第五章 光辐射的探测
第五章地面和大气中的辐射过程2
大气上界和海平面的太阳辐射谱
在地球―大气系统对太阳辐射的吸收中, 大气的吸收只占 20%，地球表面吸收了 约50%，这一点在地球―大气系统的能 量平衡及气候的形成和变化中有极重要 的作用。
1. 地面反照率 地球表面能获得多少太阳辐射能，在很大程度上依 赖于地表反射率。
各种地面的平均反照率
2. 云的反照率
第五章地面和大气中的辐射过程51辐射的基本概念52辐射的物理规律53地球大气与辐射的相互作用54太阳辐射在地球大气中的传输55地球大气系统的长波辐射56地面大气及地气系统的辐射平衡地球作为飘浮在宇宙空间的一个物体它只有通过辐射过程才能与其周围环境交换能量并最终达到某种平衡
大气中有各种气体成分以及水滴、尘埃等 气溶胶颗粒，辐射在大气中传输时，要受 到大气的影响，其强度、传输方向以及偏 振状态都会发生变化。 这种作用主要有吸收、散射和折射。由于 折射过程一般与能量收支问题关系较少， 这里主要讲述吸收和散射的作用。
地球–大气系统的反照率称为行星反照率，它表示射入地 球的太阳辐射被大气、云及地面反射回宇宙空间的总百 分数。
行星反照率分为各地区行星反照率和全球行星反照率。 因为各地云量和冰雪分布情况不同，
各地区行星反照率的差别较大，赤道地区的行星反照率 约为0.2甚至更小，而极地为0.6甚至达到0.95。 至于全年平均的全球行星反照率，数值可取0.30。这是 由地球表面的平均反照率（约为0.15）、云的高反照率 和大气的后向散射作用的综合结果。
所谓吸收，就是指投射到介质上面的辐射能中的一 部分被转变为物质本身的内能或其它形式的能量。 辐射在通过吸收介质向前传输时，能量就会不断被 削弱，介质则由于吸收了辐射能而加热，温度升高。 大气中各种气体成分具有选择吸收的特性，这是由 组成大气的分子和原子结构及其所处运动状态决定 的。
塞贝克效应-湖南大学
Ei
k
k’
Eg
➢ 略去光子动量：k f ki q（5 116） ➢ q声子波矢, “–”发出, “+”吸收声子.源自' aA(h
Eg
EP
EP )2
(当h
Eg
EP ) (5 1 23)
e kT 1 吸收一个声子间接跃迁吸收系数
' e
A(h
1
Eg
➢ 剩余射线带短方向, 吸收光谱依赖
T, 吸收有两个以上声子产生. 吸收 一个光子产生两个声子, 守恒定律:
能量守恒 动量守恒
(k )
(q)
(5
1
26)
q k 0
能量守恒 动量守恒
(k
)
(q1
)
(q2（) 5
1
27）
k q1 q2
§5-1 物质中的光吸收
一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收
➢ 半导体能级结构图.
E0 W=E0-EF 电子亲和
势
Eg
➢ 逸出功W=真空能级E0−费米EF
§5-1 物质中的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应
§5-3 光辐射探测过程中的噪声
一、光电效应 二、光热效应
1. 外光电效应(光电子发射) 2. 内光电效应(光电导效应与光伏效应)
① 光子被材料吸收 ② 光电子向材料表面运动 ③ 光电子逸出界面
§5-4 光辐射的探测方法
一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收
四、激子吸收 五、杂质吸收
➢ 红外段, 光子和晶格振动互作用引起吸收区. 离子晶体或离子性强化合物(GaAs)存在强晶
核辐射测量方法-第五章
m0 c 2 Ec ( 0.256Mev) 2
一、γ射线仪器谱的形成机制
康普顿散射
一、γ射线仪器谱的形成机制
形成电子对效应
二、“小探测器”的能谱响应
所谓“小”探测器是指探测器的体积小于初始γ射线与吸收 材料相互作用所产生的次级γ辐射的平均自由程；同时假定γ 射线与探测器介质相互作用产生的所有带电粒子(光电子、康普
康普顿散射 散射光子能量：
hv' |
反冲电子能量：
1 2
hv hv m0 C 2
2hv / m0 c 2 Ee | hv[ ] 2 1 2hv / m0 c
一、γ射线仪器谱的形成机制
康普顿散射 入射光子能量与最大反冲电子能量之差：
hv Ec hv Ee | 1 2hv / m0 c 2
二、不同形状γ射线源的照射量率计算方法 γ照射量率常数Γ
dx X dt
m e i E ,i i 1 i W
m
A贝可 m 光子 m 米2 焦耳 6.242 1018电子伏 1.602110－19 库仑 2 2 ni E ,i 4 l 米 i 1 转变 i 千克 光子 焦耳 33.73电子伏 A m m 库仑 2.36110 2 ni E ,i l i 1 i 千克 秒
----产生电离的本领而作出的一种量度 X=d Q/d m Ｘ＝Ｋa e/W
Ｋa：γ光子在空气中的比释动能；
e：为电子的电荷；
W：在空气中形成一对离子所消耗的平均电离能。
一、基本问题
照射量率 kg· C-1· s-1 ----产生电离的本领而作出的一种量度 X=d Q/d m
第五章_2节_辐射的基本定律
T=300K,
T=6000K,
b max 9.66 m 300 b max 0.48 m 6000
五、太阳辐射和地球辐射的差别
1. 太阳辐射特点
•辐射集中于0 .17-4 μm，极值辐射位于0.48μm • <0.25μm的太阳辐射, 主要来自非热平衡辐射? • >4μm的太阳辐射, 很少部分
黑体与非黑体辐射 间的联系
黑体辐射定律
Kirchhoff 定律和黑体辐射定律的成立条件: 热力学平衡态，即系统内温度、密度、 动量均匀,辐射各向同性. 60公里以下大气层,某段时间内，某有限体 积元，可认为有确定的温度，近似满足 热力学平衡条件，称局地热力学平衡. 此时能量跃迁由分子碰撞决定。
历史的发展
h 6.62621034 ( J S )
•黑体辐射率随温度和波长的分布函数, 即黑体的单色(或分光)辐射率：
B ( , T ) 2hc2
5
e
1
hc kT
1
c1
5 e
1
c2 T
(W m 2 m 1 sr 1 ) 1
F ( , T ) B ( , T ) B 可看出
1859 年 基尔霍夫定律 斯蒂芬 波尔兹曼 斯蒂芬-波尔兹曼 定律
1879 年 1884 年 1893 年 1901 年
韦恩位移定律 普朗克定律
吸收率 a（吸收系数）: 物体吸收的辐射能与投射到该物体上 的辐射能之比。
（和物体的性质、波长、温度有关。）
黑体：吸收率为1的物体称为绝对黑体。 灰体：物体的吸收不随波长而变 (单色吸 收率与波长无关) ,且吸收率小于1的物体称 为灰体。 放射率ε（比辐射率,黑度）： 物体的辐射通量密度与同温度下黑 体的辐射通量密度之比。
第五章(全)--光电子技术
工作原理：常作成长条形，如图所示。当光点沿长条方向扫过时， 外加电场驱使光生载流子沿光点扫描方向迁移，并保证光点扫描速 度等于载流子迁移速度，光场在元件上产生的载流子被外加电场扫 在一起，最后堆积到元件末端的两电极之间，从而改变该区域的光 电导，在外回路得到光信号电流。在光电扫描与载流子迁移过程中， 信号经累积(积分)输出，而噪声由于其不相关特性，不会像信号— 样累积，从而大大提高了器件的灵敏度，比通常的8-14um波段的红 外探测器背景限提高了几倍。
I
•光电导的驰豫特性限制了器件对 较高调制频率的光功率的响应。
63 37 0 1 0 1
பைடு நூலகம்t/τ
图5.7、光电导的驰豫特性
ξ5.3 实用光电导探测器
5.3.1 单晶光电导探测器
(一)本征型: (1)碲镉汞 (HgCdTe)（2）锑化铟(InSb)（3）碲锡铅(PbSnTe) (二)杂质型： (1)锗掺汞 (Ge:Hg)(2)锗掺镓 (Ge:Ga)(3)硅掺砷（Si:As）
i
2 N
2 iN f i2 Ng r
i
2 NJ
1kHz
1MHz
图5.2、光电导探测器的噪声分布
二、光电导探测器的性能参数 A. 响应率
IS 电流响应率： RI P
前面的推导我们已经得到 可以得到响应率为：
VS 电压响应率： RV P
e IP GP hv
e RI G hv e RV GRd hv
P( x)
hv P( x) wLhv
：在x处单位时间吸收的光子数
n( x )
:在x方向上单位长度体积内的被吸收的光子数 密度,由于α 包含了量子效率在里面，因此也 等于单位时间、单位体积产生的光电子数。
第五章 光电直接检测系统
① 取τ1λ为被测距离L在光谱响应范围内的平均透过率τ1。 ② 光学系统的透过率τ0λ对光谱响应范围内平均值。 ③ 把检测器的光谱响应带看成是一个矩形带宽。即在响应范围内为 常数RV，在其它区域为零。 ④根据物体的温度T查表，可计算出在考查波段范围内的黑体辐射强度， 再乘以物体的平均比辐射率，可得到物体在光谱响应范围内的辐射强度Ie。
5.2.4 系统的通频带宽度
频带宽度f是光电检测系统的重要指标之一。检测系统要求f应保存原有 信号的调制信息，并使系统达到最大输出功率信噪比。系统按传递信号能力， 可有以下几种方法确定系统频带宽度。
I (ω)
0.66 ω1 = 1. 等效矩形带宽： τ0
ω 1
I (0)
2. 频谱曲线下降3dB的带宽 f2 = 3. 包含90%能量的带宽 f = 0.89 3 τ0
eη α= 称为光电变换比例常数 hν
5-3
5.1 光电直接检测系统的基本工作原理 若光检测器负载电阻RL，则光检测器输出电功率为：
eη 2 P = I RL = 5-4 P RL o s hν 光检测器的平方律特性：光电流正比于光电场振幅的平方， 电输出功率正比于入射光功率的平方。
2 2 s
第五章 光电直接检测系统
非相干检测，
光 电 检 测 系 统
直 接 检 测 光 外 差 检 测
光源：非相干或相干光源 原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为 电信号，解调电路检出信息。 调制方法：光强度调制、偏振调制。
直接检测是一种简单实用的方法。
相干检测， 光源：相干光源 原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息， 检测时需要用光波相干原理。 调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制
5-21
RVλ为检测器的 光谱响应度
第五章半导体中的光辐射和光吸收
第五章半导体中的光辐射和光吸收1. 名词解释：带间复合、杂质能级复合、激子复合、等电子陷阱复合、表面复合。
带间复合：在直接带隙的半导体材料中，位于导带底的一个电子向下跃迁，同位于价带顶的一个空穴复合，产生一个光子，其能量大小正好等于半导体材料E。
的禁带宽度g浅杂质能级复合：杂质能级有深有浅，那些位置距离导带底或价带顶很近的浅杂质能级，能与价带之间和导带之间的载流子复合为边缘发射，其光子能量总E小。
比禁带宽度g激子复合：在某些情况下，晶体中的电子和空穴可以稳定地结合在一起，形成一个中性的“准粒子”，作为一个整体存在，即“激子”。
在一定条件下，这些激子中的电子和空穴复合发光，而且效率可以相当高，其复合产生的光子能量小E。
于禁带宽度g等电子陷阱复合：由于等电子杂质的电负性和原子半径与基质原子不同，产生了一个势场，产生由核心力引起的短程作用势，从而形成载流子的束缚态，即陷阱能级，可以俘获电子或空穴，形成等电子陷阱上的束缚激子。
由于它们是局域化的，根据测不准关系，它们在动量空间的波函数相当弥散，电子和空穴的波函数有大量交叠，因而能实现准直接跃迁，从而使辐射复合几率显著提高。
表面复合：晶体表面的晶格中断，产生悬链，能够产生高浓度的深的或浅的能级，它们可以充当复合中心。
通过表面的跃迁连续进行表面复合，不会产生光子，因而是非辐射复合。
2. . 什么叫俄歇复合，俄歇复合速率与哪些因素有关？为什么长波长的InGaAsP 等材料的俄歇复合比短波长材料严重？为什么俄歇复合影响器件的J th 、温度稳定性和可靠性？ 解析：● 俄歇效应是一个有三粒子参与、涉及四个能级的非辐射复合的效应。
在半导体中，电子与空穴复合时，把能量或者动量通过碰撞转移给第三个粒子跃迁到更高能态，并与晶格反复碰撞后失去能量。
这种复合过程叫俄歇复合.整个过程中能量守恒，动量也守恒。
●半导体材料中带间俄歇复合有很多种，我们主要考虑CCHC 过程（两个导带电子与一个重空穴）和CHHS 过程（一个导带电子和两个重空穴）。
核辐射探测学习题参考答案(修改)
第一章射线与物质的相互作用1.不同射线在同一物质中的射程问题如果已知质子在某一物质中的射程和能量关系曲线，能否从这一曲线求得d （氘核）与t （氚核）在同一物质中的射程值？如能够，请说明如何计算？解：P12”利用Bethe 公式，也可以推算不同带点例子在某一种吸收材料的射程。
”根据公式：)()(22v R M M v R b ab b a a Z Z =，可求出。
步骤：1先求其初速度。
2查出速度相同的粒子在同一材料的射程。
3带入公式。
2：阻止时间计算：请估算4MeV α粒子在硅中的阻止时间。
已知4MeV α粒子的射程为17.8μm 。
解：解：由题意得 4MeV α粒子在硅中的射程为17.8um 由T ≌1.2×107-REMa，Ma=4得 T ≌1.2×107-×17.8×106-×44()s ＝2.136×1012-()s3：能量损失率计算课本3题，第一小问错误，应该改为“电离损失率之比”。
更具公式1.12-重带点粒子电离能量损失率精确表达式。
及公式1.12-电子由于电离和激发引起的电离能量损失率公式。
代参数入求解。
第二小问：快电子的电离能量损失率与辐射能量损失率计算：()20822.34700700()rad iondE E Z dx dEdx*⨯≅=≈4光电子能量：光电子能量：（带入B K ） 康普顿反冲电子能量：200.511m c Mev =ie hv E ε-=220200(1cos ) 2.04(1cos 20) 4.16160.060.3947(1cos )0.511 2.04(1cos 20)0.511 2.040.06Er Ee Mev m c Er θθ--⨯====+-+-+⨯5:Y 射线束的吸收解：由题意可得线性吸收系数10.6cm μ-=，311.2/pb g cm ρ=12220.6 5.3610/11.2/m pb cm cm g g cmμμρ--∴===⨯质量吸收系数 由r N μσ=*可得吸收截面：12322230.61.84103.2810/r cm cm N cm μσ--===⨯⨯ 其中N 为吸收物质单位体积中的原子数2233.2810/N cm =⨯ 0()t I t I e μ-=要求射到容器外时强度减弱99.9% 0()0.1%0.001t I t e I μ-∴=∴=即t=5In10 =11.513cm6：已知)1()(tι--=e A t f t 是自变量。
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作业习题 第五章 光辐射的探测
1 第五章 光辐射的探测
一、名词解释
1、本征吸收；晶格振动吸收；自由载流子吸收；激子吸收；杂质吸收
2、光电发射效应；光电导效应；光伏效应
3、热释电效应；测辐射热计效应；温差电效应
4、珀尔贴效应；塞贝克效应；汤姆逊效应
5、量子噪声；倍增噪声；产生复合噪声；1/v 噪声；热噪声
6、信噪比；信噪比改善系数；等效噪声功率；探测度；等效噪声带宽；噪声系
数
二、简答及计算题
1、根据能级结构不同，本征吸收可分为两大类：直接跃迁和间接跃迁。
（1） 分别介绍这两种跃迁方式的特色及区别。
（2） “直接带隙半导体”和“间接带隙半导体”如何定义？
（3） 对于本征吸收，对光子的频率或波长有何要求？
2、对于“声子”的概念如何理解？
3、（1）比较光电类探测器和光热类探测器在作用机理、性能及应用特点等方面
的差异。
（2）“光谱灵敏度λR 为常数”是光子探测器的特点还是光热探测器的特点？
4、如何理解光电导效应过程中的“电流增益”现象？
5、光电效应有哪几种？利用各种光电效应分别可做成什么光电探测器件？
6、分析光照PN 结N 区时光伏效应的物理过程。
7、一光电阴极在波长为520nm 的光照射下，光电子的最大动能是0.67eV ，求该
光电阴极的逸出功。
8、若探测器的归一化探测度12
19*105.1-⋅⋅⨯=W Hz cm D ，光敏面积为1mm 2，测量带宽为1Hz ，求该探测器的等效噪声功率。
9、什么是噪声的功率谱密度？在光电探测过程中抑制噪声的基本原则是什么？
10、电阻为Ωk 1的器件其频带宽度为10MHz ，在室温（T=300K ）条件下产生的
热噪声功率是多少？。