第二章 光谱仪及弱信号检测仪(二)

近期光电探测器最大的进展在两个方面：
(1)用超晶格（量子阱）结构提高了量子效率、响应时间 和集成度； （2）制成了探测器阵，可以用作成像探测。 两者结合后最典型的例子为可以制成探测灵敏度极高的 HgCdTe红外焦平面列阵（FPA），并成功地应用于 红外遥感、成像等。
Photodetector: convert light into electricity through the photoelctric effect Requirements:high sensitivity, fast response, low noise, low cost, and high reliability
第三节 信号与噪声
光电探测器
按光电转换方式，光电探测器可分为:
光电导型、光生伏打型（势垒型）和热电偶型。
光电转换中根据探测的光子波长分为:
狭能隙半导体材料（红外）和宽能隙半导体材料（可见 和紫外）。
宽能隙材料以Si、Ge、和GaN、AlN等为主， 狭能隙半导体材料主要为铅盐、碲镉汞、SbIn等。
0.6 A/W
Output Impedance
50 W
Minimum NEP
cw Saturation Power
2 mW
Maximum Pulse Power
100 mW
Detector Material/Type
InGaAs/Schottky
Detector Diameter
25 µ m
Power Requirements
第二节干涉仪
扫描FP
第一节干涉仪
第二节干涉仪
球面共焦扫描干涉仪 由两块相同曲率半径R的 凹面镜组成，使其间距等 于曲率半径。精细常数和 分辩本领与FP相同
光程差＝4nL 相干条件4nL m
mc / 4nL
mc L 2 4n L
第二节干涉仪
1、信号与噪声概念
信号是携带了某种被测信息的的物理量
噪声是一种无规则的随机涨落
信噪比：
第三节 信号与噪声
信噪比改善（SNIR）：
第三节 信号与噪声
二、噪声源： 1、光子噪声
第三节 信号与噪声
二、噪声源： 2、热噪声
3、散粒噪声（Shot noise)
第三节 信号与噪声
二、噪声源： 3、散粒噪声（Shot noise)
散粒噪声是白噪声
第三节 信号与噪声
二、噪声源： 4、产生与复合噪声
第三节 信号与噪声
二、噪声源： 4、产生与复合噪声
第三节 信号与噪声
二、噪声源： 5、1/f 噪声
第三节 信号与噪声
二、噪声源： 5、1/f 噪声
噪声电压为：
U
2 n
K 0 f n f
第三节 信号与噪声
2、噪声的统计特性
I p RPin
R is the responsivity of the photodetector (A/W)
electron generationrate hv q R Pin photonincidencerate q hv
Ip
Pabs 1 exp( W ) pin
光程差＝4nL 相干条件4nL m
mc / 4nL
第二节干涉仪
第二节干涉仪
傅立叶变换光谱仪是将迈克耳孙干涉仪、调制技术与
计算机技术组合的一种新型光谱仪，在信噪比、分辨
率、探测速度和探测极限上有很多优势
第二节干涉仪
第二节干涉仪
第二节干涉仪
第三节 信号与噪声
一、信号与噪声特性
the bandwidth of a photodetector is determined by the speed with which it responds to variations in the incident optical power. The rise time Tr is defined as the time over which the current builds up from 10% to 90% of its final value when the incident optical power is changed abruptly.
Wavelength Range
950-1650 nm
Wavelength Range (multimode versions)
950-1650 nm
第四节 光电探测器
Rise Time
3-dB Bandwidth
25 GHz
17 ps
Maximum Conversion Gain
15 V/W
Typical Maximum Responsivity
generation through absorption of photons. The maximum collected time is just equal to the time an electron takes to traverse the absorption region. There is a trade-off between the bandwidth and the
（1）概率分布 随机噪声是一种前后独立的平稳随机过程，在任 何时刻，它的幅度、波形及位相都是随机的，遵 循着一定的分布规律， 高斯分布，一个随机变量x(t)的概率密度P(x)为：
第三节 信号与噪声
2、噪声的统计特性
（1）概率分布
功wk.baidu.com谱密度
第三节 信号与噪声
2、噪声的统计特性
（1）概率分布
（2）自相关函数
第三节 信号与噪声
2、噪声的统计特性
（2）自相关函数
第三节 信号与噪声
维纳－欣钦定理
第三节 信号与噪声
第三节 信号与噪声
白噪声：在很宽的频率范围内具有恒定的噪声 功率谱密度的噪声
第三节 信号与噪声
三、等效噪声带宽 用带宽B描述电路频率响应曲线的特征，定义 为频率响应曲线两半功率点（3dB）之间的 频率间隔。 等效噪声带宽（ENBW）f定义为一矩形功率 增益特性带宽，其高度等于实际电路的功率 增益响应曲线G(f)的高度G0，矩形的面积等 于实际响应曲线与频率轴所包围的面积
第二章 光谱仪及弱信号检测仪
主讲教师：许立新
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第一节 光栅光谱仪
光谱仪是一种光谱检查与分析仪器 采用色散元件（如光栅、棱镜）实现光谱分 离
第一节 光栅光谱仪
第一节 光栅光谱仪
一、衍射光栅
第一节 光栅光谱仪
一、衍射光栅 平面光栅光强分布
第四节 光电探测器
Tr ln 9 tr RC
tr is the transit time and RC is the time constant of the equivalent RC circuit.
The transit time is added to RC because it takes some time before the carriers are collected after their
光栅方程
第一节 光栅光谱仪
一、衍射光栅 光栅特性 2、分辩本领
H



3、光谱叠级
第一节 光栅光谱仪
一、衍射光栅 闪耀光栅 将最大衍射能量集中在所 需要的衍射级
第二节 干涉仪
一、FP干涉仪
第二节 干涉仪
第二节 干涉仪
第二节 干涉仪
第二节 干涉仪
第二节 干涉仪
第二节 干涉仪
responsivity (speed versus sensitivity) of photodetector. Often, the RC time constant RC
limits the bandwidth because of electrical parasitics.
Ultra-high speed optical pulse waveform measurement is Achieved by using the sub-picosecond optical pulse generation technology with a passively mode-locked fiber laser and the nonlinear optical technology with the sum-frequency (SF) light generation.
internal 9-V battery
Optical Input
FC
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
三、等效噪声带宽
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
一、光电倍增管 光电效应与电子倍增发射
第四节 光电探测器
一、光电倍增管 光电效应与电子倍增发射
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器