光电子技术课件ppt5
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光电子技术激光原理 PPT
光的自发辐射、受激辐射、受激吸收
爱因斯坦在光量子理论的基础上,考虑了光和物质相互作用的模型(原 子的两个能级),引入了两个重要概念,同样得出了普朗克公式
•光的自发辐射
在没有外界作用的情况下,原子从 高能级E2向低能级E1的跃迁方式 有两种:无辐射跃迁和自发辐射跃
迁。
辐射出的光子能量:
h 21 E 2 E1
：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
激光的产生
▪当光与物质相互作用时,自发辐射、受激辐射和 受激吸收这三个过程是同时出现的,如何实现大 量原子的受激辐射产生激光?
激光产生必须具备的前提条件
集居数反转分布(粒子数反转分布)
激光产生的三个前提条件
1. 有提供放大作用的增益介质作为激光工作物 质,其激活粒子(原子、分子或离子)有适合于 产生受激辐射的能级结构;
2. 有外界激励源,使激光上下能级之间产生集居 数反转;
3. 有激光谐振腔,使受激辐射的光能够在谐振腔 内维持振荡。
光学谐振腔的构成
光学谐振腔的构成
最简单的光学谐振腔是在激活介质两端恰当地放置两个镀有高反射率的反射 镜构成。
常用的基本概念: 光轴:光学谐振腔中间垂直与镜面的轴线 孔径:光学谐振腔中起着限制光束大小、形状的元件,大多数情况下,孔径是激活物质的两个端面, 但一些激光器中会另外放置元件以限制光束为理想的形状。
感谢您的聆听！
光的自激振荡和激光谐振腔
▪ 光的自激振荡:光在增益介质内传播放大,总存在各种各样的 光损耗,当增益和损耗达到平衡时光强不再增加并达到一个 稳定的极限值。
▪ 只要激光放大器的长度足够大,就估计成为一个自激振荡器, 实现稳定运转的激光振荡。
光电子技术全套课件
光电子技术精品课程
§3 纵模的概念
光电子技术精品课程
§3 纵模的概念
光电子技术精品课程
§4 光腔的损耗
开腔的损耗及其描述
光子在腔内的平均寿命
无源谐振腔的Q值 无源腔的本征振荡模式带宽
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§4 光腔的损耗
光电子技术精品课程
§4 光腔的损耗
光电子技术精品课程
§4 光腔的损耗
光电子技术精品课程
光电子技术精品课程
§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术精品课程
§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术精品课程
§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术精品课程
§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术 精品课程
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
光电子技术 精品课程
激 光 原 理
第二章 光腔理论的一般问题
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
§1 腔与模
光腔的构成和分类
模的概念
腔的作用
光电子技术精品课程
§1 腔与模
光电子技术精品课程
§2 共轴球面腔的稳定性条件
传输矩阵
共轴球面腔的稳定性条件
§7 方形镜共焦腔的自再现模
光电子技术精品课程
§8 方形镜共焦腔的行波场
厄米 - 高斯光束
振幅分布和光斑尺寸
模体积
等相位面的分布
远场发散角
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§8 方形镜共焦腔的行波场
光电子技术精品课程
光电子学完整PPT课件
第一章 电磁波与光波（理论基础） 第二章 激光与半导体光源 第三章 光波的传输 第四章 光波的调制 第五章 光波的探测与解调
.
未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理 斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
00
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级
原子从高能级向低能 级跃迁时，相当于光 的发射过程；而从低 能级向高能级跃迁时， 相当于光的吸收过程； 两个相反的过程都满 足玻尔条件。
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦 关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。
.
未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理 斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
00
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级
原子从高能级向低能 级跃迁时，相当于光 的发射过程；而从低 能级向高能级跃迁时， 相当于光的吸收过程； 两个相反的过程都满 足玻尔条件。
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦 关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。
光电子技术案例ppt
在实际应用中，需要高效率和安全的随机数生成算法 以及高效率和安全的编码和解码算法以实现高效和安 全的通信。此外，需要使用经典通信协议对光子进行 编码和解码以确保通信的可靠性和安全性。
04
案例三：光学芯片
技术原理
基于光电子技术
01
光学芯片是建立在光电子技术基础上的，它利用光的物理性质
来实现特定的功能。
集成与调试
最后，所有的光学元件被集成到芯片上，并进行 调试以确保其正常工作。
应用场景
数据通信
光学芯片可以用于实现高速和大量的数据传输，因此在现代通信 系统中被广泛应用。
医疗诊断
光学芯片也可以用于医疗诊断，例如通过检测生物样本的光学性 质来诊断疾病。
环境监测
此外，光学芯片还可以用于环境监测，例如通过检测空气中的污 染物来保护环境。
在实际应用中，量子密钥分发需要高纯度的单光子源和高 精度的光子探测器，同时需要超低噪声和超高稳定的系统 设计和运行。此外，需要高效率的编解码系统和安全通信 协议以实现高效和安全的通信。
软件算法
量子密钥分发的软件算法包括随机数生成、编码和解 码等步骤。在随机数生成中，Alice和Bob使用单光子 源产生纠缠光子对并随机分配编码，在编码和解码中 ，他们使用经典通信协议对光子进行编码和解码，并 使用随机数生成的结果生成密钥。
通信网络
光电子技术在通信网络中的应用将进一步提高网络的速度和稳定性，同时也有助于开发更 智能化的通信网络。
航空航天领域
光电子技术在航空航天领域中的应用将有助于提高航空器的安全性和效率，同时也为太空 探索提供了更多可能性。
THANK YOU.
2023
光电子技术案例ppt
contents
第三章光电子技术-PPT课件
LD的工作特性（模式特性）
（1）
提高LD性能的方法
（2）
单纵模（SLM）激光器 设计的基本思想
使
几种典型的SLM激光器
大功率光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
大功率光纤激光器
美 国 IPG Photonics 公 司 、 德 国 Jena 大 学 的 应 用 物 理 所 和 英 国 Southampton 的 ORC 研 制 的 单 根 双包层光纤激光器，连续输出功率 分别达到135W、150W、1000W、 4000W, 20000W
难点
控制能力差
电子技术的发展
半导体电子学的强大生 命力在于它能够实现集 成化
处理功能和运行速度得 到大幅度提高，功耗大 大降低
尺寸大大缩小
芯片的成品率、可靠性 和性价比极大改善
但是利用电子作为信息的载体， 由于路径延迟和电磁串扰效应 的存在，无论从技术局限或是 经济代价以及信息安全的角度 来考虑，电子技术都出现了它 的阶段局限性。
5、半导体光电探测器
5.1 PN光电二极管
5.2 PIN光电二极管
5.3 APD光电二极管
5.4 光电二极管工作特性和参数
原因：W越大，光子入射到该区域的可能性 越大，被吸收产生光电流的概率就越高。
5.5 光电二极管一般性能和应用
谢谢
半导体掺杂材料的选择原则: 如果掺入的杂质原子代替半导 体晶格中的原子后存在多余的价电子，该杂质为施主杂质；如 果掺入的杂质原子代替半导体晶格中的原子后尚缺乏成键所需 要的电子，即存在电子空位，该杂质为受主杂质。
3、激光基本原理
光发射和光吸收
T为热力学温度，k=1.381×10-23J/K为玻尔兹曼常数
光电子技术第一章 绪论 PPT课件
• 1 2 3 代表材料对外场的响应；
• P代表外场作用下对传播规律的影响； • P ~ E 关系是非线性的。
7
2光电子技术的主要领域及应用
8
光电子技术的主要领域及应用
9
光电子技术的主要领域及应用
主要应用
信息获取
信息传输
信息处理
其它应用
位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度 可以测量70 多 个物理化学量
17
•激光冷却和捕获原子技术
获得低温是科学家长期以来不断追求的一种技 术，它不但给人类带来实惠，如超导的发现和 应用，而且为研究物质的结构和性质创造了独 特的条件。在低温条件下，分子，原子热运动 的影响可以大大的减弱，原子更容易暴露出它 们的性质。20世纪80年代，借助激光技术获得 了中性气体分子的极低温状态。这种获得低温 的方法就叫激光冷却。
光学 电子学
光电子学
3
光电子技术 是光电子学在信息、能源、材料、航空航天、
生命科学和环境科学等领域的应用
4
光电子学与光电子技术
光电子学
激光与红外物理学 非线性光学
强 光 光
电 光
磁 光
()
弹 声
学效效光
效应应效
应
应
半导体光电子学
光 电 转 换 效 应
发 光 效 应
非 线 性 光 学 效 应
6
共同的基本规律
数学描述 波动方程：
电磁波源：
E
o o
2E t 2
o
E t
o
2P t 2
通常（线性）情况下
有外场作用（非线 性）情况下：
P oE
P o 1E 2EE 3EEE
• P代表外场作用下对传播规律的影响； • P ~ E 关系是非线性的。
7
2光电子技术的主要领域及应用
8
光电子技术的主要领域及应用
9
光电子技术的主要领域及应用
主要应用
信息获取
信息传输
信息处理
其它应用
位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度 可以测量70 多 个物理化学量
17
•激光冷却和捕获原子技术
获得低温是科学家长期以来不断追求的一种技 术，它不但给人类带来实惠，如超导的发现和 应用，而且为研究物质的结构和性质创造了独 特的条件。在低温条件下，分子，原子热运动 的影响可以大大的减弱，原子更容易暴露出它 们的性质。20世纪80年代，借助激光技术获得 了中性气体分子的极低温状态。这种获得低温 的方法就叫激光冷却。
光学 电子学
光电子学
3
光电子技术 是光电子学在信息、能源、材料、航空航天、
生命科学和环境科学等领域的应用
4
光电子学与光电子技术
光电子学
激光与红外物理学 非线性光学
强 光 光
电 光
磁 光
()
弹 声
学效效光
效应应效
应
应
半导体光电子学
光 电 转 换 效 应
发 光 效 应
非 线 性 光 学 效 应
6
共同的基本规律
数学描述 波动方程：
电磁波源：
E
o o
2E t 2
o
E t
o
2P t 2
通常（线性）情况下
有外场作用（非线 性）情况下：
P oE
P o 1E 2EE 3EEE
《光电子技术绪论》PPT课件
精选ppt
12
Gas Sensor
精选ppt
13
对燃烧过程的监测
通过对光吸收的测量，确定燃烧过程产生的CO、NO、H2O、 CO2等气体的浓度；
•对激光器进行调谐，可以测量吸收谱；
•通过吸收的比例，可以判断燃烧室的温度；
•“借用”波分复用技术，可以同时测量多个参量。
精选ppt
14
➢ 安全监测
太赫兹波（THz）：
实现和应用这些系统，需要多方面 的知识和技能。
精选ppt
17
与这些领域相关的技术就是光电 子技术; 支持这些技术的学科就是光电子 学。
精选ppt
18
光电子学包含：
激光与红外物理学
➢ 非线性光学: ➢ 强光光学效应、电光效应、磁光效应、弹(声)光
效应 ➢ 半导体光电子学： ➢ 光电转换效应、发光效应、非线性光学效应 ➢ 导波光学： ➢ 非线性光学效应介质导波效应 ➢ 傅立叶光学
100GHz～10THz
分辨率比X光要高
精选ppt
15
基本器件
激光器；
•光放大器；
•调制器；
•光隔离器；
•探测器；
•环形器；
•光纤；
•光衰减器；
•光栅；
•光滤波器；
•分光器；
•显示器；
•光开关；
•移频器；
•波分复用耦合器； •……；
•波长转换器；
精选ppt
16
了解和认识这些器件，需要多方面 的基础和专业知识；
精选ppt
19
光电子技术分类
➢ 包括两大类技术: ➢ 光电子信息技术: ➢ 激光在电子信息技术中的应用形成的技术。
包含：光电检测与信息处理;光通信;光存储; 光显示等等。 ➢ 光电子能量科学技术： 太阳能的利用; 高效节能光源； 高功率激光器；激光加工；激光生命科学
相关主题
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光电子技术与应用
光电导效应
对于N型半导体，光电导体的电流增益：
n nl V M 2 n n n E V l n V M n
l tn
光电子技术与应用
6、光伏效应
形成光伏效应必须要有内建势垒，当照射光 激发出电子空穴对时，电势垒的内建电场将 把电子空穴对分开，从而在势垒两侧形成电 荷堆积，形成光生伏特效应。 PN结的零偏状态： PN结的正偏状态： PN结的反偏状态：
光电子技术与应用
8、光电转换定律
光功率—光子流； 光电流—电荷量时变量
dn光 dE Pt hv dt dt dn dQ i t e 电 dt dt
D是探测器的光电转换因子
e i t DP t D hv
光电子技术与应用
8、光电转换定律
光电子技术与应用
（3）光谱响应特性曲线
由本征激发产生的光电导称为本征光电导， 由杂质激发所产生的光电导称为杂质光电 导。 光谱分布问题首先是光生载流子的激发问 题，即是说某种波长的光能否激发出非平 衡载流子以及效率如何的问题。
光电子技术与应用
（3）光谱响应特性曲线
光电子技术与应用
（3）光谱响应特性曲线
n n0 n p p0 p n p
光电子技术与应用
光电导效应
对于本征半导体，光照每秒钟产生的电子 空穴对数为N，则有： N n n Al N p p Al
A A eN G en n p p 2 n n p p l l l
（1）响应度——积分灵敏度
光电导体的灵敏度表示在一定光强下 光电导的强弱，即光电转换器件的转换
效能。
由于探测器波长选择性存在，其响应 度与光辐射的光谱成分有关。一般情 况以A光源（色温为2856K的钨灯） 作为标准源获得的结果。
光电子技术与应用
（1）响应度——积分灵敏度
光电导与光强有下面两种关系：线性和抛物 线性。光电导材料在较低光强下一般都具有 线性，但有的材料在较高光强时，光电导与 光强的平方根成正比，为抛物线性。
6、热电探测器
通常将热敏材料涂黑，他对很广的波长范围 的光全部吸收，即各波长吸收率相同，无波 长选择性。那么它温度参数的输出就于波长 无关，而只与单位时间内器件所接收到的光 辐射能量成正比。不过热效应较光效应慢得 多，因而时间长数大。
光电子技术与应用
光电子技术与应用
光伏效应
PN结的伏安特性
e id iso
eu k Bt
1
光电子技术与应用
光伏效应
光伏效应：光照零偏PN结产生的开路电压效 应===光电池工作原理 光照反偏条件下，观察到的是光电流==光电 二极管
光电子技术与应用
7、光热效应
温差电效应 热释电效应—居里温度
第五章 光辐射的探测技术
光电子技术与应用
主要内容：
1、各种光电探测物理效应 2、光电探测器的性能参数和噪声 3、各种光电探测器
光电导探测器
光敏电阻
光伏探测器
光电二极管 太阳能电池
光电子技术与应用
§5.1 光电探测器的物理效应
1、正确理解光电探测器的含义 2、光子效应：光子的性质决定产生的光电 子；引起物质内部电子状态的改变。表现出 对光波频率的选择性。响应快 3、光热效应：探测其吸收光辐射能量后， 并不是直接引起内部电子状态的变化，而是 把光能转化为热能，引起温度升高，结果使 探测元件的电学性质和其他物理性质发生变 化。 响应慢
光电导效应
在电场作用下，载流子产生漂移运动，其 运动效果用电导率描述：
enn ep p
A G l
如果半导体的截面积是A,在电场作用下， 载流子产生漂移运动，其运动效果用电导 率G描述：
光电子技术与应用
光电导效应
如果有光照射到半导体材料上，则会产 生新的载流子—非平衡载流子，这样新 增加的载流子会使半导体电导增加
光电子技术与应用
（2）光谱响应度
光谱响应度就是指不同波长处的响应度，又称为 光谱灵敏度。 如果探测器对波长为λ的光辐射通量Φλ产生的输 出电流为I，则其光谱响应度为：
R（λ）=I/Φλ
光电子技术与应用
（3）光谱响应特性曲线
分“等能量”曲线和“等量子”曲线
所谓“等能量”就是指不同的波长下所用的 光能量流是相等的。由于短波的每一个光子 的能量较大，每一个光子的能量较大，因此 在相同的光能量流的情况下，短波方面的光 子数目较少。
eN 为光辐射每秒钟激发的电荷量
光电子技术与应用
光电导效应
由于光电导的增加导致外电路电流的产生
由上式可以看出，电流增量并不等于每秒钟 电荷量，于是定义光电导体的电流增益：
eNV i VG 2 n n p p l
i V M 2 n n p p eN l
探测器的量子效率
dn电 dn光 / dt dt
探测器的光电转换定律
e i t Pt hv
电流源 平方律探测器—非线性探测器
光电子技术与应用
光电探测器的分类
热电检测器件和光子检测器件。 热电检测器件是利用热敏元件的热效应来探 测光，即通过器件吸收光辐射后温度升高， 使器件的某一参数发生变化，进而探测出输 入光信号的大小。 光子检测器是利用器件的光电效应把光信号 转变成电信号。通常光电检测器件指的就是 光子检测器件。
光电子技术与应用
（5）响应时间
对周期变化的光强，光电器件的弛豫 时间如果比周期长得多，那么就不能 反映光强的变化。从光电导的机构来 看，弛豫现象表现为在光强变化时， 光生载流子的积累和消失的过程。
光电子技术与应用
（6）探测器的探测能力
暗电流 Id
当探测器没有接收到光照时输出的电流。
噪声 N 信噪比：S/N 等效噪声功率 NEP
光电子技术与应用
（4）量子效率
单位时间单位光量子数产生的光电子数。 就是等量子光谱响应曲线中用光电子数代替 电流或电压。
光电子技术与应用
（5）响应时间
光电导是非平衡载流子效应，因此有一定的 弛豫现象：光照射到样品后，光电导逐渐增 加，最后达到定态。光照停止，光电导在一 段时间内逐渐消失。这种弛豫现象表现了光 电导对光强变化反应的快慢。光电导上升或 下降的时间就是弛豫时间，或称为响应时间 （惰性）。
光电子技术与应用
（3）光谱响应特性曲线
所谓“等量子”就是指对不同的波长，以光 量子数计算的光强是相同（相同的光子流） 之下测量的结果。 波长越长，单位光能所含的光子数越多。
光电子技术与应用
例：硅光电二极管典型的光谱响应曲线
光电子技术与应用
（3）光谱响应特性曲线
不同的半导体光电导材料由于有不同的禁 带宽度，对应有不同的光谱曲线。每条曲 线都有一个峰值，峰值的长波方面曲线迅 速下降。因此光谱分布有一长波限。可以 从各条曲线的长波限来确定半导体材料的 禁带宽度。
光电子技术与应用
§5.1 光电探测器的物理效应
4、光电发射效应： 电子动能=光子能量-功函数 发射条件：截止波长=1.24/E（um) 5、光电导效应：只在半导体材料中存在 热平衡状态下，单位时间内 产生=复合 电子浓度和空穴浓度分别为：n,p
n*p=ni2
本征热生载流子浓度
光电子技术与应用
光电子技术与应用
（7）探测器光谱响应的测量
绝对测量 相对测量
替代法 直接比较法：分束方案
半反半透 旋转反射镜 光纤分束
光电子技术与应用
§5.3 几种光电探测器
光电子技术与应用
1. 光电倍增管(PMT)
利用外光电效应原理 阴极电子发射，被阳 极多次加速撞击倍增。
光电子技术与应用
光电子技术与应用
§5.2光电检测器件特性参数 （1）响应度——积分灵敏度
指的是在一定条件下，单位光（辐射）量 所产生的光电流（电压）大小。 R=I/Φ 由于各种器件使用的范围及条件不一致， 因此灵敏度有各种不同的表示法。A/lm or A/W or V/W.
光电子技术与应用
PMT的灵敏度之高是 一般光电器件达不到 的，广泛用于微弱光 测量中。
光电子技术与应用
2. 光敏电阻（PR）
光电子技术与应用
3. 光电二极管、光电池
光电子技术与应用
3. 光电二极管、光电池
光电子技术与应用
4、光敏三极管光电子技术与应用来自、光偶光电子技术与应用
光电子技术与应用
光电子技术与应用
光电导效应
对于N型半导体，光电导体的电流增益：
n nl V M 2 n n n E V l n V M n
l tn
光电子技术与应用
6、光伏效应
形成光伏效应必须要有内建势垒，当照射光 激发出电子空穴对时，电势垒的内建电场将 把电子空穴对分开，从而在势垒两侧形成电 荷堆积，形成光生伏特效应。 PN结的零偏状态： PN结的正偏状态： PN结的反偏状态：
光电子技术与应用
8、光电转换定律
光功率—光子流； 光电流—电荷量时变量
dn光 dE Pt hv dt dt dn dQ i t e 电 dt dt
D是探测器的光电转换因子
e i t DP t D hv
光电子技术与应用
8、光电转换定律
光电子技术与应用
（3）光谱响应特性曲线
由本征激发产生的光电导称为本征光电导， 由杂质激发所产生的光电导称为杂质光电 导。 光谱分布问题首先是光生载流子的激发问 题，即是说某种波长的光能否激发出非平 衡载流子以及效率如何的问题。
光电子技术与应用
（3）光谱响应特性曲线
光电子技术与应用
（3）光谱响应特性曲线
n n0 n p p0 p n p
光电子技术与应用
光电导效应
对于本征半导体，光照每秒钟产生的电子 空穴对数为N，则有： N n n Al N p p Al
A A eN G en n p p 2 n n p p l l l
（1）响应度——积分灵敏度
光电导体的灵敏度表示在一定光强下 光电导的强弱，即光电转换器件的转换
效能。
由于探测器波长选择性存在，其响应 度与光辐射的光谱成分有关。一般情 况以A光源（色温为2856K的钨灯） 作为标准源获得的结果。
光电子技术与应用
（1）响应度——积分灵敏度
光电导与光强有下面两种关系：线性和抛物 线性。光电导材料在较低光强下一般都具有 线性，但有的材料在较高光强时，光电导与 光强的平方根成正比，为抛物线性。
6、热电探测器
通常将热敏材料涂黑，他对很广的波长范围 的光全部吸收，即各波长吸收率相同，无波 长选择性。那么它温度参数的输出就于波长 无关，而只与单位时间内器件所接收到的光 辐射能量成正比。不过热效应较光效应慢得 多，因而时间长数大。
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光伏效应
PN结的伏安特性
e id iso
eu k Bt
1
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光伏效应
光伏效应：光照零偏PN结产生的开路电压效 应===光电池工作原理 光照反偏条件下，观察到的是光电流==光电 二极管
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7、光热效应
温差电效应 热释电效应—居里温度
第五章 光辐射的探测技术
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主要内容：
1、各种光电探测物理效应 2、光电探测器的性能参数和噪声 3、各种光电探测器
光电导探测器
光敏电阻
光伏探测器
光电二极管 太阳能电池
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§5.1 光电探测器的物理效应
1、正确理解光电探测器的含义 2、光子效应：光子的性质决定产生的光电 子；引起物质内部电子状态的改变。表现出 对光波频率的选择性。响应快 3、光热效应：探测其吸收光辐射能量后， 并不是直接引起内部电子状态的变化，而是 把光能转化为热能，引起温度升高，结果使 探测元件的电学性质和其他物理性质发生变 化。 响应慢
光电导效应
在电场作用下，载流子产生漂移运动，其 运动效果用电导率描述：
enn ep p
A G l
如果半导体的截面积是A,在电场作用下， 载流子产生漂移运动，其运动效果用电导 率G描述：
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光电导效应
如果有光照射到半导体材料上，则会产 生新的载流子—非平衡载流子，这样新 增加的载流子会使半导体电导增加
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（2）光谱响应度
光谱响应度就是指不同波长处的响应度，又称为 光谱灵敏度。 如果探测器对波长为λ的光辐射通量Φλ产生的输 出电流为I，则其光谱响应度为：
R（λ）=I/Φλ
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（3）光谱响应特性曲线
分“等能量”曲线和“等量子”曲线
所谓“等能量”就是指不同的波长下所用的 光能量流是相等的。由于短波的每一个光子 的能量较大，每一个光子的能量较大，因此 在相同的光能量流的情况下，短波方面的光 子数目较少。
eN 为光辐射每秒钟激发的电荷量
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光电导效应
由于光电导的增加导致外电路电流的产生
由上式可以看出，电流增量并不等于每秒钟 电荷量，于是定义光电导体的电流增益：
eNV i VG 2 n n p p l
i V M 2 n n p p eN l
探测器的量子效率
dn电 dn光 / dt dt
探测器的光电转换定律
e i t Pt hv
电流源 平方律探测器—非线性探测器
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光电探测器的分类
热电检测器件和光子检测器件。 热电检测器件是利用热敏元件的热效应来探 测光，即通过器件吸收光辐射后温度升高， 使器件的某一参数发生变化，进而探测出输 入光信号的大小。 光子检测器是利用器件的光电效应把光信号 转变成电信号。通常光电检测器件指的就是 光子检测器件。
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（5）响应时间
对周期变化的光强，光电器件的弛豫 时间如果比周期长得多，那么就不能 反映光强的变化。从光电导的机构来 看，弛豫现象表现为在光强变化时， 光生载流子的积累和消失的过程。
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（6）探测器的探测能力
暗电流 Id
当探测器没有接收到光照时输出的电流。
噪声 N 信噪比：S/N 等效噪声功率 NEP
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（4）量子效率
单位时间单位光量子数产生的光电子数。 就是等量子光谱响应曲线中用光电子数代替 电流或电压。
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（5）响应时间
光电导是非平衡载流子效应，因此有一定的 弛豫现象：光照射到样品后，光电导逐渐增 加，最后达到定态。光照停止，光电导在一 段时间内逐渐消失。这种弛豫现象表现了光 电导对光强变化反应的快慢。光电导上升或 下降的时间就是弛豫时间，或称为响应时间 （惰性）。
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（3）光谱响应特性曲线
所谓“等量子”就是指对不同的波长，以光 量子数计算的光强是相同（相同的光子流） 之下测量的结果。 波长越长，单位光能所含的光子数越多。
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例：硅光电二极管典型的光谱响应曲线
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（3）光谱响应特性曲线
不同的半导体光电导材料由于有不同的禁 带宽度，对应有不同的光谱曲线。每条曲 线都有一个峰值，峰值的长波方面曲线迅 速下降。因此光谱分布有一长波限。可以 从各条曲线的长波限来确定半导体材料的 禁带宽度。
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§5.1 光电探测器的物理效应
4、光电发射效应： 电子动能=光子能量-功函数 发射条件：截止波长=1.24/E（um) 5、光电导效应：只在半导体材料中存在 热平衡状态下，单位时间内 产生=复合 电子浓度和空穴浓度分别为：n,p
n*p=ni2
本征热生载流子浓度
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（7）探测器光谱响应的测量
绝对测量 相对测量
替代法 直接比较法：分束方案
半反半透 旋转反射镜 光纤分束
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§5.3 几种光电探测器
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1. 光电倍增管(PMT)
利用外光电效应原理 阴极电子发射，被阳 极多次加速撞击倍增。
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§5.2光电检测器件特性参数 （1）响应度——积分灵敏度
指的是在一定条件下，单位光（辐射）量 所产生的光电流（电压）大小。 R=I/Φ 由于各种器件使用的范围及条件不一致， 因此灵敏度有各种不同的表示法。A/lm or A/W or V/W.
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PMT的灵敏度之高是 一般光电器件达不到 的，广泛用于微弱光 测量中。
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2. 光敏电阻（PR）
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3. 光电二极管、光电池
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3. 光电二极管、光电池
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4、光敏三极管光电子技术与应用来自、光偶光电子技术与应用
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