光电检测方法

光电检测方法

2.1直接探测

2.1.1基本物理过程

直接探测是将待检测的光信号直接入射到光探测器的光敏面上，由光探测器将光信号直接转化为电流或电压，根据不同的要求，再经后续电路处理，最后获得有用的信号。

一般，光探测器前可采用光学天线，在其前端还可经过频率滤波和空间滤波处理。这是为了进一步提高探测效率和减小杂散的背景光。

信号光场可表示为()cos S E t A t ω=，式中，A 是信号光电场振幅，ω是信号光的频率。则其平均功率P 为

（2.1.1）

光探测器输出的光电流为

（2.1.2）

若光探测器的负载电阻为L R ,则光探测器输出的电功率为

（2.1.3）

光探测器输出的电功率正比于入射光功率的平方。从而可知，光探测器对光的响应特性包含两层含意，其一是光电流正比于光场振幅的平方，即光的强度；其二是电输出功率正比于入射光功率的平方。如果入射信号光为强度调制（TM ）光，调制信号为()d t 。从而得

（2.1.4）

式中第一项为直流项，若光探测器输出有隔直流电容，则输出光电流只包含第二项，这就是直接探测的基本物理过程，需强调指出，探测器响应的是光场的包络，目前，尚无能直接响应光场频率的探测器。

2.1.2信噪比

设入射到光探测器的信号光功率为S P,噪声功率为n P，光探测器输出的信号电功率为P S，输出的噪声功率为P N。可得

（2.1.5）

根据噪声比的定义，则输出功率信噪比为

（2.1.6）

从上式可以看出

I.若，则有

（2.1.7）

输出信噪比等于输入信噪比的平方。由此可见，直接探测系统不适于输入信号比小于1或者微弱光信号的探测。

II.若，则

（2.1.8）

输出信噪比等于输入信噪比的一半，即经光—电转换后信

噪比损失了3dB ，在实际应用中还是可以接受的。

由此可见，直接探测方法不能改善输入信噪比。

如果考虑直接探测系统存在的所以噪声，则输出噪声总功

率为

（2.1.9）

式中，222NS NB ND i i i ++分别为信号光，背景光和暗电流引起的散粒噪声。2NT i 为负载电阻的热噪声。

（2.1.10）

当直接探测系统主要为信号光引起的散粒噪声限制（即量子噪声限）时

（2.1.11）

这就是理想的直接探测系统所能达到的最大信噪比极限。

2.1.3噪声等效功率(NEP)

不同的系统有不同的信噪比要求，因而不可能有归一化的灵敏度指标，为了便于分析和评估探测系统的性能，引入等效噪声功率（NEP）这一指标。它可以反映直接探测系统微弱光辐射的能力。

等效噪声功率为()1

P

S

N

,时所需的信号功率。在直接探测系

统中往往同时存在多种噪声源，但是，在不同情况下，各种噪声源的噪声电平是不同的，按不同的起主导作用的噪声源分析，可得出一下几种噪声限下的NEP。

一般情况下的NEP表示式

（2.1.12）

当热噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其他噪声可以忽略时，我们就说直接探测系统受热噪声限制，这时的NEP为（2.1.13）

当散粒噪声为主，其它噪声可以忽略时，则直接探测系统受散粒噪声限制，这时的NEP为

（2.1.14）

当背景噪声是直接探测系统的主要噪声源，其它噪声可以忽略时，我们就说直接探测系统受背景噪声限制，这时的NEP为（2.1.15）

当入射的信号光波所引起的散粒噪声时直接探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽略时，直接探测系统受信号噪声限制，这时的NEP为

（2.1.16）

在实际的直接探测系统中，很难实现信号噪声极限探测，因为任何实际的光探测器都不是理想探测器，总会有噪声存在，在直接探测系统中所用的放大器也不可能没有噪声，至多可以做到放大器噪声比光探测器噪声低，再者，背景辐射和暗电流往往是客观存在的，最后，光探测器本身具有的电阻以及负载电阻等都会产生热噪声。所以信号噪声限制的探测只能理解为直接探测系统的理想工作状态。

从以上分析可知，要想达到良好的直接探测效果，在接收光功率受到一定限制的情况下，必须合理的选择光探测器件，尽可能的降低各种噪声，以改善系统的特性。

2.1.4接收光学系统

为了改善直接探测系统的性能，非常直观的分析是应尽可能多的收集信号光功率，为达到此目的，除了在可能条件下选择大的探测器件，往往也采用各种光学系统。

接收光学系统是为了收集尽可能多信号光能量，并使光束直径小于光探测器的直径，入射到光探测器光敏面上,对不同的系统，单位波长单位立体角所接收到的光功率具有不同的表达形式

在一定距离上进行直接探测时，光探测器所能接收到的光

功率与下述因素有关：

i.接收系统所能接收到的光功率与距离平方成反比，接收到

的光能量随距离增加而衰减很快

ii.目标反射的光功率愈大，则在同一距离上接收到光功率也愈大，或在同样的接收灵敏度下，系统的作用距离也愈大，用合作目标就是增大接收光功率的方法之一。

iii.光源发散角愈小，接收系统能接收到的光功率愈大，所以，在发射端往往采用准直或会聚透镜系统来准直光束。

iv.接收到的光功率与接收光学系统的口径直接有关，在结构尺寸允许的条件下，增大接收光学系统的口径是有效的办法。

但必须使出，由于大气传输，会引入随机闪烁，在一定程度上，过大的口径，反而会增大噪声。

v.各种光源发射的能量有确定的光谱，除选用与之匹配的光探测器外，光学系统的材料也应与之匹配。若工作距离较长，还应选用处于大气窗口以内的波长。光学系统尽可能选择镜片少的透镜组，如用反射或折反射式系统，以减少镜片对光能的吸收损耗。

2.1.5直接探测方法应用

a)光功率测量

利用光探测器的光电转换特性，可以很容易实现光功率的测定，这也是直接探测技术的最简单，最直接的应用之一，一个好的光功率计除要求有一定的精度外，还应尽可能做到：