光電技術 第七周周四 已授課

1、基于材料吸收光輻射能量后溫度升高的光熱效應現象。光熱效應的特點是入射光輻射與物質中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振動能量，這又引起物質的溫度上升，從而導致與溫度有關的材料的某些物理性質(例如電動勢、電阻）的變化。這與光電效應（光子將能量直接轉移給電子）有本質的不同。光熱效應與入射輻射的光子的性質例如波長沒有關系。對光輻射的響應無波長選擇性。光熱效應可以產生溫差電效應、電阻率變化效應、自發(fā)極化強度的變化效應、氣體體積和壓強的變化效應 2熱探測器1當由兩種不同材料制成的兩個結點出現溫差時，在該兩點間就有電動勢產生，這個現象稱為溫差電效應。測輻射溫差熱電偶和熱電堆當閉合回路的兩個結點置于不同溫

2、度，兩點之間就產生電動勢溫差電動勢，其大小反應所吸收的光輻射的能量或功率。為了增加信號電壓，常常在襯底上蒸上一層金屬膜，然后再蒸上第二種材料與第一層膜部分重疊，從而形成若干接觸點。輻射熱電偶和熱電堆的光電信號要比光子探測器弱，但不需要電偏置和致冷，廣泛應用。2當吸收光輻射而溫度升高時，金屬的電阻會增加，而半導體材料的電阻會降低。通過電阻變化可測定被吸收的光輻射功率。 電阻測輻射熱器 3熱釋電探測器由熱釋電晶體制成，它們具有自發(fā)電極化的特性，其自發(fā)電極化強度隨溫度升高而下降。 熱釋電探測器 當光輻射投射到熱釋電晶體上時，引起自發(fā)電極化強度隨時間的變化，結果在垂直于極化方向的晶體兩個外表面之間出現

3、微小變化的信號電壓，由此可測定所吸收的光輻射功率。422光電探測器的性能參數光電探測器的工作條件有關響應方面的性能參數有關噪聲方面的參數其它參數5輻射源的光譜分布 光子探測器，其響應是輻射波長的函數，僅在特定的波長范圍內的輻射有信號輸出； -應明確輻射源光譜分布。電路的通頻帶和帶寬 因噪聲限制了探測器的極限性能，噪聲電壓或電流均正比于帶寬的平方根 -應明確通頻帶和帶寬。工作溫度 半導體材料制作的探測器，信號還是噪聲，都和工作溫度有密切關系。 -應明確工作溫度。4、光敏面尺寸 探測器的信號和噪聲都和光敏面積有關，一般信噪比與光敏面積的平方根成比例。 -參考面積一般為1cm2。5、偏置情況 光電導

4、探測器和電阻測輻射熱器需要直流偏置電源，光電磁探測器的偏置是磁場。光電探測器的工作條件6響應率(或稱響應度) 500K黑體測試 可見光波段：靈敏度 響應率描述探測器靈敏度。探測器輸出與入射輻射之比。2. 單色靈敏度 又叫光譜響應度，是電探測器輸出與入射的單色輻射通量之比。3積分響應度 探測器各波長輸出和與各波長輻射通量和之比二、有關響應方面的參數7 4響應時間 描述探測器對入射輻射響應快慢。即當入射或入射遮斷后，探測器輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時間，稱為響應時間。常用時間常數的大小來表示。一輻射脈沖照射光電探測，如方波（脈沖的上升和下降時間很短），則光電探測器的輸出有延遲，從10上

5、升到如90峰值處所需的時間稱為探測器的上升時間，而把從如90下降到10處所需的時間稱為下降時間。tr tf 8 5頻率響應 由于光電探測器信號存在滯后，光電探測器的響應隨入射輻射的調制頻率而變化,稱為頻率響應。利用時間常數可得到光電探測器響應度與入射輻射調制頻率的關系，其表達式為9三、有關噪聲方面的參數信噪比等效噪聲輸入(NEI)噪聲等效功率(NEP)探測率D與比探測率D*當入射功率很低時，輸出只是些雜亂無章的變化信號，而無法確定是否有輻射入射在探測器上。這是探測器固有的“噪聲”引起的。如果對這些隨時間而起伏的電壓(流)按時間取平均值，則平均值等于零。但這些值的均方根不等于零，這個均方根電壓(

6、流)稱為探測器的噪聲電壓(流)。10111213探測器的D*=10E11，探測器的光敏 面積的直徑 Diameter=5E-3， 用于f=5E3的光電儀器，求它能檢測的最小輻射功率？作業(yè)提示：14噪 聲光電系統(tǒng)包含光電探測器和電子學部分（例如前置放大器）。光電系統(tǒng)在工作時，總會受到一些無用信號的干擾，如光電變換中光電子隨機起伏的干擾，光輻射場在傳輸過程中受到通道的影響及背景光的干擾；放大器引入的干擾等等?；驹肼暿莵碜晕⒂^粒子引起的物理量自然漲落。既不能預見它某瞬間大小，又不能排除其存在。光電檢測系統(tǒng)的檢測能力受到“無規(guī)起伏”的限制，當輻射引起的信號弱到“無規(guī)起伏”程度，就無法識別出信號。光電

7、檢測系統(tǒng)中噪聲主要來源是：背景噪聲和光電探測器及其電子線路的固有噪聲。光電探測器都是利用半導體各種效應將光輻射轉變?yōu)殡娦盘枺雽w中載流子的濃度起伏和運動起伏都會產生噪聲，放大器中的電子器件也多為半導體，也會產生噪聲152-3噪聲的統(tǒng)計特性本節(jié)將介紹噪聲的一些主要的統(tǒng)計特征，其中噪聲的概率分布密度、功率譜密度及相關函數就是一些主要的統(tǒng)計特征量。了解和掌握這些統(tǒng)計特征量，就可以采取有效措施對光電信號進行各種處理，從而實現把淹沒于噪聲中的光信號提取出來。16一、噪聲的概率分布17光電系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，噪聲的方差和數學期望不隨時間變化，這時噪聲稱為廣義平穩(wěn)隨機過程。若噪聲的概率分布密度不隨時間變化

8、，則稱為狹義平穩(wěn)隨機過程(或嚴格平穩(wěn)隨機過程)。狹義平穩(wěn)隨機過程一定為廣義平穩(wěn)隨機過程，反之則不然。光電系統(tǒng)中的噪聲還具有各態(tài)經歷性質，就是其統(tǒng)計平均可用時間平均來計算可見一個隨機過程具有各態(tài)經歷，噪聲計算及測量變得容易。光電系統(tǒng)噪聲一般看成是各態(tài)經歷過程，也是一種廣義平穩(wěn)隨機過程。18光電系統(tǒng)中熱噪聲電壓的概率分布密度一般符合高斯正態(tài)分布此式說明，噪聲可以取很大的值，但是取值越大，出現概率越小19二、噪聲的功率譜密度一般光電系統(tǒng)輸出中的噪聲受放大器帶寬限制，積分上下限應改為（f1,f2)放大器的帶寬應限制在能使信號的特征頻譜分量通過即可，過寬的帶寬不會增加有用的信息量，反而降低信噪比20典型

9、噪聲的功率譜密度 白噪聲：具有平坦功率譜密度 低頻噪聲（1/f噪聲）：低頻處具有很強功率譜密度 高頻噪聲（SN(f)-f2 ): 高頻處有很強功率譜密度21三、噪聲的相關函數自相關函數指一個隨機過程在不同時刻取值的相關性對于具有各態(tài)經歷的平穩(wěn)隨機過程，則統(tǒng)計(或稱集平均)又可用時間平均表示，統(tǒng)計特征量與時間起點無關22噪聲的自相關函數具有下列重要特征：23噪聲的自相關函數與噪聲功率密度之間關系24與自相關函數類似，當光電系統(tǒng)存在多個噪聲源時，必須考慮噪聲源之間的互相關性，可用互相關函數來描述其互相關性。 2噪聲的互相關函數 對于具有各態(tài)經歷的平穩(wěn)隨機過程，互相關函數可表示為25互相關函數具有下

10、列重要特性定義兩個隨機過程的互功率譜密度立與互相關函數之間的付里葉變換，即26y(t)如果為參考信號，要求與被檢測信號相關（同頻且相位差恒定的正弦信號）。經互相關器輸出的信號即為互相關函數互相關函數用于從噪聲中檢測微弱信號信號+噪聲參考 信號27在無線通信等數字信號處理領域，序列之間的互相關運算被用來測量未知數字信息與已知數字信息的相關程度?；ハ嚓P器常用于通信系統(tǒng)的同步，它決定了同步質量。例如，OFDM通信系統(tǒng)的同步中可通過算接收- 與本地PN序列副本的相關來確定整數頻偏。在直接序列擴頻通信系統(tǒng)中，在接收端的相關器中，接收序列與本地參考擴頻序列計算互相關，從而確定用戶，并去掉擴頻碼，恢復原始數據。相關器還是GPS系統(tǒng)接收機中的重要組成。一種高效數字相關器，接收一個數據就得出相關值。