光电检测复习

恒流源型光电器件输入电路的静态计算
图解计算法
Ub＝U(I)+IRL 或 U(I)＝Ub-IRL
在伏安特性上划出负载线Ub-IRL，
由于串联回路中流过各回路元件的电流相等，负载线和对应于 输入光通量为 Φo时的器件伏安特性曲线的交点 Q即为输入电路 的静态工作点。当输入光通量由 Φo改变 +ΔΦ（或-ΔΦ）时，在 负载电阻RL上会产生-ΔU（或+ΔU）的电压信号输出和+ΔI（或 -ΔI）的电流信号输出。
• 3.温差效应-由两种材料制成的结点出现温差而在两结
点间产生电动势，回路中产生电流。
光电检测器件的特征参数与性能
响应波长无选择性； 响应速度慢。
热电检 测器件
响应波长有选择性； 光电器件
响应速度快。
☻
光电 发射型
光子检 测器件
☻
热电堆
光电导型
光伏型
热释电 检测器
热敏电阻
一、特征参数：
•响应度（灵敏度）； •光谱响应度；
Pc 2S 2 Ps PL RL
输出信号中包含 f s f L 的差频信号,因此称光外差检测 输出的中频功率正比于信号光和本振光功率的乘积。
光外差检测的空间和频率条件
L • l θ :两束光的夹角，l=d：检测器光敏
空间条件： sin
面线度．
波长越短或口径越大，要求相位差角 θ 越小，越难满足要求．
物理本质：PN结内建电场使得载流子（电子和空 穴）的扩散和漂移运动达到了动态的平衡，在光子能 量大于禁带宽度的光照的作用下，激发出的电子空穴 对，打破原有平衡，靠近结区电子和空穴分别向N区 和P区移动，形成光电流，同时形成载流子的积累， 内建电场减小，相当于在PN加了一个正向电压，即 光生电动势。
– 金属的热敏电阻，电阻温度系数多为正的，绝 对值比半导体的小，它的电阻与温度的关系基 本上是线性的，耐高温能力较强，所以多用于 温度的模拟测量。 – 半导体的热敏电阻，电阻温度系数多为负的， 绝对值比金属的大十多倍，它的电阻与温度的 关系是非线性的，耐高温能力较差，所以多用 于辐射探测，例如，防盗报警、防火系统、热 辐射体搜索和跟踪等。
光电倍增管
• 光电倍增管由阴极、聚焦极、电子倍增系统(许 多倍增极 ，二次电子倍增材材料)和阳极组成。 • 建立在外光电效应、二次电子发射效应和电子学 理论基础上。
• 发光二极管—加正向偏压 • 光电耦合器件---耦合、隔离 • 光电检测器件中常用的卤钨灯是什么光源？
光热器件
• 原理：器件吸收入射辐射功率产生温升，温升引起 材料各种有赖于温度的参量的变化，监测其中一种 性能的变化，来探知辐射的存在和强弱。
光热效应
– 光热效应：材料受光照射后（光子能量与晶格相互 作用，振动加剧，温度升高）材料的性质发生变化。 – 据温升引起变化的性质分为3类： • 1.热释电效应-介质的极化强度随温度变化而变化，引
起电荷表面电荷变化的现象．居里温度下工作。
• 2.辐射热计效应-入射光的照射使材料由于受热而造成
电阻率变化的现象．
• 频率条件：
要求信号光和本振光具有高度的单色 性和频率稳定性。 信号光与本振光并非平行 而成一夹角θ
干涉测量基本原理：改变干涉仪中传输光的光 程而引起对光的相位调制，从而表现为光强的 调制。测量干涉条纹的变化即可得到被测参量 的信息。
干涉信号的方向判别与计数原理
激光多普勒测速原理是：是通过测量激光束的示踪粒 子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得 到粒子速度。测得了粒子的速度，也就是流动的速度。
光电直接检测系统与光外差检测系统
直接检测系统通过什么携带信息？相干检测呢？ NEP是什么？ 莫尔测长仪原理
激光测长仪原理
由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收目标反射回 来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的时间来测算目标 的距离。
t 2L / c
光外差检测的基本原理
• 利用光波的振幅、频率、相位携带 信息，而不是光强。 • 两束相干光入射到探测器表面进行 混频，形成相干光场,又称相干检测。 只有激光才能进行相干检测。
第四章 光电信号检测电路
• • • • 静态计算---图解法、解析法 动态计算 偏置电路和噪声 前置放大器
光电探测器的直流检测偏置电路
偏置电路的目的：“探测器的偏置”在探测器上加一定的偏 流和偏压使探测器能在电状态正常工作，输出光电信号。
非线性电路图解法的分析依据输出特性（伏安特性） 来确定静态工作点。而光电器件的伏安特性可分为 PMT、PD、光电三极管 （1）恒流源型， 光电池、工作于光电池下的PD （2）光伏型， （3）可变电阻型。 光敏电阻、热敏电阻
光电效应包括： € € 外光电效应：产生电子发射——多发生于金属 和金属氧化物。 内光电效应：物质内部电子能量状态发生变 化——多发生在半导体和绝缘体。
光电导弛豫过程
光电导效应是非平衡载流子效应， 因此存在一定的弛豫现象，即光电
E
矩形光 脉冲
导材料从光照开始到获得稳定的光
电流需要一定的时间。同样光电流 的消失也是逐渐的。弛豫现象说明 了光电导体对光强变化的反应快慢 程度，称为惰性。
杜越时间（蛇形设计提高M）。
• ②表明：材料的光电灵敏度与带宽是矛盾 的。材料光电灵敏度高，则带宽窄；材料 带宽宽，则光电灵敏度低。 • ③此结论对光电效应现象有普遍性。
• 在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵 敏度有什么特点？为什么要把光敏电阻造 成蛇形？
光伏效应
达到内部动态平衡的半导体PN结，在光照的作用下， 在PN结的两端产生电动势，称为光生电动势。这就是 光生伏特效应。也称光伏效应。
光伏器件
• 利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为 光伏器件。
– 有：光电池、光电二极管、光电三极管、光电 场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控 硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置 敏感探测器(PSD)、光电耦合器等。
光电二极管——接法
a) 不加外电源 b) 加反向外电源 c) 2DU环极接法 • 即用法只能有两种。一种是不加外电压，直接与负载相接。另一 种是加反向电压。 • 实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一 样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。
• 一、光电效应
– 1 .外光电效应(光电发射效应) – 2 . 内光电效应
• 2.1本征光电导效应 • 2.2光伏效应
• 二、光热效应
– 1.热释电效应 – 2.辐射热计效应 – 3.温差效应
光电效应
光电效应：物质受光照射后，材料电学性质发生了变 化（发射电子、电导率的改变、产生感生电动势） 现象。
第7章 光纤传感器
传光原理
光的全反射现象是研究光纤 传光原理的基础。 当θ1＞θc时，光线将不再折 射入介质2，而在介质(纤芯)内产生连续向前的全反 射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的工作基础。
O
i(%)
t
当输入功率按照正弦规律变化时,
输出光电流与光功率调制频率变
100
63
37
化关系是一低通特性。
O
τr
τf
光电导的增益
• ①光电增益与带宽之积为一常数， • M∆f =(τ/tdr) ·∆f =(τ/tdr) · (1/2πτ) =常数 ，M为
增益，t为两极间的渡越时间，tdr为载流子在两极间
散粒噪声
散粒噪声或称散弹噪声，即穿越势垒的载流子 的随机涨落（统计起伏）所造成的噪声。散粒噪声 也属于白噪声。
信噪比（S/N）
信噪比是判断噪声大小通常使用的参数。它是 在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率比。
用分贝（dB）表示：
S/N的大小与入射信号辐射功率及接收面积有 关，入射辐射强，接收面积大，则S/N就大。但性 能不一定就好，对两种光电器件只有在相同信号辐 射功率相同情况下才能比较。
光电晶体管
• 原理：只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，也可 以受光的控制，和普通晶体管类似，也有电流放大作用。当光照 到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电 极电路即产生了一个被放大的电流Ic＝Ie＝(1＋β)Ip，β为电流放 大倍数。 • 接法：正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置， 发射结为正偏置，集电结为光电结。
– 3)光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低 时，灵敏范围和峰值波长都向长波方向移动， 可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏电阻在 长波区的灵敏度。 – 4)光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系 数有正有负，一般说，光敏电阻不适于在高 温下使用，温度高时输出将明显减小，甚至 无输出。
5)光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有 少数品种能超过1000Hz，而且光电增益与带 宽之积为一常量，如要求带宽较宽，必须以牺 牲灵敏度为代价。 – 6)设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定 功耗，负载电阻值不能很小。 – 7)进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历 效应。 – 光敏电阻做成梳状的原因?
光电导探测器工作电路三种特殊偏置方式 1）恒流偏置
当选定RL Ro，则I L Us U s RL Ro RL 与Ro无关。
即在工作过程中流过探测器的电流是一恒定电流。 2）恒压偏置
探测器上的偏置电压与Ro无关，但流过的偏流随Ro变化。 3）恒功率偏置（匹配偏置） 当选定RL Ro，探测器上的功率基本恒定。
光电信号检测电路的噪声来源
稳定辐射光源、 遮断杂光、选择 偏振面或滤色光 片、电气屏蔽、 电干扰滤波等措 施改善或消除。
外部噪声
系统噪声
内部噪声随机性大， 覆盖很宽的频谱范 围。限制提取微弱动
附加的 光调制
光路传输 介质湍流
背景噪声
光电检测 器件 固有噪声
检测电路 固有噪声
•积分响应度；