第4章 光电测试常用器件及检测电路1

1、1第第4章章 光电测试常用器件光电测试常用器件 及检测电路及检测电路2光电检测器件光电检测器件 + 输入电路输入电路 + 前置放大器前置放大器 （实现光电器件输出（实现光电器件输出信号的精确检测）信号的精确检测）光电转换的核心器件光电转换的核心器件（沟通光学量和电子（沟通光学量和电子系统的接口环节）系统的接口环节）（为光电器件提供正常的电路工作条件，同（为光电器件提供正常的电路工作条件，同时完成与前置放大及耦合电路的电路匹配）时完成与前置放大及耦合电路的电路匹配）电信号经过的重要环节电信号经过的重要环节中间环节中间环节3 光电器件光电器件 - 光信号转化为电信号（光电效应光信号转化为电信号（光

2、电效应-物理基础）物理基础） 光电成像器件光电成像器件 - 输出图像输出图像/电视图像电视图像 光调制器件光调制器件 - 物理效应（实现光的变换、调制、扫描）物理效应（实现光的变换、调制、扫描）光子探测器光子探测器 - 光子效应光子效应热电探测器热电探测器 -吸收光辐射导致温升产生温度变化效应转换为电信号吸收光辐射导致温升产生温度变化效应转换为电信号电光调制器电光调制器 - 电光晶体传播特性电光晶体传播特性声光调制器声光调制器 - 声光效应（电声换能器）声光效应（电声换能器）磁光调制器磁光调制器 - 法拉第旋光效应法拉第旋光效应光电检测器件光电检测器件4RsVU- 定量描述光电器件输出的电信号

3、与输入的光信号之间的关系定量描述光电器件输出的电信号与输入的光信号之间的关系- 电压灵敏度（电压灵敏度（V/W） 1. 探测灵敏度（响应度）探测灵敏度（响应度）定义定义- 光电器件输出的方均根电压光电器件输出的方均根电压/电流与入射的光通量之比电流与入射的光通量之比- 电流灵敏度（电流灵敏度（A/W） 光源光源 - 500K黑体黑体RsII一、光电器件的性能参数一、光电器件的性能参数5- 相对光谱响应表示相对光谱响应表示 光谱光谱响应响应 - 光谱响应度光谱响应度R R 随波长的变化关系随波长的变化关系6- 描述光电器件对入射辐射响应快慢描述光电器件对入射辐射响应快慢的参数的参数 2. 响应时

4、间响应时间时间常数时间常数 - 衡量衡量响应从稳态值的响应从稳态值的10%10%上升到上升到90%90%所用所用的的时间时间 - 上升时间上升时间tr响应从稳态值的响应从稳态值的90%90%下降到下降到10%10%所用所用的的时间时间 - 下降时间下降时间tf73. 频率响应频率响应光电器件光电器件的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性 - 频率响应频率响应R R0 0 - 器件在零频时的响应度；器件在零频时的响应度； =2=2 f f为信号的调制圆频率；为信号的调制圆频率； f为调制频率；为调制频率； 为响应时间为响应时间上限截止频率上限截止频率f fc

5、 c - 输出信输出信号功率降到零频时的一半号功率降到零频时的一半（信号幅度下降到（信号幅度下降到0.7070.707）R(f)/RR(f)/R0 0=0.707=0.7078- 最小可测功率（输出信号电压的有效值等于噪声方均根电最小可测功率（输出信号电压的有效值等于噪声方均根电压值时的入射光功率）压值时的入射光功率）4. 噪声等效功率（噪声等效功率（NEP）Us/Un-器件输出的信噪比；器件输出的信噪比； s-入射光功率；入射光功率；Rv-光电器件的电压灵敏度；光电器件的电压灵敏度；单位：单位：W95. 探测度探测度探测度探测度 - NEP 的倒数的倒数NEP 小小 - 器件性能好（衡量光电

6、器件探测能力的指标）器件性能好（衡量光电器件探测能力的指标）（W-1）D - 描述器件在单位输入光功率下输出的信号信噪比描述器件在单位输入光功率下输出的信号信噪比/1snVnUURDNEPU106. 量子效率量子效率- 描述光电转换器件光电转换能力的一个重要参数描述光电转换器件光电转换能力的一个重要参数（某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子与入射光子数之比）（某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子与入射光子数之比）波长为波长为 的光辐射的单个光子能量为的光辐射的单个光子能量为 h =hc/ 设光通量为设光通量为 ，则入射的光子数为，则入射的光子数为 /h 相应的光电流为相应的光电流为Is

7、，每秒产生的光电子数为，每秒产生的光电子数为Is/q（q-电子电荷）电子电荷）量子效率量子效率- 微观灵敏度（统计平均量）微观灵敏度（统计平均量） （ ）=1 - 入射一个光量子就能发射一个电子入射一个光量子就能发射一个电子/产生一对产生一对电子电子空穴对（理论上）空穴对（理论上）I11二、光电发射器件及检测电路二、光电发射器件及检测电路1. 光电发射效应光电发射效应若入射光辐射的光子能量足够大，它和金属或半导体材料若入射光辐射的光子能量足够大，它和金属或半导体材料中的电子相互作用的结果使电子从物质表面逸出，在空间中的电子相互作用的结果使电子从物质表面逸出，在空间作用下会形成电流作用下会形成电

8、流 - 外光电效应外光电效应- 真空光电器件光电阴极工作的物理基础真空光电器件光电阴极工作的物理基础 外光电效应的两个实验规律外光电效应的两个实验规律 a） 光电特性光电特性 光电流光电流Ik与入射光通量与入射光通量 成正比（照射到光阴极上的入射成正比（照射到光阴极上的入射光频率光频率/频谱成分不变、外加电压一定）频谱成分不变、外加电压一定）Ik- 阴极光电流；阴极光电流； - 入射光通量；入射光通量；Sk-阴极对入射光的灵敏度阴极对入射光的灵敏度- 光电流与入射光通量的关系光电流与入射光通量的关系12b） 阈值频率阈值频率 光电子的最大初始动能：光电子的最大初始动能： Emax- 光电子的最

9、大初动能；光电子的最大初动能；vmax-相应的电子最大初速度；相应的电子最大初速度；m-电子质量；电子质量；h-普朗克常数；普朗克常数； -光频光频- 与入射光的与入射光的频率频率成正比，与入射成正比，与入射光光强度强度无关无关什么时候发生光电发射？什么时候发生光电发射？W - 金属材料的电子逸出功（电子从金属材料表面逸出时所金属材料的电子逸出功（电子从金属材料表面逸出时所需的最低能量需的最低能量-与材料性质有关的常数）与材料性质有关的常数）- 功函数（功函数（eV）入射光子能量入射光子能量 = 逸出功逸出功 0= W /h -阈值频率（产生光电发射的最低频率）阈值频率（产生光电发射的最低频率

10、）波长波长-13 光电发射的基本过程光电发射的基本过程 金属和半导体材料中的光电子发射步骤金属和半导体材料中的光电子发射步骤: 1）对光子的吸收）对光子的吸收 - 物体中电子吸收光子能量，物体中电子吸收光子能量， 从基态跃迁到激发态（能量高于真空能级）从基态跃迁到激发态（能量高于真空能级）2）光电子向表面运动）光电子向表面运动 - 受激电子从受激地点出发向表面运动，受激电子从受激地点出发向表面运动， 与其他电子或晶格发生碰撞而损失部分能量与其他电子或晶格发生碰撞而损失部分能量3）克服表面势垒逸出材料表面）克服表面势垒逸出材料表面-到达表面的电子，如果到达表面的电子，如果有足够的能量克服表面势垒

11、对电子的束缚，可从表面逸出有足够的能量克服表面势垒对电子的束缚，可从表面逸出真空中自由电荷的最小能量真空中自由电荷的最小能量逸出功逸出功142. 光电真空器件及其特性光电真空器件及其特性光电倍增管（光电倍增管（PMTPMT）将微弱光信号转换成光电子并获倍增效应的真空光电发射器件将微弱光信号转换成光电子并获倍增效应的真空光电发射器件1 1）工作原理）工作原理光电发射阴极光电发射阴极（光阴极）（光阴极）1010-4-4PaPa真空真空电子倍增极电子倍增极阳极（电子阳极（电子收集极）收集极）15主要组成部分主要组成部分 - - 光窗、光电阴极、电子倍增系统、阳极光窗、光电阴极、电子倍增系统、阳极2

12、2）结构）结构倍增系统倍增系统- 决定光电倍增管灵敏度的最关键部分决定光电倍增管灵敏度的最关键部分二次电子发射系数二次电子发射系数 - - 表示材料二次发射能力的大小表示材料二次发射能力的大小定义定义-单个入射电子所产生的平均二次电子数单个入射电子所产生的平均二次电子数N N1 1- - 入射电子数入射电子数N N2 2- - 出射电子数出射电子数16n个倍增极（倍增系数相同）个倍增极（倍增系数相同）- - 阴极激发一个光电子，阳极就收集到阴极激发一个光电子，阳极就收集到 n个倍增后的电子个倍增后的电子倍增极个数：倍增极个数：914 - 值：值：36、 n ：105108- - 倍增系数（与材

13、料的性质、电极的结构和形状、所加倍增系数（与材料的性质、电极的结构和形状、所加的电压有关）的电压有关）U- 倍增极间所加外加电压；倍增极间所加外加电压；b-与材料的性质和结构有关的参数与材料的性质和结构有关的参数171819基本参数（静态参数）基本参数（静态参数）- - 工作原理、结构特征、材料性质、工作原理、结构特征、材料性质、 制造工艺制造工艺3. 光电倍增管特性参数光电倍增管特性参数应用参数（动态参数）应用参数（动态参数）- - 应用方法、探测对象应用方法、探测对象 反映应用的特殊要求反映应用的特殊要求运行特性（例行特性）运行特性（例行特性）- - 运行条件、运行环境，外部条件运行条件、

14、运行环境，外部条件 和使用极限和使用极限 灵敏度、量子效率、增益、暗电流、光谱响应灵敏度、量子效率、增益、暗电流、光谱响应脉冲幅度分辨力（闪烁计数）；暗噪声计数、单电子脉冲幅度分辨力（闪烁计数）；暗噪声计数、单电子分辨力、峰谷比（光子计数）、上升时间、半高宽、分辨力、峰谷比（光子计数）、上升时间、半高宽、渡越时间、时间分辨力等渡越时间、时间分辨力等稳定性、温度特性、最大线性电流、抗电磁干扰特性、稳定性、温度特性、最大线性电流、抗电磁干扰特性、抗冲击振动特性等抗冲击振动特性等20(1) (1) 灵敏度灵敏度光电器件在单位入射光通量下的输出电流光电器件在单位入射光通量下的输出电流阴极灵敏度阴极灵敏

15、度S SK K=I=IK K/ / （I IK K - - 阴极发射电流）；阴极发射电流）；- 描述光电器件对输入信号描述光电器件对输入信号的响应能力的响应能力S S 光电器件的灵敏度；光电器件的灵敏度； - - 入射光通量；入射光通量；I Ip p 光电器件的响应电流光电器件的响应电流阳极灵敏度阳极灵敏度S SA A=I=IA A/ / （IA - 阳极出射电流）；阳极出射电流）；21(2) (2) 电流增益电流增益G G同样入射光通量下阳极电流与阴极电流之比同样入射光通量下阳极电流与阴极电流之比/ /阳极灵敏度与阳极灵敏度与阴极灵敏度之比阴极灵敏度之比若倍增管有若倍增管有n n个倍增极，个

16、倍增极，并且每个倍增极的倍增并且每个倍增极的倍增系数系数 均相等均相等 是电压的函数，是电压的函数，G G也是电压的函数也是电压的函数(3) (3) 光电特性光电特性阳极光电流与入射于光电阴极的阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系光通量之间的函数关系模拟量测量模拟量测量 - - 线性关系线性关系（偏离直线（偏离直线3%- 3%- 线性区上限）线性区上限）22(4) (4) 伏安特性伏安特性阴极伏安特性曲线阴极伏安特性曲线- - 表征阴极电流与阴极电压之间关系表征阴极电流与阴极电压之间关系阳极伏安特性曲线阳极伏安特性曲线- - 表征阳极电流与阳极和最末一级倍表征阳极电流与阳极和最末一

17、级倍增极之间电压关系增极之间电压关系电路设计电路设计 - - 计算负载计算负载电阻、输出电流、输出电阻、输出电流、输出电压电压23(5) (5) 暗电流暗电流各极都加上正常工作电压，并且阴极无光照情况下阳极的各极都加上正常工作电压，并且阴极无光照情况下阳极的输出电流输出电流限制了可测光通量的最小值，产生噪声的主要因素限制了可测光通量的最小值，产生噪声的主要因素- 鉴别倍增管质量的重要参量鉴别倍增管质量的重要参量弱光探测弱光探测 - 选取暗电流较小的管子选取暗电流较小的管子产生因素产生因素 阴极和靠近于阴极的倍增极之间的热电子发射阴极和靠近于阴极的倍增极之间的热电子发射； 阳极或其他电极的漏电；

18、阳极或其他电极的漏电； 由于极间电压过高引起的场致发射；由于极间电压过高引起的场致发射； 光反馈以及窗口玻璃中可能含有的少量的钾、镭、钍等光反馈以及窗口玻璃中可能含有的少量的钾、镭、钍等 放射性元素蜕变产生的放射性元素蜕变产生的 粒子；粒子； 宇宙射线中的宇宙射线中的 介子穿过光窗式产生的契伦柯夫光子介子穿过光窗式产生的契伦柯夫光子24(6) (6) 噪声与噪声等效功率噪声与噪声等效功率散粒噪声散粒噪声 - - 由倍增管本身引起的输出偏离于平均值的起伏由倍增管本身引起的输出偏离于平均值的起伏来源来源 - 光电阴极光电发射的随机性和各倍增极二次电子发光电阴极光电发射的随机性和各倍增极二次电子发射

19、的随机性（背景光或信号光中的直流分量）射的随机性（背景光或信号光中的直流分量）噪声等效功率（噪声等效功率（NEP）- 最小可探测功率最小可探测功率 光电器件输出信噪比为光电器件输出信噪比为1 1时的入射光通量（光功率）时的入射光通量（光功率） - - 输出信号噪声比为输出信号噪声比为SNRSNR时的输入光通量时的输入光通量NEP NEP 阳极信号与噪声的有效值之比等于阳极信号与噪声的有效值之比等于1 1时，入射于倍增时，入射于倍增管光电阴极的光功率管光电阴极的光功率/ /光通量的有效值光通量的有效值- - 可能探测到的信号的光功率可能探测到的信号的光功率/ /光通量的最小值光通量的最小值25U

20、2-拐点拐点M对应的电压；对应的电压；Ua - 阳极电压；阳极电压；光通量为光通量为 2时的最大负载电阻时的最大负载电阻 22maxaaLSUURSa-阳极灵敏度系数阳极灵敏度系数 光通量由光通量由 1变到变到 2时，时，输出电流和电压的增益值表示为输出电流和电压的增益值表示为 )()(1212LaaRSUSI阳极伏安特性阳极伏安特性- 最大光通量最大光通量所对应的曲线拐点以右，基本所对应的曲线拐点以右，基本上是平直均匀分布的（一般使上是平直均匀分布的（一般使用时倍增管也都是利用这一区用时倍增管也都是利用这一区域的特性）域的特性） 4. 光电倍增管输入电路光电倍增管输入电路- 保证输出电流与入

21、射光通量之间呈线性关系保证输出电流与入射光通量之间呈线性关系26直流供电直流供电 - - 阴极开始电压依次升高（电阻链分压法阴极开始电压依次升高（电阻链分压法-总的工作电压通过分压电阻网络总的工作电压通过分压电阻网络R1R11加到各相应的电极加到各相应的电极）各级电压均相等（约各级电压均相等（约80100V），总电压约），总电压约10001300V供电电源电压稳定（优于供电电源电压稳定（优于0.01%）后几级倍增极的分压电阻上并联电容后几级倍增极的分压电阻上并联电容 - 极间电压稳定极间电压稳定RL-负载电阻；负载电阻；C1、C2、C3- 旁路电容旁路电容 27接地点接地点 - - 倍增管供电

22、电路与其后续信号处理电路必须要有倍增管供电电路与其后续信号处理电路必须要有 一个共用的参考电位一个共用的参考电位阴极接地阴极接地优点优点 - 便于屏蔽、光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得近些，便于屏蔽、光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得近些， 屏蔽效果好、暗电流小、噪声低屏蔽效果好、暗电流小、噪声低阳极接地阳极接地缺点缺点 - 寄生电容大，匹配电缆连接复杂（阳极处于正高压）寄生电容大，匹配电缆连接复杂（阳极处于正高压）接直流放大器接直流放大器 - 整个放大器都处于高压，不利于安全操作整个放大器都处于高压，不利于安全操作接交流放大器接交流放大器 - 必须接一个耐压很高的隔直电容器，体积大必须接一个耐

23、压很高的隔直电容器，体积大价格高价格高优点优点 - 便于与后面放大器相接，操作安全；可以通过低电压耦合便于与后面放大器相接，操作安全；可以通过低电压耦合电容与交流放大器相接，也可以直接与直流放大器相接电容与交流放大器相接，也可以直接与直流放大器相接缺点缺点 - 阴极处于负高压，屏蔽罩不能靠得很近（阴极处于负高压，屏蔽罩不能靠得很近（12cm），屏蔽），屏蔽效果差些，暗电流和噪声大，体积大效果差些，暗电流和噪声大，体积大28 稳压电源稳压电源光电倍增管许多参量都与电压有关（如果电源电压不稳，必然光电倍增管许多参量都与电压有关（如果电源电压不稳，必然要引起与之有关的各参量的变化要引起与之有关的各参

24、量的变化 - 特别是电流增益的变化，特别是电流增益的变化，将直接影响输出特性）将直接影响输出特性）- 对电源电压稳定性要求较高对电源电压稳定性要求较高光电倍增管的电流增益光电倍增管的电流增益 nM - 极间电压极间电压UD的函数的函数 kDcUC、k - 与倍增极材料有关的两个系数与倍增极材料有关的两个系数 DDU1UMnk M29 分压电阻网络分压电阻网络作用作用- 按一定比例将电源电压分压，为各倍增极提供工作电压按一定比例将电源电压分压，为各倍增极提供工作电压 静态下流过分压网络的电流静态下流过分压网络的电流 - 几个几个M 各倍增极的工作电压各倍增极的工作电压 niiRRUI1/Un=I

25、RRn niiR1Ri - 100500k 对于脉冲信号的探测对于脉冲信号的探测 - 适当提高第一倍增极对阴极的电压，适当提高第一倍增极对阴极的电压，有利于缩短输出脉冲的上升时间有利于缩短输出脉冲的上升时间 探测弱信号探测弱信号 - 可适当提高第一倍增极与阴极之间的电压（既可以可适当提高第一倍增极与阴极之间的电压（既可以提高第一倍增极对光电子的收集效率，也可以使第一倍增极有较高提高第一倍增极对光电子的收集效率，也可以使第一倍增极有较高的二次发射系数的二次发射系数- 提高信噪比）提高信噪比）方法方法-增大分压电阻增大分压电阻R1RIUR1130 旁路电容旁路电容光脉冲入射时光脉冲入射时 - 最后几级倍增极的瞬间电流很大，使分压最后几级倍增极的瞬间电流很大，使分压电阻