高精度光电探测器的线性测量_陈风
光电探测器的特性与制备方法
光电探测器的特性与制备方法光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的器件，广泛应用于通信、能源、环保等领域。
本文将从特性和制备方法两个方面来介绍光电探测器。
一、光电探测器的特性1. 响应速度快光电探测器的响应速度非常快，一般在纳秒到微秒的时间范围内。
这使其在高速通信、激光雷达等领域拥有广泛应用。
2. 灵敏度高光电探测器的灵敏度非常高，能够探测到微弱的光信号。
可以说，光电探测器是探测光信号最为灵敏的一种器件，这使其在光通信、医学成像等领域有重要的应用。
3. 线性度好光电探测器的输出信号与输入光信号之间存在一一对应的关系。
因此，光电探测器的线性度非常好，使得其在科学研究、工业制造等领域有广泛的应用。
4. 可靠性强光电探测器的制造工艺相对简单，而且器件结构稳定，故其可靠性比较强。
这使得光电探测器在一些高要求可靠性领域如航天、国防等有重要的应用。
二、光电探测器的制备方法光电探测器有多种制备方法，这里介绍其中三种。
1. 硒化镉光敏焊盘法该方法主要是采用硒化镉晶体作为光电探测器的敏感元件。
制备时，将硒化镉晶体制成薄片，并使用焊盘将薄片和支撑底片连接。
这样，就形成了硒化镉光电探测器器件。
这种方法简单易行，制备成本低，但敏感度和可靠性方面稍有不足。
2. 硅材料光电探测器制备方法硅材料是一种非常常见的材料，其也可以被用于制备光电探测器。
制备时，将硅材料进行特殊处理，制成具有光敏电性能的硅晶体。
然后，将制成的硅晶体集成到探测器中，形成最终的硅材料光电探测器。
硅材料光电探测器灵敏度较高，响应时间快，但成本较高。
3. 纳米材料光电探测器制备方法纳米材料具有很特殊的结构和性能，因此近年来也被广泛应用于光电探测器的制备中。
纳米材料光电探测器的制备需要先将纳米材料制成具有半导体特性的纳米粒子。
然后，利用电沉积、溶涂法等技术将纳米材料覆盖在探测器表面，最终形成纳米材料光电探测器。
纳米材料光电探测器具有灵敏度非常高，响应速度快，但制备工艺较为复杂。
高性能PtS2
第42卷 第1期吉林大学学报(信息科学版)Vol.42 No.12024年1月Journal of Jilin University (Information Science Edition)Jan.2024文章编号:1671⁃5896(2024)01⁃0074⁃07高性能PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器收稿日期:2023⁃01⁃12基金项目:上海市自然科学基金资助项目(15ZR1627300)作者简介:潘生生(1995 ),男,合肥人,上海理工大学硕士研究生,主要从事二维光电材料研究,(Tel)86⁃187****3664(E⁃mail)2351948787@;通讯作者:袁涛(1983 ),女,上海人,上海理工大学教授,博士,主要从事新能源材料研究,(Tel)86⁃181****3228(E⁃mail)4673250167@㊂潘生生1,袁 涛1,周孝好2,王 振2(1.上海理工大学理学院,上海200093;2.中国科学院上海技术物理研究所,上海200092)摘要:由于光电探测器的工作性能直接关系到系统数据采集质量,为此,对高性能PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器进行了研究㊂通过选取材料㊁试剂和设备制作了PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器㊂搭建探测器性能测试环境,并利用光响应度㊁探测率㊁响应时间和光电导增益4个指标,分析探测器性能㊂结果表明,随着测试时间的推移,PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器的光响应度数值始终处于5A /W 限值以上;无论对采集何种材质反射的红外光,探测器探测率均大于10cm㊃Hz1/2W -1;无论光生电流是处于上升还是下降时间,其响应时间始终在限值150μs 以下;光电导增益值保持在80%以上㊂关键词:PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器;光响应度;探测率;光电导增益中图分类号:TP365.66文献标志码:AHigh Performance PtS 2/MoTe 2Heterojunction Infrared PhotodetectorPAN Shengsheng 1,YUAN Tao 1,ZHOU Xiaohao 2,WANG Zhen 2(1.College of Science,Shanghai University of Technology,Shanghai 200093,China;2.Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200092,China)Abstract :As one of the important components of the detection system,the performance of photoelectric detector is directly related to the quality of system data acquisition.In order not to affect the final detection result,it is essential to ensure the detector performance.The performance of high performance PtS 2/MoTe 2heterojunction infrared photodetector is studied.First,the materials,reagents and equipment are prepared to make PtS 2/MoTe 2heterojunction infrared photodetectors.The detector performance test environment,the four indicators of light response,detection rate,response time and photoconductivity gain are set up,and the detector performance is analyzed.The results show that the optical responsivity of PtS 2/MoTe 2heterojunction infrared photodetector is always above the 5A /W limit with the passage of test time.The detection rate of the detector is greater than 10cm㊃Hz1/2W -1regardless of the infrared light reflected from any material.Whether the photocurrent is in the rising time or the falling time,its response time is always below the limit of 150μs;The photoconductivity gain value has been kept above 80%.Key words :PtS 2/MoTe 2heterojunction infrared photodetector;optical responsivity;detection rate;photoconductivity gain0 引 言目标检测是一个确定目标缺陷㊁故障㊁属性㊁类型的过程,其是很多领域的研究重点课题㊂在目标检测过程中,基础数据采集是首要环节,其质量直接关系到目标检测结果的准确性[1]㊂针对目标的不同,基础数据的采集手段也各不相同,如振动传感㊁雷达㊁光电探测系统等㊂其中,光电探测系统根据发射光的颜色不同,又分为紫外光㊁可见光及红外光等[2]㊂而其中红外光由于探测范围较为广泛,使其成为光电探测系统中的重要组成部分㊂其工作原理是反射光照射到半导体材料上后,会吸收光能量,则会触发光电导效应,从而将红外光转换为电信号[3]㊂红外光电探测器是整个探测系统的 核心”,因此其性能会直接影响数据采集质量,进而影响整个探测工作质量㊂基于上述分析,人们对红外光电探测器性能进行了大量分析研究㊂周国方等[4]以石墨烯材料为基础并利用碱刻蚀法合成金字塔状硅,形成异质结,制备近红外光探测器,并针对其响应速度㊁比探测率㊁光电流等性能进行了检测㊂秦铭聪等[5]首先选取探测器制备所需要的材料并制备了各个组成元件,然后将这些元件组合,构成了高性能近红外有机光探测器件,最后针对响应度和比探测率㊁线性动态范围LDR(Low Dynamic Range)㊁光开关特性和响应时间等性能进行了分析㊂皇甫路遥等[6]以二硫化钼和二硒化钨为基础,利用蒸镀机热蒸镀法制备成异质结光电探测器,然后针对该设备进行了拉曼荧光㊁输出㊁光电特性的分析㊂在上述研究基础上,笔者制备高性能PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器并对其性能进行研究,以期为红外光电探测器设计和应用提供参考㊂1 高性能PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器设计1.1 材料制备二硫化铂(PtS 2)是一种过渡金属硫族层间化合物,其光响应特性优秀,因此广泛用于光电探测器的设计中;二碲化钼(MoTe 2)是一种N 型半导体材料,具有良好的光吸收性㊁半导体特性以及同质结效率,可保证电子在其中迅速运动[7]㊂这两种材料是形成探测器光电导效应的主要原料㊂其基础性质如表1所示㊂表1 PtS 2和MoTe 2的性质 2和MoTe 2两种主要材料外,还需要衬底材料,以承载PtS 2和MoTe 2氧化硅,来自浙江精功科技股份有限公司,该硅片基础参数如下:氧化层厚度:50~200μm;晶向:〈100〉;掺杂类型:P;电阻率:1~3Ω㊃cm㊂1.2 试剂制备PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器制备所需试剂如表2所示㊂表2 探测器制备所需试剂57第1期潘生生,等:高性能PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器1.3 设备选取PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器制备所需设备如表3所示㊂表3 探测器制备所需设备Tab.3 Equipment required for detector preparation设备名称型号生产厂家旋涂仪SPIN200i⁃NPP 北京汉达森机械技术有限公司电子束蒸发系统FC /BCD⁃2800上海耀他科技有限公司扫描电子显微镜WF10X /23上海锦玟仪器设备有限公司鼓风干燥箱xud 东莞市新远大机械设备有限公司超声清洗机SB⁃50江门市先泰机械制造有限公司无掩模光刻机Micro⁃Writer ML3英国DMO 公司氮气枪沈阳广泰气体有限公司双温区管式炉MY⁃G3洛阳美优实验设备有限公司紫外曝光系统UVSF81T007356复坦希(上海)电子科技有限公司三维转移平台SmartCART北京昊诺斯科技有限公司1.4 红外光电探测器制作工艺基于表1~表3给出的制备材料㊁试剂和设备,制备出高性能PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器用于性能测试[9]㊂具体过程如下㊂步骤1) 制作衬底㊂①氧化硅片切割成直径为1cm 的圆形硅片;②将圆形硅片放入准备好的烧杯容器中;③在其中加入丙酮溶液,浸泡10min;④取出硅片后,放入乙醇溶液中,再次浸泡10min;⑤将硅片放入去离子水中并同时利用超声清洗机清洗5min,用氮气枪吹干表面的水分,完全去除附着在硅片表面的有机物和杂质;⑥利用氢氟酸溶液去除氧化层;⑦通过外延生长技术得到p 型硅;⑧进行紫外臭氧处理20min,得到衬底[10]㊂步骤2) 利用热辅助硒化法制备PtS 2和MoTe 2薄膜㊂步骤3) 将PtS 2薄膜贴到衬底上,得到薄层PtS 2样品㊂步骤4) 在薄层PtS 2样品上均匀旋涂上聚甲基丙烯酸甲酯㊂步骤5) 在显微镜和三维转移平台下将MoTe 2薄膜进行精确定位,然后对准并贴合在一起㊂步骤6) 利用鼓风干燥箱干燥处理㊂步骤7) 浸泡氢氟酸溶液㊁捞取㊁烘烤㊁去胶和退火,完成PtS 2/MoTe 2异质结制备[11]㊂图1 PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器示意图Fig.1 Schematic diagram of PtS 2/MoTe 2heterojunction infrared photodetector步骤8) 在PtS 2/MoTe 2异质结上光刻出图形,形成微结构㊂步骤9) 利用紫外曝光和湿法刻蚀工艺制备出晶体管栅极㊂步骤10) 利用电子束曝光结合电子束蒸发系统制备出源漏电极㊂步骤11) 完成高性能PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器的制作如图1所示㊂67吉林大学学报(信息科学版)第42卷2 光电探测器性能测试对制备好的PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器进行性能测试㊂其测试工作分为两部分,一是设定测试环境,二是确定测试指标[12]㊂2.1 设定测试环境图2 红外光电探测器测试环境Fig.2 Test environment of infrared photodetector 红外光电探测器是光电探测系统中的重要组成部分,光电探测系统主要用于目标检测,因此为测试所制备的PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器性能,需要搭配其他系统构成测试环境,如图2所示[13]㊂应用所设计的PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器采集反射信号,测试持续10min㊂记录期间内探测器的相关工作参数,以便性能指标的计算[14]㊂2.2 性能测试指标针对所设计的PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器,选用以下4个指标进行性能评定,即光响应度㊁探测率㊁响应时间和光电导增益[15]㊂1)光响应度㊂描述探测器光电转换能力的指标,该指标越大,说明探测器的光电转换能力越好㊂计算如下:A =a 1/B ,(1)其中A 表示光响应度,a 1表示光照射下产生的光生电流,B 表示入射光功率㊂光响应度大于5A /W 为高性能标准㊂2)探测率㊂反射的光信号中部分信号是十分微弱的,并不容易被采集到,因此要求探测器具有良好的针对微弱信号的探测能力,探测率就是描述该能力的最直观指标,该指标越大,说明探测器的针对微弱信号的探测能力越好[16]㊂计算如下:C =a 2L /D ,(2)其中D =G 1/A ,(3)其中C 表示探测率,大于10cm㊃Hz1/2W -1为高性能标准,a 2表示器件有效面积,L 表示带宽,D 表示噪声等效功率,G 1表示1Hz 带宽的噪声电流㊂红外光电探测器常用于不同材质目标的检测,因此保证其适用性是非常重要的㊂为此,在文中设置3种材质或属性的探测目标,即混凝土材质㊁金属材质以及人体㊂针对这3种材质或属性的探测目标,测试其探测率变化情况㊂3)响应时间㊂其反映了光电探测器对入射光信号响应的快慢,包括上升和下降时间㊂上升时间是指光生电流从10%上升到90%的这段时间,而下降时间则相反㊂实际应用中对光照快速响应的需求为小于等于150μs,且时间越短,表示器件响应越快㊂计算如下:E =~A[1+(2πeg )2]1/2T ,(4)其中E 表示响应时间,~A表示静态光照下的光响应度,e 表示电子电荷的数值,T 表示时间长度㊂4)光电导增益㊂其指标描述了光作用下外电路电流的增强能力㊂计算如下:H =(a 1/N )MP×100%,(5)其中H 表示光电导增益,该值越大,说明探测器工作越稳定,以80%为标准,大于该值认为探测器达到高性能标准;N 表示光电子的电荷量,P 表示探测器的电子转移效率,M 表示光电子数目㊂77第1期潘生生,等:高性能PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器3 性能测试结果与分析3.1 光响应度图3为光响应度测试结果㊂从图3可看出,随着测试时间的推移,光响应度波动较小,基本保持稳定㊂并且光响应度数值始终处于5A /W 限值以上,说明所设计的PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器达到了高性能标准㊂3.2 探测率图4为探测率测试结果㊂从图4可看出,无论是采集何种材质反射的红外光,所设计的探测器探测率均大于10cm㊃Hz1/2W -1,说明该探测器针对微弱信号具有较强的检测能力,达到高性能标准㊂ 图3 光响应度测试结果 图4 探测率测试结果 Fig.3 Optical responsivity test results Fig.4 Detection rate test results3.3 响应时间图5为响应时间测试结果㊂从图5可看出,无论光生电流处于上升还是下降时间,其响应时间始终在限值150μs 以下,说明所设计的探测器能快速检测入射光信号,完成信号采集工作㊂图5 响应时间测试结果Fig.5 Response time test results图6 光电导增益测试结果Fig.6 Photo conductivity gain test results3.4 光电导增益图6为光电导增益测试结果㊂从图6可看出,随着时间的推移,光电导增益值并没有随之下降,虽然有所波动,但也一直保持在80%以上,证明了所设计探测器的性能㊂4 结 语红外探测器是光电探测系统中的最重要组成部分,起到数据收集的重要作用,而收集的数据质量越高,探测结果越准确㊂因此,保证探测器的工作性能87吉林大学学报(信息科学版)第42卷对于数据收集工作具有重要作用㊂为此,进行了高性能PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器性能研究㊂并以PtS 2/MoTe 2为基础设计一款探测器,同时测定了探测器的4个指标,分析了其探测性能㊂实验结果表明,tS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器的光响应度㊁探测率㊁光电导增益均较高,响应时间在限值150μs以下㊂通过本研究以期为PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器的研究和应用提供参考㊂参考文献:[1]林亚楠,吴亚东,程海洋,等.PdSe 2纳米线薄膜/Si 异质结近红外集成光电探测器[J].光学学报,2021,41(21):184⁃192.LIN Y N,WU Y D,CHENG H Y,et al.Near⁃Infrared Integrated Photodetector Based on PdSe 2Nanowires Film /Si Heterojunction [J].Acta Optica 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采用线阵CCD测量扫描镜步进角度的系统设计
第28卷 第3期2006年3月 红外技术I nfrared Technol ogy Vol 128 No .3 Mar 12006收稿日期:2005-07-27作者简介:陈秋霞(1979-),女,福建省莆田市,现为中科院上海技术物理研究所在读硕士研究生。
主要研究方向:电路与系统设计、信号处理。
采用线阵CCD 测量扫描镜步进角度的系统设计陈秋霞,陈桂林(中科院上海技术物理研究所,上海200083)摘要:介绍了采用线阵CCD 测量扫描镜步进角度的方法,并给出了详细的实现方案,包括光学系统设计、硬件电路设计以及CCD 数字化信号处理方法。
解决了一般情况下无法做到的高精度非接触式动态测量问题,并为系统的工程化打下了坚实的基础。
关键词:线阵CCD;角度测量;FPG A;重心算法中图分类号:T N214文献标识码:A 文章编号:100128891(2006)0320150204D esi gn of M ea sur i n g the Stepped 2Angle of Scann i n gM i rror w ith L i n ear CCDCHEN Q iu 2xia,CHE N Gui 2lin(Shanghai Institute of Technical Physics,Shanghai 200083,China )Abstract:This paper intr oduces a method f or measuring the stepped -angle of scanning m irr or with linear CCD,al ong with a detailed i m p le mentati on strategy,which includes the design of op tical syste m and hardware circuit and the p r ocessing algorithm of the digital signals .This method res olves the high accuracy and real -ti m e p r ob 2le m s which the nor mal syste m s can not do and it is funda mental for further p ractical app licati ons .Key words:linear CCD;angle measure ment;FPG A;centr oid algorith m引言在光机扫描系统中,扫描镜的扫描精度是整个系统中最重要的指标,因而检测扫描镜的步进角度是扫描机构研制中的一个重要的环节。
高噪声高精度时间相关单光子测距系统性能研究_沈姗姗
收 稿 日 期 ：２０１５－１１－１０；收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１６－０１－０４ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 （６１１０１１９６，６１２７１３３２）、中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 （３０９２０１４０１１２０１２）、江 苏 省 普 通
３南京理工大学紫金学院，江苏 南京 ２１００４６
摘要 为弥补伪随机码调幅测距系统性能研究的不 足，采 用 可 编 程 逻 辑 器 件 实 现 １ＧＨｚ和 ２．５ＧＨｚ速 率 的 伪 随 机码发生器。实验系统以５０ｍ 为测试距离，针对两路伪随机码光子到达时间点，采用快速 傅 里 叶 变 换 算 法 得 到 互 相关波形。在此基础上，建立互相关波形的数学模型，采 用 参 数 估 计 法，运 用 马 尔 可 夫 技 术 完 成 参 数 迭 代，重 构 距 离波形，得到距离估计值。实验结果表明，伪随机码为１的比例为１％，探测到的光 子 计 数 率 为 ２×１０６ ｓ－１；低 背 景 噪声下，积分时间和信噪比成正比，与理论相符；高背景噪声下，随着积分时间的 增 大，采 用 该 方 法 估 计 的 距 离 值 标 准差比峰值距离标准差的增大速度缓慢，整体距离精度高于峰值距离精度。积分时间为０．００１ｓ时，２．５ＧＨｚ码 速 测距的精度从７．３ｃｍ 提高到４．６２ｃｍ。另外，该方法估计 得 到 的 １ＧＨｚ的 距 离 精 度 仍 然 低 于 ２．５ＧＨｚ的 距 离 精 度 ，同 等 速 率 下 ，可 降 低 噪 声 对 距 离 精 度 的 影 响 。 关 键 词 探 测 器 ；单 光 子 ；精 度 ；伪 随 机 码 ；马 尔 可 夫 技 术 中 图 分 类 号 Ｏ４３６ 文 献 标 识 码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＣＪＬ２０１６４３．０６０４００１
光电探测器灵敏度、偏置和带宽
实验2. 光电探测器：灵敏度、偏置和带宽摘要:本实验将用到实验1测量的中同样为1550 nm激光器，将利用信号发生器调制激光器，并在不同的偏置条件下测量不同光电探测器的灵敏度和带宽；将对商用光电接收器进行同样的测试，比较测量结果。
本实验的目的是了解半导体光电探测器基本使用及其偏置电路最优化设计，之后在本实验和下面的实验中将利用你自己搭建的光电接收器测量激光器及光纤的模式。
有关安全问题同实验1的描述。
步骤:激光器如同实验1一样，让激光器工作温度20℃，输出功率2m W（如果实验1中激光器工作温度不是20℃，则选择的温度应接近20℃）；用功率计（用衰减器）检查激光装置；如同实验1中对激光器直接调制。
将信号发生器连接到示波器输出不同的波形、振幅和频率。
输出一个幅度为0.05 V、频率100Hz弦波。
信号发生器连接到电流源的输入，确信信号发生器没有超出激光器的最大调制速率。
光伏型光电探测器测量光路如图2.1所示。
光电探测器是一光敏面I nGaAs光敏二极管。
注意光电二极管直接连接到示波器的DC端以便观察激光器的调制信号，通过1M阻抗（示波器的输入阻抗）和衰减器适当衰减就可观察到信号，如果需要增加信号强度可去掉衰减器。
观察加在激光器的偏置电流和调制电压如何导致信号的削波。
导致削波的机理是什么？是信号使光电探测器饱和了吗？图2.1不同偏置条件下半导体激光器的调制及光电探测器的灵敏度和带宽测试装置激光器的偏置应加在其线性区域中心（无失真区），即大信号输入时产生的上下削波量相同。
在该偏置电流下确定示波器能够探测到的最小调制电压信号。
什么是信号的调制度？图2.2给出了信号调制度的定义。
图2.2.调制度定义为：m = (Imax-Imin)/Imax使激光器偏置始终处在线性区域中心，在信号不失真情况下确定最大调制信号。
TDLAS_气体激光遥测高灵敏光电探测电路设计
文章编号 2097-1842（2024）01-0198-11TDLAS 气体激光遥测高灵敏光电探测电路设计裴梓伊1,2，胡朋兵2,3，潘孙强2,3，戚海洋2,3，刘素梅2,3，刘 东1 *（1. 浙江大学 光电科学与工程学院 极端光学技术与仪器全国重点实验室, 浙江 杭州310027；2. 浙江省计量科学研究院, 浙江 杭州310018；3. 浙江省能源与环境保护计量检测重点实验室, 浙江 杭州310018）摘要：针对气体激光遥测光信号微弱、环境因素干扰强等特点，结合波长调制技术，设计和研究了用于TDLAS 激光遥测的高灵敏度光电探测电路(Highly Sensitive Photoelectric Detection Circuit, HSPDC)。
基于波长调制技术，确定了TDLAS 信号噪声抑制方法；采用光电二极管理想模型，分析了光电探测电路的线性响应特性并确定了光电二极管的关键参数；基于级联放大原理设计、仿真并对HSPDC 进行测试。
结果表明：所设计HSPDC 的光功率检测下限为0.11 nW ，信号衰减仅为0.79 dB(f =10 kHz)，截止频率较现有108 V/A 跨阻放大电路高一个数量级，可用于高速调制微弱光信号的探测。
搭建了气体激光遥测系统，当调制频率为3 kHz 时，激光遥测系统获得了良好的检测性能，检测灵敏度达到88.66 mV/ppm ，检测限优于0.565 ppm ，线性拟合度R 2为0.999 6。
研究表明，研制的HSPDC 光电探测电路具有响应速度快、检测灵敏度高等优点，可集成化，能满足气体激光遥测应用需求。
关 键 词：光电探测；跨阻放大；TDLAS ；开放光路；激光遥测中图分类号：O433.1；O433.4 文献标志码：A doi ：10.37188/CO.2023-0107Design of a highly sensitive photoelectric detection circuitfor TDLAS gas laser telemetryPEI Zi-yi 1,2，HU Peng-bing 2,3，PAN Sun-qiang 2,3，QI Hai-yang 2,3，LIU Su-mei 2,3，LIU Dong 1 *（1. State Key Laboratory of Extreme Photonics and Instrumentation , College of Optical Scienceand Engineering , Zhejiang University , Hangzhou 310027, China ；2. Zhejiang Institute of Metrology , Hangzhou 310018, China ；3. Key Laboratory of Energy and Environmental Protection Measurement ofZhejiang Province , Hangzhou 310018, China ）* Corresponding author ，E-mail : ******************.cnAbstract : Aming at the characterstics of weak gas laser telemetry optical signals and strong interference from environmental factors, a Highly Sensitive Photoelectric Detection Circuit (HSPDC) for TDLAS laser tele-收稿日期：2023-06-25；修订日期：2023-07-20基金项目：2022 年度“尖兵”“领雁”研发攻关计划项目（No. 2022C03065，No. 2022C03162，No. 2022C03084）；浙江省市场监督管理局雏鹰计划 培育项目（No. CY2023001）；浙江省市场监督管理局科研计划项目（No. QN2023419）Supported by the “Pioneer ” and “Leading Goose ” R&D Program of Zhejiang (No. 2022C03065，No.2022C03162，No. 2022C03084); Science and Technology Plan Program, Eagle Plan Training Program of Mar-keting Surveillance & Administration Bureau of Zhejiang Province (No. QN2023419, No. CY2023001)第 17 卷 第 1 期中国光学（中英文）Vol. 17 No. 12024年1月Chinese OpticsJan. 2024metry based on wavelength modulation technology has been designed and investigated. In addition, a noise suppression method for TDLAS signals based on wavelength modulation technology was determined. The photodiode ideal model is utilized to analyze the linear response characteristics of the photodetector circuit and determine the essential photodiode parameters. Based on the cascade amplification principle， the HSP-DC is designed, simulated, and tested, achieving a lower limit of optical power detection of 0.11 nW, a sig-nal attenuation of 0.79 dB (f=10 kHz). The cutoff frequency is one order of magnitude higher than the exist-ing 108 V/A cross-impedance amplification circuit. Therefore, the HSPDC is applicable for high-speed modu-lation of weak optical signals. The laser telemetry system exhibits excellent detection performance at a modu-lation frequency of 3 kHz, with a detection sensitivity of 88.66 mV/ppm, a detection limit of less than 0.565 ppm, and a linear fit R2 of 0.999 6. The study demonstrates that the HSPDC photoelectric detection cir-cuit has the advantages of fast response, high detection sensitivity and accuracy. Thus, it can be integrated to meet the needs of gas laser telemetry applications.Key words: photoelectric detection；transimpedance amplification；TDLAS；open light path；laser telemetry1 引 言近年来，环境保护受到人们越来越多的关注，痕量/微量气体检测[1]、颗粒物检测[2]、尘埃气溶胶检测[3]、海洋水质检测[4]乃至气溶胶-水云特性检测[5-6]等相关领域均迎来了蓬勃的发展。
光电探测器的物理基础性能指标噪声
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1.辐射源的光谱分布
➢ 很多光电探测器（特别是光子探测器），其响 应是辐射波长的函数。仅对一定的波长范围内 的辐射有信号输出，称为光谱响应，它决定了 探测器探测特定目标的有效程度。在说明探测 器的性能时，一般都需要给出测定性能时所用 辐射源的光谱分布。
➢ 如果辐射源是单色辐射，则需给出辐射波长。 假如辐射源是黑体，那么要指明黑体的温度。
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噪声影响对信号特别是微弱信号的正确探测。 一个光电探测系统的极限探测能力往往由探测系统 的噪声所限制。 所以在精密测量、通讯、自动控制、核探测等领域， 减小和消除噪声是十分重要的问题。
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➢噪声的度量
➢噪声是一种随机信号，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨 落现象。任何一个宏观测量的物理量都是微观过程的统计平均 值。研究噪声一般采用长周期测定其均方值(即噪声功率)的方 法，在数学上即用随机量的起伏方差来计算。
1）定义
描述探测器的光电特性或光照特性曲线中输出信号 与输入信号保持线性关系的程度。即在规定的范围 内，探测器的输出电量精确地正比于输入光量的性 能。
2）线性区
在规定的范围内，若探测器的响应度是常数，这一 规定的范围称为线性区。
光电探测器线性区的大小与探测器后的电子线路有 很大关系。线性区的下限一般由器件的暗电流和噪 声因素决定，上限由饱和效应或过载决定。
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(2)来自被研究系统内部
➢来自被研究系统内部的材料、器件或固有的物理 过程的自然扰动。 ➢例如： ➢●导体中带电粒子无规则运动引起的热噪声， ➢●光探测过程中光子计数引起的散粒噪声等。 ➢这些过程是随机过程，它既不能预知其精确大小 及规律。 ➢不能完全消除，但可以得知其遵循的统计规律、 也可以通过一些措施予以控制。
高灵敏度光电探测器的设计与制备
高灵敏度光电探测器的设计与制备光电探测器是一种利用光电效应将光信号转换为电信号的装置，广泛应用于光通信、光传感和光学成像等领域。
其中，高灵敏度光电探测器具有非常重要的应用价值，因为它能够检测到非常微弱的光信号，甚至是单个光子的信号。
本文将从设计和制备两个方面，介绍高灵敏度光电探测器的研究进展。
在光电探测器的设计中，关键的因素之一是光电转换效率。
通常，光电探测器的光电转换效率取决于两个主要的过程：光信号的吸收和电子的收集。
为了提高光信号的吸收效率，可以采用一些技术，如增加光敏区域的有效面积、提高吸收介质的光吸收系数等。
同时，合理设计探测器结构，使得光信号能够在光敏区域中有效地传播，减少能量损失。
此外，为了提高电子的收集效率，可以优化探测器的电场分布，使得电子能够快速地被收集到电极。
此外，制备过程对光电探测器的性能也有着重要的影响。
目前，常见的制备光电探测器的方法包括化学气相沉积、物理气相沉积和溅射等。
这些方法可以制备出高质量的材料，并且可以通过调控制备过程中的参数来得到所需的光电性能。
例如，在化学气相沉积过程中，可以通过调节气氛组成和温度等参数来改变材料的晶格结构和缺陷密度，从而影响光电性能。
此外，还有一些新型的制备技术，如纳米制备技术和表面等离子体增强技术等。
这些技术能够制备出具有更好光电性能的纳米结构材料，如纳米线和纳米颗粒。
这些纳米结构材料不仅具有高表面积和较短的电子传输路径，还能够增强光与材料之间的相互作用，从而提高光电转换效率。
除了设计和制备的因素外，还有一些其他的因素会影响光电探测器的灵敏度。
例如，光电探测器的噪声性能对于灵敏度的提高至关重要。
在光信号很弱的情况下，噪声会对信号的测量造成严重干扰。
因此，需要在设计和制备过程中，尽量减小噪声，并考虑如何提高信噪比。
此外，温度也是一个重要的因素，光电探测器的工作温度会对其性能产生较大影响。
总结起来，高灵敏度光电探测器的设计与制备是一个复杂而关键的任务。
一种高精度二维位置传感器对心检测装置和方法[发明专利]
![一种高精度二维位置传感器对心检测装置和方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/6aa5401a366baf1ffc4ffe4733687e21af45ffdd.png)
专利名称：一种高精度二维位置传感器对心检测装置和方法专利类型：发明专利
发明人：陈林,李杰
申请号：CN202010114036.8
申请日：20200224
公开号：CN111272095B
公开日：
20220329
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种高精度二维位置传感器对心检测装置和方法，主要用于光学测距传感器光轴姿态调整，与转台轴心线的快速对心调整，并精确测量对心误差。
该装置由多维调整机构、光学测距传感器、二维位置传感器、固定装置、转台组成。
二维位置传感器测量光学测距传感器光斑中心的位置，调整测距传感器不同位置高度，测量测距传感器光斑中心在对应位置的坐标数据，通过数据处理得到测距传感器的姿态；随着转台转动，测量光学测距传感器光斑中心在转台对应位置的坐标数据，通过数据处理得到光学测距传感器光轴与转台轴心线相对位置关系以及对心误差。
本发明采用二维位置传感器进行姿态调整、对心调整和检测，调整精度高，检测精度高、重复性好。
申请人：中国科学院光电技术研究所
地址：610209 四川省成都市双流350信箱
国籍：CN
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第28卷 第5期光 学 学 报V ol .28,N o .52008年5月ACTA OPTICA SINICAMay ,2008文章编号:0253-2239(2008)05-0889-05高精度光电探测器的线性测量陈 风 李 双 王 骥 郑小兵(中国科学院安徽光学精密机械研究所遥感研究室,安徽合肥230031)摘要 介绍了一种高精度的光电探测器线性测量系统,讨论了线性测量的方法,确定以光束叠加法为线性测量系统的基础。
设计了测量系统,以944nm 激光器为光源,测量了Si 陷阱探测器和InG aA s 陷阱探测器的非线性因子。
实验结果表明,利用该系统在0.1～200μW 的入射光功率范围内。
Si 陷阱探测器非线性因子平均值小于0.009%,联合不确定度小于3.18%;InGaA s 陷阱探测器非线性因子平均值小于0.6%,联合不确定度小于6.87%。
实验结果证明该系统可以作为高精度光电探测器线性测量装置。
关键词 光学测量;陷阱式光电探测器;非线性因子;不确定度中图分类号 O432 文献标识码 A 收稿日期:2007-08-24;收到修改稿日期:2007-11-27作者简介:陈 风(1977-),男,博士研究生,主要从事光学精确测量的先进方法与仪器、卫星光学传感器的高精度定标等方面的研究。
E -mail :fchen @aiofm .ac .cn导师简介:郑小兵(1969-),博士,研究员,主要从事光辐射测量的先进方法与仪器、卫星光学传感器的高精度定标、光学遥感和光学海洋学等方面的研究。
E -mail :xbzheng @aiofm .ac .cnLinearity Me asureme nt of Accurate PhotodetectorChen Feng Li Shuang Wang Ji Zheng Xiaob ing(Remot e S ensing D epartment ,Anhui Institut e of Optics and Fine Mechanics ,Chinese Academy of Sciences ,Hef ei ,Anfui 230031,China )Abstract A linearity measurement systems of ac curate photodetector is described .The principle of linearitymea surement methods is dic ussed ,and the beam -addition method is used in this measurement system .Structure of mea surement system is designed ,and the linearity measurement of Si trap photodetector and InGaAs trap photodetector is done with 944nm laser .Experimental results show in the range of la ser power (0.1～200μW ),the mea sured nonlinearity factor of Si trap photodetector is less than 0.009%,and its combined uncerta inty is less than 3.18%,the measured nonlinearity factor of InGa As trap photodetector is less than 0.6%,and its combined uncertainty of measurement is less than 6.87%.Experimental results prove that the system can be used in accurate photodetector 's linearity measurement .Key wo rds optical mea surement ;trap photodetector ;nonlinearity factor ;uncertainty1 引 言陷阱探测器是近年来发展起来的一种高精度光辐射探测器[1],它已被国内外光辐射计量学界作为精度仅次于低温绝对辐射计[2]的绝对光功率传递标准,以它为核心研制的绝对辐照度、辐亮度标准探测器在光学遥感辐射定标等领域的应用也正在逐步扩展[3]。
陷阱探测器是由多片光电二极管按照一定空间结构组成的复合型光电探测器,它不仅具有高的绝对精度,而且工作波段宽、响应动态范围大、灵敏度高。
人们对于陷阱探测器的研究一直很活跃,研究方向主要围绕在降低不确定度和不断改进响应性能。
目前在相对于低温绝对辐射计定标陷阱探测器时,受到低温辐射计动态范围的限制,入射光功率一般为0.1～1mW ,在此范围内陷阱探测器的绝对响应率的不确定度可达到10-4量级[4～6]。
从器件本身的特性而言,陷阱探测器的响应动态范围实际上至少可以达到8个量级。
在更宽的入射功率动态范围内精确测量陷阱探测器的线性,对于保证大动态范围下陷阱探测器的精度、发展线性修正模型,以及提高在不同使用场合下的适用性都是非常必要的。
线光 学 学 报28卷性测量的不确定度应当也达到10-4量级,才能与陷阱探测器的绝对不确定度相匹配。
线性是探测器[7]的基本性质之一。
当探测器响应度恒定时,即探测器的响应度不随入射光功率的变化而变化,探测器是线性的。
任何入射光功率变化引起的响应度的变化都被认为是非线性的。
探测器的线性与自身产生的光电流、入射光功率有关,与探测器的线性与波长无关[8,9]。
线性测量是光辐射度学[10]研究和光电传感器性能评估不可缺少的环节之一。
多数探测器和测量系统都存在线性问题,一般情况下对一个探测器或测量系统的定标只能在有限点进行,对于定标点以外的大部分测量区域只能靠探测器和测量系统的线性来推算。
本文通过研制线性测量系统,精确测量Si 陷阱探测器[11,12]和InGaA s 陷阱探测器的非线性因子,描述了测量方案和非线性因子的测量结果,分析了测量的不确定度以及整个测量系统的联合不确定度。
2 原 理探测器的线性[13]测量研究开始得很早。
自1897年以来,人们提出了多种测量探测器线性的方法,从原理上可分为直接测量法和间接测量法。
直接测量法主要是叠加法[14,15],间接测量法有距离平方反比法[16]、滤色片或滤色片组合法[17,18]、偏振片法[19]等。
间接测量法大多引入辅助量进行测量,在保持入射光功率不变的情况下,将已知透射率的滤光片组合放入光路中,或改变光源与探测器间的距离,或在光路中加入偏振片,通过旋转偏振片的角度控制入射光的能量。
进而根据不同的入射光能,产生相应的响应度,响应度与入射光能量之间的关系可以评价探测器的线性优劣。
间接测量法的优点是测量速度快、测量过程简单,缺点是误差源复杂,由于测量时引入了辅助量,例如滤光片的透射率以及偏振片的偏振度的测量,必然会引入额外的误差,测量结果的精度相对难以控制。
本文选择光束叠加法作为线性测量方法。
叠加法基本原理是光束的叠加性质,先用功率为P 的光照射探测器,得到光电流I AB ;然后通过分束器把入射光功率分成P A 和P B 大致相等的两部分,分别照射探测器,得到光电流I A 和I B ;如果I A +I B =I AB ,那么探测器是线性的,如果I A +I B ≠I AB ,探测器是非线性的。
探测器线性可以用国际照明委员会(CIE )推荐的非线性因子表示为K =I ABI A +I B-1.(1)3 实验装置根据叠加法原理,建立了一套如图1所示的光路,其中光源使用单波长激光光源。
以前测量探测器线性光源一般采用扩展光源而很少采用激光,因为灯的稳定性能达到0.1%量级,而激光器的功率稳定性一般只能在5%量级。
随着激光功率稳定器的发展,激光的稳定性可以达到8×10-5/h 量级。
由于待测陷阱探测器为Si 陷阱探测器和InGaAs 陷阱探测器,要在两在同一波长下对二者线性进行比较,所以选择波长为944nm 的激光。
图1实验光路示意图Fig .1Ske tch of ex pe rimental setup 由于近红外不能为裸眼所见,这将给近红外光束准直调整、光路调整、近红外光斑调节到探测器腔体中带来困难。
为了解决上述困难,利用光纤耦合器将可见光和近红外光联系起来,达到利用可见光调节近红外光路的目的。
利用2×1光纤耦合器实现可见光和近红外光两束激光共轴输出。
从耦合器出射的光经过准直器和偏振器得到平行、垂直偏振的光束,激光功率控制器可调节探测器接收的激光8905期陈 风等: 高精度光电探测器的线性测量功率,并将其稳定在8×10-5/h 。
为了消除光束高阶模式对测量精度的影响,采用空间滤波器保证只有良好基模光束进入陷阱探测器。
激光功率控制器和空间滤波器之间放置一个相位调节器,用来调节激光光束的偏振态。
空间滤波器后放置偏振分光棱镜,可以把一束光分成振动方向相互垂直的两束光,其中水平偏振方向的光直接从棱镜中透射过去,而垂直振动方向的光以90°从棱镜中反射出去,经过两个反射镜的两次垂直反射,又与水平偏振方向的光束相交。
在光束交汇点上放置一个偏振分光棱镜,它的方向与第一个棱镜相反,它的作用变成了一个合束镜,因此两束光合成为一束相互叠加的光入射到探测器。
由于两束光偏振方向相互垂直,所以在探测器光敏面上不会产生干涉,因此不会对测量精度产生影响。
由于探测器采用了三片反射式陷阱结构,如图2所示,第一、二个硅管的入射面相互垂直、入射角相等,第三个硅管正入射,从而保证了探测器对入射光的偏振态非敏感。
在两个光路中分别安装两个电子快门,通过快门的开合来控制光路的通断,即可以测量透射光、反射光和叠加光束。
图2三片立体反射型陷阱探测器Fig .2T hree -dimensio na l three -piece reflec ted trapdetecto r光路利用可见光调节进行近红外测量,因此需要对不同波长之间由于色散效应造成对测量的影响进行分析和估算[20],并在光路调节中加以考虑和适当的修正。
这些影响包括空间滤波器中显微物镜焦距的变化、光斑尺寸的变化和光束准直性的变化等。
光电探测器所接收到的光信号转化为电压值,非线性因子可为N =V ABV A +V B-1,(2)式中V A 和V B 为探测器分别测光束A 和光束B 的电压值,V AB 为两个光束叠加在一起时探测器所测的电压值。