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1、光探测器 蒋燕义 什么是光探测器？ 光 物理量 （可测量） 热量 电流 电压 光电探测器 光辐射探测器 光辐射探测器 又名“光热探测器” 光热量温度 晶格振动 光辐射探测器特点 “慢热”响应时间慢 最快只能响应到ns量级 “木讷”灵敏度低 “兼容性好”响应波长范围广 光电探测器特点 时间响应快 灵敏度高 p具有波长选择性 光电探测器分类 光 电 探 测 器 内光电 外光电 光导器件 光伏器件 光真空器件 电子逸出 爱因斯坦的光电效应定律 外光电效应原理 入射光 子能量 探测器 材料逸 出功 光电子离开探测 器靶面后的动能 截止频率或截止波长 1. 灵敏度（sensitivity） 光探测器参数
2、 单位为V/W 单位为A/W 光谱响应 (spectral response) 特性 SL P R 1 0.5 图2.1 探测器灵敏度的光谱响应 量子效率(Quantum Efficiency） 光探测器参数 单位时间内流出探测器件的光电子数与入射光子数之比 如有一探测器的灵敏度为0.5 A/W,其量子效率 为多少(光波长为1um)？ 2.噪声等效功率（NEP） 光探测器参数 信噪比: SNR 信号的峰值和噪声的有效值(带宽)之比 NEP 单位为W/Hz1/2 表征探测器的噪声电平和探测器对微弱光信号的探测能力 3.噪声等效辐射照度 (Noise Equivalent Irradiance，N
3、EI) 光探测器参数 l 探测器的靶面积Ad l NEI （单位为W/Hz1/2cm-2） 带宽 f 4.探测率D (detectivity) 光探测器参数 单位为Hz1/2W-1 4.比探测率D* 光探测器参数 （单位为 cmHz1/2W-1） 5.截止频率(cut-off frequency, fC) 光探测器参数 表征它对入射光功率随时间变化的响应 R(f) 1 0.707 ffC 图2.3 探测器的频率响应 Vs R1 CR2 响应光谱 频谱响应 噪声 光探测器参数 光探测器噪声 1. 热噪声(thermal noise 或称Johnson noise) 白噪声 k 为玻尔兹曼常数，T
4、为绝对温度（K），R为电阻阻值，fn为测试系统等效噪声带宽 热噪声均方振幅电压值： 电流均方值： 光探测器噪声 1. 热噪声(thermal noise 或称Johnson noise) 电阻中自由电子的热运动，白噪声？ k 为玻尔兹曼常数，T为绝对温度（K），R为电阻阻值，fn为测试系统等效噪声带宽 热噪声均方振幅电压值： 热噪声的功率谱密度： S的单位（物理量纲）是什么？室温下热噪 声的功率谱密度大概在什么量级（R=50） ？ 光探测器噪声 2.散粒噪声(shot noise) 电荷载流子的起伏称为散粒噪声，白噪声 散粒噪声功率谱密度： 散粒噪声的电流有效值 ： e 为电子电荷， Is为探
5、测器的光生电流 电压有效值: 与光的散粒噪声 的关系？ 求入射光为nW 量级时的噪声大 小？（0.5A/W， R=50，带宽 300kHz） 光探测器噪声 3.闪烁噪声 (flicker noise) 器件内部的低频噪声 闪烁噪声的电流有效值： A为与探测器有关的系数 Is 为流过探测器的总直流电流 功率谱密度1/f，因此经常被称为1/f噪声 光探测器噪声 4.产生-复合噪声 光电导探测器中的激发载流子是电子-空穴对，它们的产 生和复合都是按照散粒噪声的规律随机起伏的 噪声的噪声电流和电压的有效值 ： Id为探测器的暗电流，M为探测器的内增益 种类 真空管光电探测器（PMT等） 半导体光电探测
6、器 热电探测器 多通道探测器、成像器件 利用在真空中光阴极受光辐照后产生光电子发射效应 1.真空管光电探测器 光电阴极材料探测器窗口 光吸收系数大 传输能量损失小 光电子逸出功低 透过率大 光电阴极材料 光电阴极 峰值波长 (nm) 波长极限 (nm) 阴极灵敏度 (mA/W) 量子效率 (峰值) 银氧铯Ag-O-Cs750-80012002-30.4% 单碱型Sb-Cs340-40070020-5015% 双碱型Cs-K-Sb330-42070030-9030% 多碱型Cs-Na-K-Sb330-64090020-6025% 日盲型Cs-Te170-21032020-3015% 日盲型Cs-
7、I120-14020015-2012% 半导体型GaAs-Cs2O85093050-7020% 半导体型InAsP-Cs2O400110040-5020% 1.真空管光电探测器种类 真空管光电二极管 光电倍增管 (photomultiplier tube 或简称：PMT) 微通道光电倍增管 1.1真空管光电二极管 K：阴极 A：阳极 + V 特点： 结构简单，灵敏度较低，可检测较强的光辐射信号，极间电容小，频率响应特 性较快 由于光电倍增管制作工艺的成熟以及半导体光电探测器的发展，真空管光电二极 管已可以被这些器件所取代。 1.2光电倍增管 真空管光电二极管 + 电子倍增系统 阳极电流 Ia
8、为： Ik 为光电阴极发射的光电流，为倍增级的二次电子发射系数； n为PMT中倍增级的级数 1.2光电倍增管 主要指标： 1. 阴极灵敏 度：阴极 电流与照 射到阴极 上的光通 量之比 1.2光电倍增管 主要指标： 2. 阳极灵敏度： 阳极输出电流 与照射到阴极 上的光通量之 比 阳极灵敏度与 工作波长和所 加的电压有关 阳极灵敏度与阴极灵敏度的关系？ 1.2光电倍增管 主要指标： 3.电流放大倍数（增益） PMT 的倍增级数目 n 以及 材料有关，一般的光电倍 增管倍增极数目为 n=912 ， 是倍增极的平均二次 电子发射率 A为常数，E为极间电压 ， 与倍增级材料有关 1.2光电倍增管 主
9、要指标： 4. 暗电流 主要来源于阴极和倍 增级的热电子发射 决定了光电倍增管可 探测的最小光功率 暗电流与管子的工作 温度以及所加电压有 关 1.2光电倍增管 主要指标： 5.噪声等效功率 与阳极暗电流相等 的阳极输出电流所 需要的光功率决定 了光电倍增管可探 测的最小光功率 10-1510-16瓦， 10-1810-19瓦（冷 却后），单光子探 测水平 e为电子电量， Id、S、G 分别 是光电倍增管的暗电流（安培 ）、阳极辐射灵敏度（安培/ 瓦）和放大倍数， 为测量系 统的带宽（一般取1赫兹） 1.2光电倍增管 主要指标： 6.探测功率范围 由阴极材料和倍增级的输出能力所决定 安全入射光
10、功率为10-910-10W 7. 时间常数： 与光电倍增管的结构有关 通常为120 ns，最好的可达0.5 ns 1.2光电倍增管 (a) (b) 图2.10 光电倍增管的连接原理图 (a) 用于脉冲光强测量 (b) 用于直流光强测量 负高压连接 C1C2：防止 阳极电流的过早 饱和 RL： 响应时间； 输出的线性度 阻抗匹配 1.2光电倍增管 工作电压： 当工作电压增加时，增益会增加，但暗电流也会增加 电源电压增加，可以降低时间常数 渡越时间： 从输入脉冲光开始到 光电倍增管达到最大输 出的时间间隔 电子渡越时间 输入脉冲光 t t 幅度 光电倍增管输出信号 1.2光电倍增管 Hamamat
11、su（日本滨松公司）R955型光电倍增管的主要指标 ： 波长范围：160 930 nm 峰值波长： 400 nm 阴极材料： 多碱材料 窗口材料： 熔石英 阴阳极间最大电压：1250V 正常电压：1000V 阴极灵敏度：0.68mA/W 阴极辐照度：200A/lm 阳极灵敏度： 6.8e6 mA/W 阳极辐照度： 2000A/lm 电流放大系数： 1E7 暗电流：10nA 上升时间：2.2ns 渡越时间：22ns 最小可探测的光功率是多少？ 400nm的光？ 个光子 1.3微通道光电倍增管 u 普通的光电倍增管有十多个倍增级，因此电子渡越时间较长 通道式电子倍增器(Channel Electr
12、on MultiplierCEM): 渡越时间很短 (2ns) 增益： a=L/d为管长与管径之比，A为决定二次发 射系数的物质常数，约为0.20.25之间， V0 为垂直管壁方向的二次电子平均发射电 位，约为12伏，V为所加的工作电压 3kV 内壁导电层 图2.16 微通道倍增管 1.3微通道光电倍增管 Microchannel Plate=MCP 阳极 光阴极 图2.17 微通道光电倍增管示意图 微通道电子倍增器 把大量CEM并联起来，构成微 通道板 将光阴极材料结合MCP，就 可构成多通道式光电倍增管 多通道式光电倍增管特点: 体积小 响应时间快 可实现二维图象记录 多级串联可以提高增益
13、 目前三级串联的商品器件的上升时间 为0.32ns，增益可达5 106 问题1 1. 一束功率为0.1 mW的1064 nm光用日盲型Cs-I阴极材料做成 的真空光电二极管探测。如果负载电阻为1兆欧，那么在负载 电阻两端测得的电压为多少？ 2. 用光电倍增管探测一束每秒20个光子的532 nm绿光，所用 阴极材料的量子效率为0.15，光电倍增管共有12级电子倍增 级（二次电子发射系数为4）.如果负载电阻为1兆欧，那么在 负载电阻两端测得的电压为多少？ 3. 已知光电倍增管的增益系数为106，量子效率为0.1，暗电 流为10-15 A，请估算它的最小可探测光功率（波长为532 nm ，光电倍增管
14、的等效电阻为R=106）。 2.半导体光电探测器 u 内光电效应 u 半导体材料： Silicon：1901100 nm Germanium (锗)：4001700 nm Indium gallium arsenide：8002600 nm Lead(II) sulfide (硫化铅)：10 pf 半导体光电探测器 3.半导体光电二极管PIN结 图2. 20 PIN型半导体光电二极管的结构 抗反射层 接触层 接触层 Cd10 pf 响应速度快 Cd=10 pf, RL=50，求频响。 半导体光电探测器 u 与光电倍增管相比 优势： 线性度好（光功率与电流） 光谱响应范围广：Si ，190 11
15、00 nm；其他材料至几十微米 低噪声 坚固耐用、小巧 低价 量子效率高 无需加高压 劣势： 探测面积小 无高增益 一般无法实现光子计数 半导体光电探测器 4. 雪崩光电二极管（APD） 在PN结上加上几百伏甚至上千伏反向电压，使光生载流子在强电场中加速、碰撞产 生新的载流子，形成雪崩过程，而具有一定的放大作用 倍增因子M为： VB为击穿电压，V为外加电压，n为13的常数 优点：1. 高量子效率（高达40） 2. 低偏置电压（10100V） 缺点： 光敏感区小于PMT的阴极面积 半导体光电探测器 PD：高速PIN管 ， S1721，S2506 等。 RL：决定灵敏度 和时间常数。 A：运算放大器 ，如PA620， HA2625， LF357等。 PD RL 10k +15 V 1001k 3 2 7 4 6 输 出 + - A -15V 1 0.110 假如PD为s2506, RL=100 , A是LF357，求该探测器入 射功率为1uW时，输出电压是多大（660 nm，室温） ？ 列阵探测元件 图像摄像 一维 二维 E D1 D2 D3 Dn C1 C2 C3 Cn RL K 图2.22 列阵探测器原理 光电变换 存储元件 扫描读取 列阵探测元件 参数： 1.空间分辨率 2.像素 3.响应率、量子效率 4
