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1、1,第五章 光波的探测与解调,2,5.1光子探测方法 5.1.1光子探测机理的分类,1、光电探测技术把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术。光探测过程可以形象地称为光频解调，光探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测量的物理量的器件。,3,2、光探测器的发展历史,1873年，英国的Smith和May在大西洋横断海底电信局所进行的实验中发现，当光照射到用作电阻的se棒后，其电阻值约改变30； 同年Simens将铂金绕在这种se棒上，制成了第一个光电池； 1888年，德国的Hallwachs在作Hertz的电磁波实验中，发现光照射到金属表面上会引起电子发射； 1909年，Richtme
2、yer发现，封入真空中的Na光电阴极所发射的电子总数与照射的光子数成正比，奠定了光电管的基础； 接着美国的Zworkyn研制出各种光电阴极材料，并制造出了光电倍增管，并于1933年发明了光电摄像管； 1950年，美国的Weimer等人研制出光导摄像管； 1970年，Boyle等人发明了CCD（电荷耦合器件）。,4,按光电相互作用分类,3、探测机理及其分类,按响应区域分类,光子直接对电子产生扰动,温升使材料的某些特性发生变化,电磁场对材料的扰动所引起材料某些内特性发生变化,输出信号是敏感区域的平均值,对敏感区域的空间变化所产生的响应,5,4、光电效应,光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变
3、化，或产生电动势，这些因光照引起物体电学特性改变的现象，统称为光电效应。 内光电效应光子激发的载流子(电子或空穴)将保留在材料内部。 外光电效应将电子打离材料表面，外光电效应器件通常有多个阴极，以获得倍增效果。,6,外光电效应光电发射效应,当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射的光能使表面的电子获得足够的能量，电子就会克服正离子对它的吸引力，脱离金属表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。外光电效应可用两条基本定律来描述 ：斯托列托夫定律当入射光的频率或频谱成分不变时，饱和光电流（单位时间内反射的光子数目）与入射光的强度成正比。斯托列托夫定律是
4、光电管、光电倍增管的检测基础。,7,外光电效应光电发射效应,爱因斯坦定律如果发射体内电子吸收的光子能量大于发射体表面逸出功，则电子将以一定的速度从发射体表面发射，光电子离开发射体表面时的初动能随入射光的频率线性增长，与入射光的强度无关。光电效应方程：,入射光子能量,电子的动能,逸出功,该式表明，入射光子必须具有足够的能量，也就是说至少要等于逸出功，才能发生光电发射。0为产生光电发射的最低频率，即该频率与材料的属性有关，与入射光强无关。,逸出功,8,密立根 (美国,1868-1953),罗伯特密立根生于1868年，童年的大部分时间在农村度过，年仅14岁就开始赚取自己的面包，后于1886年进入奥柏
5、林大学。两年后他才选修了物理课，并认为那是“一个彻底的失败”。 1908年， 密立根40岁，还只是一个副教授，而当时美国物理学者获得教授职位的平均年纪只有32岁。他确定了两个人生目标：一是进入物理学的名人堂，“留下的时间已经不多了”；二是将余生奉献给自己钟爱的教育事业。 从1909年到1917年，密立根完成了漫长而艰苦的油滴实验最著名的物理实验之一。 这一杰出工作以及光电效应的相关贡献为他赢得了1923年的诺贝尔物理学奖，成为有史以来第二位得奖的美国物理学家。,9,爱因斯坦定律,入射光波长大于截止波长时，无论光强有多大、照射时间多长，都不会有光电子发射。光电发射大致可分为三个过程： 光入射物体
6、后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态； 受激电子从受激处出发，向表面运动，其间必然要同其他电子或晶格发生碰撞而失去部分能量； 到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，逸出形成光电子。,10,爱因斯坦定律,由此得到光电发射对阴极材料的要求：对光的吸收大，以便体内有较多的电子受激发射；电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小；材料逸出功小，以使到达表面的电子容易逸出；电导率好，以便能够通过外电源来补充光电发射失去的电子。,11,光电倍增管,今天我们使用的光电器件中，光电倍增管（PMT）是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。典型的光电倍增管如图所示，在真空管中，包括光电发射阴极
7、（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极和电子收集极（阳极）的器件。当光照射光阴极，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，通过进一步的二次发射得到倍增放大。放大后的电子被阳极收集作为信号输出。,12,光电倍增管,(1)光电倍增管利用外光电效应原理制成。 (2)结构,13,光电倍增管,14,光电倍增管的结构,一般端窗型（Head-on）和侧窗型（Side-on）结构的光电倍增管都有一个光阴极。侧窗型的光电倍增管，从玻璃壳的侧面接收入射光，而端窗型光电倍增管是从玻璃壳的顶部接收入射光。通常情况下，侧窗型光电倍增管价格较便宜，并在分光光度计和通常的光度测定方面有广泛的使用。大部分的
8、侧窗型光电倍增管使用了不透明光阴极（反射式光阴极）和环形聚焦型电子倍增极结构，这使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。端窗型（也称作顶窗型）光电倍增管在其入射窗的内表面上沉积了半透明光阴极（透过式光阴极），使其具有优于侧窗型的均匀性。端窗型光电倍增管的特点还包括它拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极。端窗型光电倍增管中还有针对高能物理实验用的，可以广角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。,15,光电倍增管,16,光电倍增管,(3) 特点 灵敏度高，适宜弱光信号； 响应时间极短； 频率特性较好，频率可达106赫或更高； (4) 缺点需高压直流电源、价贵体积大、经不起机械冲击等。,1
9、7,北京滨松光子,18,光电倍增管应用领域1,19,光电倍增管应用领域2,20,光电倍增管应用领域3,21,光电倍增管应用领域4,22,内光电效应光电导效应,光电导效应是光照变化引起半导体材料电导变化的现象。当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使得非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，从而导致材料电导率增大。这种变化可以通过测量负载电阻两端的电压来观察。该现象是100多年来有关半导体与光作用的各种现象中最早为人们所知的现象。,23,内光电效应光电导效应,利用此现象制成的光探测器称为光电导探测器。20世纪又先后在氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、硫化铅等材料中发现光电导效应，并由此发展
10、了从紫外、可见到红外各个波段的辐射探测器。,24,内光电效应光电导效应,光子能量红限波长 光电流,当光子波长大于0时，本征型半导体器件将不会出现光电导现象,通常是多子起作用，少子由于其寿命相对短得多，故对光电流的贡献不大。,25,内光电效应光电导效应,光电导增益G由自由载流子寿命和渡越时间T的比值来决定。,渡越时间T是指多数载流子穿过器件电极的时间，它由下式决定：,式中l为电极间的距离，为多数载流子的迁移率，VA为器件所加上的偏压。,26,内光电效应光电导效应,响应速度(由多数载流子的寿命决定 ),频率为时的短路电流,频率为时的开路电压,由上面两式可知，低频时光电器件的输出基本上与频率无关；高
11、频时则与频率成反比，转折点定义在为1的频率。,直流短路电流,器件开路电压,27,内光电效应光电导效应,光子在材料中激发出的载流子必须在外加电压（电场）作用下方能作空间流动，对外电路产生贡献。这种器件必须加上偏压才能正常工作。,28,光敏电阻,(1) 结构,29,光敏电阻,(2) 优点 光谱响应相当宽;光敏电阻的灵敏域可在紫外光区，可见光区，也可在红外区和远红外区。 所测的光强范围宽; 使用方便，成本低，稳定性高，寿命长; 灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。 (3) 不足 在强光照射下线性较差，频率特性也较差。,30,光敏电阻,31,光电导摄像管,(1)基本原理光电导摄像管的结构如图所示。它主要
12、由光敏靶和电子枪两部分组成。光敏靶是由光敏半导体材料制成的。景物通过光学系统在摄像管光敏靶上成像。由于光像各部分的亮度不同。靶上各相应部分的电导率发生了相应变化，与亮像素对应的靶单元的电导较大。与暗像素对应的靶单元电导较小，于是将景物各像素亮度不同变成了靶面上各单元的电导不同，光像变成了“电像”。,32,光电导摄像管,(2) 组成： 电子枪 偏转线圈 光电导靶面,33,电子枪电子枪的任务是发射电子束，它由灯丝J、阴极K、栅极G及加速聚焦阳极A1、A2等组成。电子束在聚焦线圈和偏转线圈产生的磁场的联合作用下，以聚焦状态按一定规律(即从左到右、从上到下一行一行)扫描靶上各点。当电子束接触到靶面某点
13、时，使电子枪阴极与信号板、负载RL和电源E构成一个回路，在负载RL中就有电流流过，电流大小取决于光敏靶该点电导率的大小。因此，当电子束按一定规律在靶面上扫描时，便在负载上依次得到与景物各点亮度相对应的电信号，完成了将图像分解为像素以及把各像素按顺序转变为相应电信号的光电转换过程。,光电导摄像管,34,光电导靶面是由无数个光电导像素单元组成，每个光电导像素单元可以等效为一个电阻和一个电容并联的电路，其电阻值和电容值为：,光电导靶面,35,当阴极发射的电子接通某一像素时，该像素单元的电容C0 就立即被充电到靶电源的电压，当电子束离开该像素单元时，电容便通过该单元的等效电阻R0 放电，放电时电容两端
14、电压为：,光电导靶面的工作原理,36,第一种情况,无光照时。在一帧时间内电子束扫描完各个点，使这些点为低电位后，C0 充满电，由于电容放电时间R0C00.53 秒，远大于一帧的扫描时间0.04秒，故电容几乎没有放电，当第二次扫描时，无充电电流流过RS ，B点电位ET，这时无视频信号输出。,37,第二种情况,有光照时。当有光照射在靶面上时，R0随光强的大小而变化，扫描后C0放电时间变化，光越强，R0越小，放电越快，在下一次电子束扫描该像素时所补充的电荷就越多，就会有较大的电流流过负载电阻RS而产生较大的信号电压输出，负极性视频信号反映了图像的明暗程度。,38,第三种情况,光照均匀时。当光照均匀无
15、起伏时，R0 不变，输出为直流分量，直流量反映了平均照度。由此可见，只有电子束按全电视信号的要求对靶面进行扫描，就可在输出端得到视频信号，将视频信号加上消隐信号和同步信号，就形成了全电视信号，就可送入电视机进行逆过程变换，形成一幅幅电视图像，也可送入录像机用磁带保存全电视信号。,39,内光电效应光伏效应,光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生这种电位差的机理有多种，主要的一种是由于阻挡层的存在引起的势垒型光伏效应。,短路光电流,开路光电压,反向饱和电流,暗电流,40,内光电效应光伏效应,光伏效应 载流子的激发光子 载流子的分离内建电场 光电流：,Id
16、暗电流，Is为无光照射时的反向饱和电流，V为施加在器件上的电压(正向为正，反向为负)，k为波耳兹曼常数，为近似为1的常数，T为绝对温度。,41,内光电效应光伏效应,光伏器件的电流电压特性（5-5）,对应的工作模式：开路、短路、反偏（光电导工作模式）、正偏。,42,内光电效应光伏效应 光伏器件工作模式,光电导效应和光伏效应的区别 前者必须在外加偏压下才能正常工作 光伏效应则可以不加偏压，其开路电压就反映了光辐射的信号，但光伏效应器件通常工作在 反偏状态，即给器件加上反向电压，其反向电流即为光电流，此时可以说器件工作在光电导模式下。,43,光伏器件,光电池 光敏二极管 光敏三极管,44,光电池,（1）原理与结构,45,光电池,（2）特性： 波长范围: 硅光电池为400 1100 nm，峰值波长在 850 nm 附近； 灵敏度：硅光电池为 6-8 毫安流明； 可靠性好，寿命也较长； 体积小。,
