光电探测器

2021-02-23 14:44:59 浏览:656

定义

用来探测光的装置。

光电探测器是用来探测光的装置,大部分情况下是探测光功率。由于实际应用的要求变化多样,因此存在很多种适合不同用途的光电探测器:

1、光电二极管是具有p-n结或者p-i-n结构的半导体器件(i代表本征层),其中光在耗尽层被吸收产生光电流。这一装置尺寸非常小,采用合适的电子装置情况下,该器件具有响应快,响应高线性以及很高的量子效率(即单个入射光子几乎可以产生一个电子),动态范围大的特点。其中非常灵敏的一类为雪崩光电二极管,有时甚至可以用于光子计数。

2、金属-半导体-金属光电探测器包含两个肖特基接触。它比光电二极管响应更快,带宽为几百GHz。

3、光电晶体管与光电二极管类似,来使利用了光电流的内放大。它没有光电二极管常用。

4、光敏电阻器是利用了一些特定的半导体材料,例如,硫化镉(CdS)。它的价格比光电二极管低,那时响应慢,并且不灵敏,具有强的非线性响应。

5、光电倍增管采用的是真空管。它同时具有很高的灵敏度(甚至可用于光子计数)和很高的响应速度。但是,它的价格很高,尺寸较大,并且需要很高的工作电压。

6、热释电探测器利用非线性晶体(例如,LiTaO3)在吸收涂层处吸收光脉冲受热后产生的热释电压脉冲。它们通常用于测量调Q激光器中产生的毫焦耳脉冲能量。

7、热学探测器(功率计)可以测量吸收光引起的温度升高。这种探测器非常坚固,可以测量非常高的激光功率,但是灵敏度较低,中等的线性响应,相对较小的动态范围。

8、目前关于碳纳米管和石墨烯的光电探测器还在研发阶段,它有潜力可以提供很大的波长范围和很快的响应速度。将这一器件集成到光电芯片上的方法也在研究当中。

光电探测器的一些重要性质

根据实际要求,光电探测器需要满足一下要求:

1、探测器需要在某一给定波长范围具有很高的灵敏度。有些情况下,需要灵敏度不变,或者至少在给定波长区域内不变。有时也需要在一些其它波长区域没有响应;例如,日盲探测器,只在很短的紫外光波段是灵敏的,而对于太阳光不敏感。

2、探测器必须在某一功率范围内工作正常。限制探测器功率的最大值取决于非线性响应或者损伤问题,而最小功率则是由噪声决定。动态范围(最大探测功率与最小探测功率的比值用分贝表示)也非常重要。有些探测器在动态范围大于70dB时也具有很高的线性响应。

3、有些情况下,不仅需要很高的响应度,还需要很高的量子效率,否则会引入额外的量子噪声。这可以用来探测光的压缩态,也会影响单光子探测器的光子探测概率。

4、当探测激光二极管中发出的强发散光束时,需要考虑探测器的有源区大小。如果光源具有很大并且变化的光束发散角,很难在有源区全部探测到这些光。这时可以采用一个积分球来测量总功率。

5、探测带宽可能从0 Hz或者某一有限频率处开始,而峰值频率由内部过程(例如,半导体材料中载流子的速度)或者相关的电子学器件(例如,引入一些RC时间常数)来决定。某些谐振腔探测器只工作在很窄的频率范围内,非常适合锁相探测。

6、有些探测器(例如热释电探测器)非常适合探测脉冲,不适合探测连续光。

7、当探测脉冲(几个光子量级)时,计时精度非常重要。有些探测器探测一个脉冲后具有一段“死区时间”,在该时间内灵敏度很低。

8、不同类型的探测器需要不同的复杂电子学装置。当需要施加高电压或者探测非常小电压时,就会使器件尺寸变大,成本变高。

9、尤其是有些中红外光探测器需要冷却到很低的温度。因此它在很多情况下不适用。

10、有时需要采用一维或者二维光电探测器阵列。这时需要考虑一些其它的因素,例如,交叉干扰和读出技术。

11、很多应用都对器件尺寸、坚固性和成本有要求。

如上所列的各种不同类型的探测器具有很多不同的性质。在传统的应用领域,一些基本要求可以排除某些探测器类型,可供选择的探测器类型很有限。需要注意的是,在应用时也需要在一些方面进行权衡。例如,很难同时得到很高的探测带宽和高的灵敏度。

参阅:光电二极管、PIN型光电二极管、雪崩光电二极管、金属-半导体-金属光电探测器、速度匹配光电探测器、光电倍增管、功率计、光子计数、噪声特性、噪声等效功率、响应度

光学器件

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