第七章--光电子技术课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,热探测器,：,基于光辐射与物质相互作用的热效应制成,的器件。研究的最早并且得到实际应用。,热探测器种类,：,热电偶、热敏电阻和热释电探测器等。,优点：,不需致冷、在全部波长上具有平坦响应。,缺点：,响应率较低，响应时间较长。,应用领域：,在大于,14um,的远红外域更广阔的用途。,第七章 热探测器,热探测器：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成 第七章 热,7.1,热探测器的一般原理,光敏元,光源,温升,物理性,质变化,探测,转换成电信号,热效应：,7.1热探测器的一般原理光敏元光源温升物理性 探测转,一、热探测器吸收光辐射引起的温度变化,图,7-1,，热探测器的热回路,P=,：入射光功率。,H,：,热容量，表示升高一度所需的热量,(J,K),。,G,：,热导，表示与周围环境,发生热交换,(W,K),T,0,：,环境温度。,：,为热探测器的吸收率。,T+T,0,:,探测器吸收光辐,射后的温度。,P,：,探测器单位时间吸,收的热量。,一、热探测器吸收光辐射引起的温度变化图7-1，热探测器的热回,(7.1-1),(7.1-2),(7.1-3),探测器温度升高,T,，单位时间内所需的热量为：,探测器在单位时间内通过热导流向环境的热量流,p,为,:,根据热量守恒定律有：,上式写成：,为线性非奇次方程，先解奇次方程，再用变易法可以,(7.1-4),(7.1-1)(7.1-2)(7.1-3)探测器温度升,的响应时间，,其意义为当,t=,T,时，热探测器,的温升衰减为初始值的,1/e,。,（,1,）,在一定的辐射功率下，探测器应有尽可能大的温,度变化。要做到这一点，,G,应尽量小而且调制频,率要很低，使 。,(7.1-5),利用,t=0,时，可以得到,幅值为：,：热探测器的时间常数，它对应于光子探测器,的响应时间，其意义为当t,(2),提高吸收率,，通常对热探测器光敏元的表面进,行黑化。,(3),降低热容量,H,，这是多数热探测器的光敏元做得小,巧的原因。,(2)提高吸收率，通常对热探测器光敏元的表面进(3)降低,二、热探测器的极限探测率,温度噪声：,由于热探测器与周围环境之间的热交换存在着热流起伏，引起热探测器的温度在,T0,附近呈现小的起伏，这种温度起伏所引起的热功率起伏的均方值构成了热探测器的主要噪声源，称为温度噪声。,极限探测率的计算：,探测器和环境的热交换包括辐射、对流和传导。当探测器光敏元被真空封装时，热导主要是辐射热导。,二、热探测器的极限探测率,在理想情况下，光敏面是理想的吸收面，即,1,；这时辐射热导,G,R,根据黑体辐射为,Ad,是光敏面的面积，,=5.6710,-8,为,(J.S,-1,.m,-2,.K,-4,),斯忒藩一玻耳兹曼常数。,(7.1-6),若热探测器的吸收率为常数，则其辐射热导与波长,无关，而与温度的三次方成正比。当温度降低时，,辐射热导将急剧减小。,在理想情况下，光敏面是理想的吸收面，即1；这时辐射热导G,将,(7.1-6),式带入温度噪声公式，得到温度噪声功率为,:,对于热探测器来讲，如果把热功率起伏作为入射能量，可以得到噪声电压：,于是，热探测器的比探测率为：,(7.1-7),(7.1-8),将(7.1-6)式带入温度噪声公式，得到温度噪声功率为:(7,在室温下，把,T=300K,，玻尔兹曼常数,k=1.3810-23J/K,和,=5.6710,-8,为,(J.S,-1,.m,-2,.K,-4,),代入上式，可得理想热探测器的极限比,理想热探测器的极限比探测率已接近或达到一般光子,探测器的比探测率。,(7.1-12),7.2,热释电探测器,一、热释电效应,:,极化强度变化,面电荷变化,在室温下，把T=300K，玻尔兹曼常数k=1.3810-2,第七章-光电子技术课件,热释电晶体,:,铁电体：,某些极性晶体，当加上电场后，无规则排列的自发极化矢量趋于同一方向，当外加电场移去后，这些晶体保持该特性，这类晶体称为铁电体。例如：硫酸三甘肽,(TGS),、铌酸锶钡,(SBN),、钽酸锂,(LiTaO3),等。,T,C,：居里温度,热释电晶体:TC：居里温度,非铁电体,：,自发极化方向不能用外电场来改变，如硫酸锂,(Li,2,SO,4,H,2,0),和电气石等。,热释电探测器的工作原理,:,晶体,频率,入射光,晶体温度变化,(),极化强度变化,(),面电荷密度变化,(),形成回路电流,(id),非铁电体：自发极化方向不能用外电场来改变，如硫酸锂(Li2S,热释电探测器的结构,:,面电极,置于晶体的前后表面上，一个电极位于光敏面内电极面积较大，极间距离较小，因而极间电容较大，故其不适于高速应用。,电极所在的平面与光敏面互相垂直，电极间距离较大电极面积较小，故极间电容较小，适于高速探测。,热释电探测器的结构:面电极置于晶体的前后表面上，一个电极位于,负载上的输出电压的计算：,入射的交变辐射在热释电晶体中产生的电流,id,可表示为,:,(7.2-1),P,S,：热释电晶体的极化矢量；,热释电系数，表示自发极化强度随温度,T,的变化率,(,库仑厘米,2,K),。,A,d,:,热释电探测器电极面积。,电流在负载电阻,R,L,上产生的输出电压为：,(7.2-2),负载上的输出电压的计算：入射的交变辐射在热释电晶体中产生的电,输出电压正比于热释电系数,和温度变化速率，而,与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。为了有大,的温度变化率要求光敏材料对光辐射有较大的吸收,率，同时有较小的热容。,二、热释电探测器的等效电路及输出电压计算：,探测器,放大器,输出电压正比于热释电系数和温度变化速率，而 二、热释电探,负载阻抗,R,L,等效为,(7.2-3),R,L,模值为：,(7.2-4),假设入射辐射为：,那么释电探测器的温度,T,表示为,C,d,、,R,d,：,热释电探测器的电容和电阻；,C,A,、,R,A,：,放大器的电容和电阻。,（,7.2,5,）,热释电探测器接收恒定光辐射后的温升,;,负载阻抗RL等效为(7.2-3)RL模值为：(7.2-4),(7.2-6),将,7.2-4,式和,7.2-6,代入,7.2-2,输出电压为,微分后可以得到温度的变化速率为,:,则电压幅值为,(7.2-7),(7.2-6)将7.2-4式和7.2-6代入7.2-2,输,可以得到输出电压幅值表达式,(7.2-8),其中,可以得到输出电压幅值表达式 (7.2-8)其中,三、热释电探测器的特性,1,、响应率：,(7.2-10),讨论：,(1),当入射辐射为恒定辐射,(,即,(=0),时，,R,v,=0,这,说明热释电探测器对恒定辐射不响应。,(2),低频时，既当,T,1,和,E,1,时,结论：,R,v,与,成正比。,三、热释电探测器的特性1、响应率：(7.2-10)讨论：,（,3,）中频时，当,1/,T,1/,E,时,结论：,响应率,Rv,与,无关,（,4,）中频时，当,1/,E,1/,T,及,1/,E,时,结论：,响应率,Rv,与,成反比，,(H,C),Rv,（,7.2-11,）,(7.2-12),（3）中频时，当 1/T R,A,，总电阻取决于,R,A,，,即,RR,A,，所以,(7.2-20),讨论：,（,1,）,热释电探测器的热噪声随频率,的升高而下,降；增大总电阻,R,可使热噪声电压降低。,（,2,）总电阻,R,为热释电探测器材料的直流电阻,R,dc,、热释,电材料的介电损耗引起的交流电阻,Rac,和前置放大,器输入电阻,R,A,的并联值。一般情况下满足,总结：热释电探测器的热噪声随频率的升高而下降；增大总电阻R,在高频时探测器在低频时，,R,ac,RA,，总电阻取决于,R,ac,，即,RR,ac,，所以,(7.2-21),总噪声,：如果只考虑温度噪声和热噪声，总噪声功率,可表示为：,(7.2-22),所以，热释电探测器的噪声等效功率,NEP,值为,(7.2-23),热释电探测器的使用说明：,由于热释电材料具有压电特性，因而对微震等应变十分敏感，在使用热释电探测器时，应注意减震防震。,在高频时探测器在低频时，RacRA，总电阻取决于Rac,四、几种常用的热释电探测器,铁电晶体材料的热释电系数最大的，其中最主要的材料有：,（,1,）,TGS,（,硫酸三甘肽，,NH,2,CH,2,(OOH),3,H,2,SO,4,）,（,2,）,SBN,（铌酸锶钡,BaSrNbO,3,）,（,3,）,LT,-,钽酸锂,(L1T,a,0,3,),（,4,）,LN,一铌酸锂,(LiNb0,3,),、,（,5,）,PT,-,钛酸铅,(PbTi0,3,),等。,1,、,TGS(,硫酸三甘肽,),及其同晶体探测器：,-,发展最早、工艺最成熟的热释电探材料。,特点：,（,1,）,在室温下其热释电系数大，介电常数小；,(500,，,10,，,1),达,（,2,）,D*(500,10,1),可以达到,5,10,9,cm.Hz,1/2,.W,-1,（,3,）在较宽的频率范围内，有较高探测灵敏度。,四、几种常用的热释电探测器铁电晶体材料的热释电系数最大的，其,缺点：,（,1,）物理化学的稳定性差，,居里温度较低,(,仅为,49,0,C),，,不能承受大的辐射功率。例如在几毫瓦,C0,2,激光作用,下就发生分解,(TGS,分解温度为,150,0,C),。,现在多不用纯,TGS,单晶材料制作热释电探测器。,氘化硫酸三甘肽,(,DTGS,),：居里温度有所提高，但工艺较复杂，,成本较高。,掺杂丙氨酸的,TGS,(,LATGS,),：,（,1,）有很好的锁定极化效果。当温度升高到居里点以上再冷,却到室温，仍无退极化现象，热释电系数也有提高；,（,2,）掺杂后,TGS,晶体的介电损耗减小，,降低了噪声。同时介,电常数下降，改进了高频性能。,NEP=,，,=,。,缺点：（1）物理化学的稳定性差，居里温度较低(仅为490C),同,TGS,相比响应快得多。图,6,10,示出了,LATGS,的,NEP,和,随频率而变化的情况。,同TGS相比响应快得多。图610示出了LATGS的NEP和,2,、,SBN(,铌酸锶钡,),热释电探测器,特点,：材料的居里温度与钡的含量的有关，例如，钡含量从,0.25,增加到,0.52,，其居里温度,Tc,相应从,47,o,C,提高到,115,o,C,。,优点,：,(1)SBN,在大气条件下性能稳定，无需窗口材料保护，,电阻率高，热释电系数,大，机械强度高，在红外波段,(10um,以上,),吸收率很高，故不必涂黑。,(2),在,500MHz,尚未出现明显的压电谐振，故可用于快速,光辐射的探测。,缺点,：,SBN,晶体在钡含量,x0.6,时，晶体在生长过程中趋于开裂。,改进方法,：在,SBN,中掺入,1,的,La,2,O,2,可（氧化镧）就可以提高,热释电系数，消除退极化现象，其,(500,，,10,，,1),达到,。,2、SBN(铌酸锶钡)热释电探测器 特点：材料的居里温度与钡,3,、,LiTa0,3,(,钽酸锂,),优点：,器件的居里温度,Tc,高达,620,o,C,，能承受较高的辐射能量，可以,工作在很高的环境温度下，且不退极化，是一种非常好的热释,电材料。,在室温下响应率几乎不随温度变化；物理化学性能稳定，不需,保护窗口；机械强度高，响应快,(,时间常数约为 ）,适于探测高速光脉冲，已用于测量峰值功率为几个千瓦、上升,时间为,100ps,的,Nd:YAG,激光脉冲。其,(500,，,30,，,1),已达,。,4,、,压电陶瓷热释电探测器,特点,：热释电系数,大，介电常数,也大，所以二者的比值并,不高。,3、LiTa03(钽酸锂)优点：器件的居里温度Tc高达62,优点,：机械强度大，物理化学性能稳定，电阻率可掺杂来控制。,能承受的辐射功率超过,LiTaO,3,热释电探测器，居里温度高