪声参数:、噪声参数:信噪比信噪比(SN):信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是在负载电阻在负载电阻R RL L上上产生的信号功率与噪声功率之比产生的信号功率与噪声功率之比,即若用分贝若用分贝(dB)dB)表示,则为表示,则为 利用利用S SN N评价两种光电探测器性能时,必须在评价两种光电探测器性能时,必须在信号辐信号辐射功率相同射功率相同的情况下才能比较。的情况下才能比较。但对单个光电探测器,其但对单个光电探测器,其S SN N的大小与入射信号辐射的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关。如果入射辐射强,接收面积大,功率及接收面积有关。如果入
10、射辐射强,接收面积大,S SN N就大,但性能不一定就好。因此用就大,但性能不一定就好。因此用S SN N评价器件有一定的评价器件有一定的局限性。局限性。等效噪声输入等效噪声输入等效噪声输入等效噪声输入(ENlENl):它定义为器件在特定带宽内器件在特定带宽内(1(1Hz)Hz)产生的均方根信号电流恰好产生的均方根信号电流恰好等于均方根噪声电流值时的输入通量等于均方根噪声电流值时的输入通量,此时,其他参数,如频率温度等应加以规定。这个参数是在确定光电探测器件的探测极限(以输入通量为瓦或流明表示)时使用。噪声等效功率噪声等效功率(NEP):或称最小可探测功率最小可探测功率P Pminmin。它定
11、义为信号功率与噪声功率之比信号功率与噪声功率之比为为1(1(即即S SN N=1)=1)时,入射到探测器上的辐射通量时,入射到探测器上的辐射通量(单位为瓦单位为瓦)。即探测率探测率D D:只用只用NEPNEP无法比较两个不同来源的光探器的优劣。为此,引入无法比较两个不同来源的光探器的优劣。为此,引入两个新的性能参数两个新的性能参数探测率探测率D D和比探测率和比探测率D D*。探测率探测率D D定义为定义为NEPNEP(噪声等效功率)的倒数噪声等效功率)的倒数,即,即 显然,显然,D D愈大,光电探测器的性能就愈好。探测率愈大,光电探测器的性能就愈好。探测率D D所提供的信所提供的信息与息与N
12、EPNEP一样,也是一项特征参数。不过它所描述的特性是:光电一样,也是一项特征参数。不过它所描述的特性是:光电探测器在它的噪声电平之上产生一个可观测的电信号的本领,探测器在它的噪声电平之上产生一个可观测的电信号的本领,即光即光即光即光电探测器能响应的入射光功率越小,则其探测率越高。电探测器能响应的入射光功率越小,则其探测率越高。电探测器能响应的入射光功率越小,则其探测率越高。电探测器能响应的入射光功率越小,则其探测率越高。归一化探测率归一化探测率D D*:为了在不同带宽内对测得的不同的光敏面积的光电探测器件进为了在不同带宽内对测得的不同的光敏面积的光电探测器件进行比较,使用了归一化探测率(比探
13、测率)行比较,使用了归一化探测率(比探测率)D D*。暗电流暗电流Id :即光电探测器在没有输入信号和背景辐射时所流过的电流即光电探测器在没有输入信号和背景辐射时所流过的电流(加加电源时电源时)。一般测量其直流值或平均值。一般测量其直流值或平均值。1 1、量子效率、量子效率():在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。比。一般一般()反映的是入射辐射与最初的光敏面的相互作反映的是入射辐射与最初的光敏面的相互作用。若用。若()1(理论上),则入射一个光量子就能发射一理论上),则入射一个光量子就能发射一个电子或产生一对电子孔穴
14、对。实际上个电子或产生一对电子孔穴对。实际上()410nm的的可可见见光光来来说说,很很难难产生光电发射产生光电发射,量子效率低;量子效率低;量子效率低;量子效率低;金属材料是否满足良好的光电发射材料的条件?金属材料是否满足良好的光电发射材料的条件?金属材料是否满足良好的光电发射材料的条件?金属材料是否满足良好的光电发射材料的条件?半导体材料是否满足良好的光电发射材料的条件?半导体材料是否满足良好的光电发射材料的条件?半导体材料是否满足良好的光电发射材料的条件?半导体材料是否满足良好的光电发射材料的条件?光吸收系数比金属大;光吸收系数比金属大;光吸收系数比金属大;光吸收系数比金属大;体体体体内
15、内内内自自自自由由由由电电电电子子子子少少少少,散散散散射射射射能能能能量量量量变变变变小小小小故故故故量量量量子子子子效效效效率率率率比比比比金金金金属大;属大;属大;属大;光发射波长延伸至可见光、近红外波段光发射波长延伸至可见光、近红外波段光发射波长延伸至可见光、近红外波段光发射波长延伸至可见光、近红外波段。70 70 70 70年代后期,发展了年代后期,发展了年代后期,发展了年代后期,发展了负电子亲和势(负电子亲和势(负电子亲和势(负电子亲和势(NEANEANEANEA)光电阴极,长波光电阴极,长波光电阴极,长波光电阴极,长波可至可至可至可至1.61.6mm。(1)(1)使光电阴极发射的
16、光电子尽可能全部会聚到第一倍增极上,而将其他部分使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到第一倍增极上,而将其他部分的杂散电子散射掉,提高信噪比;的杂散电子散射掉,提高信噪比;(2)(2)使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中有尽可能相等的渡越时间,使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中有尽可能相等的渡越时间,以保证光电倍增管的快速响应。以保证光电倍增管的快速响应。光电阴极光电阴极聚焦极聚焦极3 3电子光学系统电子光学系统 倍增系统是由许多倍增极组成的综合体,每个倍增极都是由二次电子倍增材倍增系统是由许多倍增极组成的综合体,每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成,具有使一次电子倍增的能力。因
17、此倍增系统是决定整管灵敏度最关键的料构成,具有使一次电子倍增的能力。因此倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。部分。4 4二次发射倍增系统二次发射倍增系统 阳极是采用金属网作的栅网状结构,把它置于靠近最末一级倍阳极是采用金属网作的栅网状结构,把它置于靠近最末一级倍增极附近,用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。增极附近,用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。光入射窗口光入射窗口光电阴极光电阴极电子光学输入系统电子光学输入系统二次发射电子倍增器二次发射电子倍增器阳极阳极5 5阳极阳极1 1、光子透过入射窗入射到光电阴极、光子透过入射窗入射到光电阴极K K上。上。2 2、光电阴极的电子受光子激发,
18、离开表面发射到真空中。、光电阴极的电子受光子激发,离开表面发射到真空中。3 3、光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极、光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1D1上,倍增极发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经上,倍增极发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N N级倍增后,光电子就放大级倍增后,光电子就放大N N次。次。4 4、经过倍增后的二次电子由阳极、经过倍增后的二次电子由阳极a a收集起来,形成阳极光电流,在收集起来,形成阳极光电流,在负载负载R RL L上产生信号电压。上产生信号电压。、基本特性参数、基本特性参数1 1光谱响应度光谱响应度
19、 PMTPMT的光谱响应曲线与光电阴极的相同,主要取决于的光谱响应曲线与光电阴极的相同,主要取决于光电阴光电阴极材料的性质极材料的性质。2 2放大倍数放大倍数(电流增益电流增益)在一定工作电压下,光电倍增管的阳极电流与阴极电流之在一定工作电压下,光电倍增管的阳极电流与阴极电流之比称为管子的放大倍数比称为管子的放大倍数M M或电流增益或电流增益G G。3.3.暗电流暗电流 它限制了可测直流光通量的最小值,同时也是产生噪声的重它限制了可测直流光通量的最小值,同时也是产生噪声的重要因素,是鉴别管子质量的重要参量。应选取暗电流较小的管要因素,是鉴别管子质量的重要参量。应选取暗电流较小的管子。子。4.4
20、.伏安特性伏安特性 光电倍增管的伏安特性光电倍增管的伏安特性曲线分为阴极伏安特性曲线曲线分为阴极伏安特性曲线与阳极伏安特性曲线。在电与阳极伏安特性曲线。在电路设计时,一般使用阳极伏路设计时,一般使用阳极伏安特性曲线来进行负载电阻、安特性曲线来进行负载电阻、输出电流、输出电压的计算。输出电流、输出电压的计算。5.5.频率响应频率响应 由于由于PMT是光电发射型器件,而光电发射的延迟时间是光电发射型器件,而光电发射的延迟时间31013S,所以所以PMTPMT有很高的频率响应有很高的频率响应有很高的频率响应有很高的频率响应。6.6.噪声噪声 主要来源是光电阴极、光电发射的随机性和各倍增极二次主要来源
21、是光电阴极、光电发射的随机性和各倍增极二次电子发射的随机性,同时也与背景光或信号光中的直流分量电子发射的随机性,同时也与背景光或信号光中的直流分量有关。有关。、PMTPMT的供电电路的供电电路 倍增管各电极要求倍增管各电极要求直流供电直流供电,从阴极开始至各级的电压,从阴极开始至各级的电压要依次升高,一般多采用要依次升高,一般多采用电阻链分压电阻链分压电阻链分压电阻链分压办法来供电。一般情况办法来供电。一般情况下,各级间电压均相等,约下,各级间电压均相等,约80V100V,总电压总电压约约1KV1.3KV。对对电源电压稳定性要求较高电源电压稳定性要求较高。如果电源电压不稳,会引起许多。如果电源
22、电压不稳,会引起许多参量的变化,特别是电流增益变化,从而直接影响输出特性。目前参量的变化,特别是电流增益变化,从而直接影响输出特性。目前已有光电倍增管专用的电源稳压块。已有光电倍增管专用的电源稳压块。1)1)1)1)电源电压稳定性的要求电源电压稳定性的要求电源电压稳定性的要求电源电压稳定性的要求 电源电压的变化和放大倍数变化的关系为:电源电压的变化和放大倍数变化的关系为:电源电压的变化和放大倍数变化的关系为:电源电压的变化和放大倍数变化的关系为:因倍增管中的电流与电阻链中的电流是并联关系,要保证各因倍增管中的电流与电阻链中的电流是并联关系,要保证各级电压稳定,要求流过电阻链的电流级电压稳定,要
23、求流过电阻链的电流IR至少要比阳极电流至少要比阳极电流Ia大大20倍以上倍以上。一般说,一般说,IR越大,对稳定极间电压越大,对稳定极间电压U UD D越有利。但越有利。但IR也不能太大,也不能太大,因为因为IR太大会增大电阻的功耗,加重电源负担。当太大会增大电阻的功耗,加重电源负担。当UD给定后,分给定后,分压电阻压电阻R的最大值的最大值应取决于阳极的最大平均电流应取决于阳极的最大平均电流,R最小值最小值应取应取决于高压电源输出的功率决于高压电源输出的功率。一般常用分压器的阻值选择范围为。一般常用分压器的阻值选择范围为20K 500K2)2)2)2)电阻链分压电阻的确定电阻链分压电阻的确定电
24、阻链分压电阻的确定电阻链分压电阻的确定 倍增管的输出电流主要是倍增管的输出电流主要是来自于最后几级,探测脉冲来自于最后几级,探测脉冲光时,为了不使光时,为了不使阳极脉动电阳极脉动电流流引起极间电压发生大的变引起极间电压发生大的变化,常在最后几级的分压电化,常在最后几级的分压电阻上并联电容器。阻上并联电容器。3)3)并联电容的确定并联电容的确定 倍增管供电电路与其后倍增管供电电路与其后倍增管供电电路与其后倍增管供电电路与其后续信号处理电路必须要有续信号处理电路必须要有续信号处理电路必须要有续信号处理电路必须要有一个共用的参考电位,即一个共用的参考电位,即一个共用的参考电位,即一个共用的参考电位,
25、即接地点。倍增管的接地方接地点。倍增管的接地方接地点。倍增管的接地方接地点。倍增管的接地方式有两种,即式有两种,即式有两种,即式有两种,即阴极接地阴极接地阴极接地阴极接地或或或或阳极接地阳极接地阳极接地阳极接地。4)4)接地方式接地方式阴极接地阴极接地阴极接地阴极接地阳极接地阳极接地阳极接地阳极接地 优点:优点:便于屏蔽,光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得近便于屏蔽,光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得近些,些,屏蔽效果好;暗电流小,噪声低屏蔽效果好;暗电流小,噪声低。缺点:缺点:但这时阳极要处于正高压,会导致寄生电容大,匹但这时阳极要处于正高压,会导致寄生电容大,匹配电缆连接复杂,特别是后面若接直
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- 光电 检测 探测器 2012
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