光電檢測技術

光電檢測技術——復習教材《光電檢測技術與應用》第二版郭培源、付揚編著，北京航空航天大學出版社參考書目《光電檢測技術與系統(tǒng)》劉鐵根主編，機械工業(yè)出版社《近代光學測試技術》楊國光主編，浙江大學出版社《光電技術與實驗》江月松主編，北京理工大學出版社課程主要內(nèi)容

第一章

緒論——光電檢測技術概述第二章

光電檢測器件工作原理及特性第三章

半導體光電檢測器件及應用第四章

光電信號檢測電路第五章

光電直接檢測系統(tǒng)第六章

光外差檢測系統(tǒng)第九章

光電檢測技術的典型應用本章內(nèi)容：1.1信息技術及光電檢測技術1.2光電檢測與光電傳感器概念1.3光電檢測系統(tǒng)的組成及特點1.4光電檢測方法及應用發(fā)展趨勢第一章緒論—光電檢測技術概述光電檢測系統(tǒng)1.3 光電檢測系統(tǒng)的組成及特點光發(fā)射機光學通道光接收機光發(fā)射機：分為主動式和被動式

主動式：光源（或加調制器）被動式：無自身光源，來自被測物體的光熱輻射發(fā)射光學通道：大氣、空間、水下和光纖等光接收機：收集入射的光信號并加以處理，恢復信息光接收機的基本結構接收到的光場接收透鏡系統(tǒng)光電檢測器后繼檢測處理器接收透鏡系統(tǒng)：對光信號進行濾波、聚焦，入射到光檢測器上光電檢測器：完成光電信號的轉換檢測處理電路：完成電信號的放大、調理及濾波，恢復信號。光接收機的分類功率檢測接收機—直接檢測或非相干檢測外差檢測接收機—相干檢測（空間相干）光接收機的分類圖示透鏡光電檢測器接收到的光場空間濾波器頻率濾波器直接檢測接收機外差檢測接收機合束鏡光電檢測器接收到的光場本地激光器本地光場聚焦光場透鏡課程主要內(nèi)容第一章

緒論——光電檢測技術概述

第二章

光電檢測器件工作原理及特性第三章

半導體光電檢測器件及應用第四章

光電信號檢測電路第五章

光電直接檢測系統(tǒng)第六章

光外差檢測系統(tǒng)第九章

光電檢測技術的典型應用本章內(nèi)容：2.1光電檢測器件的物理基礎2.2光電檢測器件的特性參數(shù)第二章光電檢測器件工作原理及特性輻射光入射到某些半導體，光子（電磁波）與物質微粒相互作用，引起光電效應和光熱效應。2.1光電檢測器件的物理基礎光電效應光電導效應光生伏特效應本征光電導效應雜質光電導效應光熱效應物理基礎熱釋電效應輻射熱計效應溫差電效應物質受光照射后，材料電學性質發(fā)生了變化（發(fā)射電子、電導率的改變、產(chǎn)生感生電動勢）現(xiàn)象。外光電效應：產(chǎn)生電子發(fā)射內(nèi)光電效應：內(nèi)部電子能量狀態(tài)發(fā)生變化——

光電導效應、光生伏特效應光電效應光照射的物質電導率發(fā)生改變，光照變化引起材料電導率變化，是光電導器件工作的基礎。物理本質：光照到半導體材料時，晶格原子或雜質原子的束縛態(tài)電子吸收光子能量并被激發(fā)為傳導態(tài)自由電子，引起材料載流子濃度增加，因而導致材料電導率增大。包括本征和非本征兩種，對應本征和雜質半導體材料。光電導效應本征光電導效應：是指本征半導體材料發(fā)生光電導效應。入射光子能量hν大于材料禁帶寬度Eg的入射光，才能激光出電子空穴對，使材料產(chǎn)生光電導效應。針對本征半導體材料。即：

hν>Eg即存在截止波長：λ0=hc/Eg=1.24/Eg。本征光電導效應基本概念：1、穩(wěn)態(tài)光電流：穩(wěn)定均勻光照

2、暗電導和暗電流3、亮電導和亮電流4、光電導和光電流基本公式：暗電導Gd=σdS/L暗電流Id=σdSU/L亮電導Gl=σlS/L亮電流Il=σlSU/L光電導Gp=ΔσS/L光電流Ip=ΔσSU/L光電導效應示意圖LS本征半導體樣品光U雜質半導體中施主或受主吸收光子能量后電離中，產(chǎn)生自由電子或空穴，從而增加材料電導率的現(xiàn)象。

雜質半導體禁帶寬度比本征小很多，因此更容易電離，響應波長比本征材料要長得多。用EI表示雜質半導體的禁帶寬度，則截止波長：λ0=hc/EI。

特點：容易受熱激發(fā)產(chǎn)生的噪聲的影響，常工作在低溫狀態(tài)。

常用光電導材料：硅Si、鍺Ge及摻雜的半導體材料，以及一些有機物。雜質光電導效應達到內(nèi)部動態(tài)平衡的半導體PN結，在光照的作用下，在PN結的兩端產(chǎn)生電動勢，稱為光生電動勢。這就是光生伏特效應，簡稱光伏效應。物理本質：PN結內(nèi)建電場使得載流子（電子和空穴）的擴散和漂移運動達到了動態(tài)的平衡，在光子能量大于禁帶寬度的光照的作用下，激發(fā)出的電子空穴對打破原有平衡，靠近結區(qū)電子和空穴分別向N區(qū)和P區(qū)移動，形成光電流，同時形成載流子的積累，內(nèi)建電場減小，相當于在PN加了一個正向電壓，即光生電動勢。光生伏特效應PNeVD無光照有光照PNeVD-eVIpPN____VDV+光照形成過程：空穴電子I+V為光生電動勢，或者叫做光生電壓物質受光照后，由于溫度變化造成材料性質發(fā)生變化的現(xiàn)象。與光電效應的區(qū)別：光電效應中，光子能量直接變?yōu)楣怆娮拥哪芰浚鉄嵝?，光能量與晶格相互作用使其運動加劇，造成溫度的升高，從而引起物質相關電學特性變化?？煞譃?熱釋電效應、輻射熱計效應及溫差電效應光熱效應極化晶體：晶體中的正負電荷的中心不重合，表面束縛電荷。+-+-+-+-+-+-______P(T1)P(T2)+-+-+-+-+-+-___j工作溫度T1（左）和工作溫度T2>T1（右）光輻射強度變化

介質溫度在光照作用下溫度發(fā)生變化，介質的極化強度隨溫度變化而變化，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。熱釋電效應溫度變化極化強度用于描述束縛電荷的能力。極化強度變化入射光照射材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象。阻值與溫度變化關系：ΔR=αTRΔTαT為電阻溫度系數(shù)R為元件電阻對金屬材料，溫度越高，電阻越大。對半導體材料，R與T具有指數(shù)關系。輻射熱計效應

由兩種不同材料制成的結點由于受到某種因素作用而出現(xiàn)了溫差，就有可能在兩結點間產(chǎn)生電動勢，回路中產(chǎn)生電流，這就是溫差電效應。xyT1T212導體a導體b溫差電效應光照本章內(nèi)容：2.1光電檢測器件的物理基礎2.2光電檢測器件的特性參數(shù)第二章光電檢測器件工作原理及特性熱噪聲熱噪聲是由載流子無規(guī)則熱運動造成的。熱噪聲電壓和電流均方值分別為：UNT2=4kTRΔfINT2=4kTΔf/R

其中R為導體電阻，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為導體的熱力學溫度，Δf為測量系統(tǒng)的噪聲帶寬。熱噪聲與溫度成正比，與頻率無關，熱噪聲是一種白噪聲。散粒噪聲散粒噪聲也稱散彈噪聲，是由穿越勢壘的載流子的隨機漲落（統(tǒng)計起伏）所造成的噪聲。理論表明，在每個時間段內(nèi)，穿越勢壘區(qū)的載流子數(shù)或從陰極到陽極的電子數(shù)都在一個平均值上下起伏。這種起伏引起的均方噪聲電流為：

INSh2=2qIDCΔfIDC為流過器件電流的直流分量（平均值），q為電子電荷

散粒噪聲也屬于白噪聲課程主要內(nèi)容第一章

緒論——光電檢測技術概述第二章

光電檢測器件工作原理及特性

第三章

半導體光電檢測器件及應用第四章

光電信號檢測電路第五章

光電直接檢測系統(tǒng)第六章

光外差檢測系統(tǒng)第九章

光電檢測技術的典型應用3.1 光敏電阻3.2 光生伏特器件 3.2.1光電池 3.2.2光電二極管與光電三極管3.3 發(fā)光器件3.4 光電耦合器件3.5 光電位置敏感器件3.6 光熱輻射檢測器件第三章半導體光電檢測器件及應用UIp電極入射光當入射光子使半導體物質中的電子由價帶躍升到導帶時，導帶中的電子和價帶中的空穴均參與導電，因此電阻顯著減小，電導增加。光電導g與光電流Ip的表達式為：光敏電阻的工作原理g=gL-gdIp=IL-Id光敏電阻的伏安特性在一定弱光照射下，光敏電阻的光電流與所加電壓關系即為伏安特性。光敏電阻為一純電阻，符合歐姆定律，伏安特性曲線為直線。光敏電阻使用時的實際功耗不應超過額定值。O10電壓V/VI光/mA510050100lx10lx3.1 光敏電阻3.2 光生伏特器件 3.2.1光電池 3.2.2光電二極管與光電三極管3.3 發(fā)光器件3.4 光電耦合器件3.5 光電位置敏感器件3.6 光熱輻射檢測器件第三章半導體光電檢測器件及應用按用途

太陽能光電池：用作電源（效率高，成本低）

測量用光電池：探測器件（線性、靈敏度高等）按材料

硅光電池

硒光電池

砷化鎵光電池

鍺光電池3.2光生伏特器件3.2.1光電池光電池是一種利用光生伏特效應制成的不需加偏壓就能將光能轉化成電能的光電器件。光電池的伏安特性某一光照度下，輸出電流和電壓的特性。無光照時，伏安特性曲線與普通二極管相同。有光照時，伏安特性曲線發(fā)生平移，平移量與光照度成正比。曲線與電壓軸的交點稱為開路電壓Voc

曲線與電流軸的交點稱為短路電流Isc光電池的等效電路光電池的伏安特性曲線伏安特性曲線方程其中IL=S·E，

Is為等效二極管的反向飽和電流，q為電子電荷量，k

為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度。光電二極管與光電池的比較屬于光生伏特器件，基本結構相同，核心是一個PN結。光電二極管的光敏面小，結面積小，頻率特性好，雖然光生電動勢相同，但光電流普遍比光電池小，為數(shù)微安。摻雜濃度：光電池約為1016~1019/cm3，光電二極管約為1012~1013/cm3。光電池零偏壓下工作，光電二極管反偏壓下工作。3.2.2光電二極管與光電三極管1、光電二極管光電二極管的工作原理NP光+_外加反向偏壓符號光電二極管的伏安特性IUOE2>E1>E0E0E1E2在反向偏壓U較小時，光電流I隨反向偏壓的變化較為明顯在反向偏壓U較大時，光電流I趨于飽和，取決于入射光功率E2、

光電三極管光電三級管由光窗、集電極引出線、發(fā)射極引出線和基極引出線組成。光電三級管的作用和普通三級管類似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，也可以受光的控制。光電三極管與光電二極管的比較光電三級管的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級。光電特性不如光電二極管好，在較強的光照下，光電流與照度不成線性關系，所以多用來作光電開關元件或光電邏輯元件。發(fā)射極集電極基極發(fā)射極集電極光電三極管的工作原理cbeIcIpIbVo工作過程：一、光電轉換，二、光電流放大。正常運用時，集電極加正電壓，集電結為反偏置，發(fā)射結為正偏置。當光照到集電結上時，集電結即產(chǎn)生光電流，向基區(qū)注入，同時在集電極電路即產(chǎn)生了一個被放大的電流。光電三極管等效于一個光電二極管與普通三極管集電極-基極的并聯(lián)。伏安特性光電三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般三級管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。只要將入射光照在集電極與基極之間的PN結附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光電三極管的主要特性3.1 光敏電阻3.2 光生伏特器件 3.2.1光電池 3.2.2光電二極管與光電三極管3.3 發(fā)光器件3.4 光電耦合器件3.5 光電位置敏感器件3.6 光熱輻射檢測器件第三章半導體光電檢測器件及應用發(fā)光二極管（LED）發(fā)光二極管是少數(shù)載流子在PN結區(qū)的注入和復合而產(chǎn)生發(fā)光的一種半導體光源，也稱注入式場致發(fā)光光源。表面發(fā)光二極管發(fā)光二極管側面發(fā)光二極管平面發(fā)光二極管圓頂形發(fā)光二極管超發(fā)光二極管——介于激光和熒光之間通信顯示、報警、計算發(fā)光二極管的工作原理基本結構：PN結工作偏壓：正向偏壓發(fā)光二極管的光譜特性光譜特性決定了發(fā)光顏色半導體材料不同，光譜特性不同3.1 光敏電阻3.2 光生伏特器件 3.2.1光電池 3.2.2光電二極管與光電三極管3.3 發(fā)光器件3.4 光電耦合器件3.5 光電位置敏感器件3.6 光熱輻射檢測器件第三章半導體光電檢測器件及應用3.4光電耦合器件光電耦合器件把發(fā)光器件和光接收器件組合的一種器件，它是以光作為媒質把輸入端的電信號耦合到輸出端，因此也稱為光耦合器。光電耦合器件由發(fā)光器件和受光器件封裝在一個組件內(nèi)構成；當發(fā)光二極管流過電流IF時發(fā)出紅外光，光敏三極管受光激發(fā)后導通，并在外電路作用下產(chǎn)生電流IC。3.1 光敏電阻3.2 光生伏特器件 3.2.1光電池 3.2.2光電二極管與光電三極管3.3 發(fā)光器件3.4 光電耦合器件3.5 光電位置敏感器件3.6 光熱輻射檢測器件第三章半導體光電檢測器件及應用P層i層0AxA②①③I1I2I0N層LL入射光1、一維光電位置敏感器件（PSD）的工作原理依圖中所示，電流I0、I1、I2、入射光位置xA和電極間距2L之間有如下關系：一維PSD器件可用來測量光斑在一維方向上的位置和位置移動量。3.5光電位置敏感器件（PSD）2、二維光電位置敏感器件（PSD）的工作原理測量光束在二維坐標中的位置3.1 光敏電阻3.2 光生伏特器件 3.2.1光電池 3.2.2光電二極管與光電三極管3.3 發(fā)光器件3.4 光電耦合器件3.5 光電位置敏感器件3.6 光熱輻射檢測器件第三章半導體光電檢測器件及應用1、熱敏電阻熱敏電阻是用金屬氧化物或半導體材料作為電阻體的溫敏元件。有三種基本類型：正溫度系數(shù)，PTC負溫度系數(shù)，NTC臨界溫度系數(shù)CTC特點：溫度系數(shù)大、靈敏度高電阻值大、引線電阻可忽略體積小，熱響應快，廉價互換性差、測溫范圍窄在汽車、家電領域得到大量應用熱端T+ΔT冷端TABII溫差熱電偶T+ΔTJ1BAJ2IGΦc輻射熱電偶T+ΔTNPTTRLI+_涂黑金箔半導體輻射熱電偶基于溫差電效應，多用于測溫。采用金屬材料制成，用于探測入射輻射，溫升小，對材料的要求高，結構嚴格且復雜，成本高。P型半導體冷端帶正電，N型半導體冷端帶負電，最小可檢測功率一般為10-11W。2、熱電偶

“自發(fā)極化的電介質，其自發(fā)極化強度Ps（單位面積上的電荷量）與溫度存在著如下關系：當溫度升高時，極化強度減低，當溫度升高一定值時，自發(fā)極化消失，這個溫度稱為”居里點“。

在居里點以下，Ps是溫度t的函數(shù)，利用這一關系制造出熱釋電器件，溫度的升高，電極化強度減小，相當于熱”釋放了“部分電荷，可由放大器轉變成電壓輸出。TcPsTOPsTOTc

熱釋電器件不同于其它光電器件的特點：在恒定輻射作用情況下輸出信號電壓為零，只有在交變輻射作用下才會有信號輸出。3、熱釋電器件課程主要內(nèi)容第一章

緒論——光電檢測技術概述第二章

光電檢測器件工作原理及特性第三章

半導體光電檢測器件及應用

第四章

光電信號檢測電路第五章

光電直接檢測系統(tǒng)第六章

光外差檢測系統(tǒng)第九章

光電檢測技術的典型應用通常的光電檢測電路組成光電器件輸入電路前置放大器光電器件是實現(xiàn)光電轉換的核心器件，是溝通光學量和電子系統(tǒng)的接口環(huán)節(jié)，把被測光信號轉換成相應的電信號。輸入電路是為光電器件提供正常的工作條件，進行電參量的變換，同時完成和前置放大器的電路匹配。前置放大器將光電器件輸出的微弱電信號進行放大，同時匹配后置處理電路與檢測器件之間的阻抗。第四章光電信號檢測電路4.1光電檢測電路的設計要求4.2光電信號輸入電路的靜態(tài)計算4.3光電信號檢測電路的動態(tài)計算4.4光電信號檢測電路的噪聲4.5前置放大器4.1光電檢測電路的設計要求設計原則：根據(jù)光電信號的性質、強弱、光學的和器件的噪聲電平以及輸出電平和通頻帶等技術要求來確定電路的連接形式和電路參數(shù)，保證光電器件和后續(xù)電路最佳的工作狀態(tài)，使整個檢測電路滿足下列要求：靈敏的光電轉換能力：光電靈敏度。快速的動態(tài)響應能力：頻率響應及選擇特性。最佳的信號檢測能力：信噪比(SNR)、等效噪聲功率(NEP)。長期工作的穩(wěn)定性和可靠性。第四章光電信號檢測電路4.1光電檢測電路的設計要求4.2光電信號輸入電路的靜態(tài)計算4.3光電信號檢測電路的動態(tài)計算4.4光電信號檢測電路的噪聲4.5前置放大器4.2光電信號輸入電路的靜態(tài)計算靜態(tài)計算法是對緩慢變化的光信號采用直流電路檢測時使用的設計方法。由于光電檢測器件的非線性伏安特性，所采用的方法包括非線性電路的圖解法和分段線性化的解析法。光電器件按照伏安特性的基本性質可分為三種類型：恒流源型、光伏型和可變電阻。負載線與對應輸入光通量為Φ0時的器件的伏安特性曲線交點Q，即為輸入電路的靜態(tài)工作點。1、圖解計算法：利用包含非線性元件的串聯(lián)電路的圖解法對恒流源器件的輸入電路進行計算。負載線方程：UUbRLI圖解法適用于大信號狀態(tài)下的電路分析。2、解析計算法：對光電器件的非線性伏安特性進行分段折線化，稱為折線化伏安特性。折線化的畫法一折線化的畫法二折線化的畫法折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：轉折電壓U0—對應于曲線轉折點M處的電壓值。初始電導G0—非線性區(qū)近似直線的初始斜率。結間漏電導G—線性區(qū)各平行直線的平均斜率。光電靈敏度S—單位輸入光功率所引起的光電流值。P為輸入光功率Ip為對應的光電流折線化的分析原則：利用折線化的伏安特性，可將線性區(qū)內(nèi)任意Q點處的電流值I表示為兩個電流分量的和：Id—為與二極管端電壓U成正比，由結間漏電導形成的無光照電流（暗電流）。Ip—為與端電壓無關，僅取決于輸入光功率Φ的光電流。有：那么理想的光電二極管等效電路可表示為：折線化伏安特性的分析：在輸入光通量變化范圍Φmin~Φmax為已知的條件下，用解析法計算輸入電路的工作狀態(tài)：1、確定線性工作區(qū)域：

由最大輸入光通量的伏安曲線彎曲處即可確定轉折點M。相應的有轉折電壓U0和初始電導G0，在轉折點M有關系：由此可得：或2、計算負載電阻和偏置電壓：為保證最大線性輸出條件，負載線和與對應的伏安曲線交點不能低于轉折點M。設負載線通過M點，可得關系：當Ub已知時，可得負載電導GL或電阻RL：當RL已知時，可得偏置電源電壓Ub為：3、計算輸出電壓幅度：在輸入光通量由Φmin變化到Φmax時，輸出電壓幅度為：由H和M點電流值計算：聯(lián)合求解：求得ΔU：4、計算輸出電流幅度：輸出電流幅度：由下式可得：通常，上式可簡化為：5、計算輸出電功率：由功率關系：可得：已知某Si光電二極管的靈敏度為0.5μA/μW，結間電導為0.01μs（微西），轉折電壓為10V，入射光功率的變化范圍為15μW至25μW，偏壓為Ub=50V。求最大線性輸出時的負載RL，輸出電流△I，輸出電壓△U，和輸出功率PL。第四章光電信號檢測電路4.1光電檢測電路的設計要求4.2光電信號輸入電路的靜態(tài)計算4.3光電信號檢測電路的動態(tài)計算4.4光電信號檢測電路的噪聲4.5前置放大器4.3光電信號檢測電路的動態(tài)計算光電檢測電路接收交變光信號時，與緩變光信號相比，交變信號有更豐富的頻率分量，信號微弱還需要多級放大。在分析和設計交變光信號檢測電路時，需要解決下面的動態(tài)計算問題：1、確定檢測電路的動態(tài)工作狀態(tài)，使交變光信號作用下負載上能獲得最小非線性失真的電信號輸出。2、使檢測電路具有足夠的頻率響應，以能對復雜的瞬變光信號或周期光信號進行無頻率失真的變換和傳輸。光電二極管交流檢測電路檢測電路交變光信號輸入光照度：在通頻帶內(nèi)，視電容短路，負載為Rb和RL并聯(lián)。畫交流負載線，通過M點，以便充分利用線性空間。交流負載線與E0的伏安特性交點為靜態(tài)工作點Q，通過Q點可以得到Rb和Ub。

在三角形MHQ中，交流負載線MN的斜率GL+Gb。交流負載電流峰值為Im，有：計算負載RL（或后續(xù)電路輸入阻抗）的輸出電壓和輸出功率值由交流負載線MN有電流關系：負載電阻RL上輸出功率PL為：對RL求偏微分，計算最大功率輸出下的負載電阻RL0，可得：上式稱為阻抗匹配條件。此時負載上輸出電壓峰值Um0、最大輸出功率有效值PLm和輸出電流峰值Im0為：求解最大功率輸出條件的直流負載電阻Rb0和偏置電壓Ub由解析法，Q點的電流值滿足：由負載線得：由兩式得：另外，在電壓軸上Q點處的電壓UQ為：由UQ的兩個式子可計算出第四章光電信號檢測電路4.1光電檢測電路的設計要求4.2光電信號輸入電路的靜態(tài)計算4.3光電信號檢測電路的動態(tài)計算4.4光電信號檢測電路的噪聲4.5前置放大器等效噪聲電路將噪聲等效為相同形式的均方值（或有效值）電流源的形式，便于與其它電器件以統(tǒng)一的方式建立起等效噪聲電路。如圖示為簡單電阻的噪聲等效電路，由熱噪聲電流源IT和電阻并聯(lián)。若兩個電阻串并聯(lián)組成合成電路，綜合噪聲電流表示為：RΣ為合成電阻。①確定檢測器件和前級電路的噪聲源；②計算等效電阻和復合阻抗下的噪聲等效帶寬，畫出檢測電路的噪聲等效電路；③根據(jù)噪聲等效電路計算噪聲輸出電壓、信噪比和最小輸出光功率值。噪聲估算的具體步驟：第四章光電信號檢測電路4.1光電檢測電路的設計要求4.2光電信號輸入電路的靜態(tài)計算4.3光電信號檢測電路的動態(tài)計算4.4光電信號檢測電路的噪聲4.5前置放大器4.5前置放大器光電系統(tǒng)中微弱的光信號被深埋在噪聲之中，要有效地利用這種信號，必要對其進行放大。光電檢測系統(tǒng)中，光電器件的輸出端緊密連接一個低噪聲前置放大器。低噪聲前置放大器的任務：

1、放大光電檢測器件所輸出的微弱電信號；

2、匹配后置處理電路與檢測器件之間的阻抗。對前置放大器的要求：

1、性能上：低噪聲、高增益、低輸出阻抗、足夠的信號帶寬和負載能力，以及良好的線性和抗干擾能力。

2、結構上：緊湊、靠近檢測器件，良好的接地與屏蔽。放大器的噪聲模型將放大器內(nèi)的所有噪聲源折算到輸入端，一個阻抗為零的噪聲電壓源En串聯(lián)在輸入端和阻抗為無限大噪聲電流源In與輸入端并聯(lián)。放大器內(nèi)部成為一個無噪聲放大器。En和In通過測量得到。這種等效模型稱為放大器的En-In噪聲模型。信號源電阻信號源熱噪聲電壓信號源電壓噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)是描述放大器或其它電路的噪聲性能，噪聲系數(shù)F的定義為放大器總輸出噪聲功率與源電阻在放大器輸出端的噪聲功率之比，可表示為：Ap為放大器的功率增益；Pni為放大器的輸入噪聲功率，即源電阻產(chǎn)生的噪聲功率；Ap·Pni表示了源電阻在放大器輸出端產(chǎn)生的噪聲功率；Pno為放大器輸出端總的噪聲功率。引入Ap（輸出信號功率Pso與輸入信號Psi之比），噪聲系數(shù)可表示為：噪聲匹配式表明噪聲系數(shù)與源電阻Rs有關。在其中某個Rs值時，噪聲系數(shù)存在一個最小值，此時放大器在源熱噪聲基礎上噪聲增加最小，這個源電阻稱做最佳源電阻R0?？傻茫荷鲜奖环Q為噪聲匹配條件，此時得噪聲系數(shù)最小值為：滿足噪聲匹配條件時最小噪聲系數(shù)與放大器的En和In的乘積有關。課程主要內(nèi)容第一章

緒論——光電檢測技術概述第二章

光電檢測器件工作原理及特性第三章

半導體光電檢測器件及應用第四章

光電信號檢測電路

第五章

光電直接檢測系統(tǒng)第六章

光外差檢測系統(tǒng)第九章

光電檢測技術的典型應用相干檢測光源：相干光源原理：利用光的振幅、頻率、相位攜帶信息，檢測時需要用光波相干原理。調制方法：光振幅調制、相位調制，頻率調制測量精度（靈敏度）更高，作用距離更遠。非相干檢測光源：非相干或相干光源原理：利用光強度攜帶信息，將光強度轉換為電信號，解調電路檢出信息。調制方法：光強度調制、偏振調制直接檢測是一種簡單實用的方法。光外差檢測直接檢測光電檢測系統(tǒng)第五章光電直接檢測系統(tǒng)主要內(nèi)容：5.1光電直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理5.2光電直接檢測系統(tǒng)的基本特性5.3光電直接檢測系統(tǒng)的距離方程5.4光電直接檢測系統(tǒng)舉例5.1光電直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理光電直接檢測系統(tǒng)是將待測光信號直接入射到光檢測器光敏面上，光檢測器響應光輻射強度（幅度）并輸出相應的電流和電壓。檢測系統(tǒng)經(jīng)光學天線或直接由檢測器接收光信號，前端還可經(jīng)過頻率濾波和空間濾波等處理。強度調制器光學天線光學通道接收天線及光電檢測器光電信號處理器光源信號發(fā)射機背景噪聲場接收機電路噪聲回收的信息強度調制直接檢測模型5.1光電直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理假定入射光信號電場為：光場平均光功率為：表示的時間平均值；光檢測器輸出電流為：稱為光電變換比例常數(shù)光檢測器的平方律特性：光檢測器輸出的電功率正比于入射光功率的平方。5.1光電直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理若光檢測器負載電阻RL，則光檢測器輸出電功率為：如果入射光是調幅波，即其中d(t)為調制信號，可推導出光檢測器的輸出電流為:式中第一項為直流項，若光檢測器輸出端有隔直電容，則輸出光電流只包含第二項，稱為包絡檢測。第五章光電直接檢測系統(tǒng)主要內(nèi)容：5.1光電直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理5.2光電直接檢測系統(tǒng)的基本特性5.3光電直接檢測系統(tǒng)的距離方程5.4光電直接檢測系統(tǒng)舉例5.2光電直接檢測系統(tǒng)的基本特性5.2.1直接檢測系統(tǒng)的信噪比光檢測器輸出的總功率包括信號電功率和噪聲功率，可表示為：考慮到信號和噪聲的獨立性，有：由信噪比定義，輸出功率信噪比為：5.2.1直接檢測系統(tǒng)的信噪比說明輸出信噪比是輸入信噪比的平方，可見，直接檢測系統(tǒng)不適用于輸入信噪比小于1或微弱光信號的檢測。輸出信噪比是輸入信噪比的一半，即經(jīng)過光電轉換，信噪比損失了3dB。直接檢測不能改善輸入信噪比。(1)若，則有：(2)若，則有：5.2.2直接檢測系統(tǒng)的檢測極限考慮直接檢測系統(tǒng)中存在的所有噪聲，則輸出噪聲總功率為：輸出信噪比為：5-13分別為信號光、背景光和暗電流引起的散粒噪聲。為負載電阻和放大器的熱噪聲之和。5.2.2直接檢測系統(tǒng)的檢測極限2、當散粒噪聲遠大于熱噪聲時，直接檢測系統(tǒng)受散粒噪聲限制，信噪比為：5-153、當背景噪聲是直接檢測系統(tǒng)的主要噪聲源時，直接檢測系統(tǒng)受背景噪聲限制，信噪比為：1、當熱噪聲是直接檢測系統(tǒng)的主要噪聲源時，直接檢測系統(tǒng)受熱噪聲限制，信噪比為：5.2.2直接檢測系統(tǒng)的檢測極限假定光波長λ=0.7μm，檢測器的量子效率η=1，測量帶寬Δf=1，由上式得到系統(tǒng)在量子極限下的最小可檢測功率為4、當入射信號光波所引起的噪聲為直接檢測系統(tǒng)的主要噪聲源時，直接檢測系統(tǒng)受信號噪聲限制，這時信噪比為：5-17該式為光電直接檢測在理論上的極限信噪比，稱為直接檢測系統(tǒng)的量子極限，又稱量子限靈敏度。若用等效噪聲功率NEP值表示，在量子極限下，直接檢測系統(tǒng)理論上可測量的最小功率為：第5章光電直接檢測系統(tǒng)主要內(nèi)容：5.1光電直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理5.2光電直接檢測系統(tǒng)的基本特性5.3光電直接檢測系統(tǒng)的距離方程5.4光電直接檢測系統(tǒng)舉例5.4光電直接檢測系統(tǒng)舉例兩塊光柵互相重疊，并使它們之間的柵線形成一個較小的夾角。當光柵對之間有一相對運動時，透過光柵對看另一邊的光源，就會發(fā)現(xiàn)有一組垂直于光柵運動方向的明暗相間的條紋移動，這就形成莫爾條紋。5.4.1莫爾條紋測長儀在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。組成莫爾條紋的兩塊計量光柵的相鄰刻線之間的寬度稱為光柵的節(jié)距。常用光柵的節(jié)距大于0.01mm，稱為黑白光柵。此時節(jié)距遠大于波長。主光柵指示光柵莫爾條紋黑白光柵莫爾條紋的數(shù)學形式設標尺光柵和指示光柵的節(jié)距分別為P1和P2主光柵的刻線方程為指示光柵的刻線與x軸的交點為莫爾條紋的方程為莫爾條紋1的（i=j）斜率為莫爾條紋1的（i=j）方程為莫爾條紋2和3的方程分別為莫爾條紋是周期函數(shù)，周期為，也叫做莫爾條紋的寬度B。實際中夾角很小，可以認為莫爾條紋與y軸垂直，為“橫向莫爾條紋”。時，得到嚴格的橫向莫爾條紋。時，莫爾條紋的斜率為時，得到縱向莫爾條紋。莫爾條紋有如下特征：

1）平均效應：莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，對光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線不均勻引起的誤差。

2）對應關系：當指示光柵沿與柵線垂直的方向作相對移動時，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動（兩者的運動方向相互垂直）；指示光柵反向移動，莫爾條紋亦反向移動。

3）放大作用：莫爾條紋的間距是放大了的光柵柵距，它隨著指示光柵與主光柵刻線夾角θ而改變。θ越小，B越大，相當于把微小的柵距P擴大了倍。由此可見，莫爾條紋起到光學放大器的作用。5.4.2激光測距儀激光測距是光波測距中的一種測距方式。如果光以速度c在空氣中傳播在A,B兩點間往返一次所需時間為t，則A,B兩點間距離D可用下列表示：

D=ct/2由上式可知，要測量A,B距離實際上是要測量光傳播的時間t。根據(jù)測量時間方法的不同，激光測距儀通?？煞譃槊}沖式和相位式兩種測量形式。1、脈沖激光測距儀激光器發(fā)射光束回波光束啟動按鈕復原電路控制電路整形電路放大電路時鐘振蕩器電子門計數(shù)器干涉濾光片測器光電檢小孔光闌取樣器

由光電器件得到的電脈沖，經(jīng)放大電路和整形電路以后，輸出一定形狀的負脈沖至控制電路。由啟動信號產(chǎn)生的負脈沖A，經(jīng)控制電路去打開電子門。這時振蕩頻率一定的時鐘振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖，可以通過電子門進入計數(shù)顯示電路，計時開始。當反射回來經(jīng)整形后的測距信號B到來時，關閉電子門，計時停止。計數(shù)和顯示的脈沖數(shù)如圖(g)所示。從計時開始到計時停止的時間正比于參考信號與測距信號之間的時間。則被測距離為：2/t=ncD2、相位激光測距儀相位激光測距儀是通過測量從測距儀發(fā)出的連續(xù)調制光在待測距離上往返所產(chǎn)生的相位移來計算待測距離的。測距時，調制激光照在合作目標上，被反回接收經(jīng)光電轉換后得到相同的電信號，與光源的驅動電壓相比較，測得相位差，由相位差可算得所測距離。相位激光測距儀適合于民用測量，如大地測量和地震測量。課程主要內(nèi)容第一章

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光電檢測器件工作原理及特性第三章

半導體光電檢測器件及應用第四章

光電信號檢測電路第五章

光電直接檢測系統(tǒng)

第六章

光外差檢測系統(tǒng)第九章

光電檢測技術的典型應用第六章光外差檢測系統(tǒng)6.1 光外差檢測原理6.2 光外差檢測特性6.3 影響光外差檢測靈敏度的因素6.4 光外差檢測系統(tǒng)舉例光外差檢測原理示意圖光外差檢測原理如圖，兩束平行的相干光，經(jīng)分光鏡和可變光闌入射到探測器表面進行混頻，形成相干光場，經(jīng)探測測器變換后，輸出信號包含差頻信號，故又稱相干檢測。6.1 光外差檢測原理那么，入射到檢測器上的總光場為：光檢測器的響應與光電場的平方成正比，所以光檢測器的光電流為：式中第一、二項為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1/2。第三項為和頻項，頻率太高，光混頻器不響應，可略去，第四項為差頻項，頻率低得多，當差頻信號(ωL-ωs)/2π=ωC/2π低于光檢測器的上限截止頻率時，檢測器就有頻率為ωC/2π的光電流輸出。首先設入射到檢測器上的信號光場和本機振蕩光場分別為：如果把信號的測量限制在差頻的通常范圍內(nèi)，則可以得到通過以ωC為中心頻率的帶通濾波器的瞬時中頻電流為：在中頻濾波器輸出端，瞬時中頻信號電壓為：中頻輸出有效信號功率就是瞬時中頻功率在中頻周期內(nèi)的平均值，即：當ωL-ωs=0，即信號光頻率等于本振光頻率時，則瞬時中頻電流為：這是外差探測的一種特殊形式，稱為零差探測。第六章光外差檢測系統(tǒng)6.1 光外差檢測原理6.2 光外差檢測特性6.3 影響光外差檢測靈敏度的因素6.4 光外差檢測系統(tǒng)舉例最小可檢測功率當本振功率PL足夠大時，本振散粒噪聲遠超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋簝?nèi)部增益為M的光外差檢測器輸出有效信號功率為：檢測器本身的散粒噪聲和熱噪聲影響最大、難以消除。外差檢測輸出的散粒噪聲和熱噪聲表示為：功率信噪比為：這就是光外差檢測系統(tǒng)中所能達到的最大信噪比極限，一般稱為光外差檢測的量子檢測極限或量子噪聲限。引入最小可檢測功率（等效噪聲功率）NEP表示，在量子檢測極限下，光外差檢測系統(tǒng)的NEP值為：光電直接檢測系統(tǒng)的量子極限為：這里面需要說明的是：直接檢測量子限是在理想光檢測器的理想條件下（不存在噪聲）得到的，實際中無法實現(xiàn)量子極限的，對于光外差檢測，利用足夠的本振光是容易實現(xiàn)的?？傊?，檢測靈敏度高是光外差檢測的突出優(yōu)點。為克服由信號光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的轉換增益，增大本振光功率是有利的，但本振光本身也引起散粒噪聲，本振功率越大，噪聲也越大，使檢測系統(tǒng)信噪比反而降低。應合理選擇本振光功率，以便得到最佳信噪比和較大的中頻轉換增益。第六章光外差檢測系統(tǒng)6.1 光外差檢測原理6.2 光外差檢測特性6.3 影響光外差檢測靈敏度的因素6.4 光外差檢測系統(tǒng)舉例6.3 影響光外差檢測靈敏度的因素6.3.1光外差檢測的空間條件（空間調準）光外差檢測原理示意圖

信號光和本振光的波前在光檢測器光敏面上保持相同的相位關系，才得式：

實質上，由于光的波長比光檢測器面積小很多，混頻作用是在一個個小面積元上產(chǎn)生的，即總的中頻電流是每個小微分面元所產(chǎn)生的微分電流之和，顯然要使中頻電流達到最大，這些微分中頻電流要保持恒定的相位關系，即要求信號光和本振光的波前是重合的，必須保持信號光和本振光在空間上的角準直。

設信號光束和本振光束之間夾角為θ，且信號光束的波陣面平行于光敏面時。設信號光束和本振光束的光場為：那么本振光束到達光敏面時，在不同點x處有不同的波前，即不同的相位差。相位差等于光程差和波數(shù)之積。即：式中，，并認為折射率n=1。于是本振光波可表示為：則檢測器上x點的響應電流為則整個光敏面總響應電流為從式中可知，當時，即時，中頻電流i最大。即可得外差檢測的空間相位條件為：即：顯然：波長愈短或口徑愈大，要求相位差角θ愈小，愈難滿足外差檢測的要求。說明紅外光比可見光更易實現(xiàn)光外差檢測。例：本振光波長為1微米，檢測器光敏面長度為1mm，則θ<<0.32mrad（0.018度）。實驗證實，穩(wěn)頻的CO2激光器做外差檢測實驗，當θ<2.6mrad時，才能看到清晰的差頻信號。這個角度也被稱為失配角。光外差檢測原理示意圖如圖，要形成強的差頻信號，必須使信號光束和本振光束在空間準直得很好。背景雜散光來自各個方向，絕大部分的背景光不與本振光準直，即不產(chǎn)生明顯的差頻信號。因此外差檢測在空間上能很好地抑制背景噪聲，具有很好的空間濾波性能，但是嚴格的空間條件也使調準兩光束比較困難。6.3.2光外差檢測的頻率條件為獲得靈敏度高的光外差檢測，要求信號光和本振光具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定性。光外差檢測的物理光學的本質是兩束光波疊加后產(chǎn)生干涉的結果。這種干涉取決于信號光和本振光束的單色性。因此為獲得單色性好的激光輸出，必須選用單縱模運轉的激光器作為光外差檢測光源。信號光和本振光存在著