第十一讲--光电探测器的性能参数
第十一讲光电探测器的性能参数资料课件
THANKS
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夜视与隐蔽行动
红外光电探测器能够实现夜间观 察和目标识别，提高部队的夜战 能力和隐蔽行动的安全性。
紫外光电探测器在环境监测领域的应用
大气污染监测
紫外光电探测器能够检测大气中的有 害气体和光化学烟雾，为环境保护和 治理提供数据支持。
火焰监测
紫外光电探测器能够监测火焰中的紫 外辐射，用于森林防火、工业安全等 领域。
总结词
随着光电探测技术的不断进步，高响应度和高探测率已成为光电探测器的重要发展趋势。
详细描述
高响应度意味着光电探测器能够快速响应光信号，提高信号处理速度和实时性。高探测率则指光电探 测器在低光强度条件下仍能保持较高的探测效率，有助于在弱光环境下实现更好的探测效果。
低噪声与低功耗技术的突破
总结词
降低噪声和功耗是光电探测器技术发展的另一重要方向，相关技术的突破将有助于提高光电探测器的性能和稳定 性。
光电探测器在医疗诊断领域的应用
荧光成像
光电探测器用于荧光成像技术，能够检测生物组织中的荧光 标记物，用于肿瘤诊断和治疗监测。
激光雷达在眼科诊断中的应用
光电探测器在激光雷达技术中用于测量角膜和视网膜的厚度， 为眼科疾病的诊断和治疗提供依据。
05
光电探测器的发展趋势与 展望
高响应度与高探测率的发展趋势
光电探测器的性能测试与评估 测试环境与设备
性能评估标准与指标- 评估标准
根据光电探测器的应用需求，制定相应的评估标准，如光电转换效率、响应速度、 噪声等效功率、信噪比等。- 性能指标
光电探测器的性能测试与分析
光电探测器的性能测试与分析光电探测器是一种广泛应用于光学、光电子学、光电通信、生物医学等领域的基础元器件，具有灵敏度高、响应速度快、稳定性好、成本低等优点。
然而，光电探测器的性能测试与分析是确保其正常工作和优化设计的必要步骤。
本文将介绍光电探测器的性能测试与分析方法。
一、光电探测器的基本结构和工作原理光电探测器是一种将光信号转化为电信号的器件，其基本结构包括光敏元件、前置放大电路和输出电路。
光敏元件通常采用半导体材料，如硅、锗、InGaAs等，具有光电转换和放大作用。
前置放大电路主要起放大和滤波功能，能够放大光电信号，并去除其中的杂音和干扰。
输出电路则将放大的信号输出到外部测量仪器或其他电子设备中。
在工作原理上，光电探测器一般采用光电效应或击穿效应。
光电效应是指光子通过光敏元件后形成电子-空穴对，进而产生电流。
击穿效应则是指当光信号足够强时，光敏元件内的电荷载流子得以大量产生，从而使电流产生剧烈变化。
二、光电探测器的性能指标光电探测器的性能指标通常包括以下几个方面：1. 灵敏度：指单位光功率下探测器输出信号的大小，单位一般为安培/瓦特（A/W）。
2. 相应速度：指探测器对光信号的响应速度，单位一般为赫兹（Hz）或皮秒（ps）。
3. 噪音等效功率：指在没有光信号的情况下，探测器输出的随机噪声功率密度，单位一般为瓦特（W）或分贝（dBm）。
4. 动态范围：指探测器能够处理的最大信号与最小信号之间的比值，单位一般为分贝（dB）。
5. 波长响应范围：指探测器对光信号的波长响应区间，单位一般为纳米（nm）。
以上性能指标是评估光电探测器性能好坏的重要标准。
三、光电探测器的性能测试步骤对光电探测器进行性能测试是确保其正常工作和优化设计的必要步骤。
下面介绍典型光电探测器的性能测试步骤：1. 灵敏度测试：将探测器置于恒强光源下，通过测量输出电流和光功率计算灵敏度。
2. 噪音等效功率测试：将探测器置于黑暗环境下，测量输出电流，通过绘制功率谱密度曲线来计算噪声等效功率。
光电探测器性能研究
光电探测器性能研究一、引言近年来，光电技术得到了越来越广泛的应用，光电探测器是其中的关键元器件。
随着人们对精度和灵敏度要求的提高，对光电探测器性能的研究也变得愈加重要。
二、基本原理光电探测器是通过将光能转化为电能来进行光信号检测和转化的器件，其基本原理是光电效应。
在物质中，当外加电场强度足够大时，会使材料中的电子产生能隙跃迁，从而产生光电流并将光信号转化为电信号。
三、性能指标光电探测器的主要性能指标如下：1. 光谱响应性能：光电探测器的光谱响应范围是指所能够响应的光波波长范围。
对于不同的光电探测器，其光谱响应范围有所不同，这取决于其探测材料的能带结构和其他特性。
2. 器件响应速度：光电探测器的响应速度是指在光信号到达之后，光电流的响应速度。
该指标通常由材料内部载流子运输速度和器件处理电路响应速度所决定。
3. 量子效率：光电探测器的量子效率是指其将光信号转化为电信号的效率。
通常通过比较器件响应电流与光信号辐射功率之间的比值来衡量。
4. 器件噪声：器件噪声是指在光电探测器工作时，产生的电流信号的噪声。
这些噪声来源于材料内部的热噪声和电子器件本身的噪声等。
四、性能测试方法1. 器件响应特性测试：在测试器上提供光源并进行光电流和电压的采集、分析和比对，以评估光电探测器的响应速度。
2. 光谱响应性能测试：在一个宽波段的光源上测量光电探测器的响应，从而获得其光谱响应性能。
3. 量子效率测试：通常使用标准光源来检测光电探测器的量子效率。
4. 器件噪声测试：使用谱分析仪等设备，将获取的信号进行分析，检测光电流信号中的噪声。
五、性能优化方法1. 优化器件结构和材料：通过调整材料结构和化学状态，改善光电探测器的光子捕获效率和量子效率，进而提升其性能。
2. 优化器件制造工艺：增加探测区域的面积、控制表面粗糙度等可以提升器件响应速度和量子效率。
3. 引入前置放大器和滤光器：这些部件可以起到降噪和增益等作用，提升光电探测器的整体性能。
光电检测器的特性参数
还要考虑探测器的稳定性、测量精度、 测量方式等等
作业：
1、一光电探测器，其噪声等效功率
NE 5P 10 1W 0 /H12z，光敏面积 Ad 0.5cm2 ，
测量带宽 f 1kHz ，试计算此光探测器的
探测率D和归一化探测度D*
2、波长 1.3m的光辐射入射到量子效 率 0.2 的光探测器上，当入射的平均
量子效率η:表示探测器单位时间内激发
的电子数和吸收的光子数之比。
这里给出量子效率和灵敏度关系： h C R S
又有光谱量子效率
：
hC q
S
q
量子效率正比于灵敏度而反比于波长。
三、线性度
探测器的输出光电流(或光电压〕 与输入光功率保持线性关系的程度和 范围。在这个范围内，探测器件的响 应度是常数，这一规定的范围就称为 线性区。
〔3〕噪声等效功率〔NEP〕
最小可探测功率Pmin
定义：信号功率与噪声功率之比为1〔即S/N=1〕 时，入射到探测器件上的辐射通量〔单位为瓦〕
NEP e S/N
NEP=ENI 条件：ENI的单位为瓦
一个良好的 探测器件的 NEP约为10-
11W
NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。
〔4〕探测率D与归一化探测度D*
几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要 出现在大约1KHz以下的低频频域，而且与光辐射的 调制频率f成反比，故称为低频噪声或1/f 噪声。
实验发现，探测器外表的工艺状态(缺陷或不均 匀等)对这种噪声的影响很大，所以有时也称为外表 噪声或过剩噪声。
1/f 噪声的经历规律为 ：un2in2 KKf fIIR ffff
光电探测器的性能参数45658
5
对于理想的探测器，每入射一个光子则发射
一个电子，=1；实际上一般有<1。
但对光电倍增管、雪崩光电二极管等有内部增
益机制的光电探测器，可大于1。
量子效率是一个微观参数，光电探测器的量子 效率越高越好。
6
二、响应度
响应度R（或称灵敏度）描述的是光电探测器的光
的平方根成正比，为消除这一影响，定义：
D *N E 1P*D(A df)1/2
D*越大的探测器其探测能力越强。
15
七、其它参数
光电探测器还有其它一些参数，在使用时必须注意到。 如： 1、暗电流：指没有信号和背景辐射时通过探测器的电 流。 2、光敏面积：指灵敏元的几何面积。 3、探测器电阻、电容。 4、工作电压、电流、温度。
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R(f)随f的升高而下降，下降的速度与响应时间 的大小 有关。一般规定R(f)下降到：
R(f)R 0 20.70 R 07 R( f )
R 0
时的频率fc为探测器的响应截
止频率。
0.707R 0
R( f ) 1/ f
11
fc
2
2RC
0
f 1
C 2
f
图3 光电探测器的频率响应曲线
13
五、噪声等效功率
或电流与入射光功率之比。
RV
()
Vs () P()
RI
()
Is () P()
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光源电源
调制盘
手轮ห้องสมุดไป่ตู้
第十一讲光电探测器的性能参数介绍课件
带宽是光电探测器的频率响应范围，表示为Hz。
详细描述
带宽是指光电探测器能够响应的频率范围，单位为Hz。带宽越宽，光电探测器 能够响应的光信号频率范围越广，能够适应更快速、更高频率的光信号变化。
噪声等效功率
总结词
噪声等效功率是光电探测器的噪声水平，表示为W。
详细描述
噪声等效功率是指光电探测器在产生同等噪声时所对应的入射光功率，单位为W 。噪声等效功率越小，光电探测器的噪声水平越低，能够更好地检测到低功率的 光信号。
光电探测器在安全监控领域的应用
视频监控中的应用
光电探测器在视频监控中用于图像的 采集和检测，提高监控系统的可靠性 和清晰度。
红外探测中的应用
光电探测器在红外探测中用于检测目 标物体的温度和辐射，实现夜间和恶 劣环境下的监控。
光电探测器在环境监测领域的应用
气象观测中的应用
光电探测器在气象观测中用于检测大气中的 气体成分和浓度，为环境保护和气象预报提 供数据支持。
详细描述
光电探测器的基本原理是利用光子与物质相互作用产生电子-空穴对的原理。当光子照 射到光电探测器的敏感区域时，光子能量被吸收并传递给材料中的电子，使电子获得足 够的能量跳出材料表面，形成光电流。这个光电流的大小与入射光的强度和频率有关，
从而实现光电转换。
光电探测器的应用领域
总结词
了解光电探测器的应用领域有助于理解其在不同领域 中的性能要求。光电探测器的应用领域包括通信、工 业自动化、安全监控、医疗诊断等。
02
光电探测器的性能参 数
响应度
总结词
响应度是光电探测器对光信号的敏感程度，表示为A/W（安 培/瓦特）或mA/W。
详细描述
响应度是指光电探测器在单位入射光功率下所产生的光电流 大小，单位为A/W或mA/W。响应度越高，光电探测器对光 信号的敏感度越高，能够更快速、准确地检测到光信号的变 化。
光电探测器的性能参数
光电探测器的应用领域包括通 信、医疗、军事等
光电探测器的分类包括光电二 极管、光电三极管、光电倍增 管等
光电探测器的分类
按照工作原理分 类：光电管、光 电倍增管、光电 二极管、光电三 极管等
按照响应波长分 类：紫外探测器、 可见光探测器、 红外探测器等
按照响应速度分 类：慢速探测器、 快速探测器、超 高速探测器等
技术更新：光电探测器技术不 断更新，需要不断研发新产品
法规限制：法规限制光电探测 器的应用范围，需要寻找新的
应用领域
环保要求：环保要求不断提高， 需要研发环保型光电探测器
应用挑战
提高灵敏度：提 高光电探测器的 灵敏度，以适应 更广泛的应用领 域
降低功耗：降低 光电探测器的功 耗，以延长其使 用寿命和降低成 本
噪声功率
影响因素：光 电探测器的灵 敏度、噪声系
数、带宽等
测量方法：通 过测量光电探 测器的输出信 号与噪声信号 的比值来计算
应用：在光电探 测系统中，噪声 等效功率是评估 探测器性能的重
要指标之一
探测率
探测率是指光电探测器在单位时间内接收到的光子数 探测率与光电探测器的灵敏度、响应时间、噪声等因素有关 探测率是衡量光电探测器性能的重要参数之一 提高探测率可以提高光电探测器的探测效率和精度
提高稳定性：提 高光电探测器的 稳定性，以适应 各种恶劣环境
提高集成度：提 高光电探测器的 集成度，以实现 更小型化和便携 化的应用
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汇报人：XX
工业测量：用于 测量温度、压力、 流量等工业参数
工业检测：用于 检测产品质量、 缺陷等
医疗领域
生物医学研究：用于细胞、 组织、器官的成像和检测
医疗影像诊断：用于X射线、 CT、MRI等设备的成像
第十一讲光电探测器的性能参数介绍课件
THE FIRST LESSON OF THE SCHOOL YEAR
• 光电探测器概述 • 光电探测器的性能参数 • 光电探测器的性能测试与评估 • 光电探测器的发展趋势与展望 • 实际应用案例分析
01
光电探测器概述
光电探测器的定义与分类
总结词
光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的器件，根据工作原理和应用需求， 可以分为多种类型。
总结词
宽光谱响应、长期稳定性、抗干扰能力
详细描述
光电探测器在环境监测领域中常用于检测各种气体和化 学物质。宽光谱响应、长期稳定性和抗干扰能力是光电 探测器在环境监测领域应用中的关键性能参数。这些性 能参数确保了光电探测器能够准确、可靠地检测各种气 体和化学物质，从而为环境保护和监测提供了重要的技 术支持。
01
光电探测器的性能 参数
响应度
总结词
响应度是光电探测器对光信号的敏感程度，表示为A/W（瓦特每安培）或 mA/W（毫瓦特每安培）。
详细描述
响应度是衡量光电探测器性能的重要参数，它表示光电探测器在单位入射光功 率下所产生的光电流大小。高响应度的光电探测器能够更好地检测微弱的光信 号，提高信号检测的灵敏度。
探测率
总结词
探测率表示光电探测器在单位噪声等效功率下的响应度。
详细描述
探测率是衡量光电探测器性能的重要参数，它综合考虑了响应度和噪声等效功率两个因素。高探测率 的光电探测器在低光功率下也能保持较高的响应度，从而提高信号检测的准确性。
线性动态范围
总结词
线性动态范围表示光电探测器的线性工作范围，即输入光功率与输出电流之间的关系。
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THE FIRST LESSON OF THE SCHOOL YEAR
光电探测器的性能参数
●但是仅根据探测率D还不能比较不同的光探测器的优劣，
这是因为如果两只由相同材料制成的光电探测器，尽管 内部结构完全相同，但光敏面积Ad不同，测量带宽不同， 则D值也不相同。
●为了能方便地对不同来源的光电探测器进行比较，需要
把探测率D标准化(归一化)到测量带宽为1Hz、光电探测 器光敏面积为1cm2。这样就能方便地比较不同测量带 宽、对不同光敏面积的光电探测器测量得到的探测率。
●如果对这些随时间起伏的电压(流)按时间取平均值，
则平均值等于零。
●但这些值的均方根不等于零，
这个均方根电压(流)称为探测器的噪声电压(流)。
1．信噪比(S／N)
判定噪声大小通常使用信噪比这个参数。
●在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，
2 S IS IS 若用分贝(dB)表示，则为： ( N )dB 10lg I 2 20lg I N N
●定义为信号功率与噪声功率之比为1，
即 S／ N ＝ 1时，入射到探测器上的辐射通量 (单位为瓦)。即： e
NEP S/N
NEP在ENI单位为瓦时与之等效。
●一个良好的探测器件的NEP约为10–11W。
NEP越小，噪声越小．器件的性能越好。
4．探测率D与比探测率D*
●只用NEP无法比较两个不同来源的光探测器的 ●探测率D定义为NEP的倒数，即：
2．单色灵敏度
● 单色灵敏度又叫光谱响应度，用 Rλ 表示，是
光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探 测器上单色辐射通量(光通量)之比。即 Vs Rλ v = (V ／ W) ( )
Rλ I=
Is ( )
Байду номын сангаас
(A / W)
式中， Φ (λ )为入射的单色辐射通量或光通量。 如果Φ (λ )为光通量，则Rλ v的单位为V／lm。
光电探测器性能测试方法研究
光电探测器性能测试方法研究随着科技的不断进步，光电探测器被广泛应用于光学通信、激光雷达、卫星遥感等领域。
因此，对光电探测器的性能进行测试显得尤为重要。
本文旨在探讨光电探测器的性能测试方法。
一、光电探测器性能的参数在进行性能测试时，需要了解光电探测器的相关参数。
常见的参数包括响应度、量子效率、噪声等。
响应度是光电探测器感光能力的指标，可以用来描述光电探测器对于光信号的响应。
响应度的计算公式为：R=I/P其中，R表示响应度，I表示光电流强度，P表示光功率。
量子效率是指光电转化率，即入射光子被探测器吸收并转化为电子的比例。
量子效率的计算公式为：η=hcλ/e其中，η表示量子效率，h表示普朗克恒量，c表示光速，λ表示波长，e表示元电荷。
噪声包括热噪声、暗电流噪声、光电转换噪声等，是光电探测器的一个重要性能指标。
热噪声是指在没有光照射的情况下，自然产生的光电流，其大小与环境温度有关。
暗电流噪声是指在没有光照射的情况下，光电探测器本身产生的光电流。
光电转换噪声是指光电探测器接收光信号后产生的电声转换噪声。
二、性能测试方法1.响应度测试方法光电探测器响应度测试需要使用光源发出一定功率和波长的光，过程中记录下相应的光电流强度，然后通过计算响应度来评估光电探测器的性能。
测试时需要注意光源的功率和光的波长，以确保测试结果的准确性。
2.量子效率测试方法量子效率测试需要使用一个标准光源。
测试时将光源的光线通过单色仪分成不同的波长段，然后通过光电探测器来测试不同波长下光电流的强度，进而计算出不同波长下的量子效率。
测试时需要注意确保光源的光线均匀、稳定，以避免测试结果的误差。
3.噪声测试方法噪声测试需要将光电探测器置于一个黑暗的环境中，然后记录下在没有光照射时的光电流强度，即暗电流强度。
通过计算暗电流强度和噪声系数，来评估光电探测器的噪声性能。
测试时需要注意避免干扰信号的出现，以确保测试结果的准确性。
三、结论本文介绍了光电探测器的常见性能参数以及性能测试方法。
光电探测器的性能分析与研究
光电探测器的性能分析与研究光电探测器是一种将光信号转换为电信号的设备。
它在现代生产、科研和日常生活中起着至关重要的作用。
光电探测器的性能对其探测能力和应用范围有着直接的影响。
在本文中，我们将对光电探测器的性能进行一定的分析和研究。
第一部分：光电探测器性能的参数指标光电探测器的性能指标通常包括探测度、响应速度、线性度、动态范围和噪声等。
其中探测度是这些指标中最为重要的，可以反映光电探测器对光信号的灵敏程度，其公式为：探测度=信噪比/光功率从公式中可以看出，光电探测器的信噪比和光功率对探测度有着直接的影响。
同时，响应速度也是光电探测器的重要指标之一，它反映了光电探测器对于光信号变化的快速响应能力。
线性度和动态范围则反应了光电探测器在不同信号强度下的输出特性。
第二部分：影响光电探测器性能的因素光电探测器的性能受到多种因素的影响，包括器件设计、光电转换效率、电子噪声等。
其中，器件设计的优化可以提高光电转换效率，从而提高光电探测器的探测度。
而电子噪声则是影响光电探测器最重要的因素之一，其可以通过优化电路和改进工艺等手段来减小。
此外，光电探测器的工作环境也会对其性能产生一定的影响。
如温度和湿度等环境因素对于光电探测器的稳定性和响应速度有着直接的影响。
在实际应用中，光电探测器的性能表现也与光源的波长、光学系统的设计参数和测量环境的实际情况等因素有关。
第三部分：光电探测器的性能测试光电探测器的性能测试是对其性能进行全面评估的关键步骤。
常见的测试方法包括暗电流测试、光响应测试和功率响应测试等。
其中，暗电流测试可以测试光电探测器在无光照射条件下的电流大小，反映光电探测器在零光信号下的噪声水平。
而光响应测试和功率响应测试则可以直接反映光电探测器对于光信号的性能表现。
在进行性能测试时，需要注重测试的环境和测试的参数设置等问题。
如测试环境需要保持恒定的温度和湿度等条件，参数设置需要根据不同的测试指标进行选择，以保证测试结果的准确性和可靠性。
2022高中物理竞赛重点知识点讲解课件：光电探测器的性能参数
电流灵敏度 电压灵敏度
Ri
di dP
i P
(线性区内)
(A/W )
R du u (线性区内) u dP P
(V /W )
光电探测器的性能参数
电流灵敏度
Ri
di dP
i P
(线性区内)
(A/W )
电压灵敏度
Ru
du dP
u P
(线性区内)
(V /W )
注：1.在线性区内，R定义为探测器输出信号与入射
通量阈Pth——探测器所能探测的最小光信号功率：
Ri
i P
pth
in Ri
(W ) in为暗电流(燥声)
噪声等效功率NEP——单位信噪比时所对应的入射光功率
NEP Pth Ps |is / in 1 (W )
(4 44)
Pth 和NEP等效, 其值越小，探测能力越强。
光电探测器的性能参数 六、探测度D与归一化探测度D*
光电探测器的性能参数
光电探测器的性能参数
一套科学反映探测器性能的共同指标，用于评价 探测的优劣,比较不同探测器之间的差异,从而根据不 同的需要选择和正确使用光电探测器.
一、积分灵敏度（响应度）R
光电流i（或光电压u）和入射光功率P之间的关系
i=i(P)称为探测器的光电特性。灵敏度R定义为光电 特性曲线的斜率：
P / h
I c h
eP
h
e
Ri
h
e
D
(4 40)
Ic是入射光产生的平均光电流;P是入射到探测器上 的光功率. Ri为积分灵敏度. D为光电转换因子.
越高越好, 实际光探测器一般有 <1。 有内部增益机制的光探测器 >1。 (如:光电倍增管、雪崩光电二极管)
光电探测器的性能参数
光电探测器的性能参数
1.1.3 光电探测器的性能参数
光电系统一般都是围绕光电探测器的性能 进行设计的， 探测器的性能由特定工作条件下的一些 参数来表征。
光电探测器的工作条件
光电探测器的性能参数与其工作条件密切相 关，所以在给出性能参数时，要注明有关的 工作条件。主要工作条件有： 1．辐射源的光谱分布 2．电路的通频带和带宽 3．工作温度 4．光敏面尺寸 5．偏置情况
●如果对这些随时间起伏的电压(流)按时间取平均ห้องสมุดไป่ตู้，
则平均值等于零。
●但这些值的均方根不等于零，
这个均方根电压(流)称为探测器的噪声电压(流)。
1．信噪比(S／N)
判定噪声大小通常使用信噪比这个参数。
●在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，
2 S IS IS 若用分贝(dB)表示，则为： ( N )dB 10lg I 2 20lg I N N
4．响应时间
●响应时间是描述光电探测器对入
射辐射响应快慢的一个参数。即 当入射辐射到光电探测器后或入 射辐射遮断后．光电探测器的输 出上升到稳定值或下降到照射前 的值所需时间称为响应时间。常 用时间常数τ 的大小来表示。
●当用一个辐射脉冲照射光电探测
器，如果这个脉冲的上升和下降 时间很短，如方被，则光电探测 器的输出由于器件的惰性而有延 迟，把从10％上升到90％峰值处 所需的时间称为探测器的上升时 间，而把从90％下降到10％处所 需的时间称为下降时间。
2．等效噪声输入(ENI)功率
●定义：探测器在特定带宽内(1Hz)产生的均方
根信号电流恰好等于均方根噪声电流值时辐射 源的输入通量， 此时，其他参数，如频率温度等应加以规定。
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所以
1
in ( A) 2
又有
1
D ( A) 2
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七、归一化探测度D*
把两种因素一并考虑，
1
D ( Af ) 2
定义
D* D Af
1
(cm Hz 2 /W)
称为归一化探测度。
这时就可以说：D*大的探测器其探测能力一定好。 考虑到光谱的响应特性，一般给出D*值时注明响应波长λ、光辐射 调制频率f及测量带宽Δf，即D*(λ, f ,Δf )。
光电鼠标灵敏度
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一、积分灵敏度R
灵敏度R定义为这个曲线的斜率，即
Ri
di dP
i P
(线性区内) (安/瓦) 或微安/流明
Ru
du
dP
u P
(线性区内) (伏/瓦)
R i和R u分别称为积分电流和积分电压灵敏度，i和u称为电表测量的电流、 电压有效值。
光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率。
2
知识应用2
光电倍增管探测器解决DNA排序问题
金属壳光电倍增管的金属通道电 子倍增极允许多通道输出，可以同时探 测来自多个分子的荧光信号，从而提高 探测灵敏度和探测速度。
荧光相关光谱术（FCS）利用 单光子计数光电倍增管探测 DNA靶序列。
1
本讲小结
1、积分灵敏度、光谱灵敏度、频率灵敏度、量子效率、通量阈、 噪声等效功率、归一化探测度等概念、表达形式、特点、应用等
量子效率 通量阈 噪声等效功率 归一化探测度
物理描述
光电转换特性的量度
对某一波长光电转换的量度 电流随调制频率变化的量度 吸收的光子数和激光的电子数之比 探测器所能探测的最小光信息功率 单位信噪比时的信号光功率
表达式
Ri
di dp
i p
Ru
du dp
u p
R
i dP
Rf
if p
h
e
Ri
Pth
in Ri
为什么？
但是，当在同类型的不同探测器之间进行比较时，发现“D值大的探测 器其探测能力一定好”的结论并不充分。
主要是探测器光敏面积A和测量带宽Δf对D值影响甚大。
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七、归一化探测度D*
由于探测器的噪声功率N ∝Δf，所以
in (f )
于是由D的定义知
1
D (f ) 2
另一方面，探测器的噪声功率N∝ A
NEP Ps SNR i 1
单位
安/瓦 伏/瓦 安/瓦 安/瓦
瓦 瓦
与噪声等效功率成倒数、光敏面积和噪声功率有关 D* Af / NEP 厘米.赫兹1/2/瓦
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知识巩固
1、光电探测器的特性的微观量-宏观量描述是什么？
答：
是量子效率，可表示为
h
e
Ri
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。
光纤耦合
自由光输入
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三、频率灵敏度Rf
当探测器对突然光照的输出电流，要经过一定时间才能上升到与这 一辐射功率相应的稳定值i。
当辐射突然降去后，输出电流也需要经过一定时间才能下降到零。
一般而论，上升和下降时间相等，时间常数近似地决定于
fc
1
2
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三、频率灵敏度Rf
光电流是两端电压u、光功率P、光波长λ和光强调制频率f的函数，即
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其它参数
在使用时必须还考虑光敏面积，探测器电阻， 电容等。
特别是极限工作条件，正常使用时都不允许超 过这些指标，否则会影响探测器的正常工作，甚 至使探测器损坏。
通常规定了工作电压、电流、温度以及光照功 率允许范围，使用时要特别加以注意。
光敏电阻
光电池
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光电探测器的性能参数对比表
参数
积分灵敏度
光谱灵敏度 频率灵敏度
Pex / h
I / e0
外量子效率定义为
ex
N ex Nn
Pex / h
I / e0
Nex 为激光器每秒发射的光子数 N n 为激光器每秒注入的电子-空穴对数
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四、量子效率η
(4)外微分量子效率
P－I 特性曲线的线性部分的斜率
D
Nex Nn
(Pex Pth ) / h
(I Ith ) / e0
i F (u, P, , f )
以u，P，λ为参变量，i＝F（ f ）的关系称为光电频率特性，相应曲
线称为频率特性曲线。 i=F (P)及曲线称为光电特性曲线。 i＝F (λ)及其曲线称为光谱特性曲线。
i＝F (u)及其曲线称为伏安特性曲线。
一旦曲线给出，灵敏度R值就可从曲线中求出，还可以利用伏安特性 等曲线来设计探测器的使用电路。
定义探测器的通量阈Pth为
Pth
in Ri
(瓦)
光电 效应
电流 增益
放大器过程
is
输出
Ps
信号加
噪声
Pb
内部
in
噪声
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六、噪声等效功率NEP
例：若Ri=10μA/μW，in=0.01μA，则通量阈Pth＝0.001μW。即小于0.001微
瓦的信号光功率不能被探测器所得知，所以，通量阈是探测器所能探测 的最小光信号功率。
采用一种更通用的表述方法，这就是噪声等效功率NEP（Noise Equivalent
Power） 。它定义为单位信噪比时的信号光功率。信噪比SNR定义为
SNR is in
SNR us un
(电流信噪比) (电压信噪比)
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六、噪声等效功率NEP
NEP Pth
in is Ri is
is Ri
K
0 S f 'd '
S
0 f 'd '
称为光谱利用率系数，为入射光功率能被响应的百分比。
f'
0 f'd'
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三、频率灵敏度Rf
若入射光是强度调制，在其它条件不变下，光电流 if 将随调频 f 的升
高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf
定义为
Rf
if P
if 是光电流时变函数的付里叶变换，通常 i f
1/ 2
in (in2 )
它是瞬时噪声电流的有效值。
显然，这时灵敏度R巳失去意义，我们必须定义一个新参量来描述光电 探测器的这种特性。
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五、通量阈Pth
光功率Ps和Pb分别为信号和背景光功率。 即使Ps和Pb都为零，也会有噪声输出。 噪声的存在，限制了探测微弱信号的能力。
如果信号光功率产生的信号光电流 is等于噪声电流 in，那么就认为刚刚 能探测到光信号存在。
激光器消耗光功率
Vj
Pex I 2R
i
半导体激光器把电功率转化为光功率发射出去，用功率效率和量子效
率来衡量激光器转换效率的高低。
功率效率定义为
p
Pex Pin
Pex 为辐射的光功率；
Pin 为注入的电功率。
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四、量子效率η
(2)内量子效率
i
有源区里每秒产生光子数 有源区每秒注入电空对数
内量子效率定义为
当 Pex >> Pth 时，
D
Pex / h
(I Ith ) / e0
对应P-I 曲线阈值以上线性部分的斜率，是衡量LD 效率的重要指标。
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五、通量阈Pth
从灵敏度R的定义式
Ri
di dP
i P
可见，如果P＝0 → i=0
实际情况是，当P＝0时，光电探测器的输出电流并不为零。
这个电流称为暗电流或噪声电流，记为
《光电子技术》
Photoelectronic Technique
光电探测器的性能参数
光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或 近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在 红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。
（1）如何衡量一个光电探测器的质量好坏？ （2）选择一个好的光电探测器需要注意哪些关键指标？
光电倍增管
本讲主要内容
一、积分灵敏度R 二、光谱灵敏度Rλ 三、频率灵敏度Rf 四、量子效率η 五、通量阈Pth 六、噪声等效功率NEP 七、归一化探测度D*
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一、积分灵敏度R
灵敏度也常称作响应度，是光电探测器光电转换特 性，光电转换的光谱特性以及频率特性的量度。
光电流i(或光电压u)和入射光功率P之间的关系i＝f (P)，称为探测器的光电特性。
i
Np Nn p
Np 为有源区内每秒产生的光子数 Nn-p 为有源区内每秒注入的电子-空穴对数
由于有源区内电子-空穴的复合分为辐射复合和非辐射复合，辐射复合后 发射光子，非辐射复合的能量以声子形式释放，转换为晶格振动。
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四、量子效率η
(3)外量子效率
ex
激光器每秒发射的电子数
激光器每秒注入电空对数
2、量子效率的物理意义、类别、关系等
fc
1
2
当 f < fc 时，认为光电流能线性再现光功率P的变化。
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三、频率灵敏度Rf
例如：德国Advanced Laser Diode Systems公司提供带宽可达35GHz、 响应频率范围覆盖400nm到1.6 μm 的高速光电二极管。该光电二极管采用 MSM（金属-半导体-金属）的结构，具有非常低的电容、电阻，因而具有 极高的响应速度。其冲击响应振荡极小，常适于高速光源时间或频率特性 探测。
0
di [ 0
S Rm P'm f 'd' ] d
Rm
dP
'm