第六章光外差探测系统

光电检测技术教学大纲一、课程基本信息课程名称：光电检测技术（Optoelectronic Detection Technology）课程对象: 光学、通信、自动化等专业课程类别：选修课课程学时：32二、教学目的及要求光电检测技术是电子信息学科的主要应用课程之一，她综合了光电子学、模拟电路、数字电路、计算机接口技术等学科的内容，是光学、通信、自动化控制等专业可选修的重要专业课程。

本课程的目的：在牢固掌握光辐射度量和半导体物理的基本规律、基本理论基础上，学习工业生产中实际使用的光电、热电检测器件、发光器件的原理、分类和选用，再结合实际检测需要设计检测电路、检测系统，培养学生对实际光电检测系统的分析和设计能力，掌握从理论到生产实践应用的过程、方法及分析解决具体实际问题的能力，同时也为毕业工作的起到桥梁作用。

本课程的基本要求：1．牢固掌握光电检测系统的用到的三大基本理论（辐射与光度量、半导体物理、光电效应）和电路的基本定理。

2．牢固掌握光电检测器件的原理、分类、性能参数指标及其应用选择。

3．熟悉了解热电检测器件的原理、分类、性能参数指标及其应用选择。

4．掌握发光与耦合器件的基本原理、结构、性能参数指标及其应用选择。

5．牢固掌握光电信号的数据采集方法以及与PC机接口进行数据处理方法，学会在实际检测系统中的接口和编程。

三、教学内容第一章绪论第二章光电检测技术基础（4学时）课程要求: 光的基本性质和光辐射度量；半导体物理基础；光电效应。

2.1 光的基本性质2.2 辐射与光度学量2.3 半导体基础知识2.4 光电效应第三章光电检测器件（6学时）课程要求:器件的性能参数、真空器件、半导体器件，各类器件的性能比较和应用选择。

3.1 光电器件的类型与特点3.2光电器件的基本特性参数3.3 半导体光电器件•光电导器件:光敏电阻•光伏器件: 光电池/光电二极管/三极管3.4 真空光电器件•光电管•光电倍增管3.5 热电检测器件•热敏电阻•热电偶和热电堆•热释电探测器件第四章发光、耦合和成像器件（4学时）课程要求:发光二极管、激光器、光电耦合器件。

封面作者：Pan Hongliang仅供个人学习测控仪器则是利用测量和控制的理论，采用机、电、光各种计量测试原理及控制系统与计算机相结合的一种范围广泛的测量仪器。

仪器仪表的用途和重要性—遍及国民经济各个部门，深入到人民生活的各个角落，仪器仪表中的计量测试仪器与控制仪器统称为测控仪器，可以说测控仪器的水平是科学技术现代化的重要标志。

仪器仪表的用途:在机械制造业中：对产品的静态与动态性能测试；加工过程的控制与监测；设备运行中的故障诊断等。

在电力、化工、石油工业中：对压力、流量、温度、成分、尺寸等参数的检测和控制；对压力容器泄漏和裂纹的检测等。

在航天、航空工业中：对发动机转速、转矩、振动、噪声、动力特性、喷油压力、管道流量的测量；对构件的应力、刚度、强度的测量；对控制系统的电流、电压、绝缘强度的测量等。

发展趋势:高精度与高可靠性、高效率、智能化、多样化与多维化（1）高精度与高可靠性随着科学技术的发展，对测控仪器的精度提出更高的要求，如几何量nm精度测量，力学量的mg精度测量等。

同时对仪器的可靠性要求也日益增高，尤其是航空、航天用的测控仪器，其可靠性尤为重要。

（2）高效率大批量产品生产节奏，要求测量仪器具有高效率，因此非接触测量、在线检测、自适应控制、模糊控制、操作与控制的自动化、多点检测、机光电算一体化是必然的趋势。

（3）高智能化在信息拾取与转换、信息测量、判断和处理及控制方面大量采用微处理器和微计算机，显示与控制系统向三维形象化发展，操作向自动化发展，并且具有多种人工智能从学习机向人工智能机发展是必然的趋势。

（4）多维化、多功能化（5）开发新原理（6）动态测量现代设计方法的特点：(1)程式性强调设计、生产与销售的一体化。

(2)创造性突出人的创造性，开发创新性产品。

(3)系统性用系统工程思想处理技术系统问题。

力求系统整体最优，同时要考虑人-机-环境的大系统关系。

(4)优化性通过优化理论及技术，以获得功能全、性能良好、成本低、性能价格比高的产品。

光电检测技术与应⽤课后答案第2章1、简述光电效应的⼯作原理。

什么是暗电流？什么是亮电流？P11答：暗电流指的是在⽆光照时，由外电压作⽤下P-N结内流过的单向电流；光照时，光⽣载流⼦迅速增加，阻值急剧减少，在外场作⽤下，光⽣载流⼦沿⼀定⽅向运动，形成亮电流。

2、简述光⽣伏特效应的⼯作原理。

为什么光伏效应器件⽐光电导效应器件有更快的响应速度？P15答：（1）光⽣伏特效应的⼯作基础是内光电效应.当⽤适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作⽤（不加外电场），光⽣电⼦拉向n区，光⽣空⽳拉向p区，相当于PN结上加⼀个正电压。

（2）光⽣伏效应中，与光照相联系的是少数载流⼦的⾏为，因为少数载流⼦的寿命通常很短，所以以光伏效应为基础的检测器件⽐以光电导效应为基础的检测器件有更快的响应速度。

3、简述光热效应⼯作原理。

热电检测器件有哪些特点？P15、P17第3章2、对于同⼀种型号的光敏电阻来讲，在不同光照度和不同环境温度下，其光电导灵敏度与时间常数是否相同？为什么？如果照度相同⽽温度不同时情况⼜会如何？3、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在哪种偏置状态？为什么？答：因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有光照时，光电效应不明显。

p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产⽣，这是因为p-n结在反偏电压下产⽣的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光⽣电流就会明显增加。

5、光电导器件响应时间（频率特性）受哪些因素限制？光伏器件与光电导器件⼯作频率哪个⾼？实际使⽤时如何改善其⼯作频率响应？6、硅光电池的开路电压为什么随着温度的升⾼⽽下降？影响光电倍增管⼯作的环境因素有哪些？如何减少这些因素的影响？答：温度升⾼时，半导体的导电性将发⽣⼀定的变化，即少数载流⼦浓度随着温度的升⾼⽽指数式增⼤，相对来说多数载流⼦所占据的⽐例即越来越⼩，这就使得多数载流⼦往对⽅扩散的作⽤减弱，从⽽起阻挡作⽤的p-n结势垒⾼度也就降低。

光电检测技术哈理⼯考试复习资料⼀、填空1.光电效应包括（内光电效应）（外光电效应）2.光热效应包括（热释电效应）（辐射热计效应）（温差电效应）3.可见光波长范围（380~780nm）4.描述辐射强度的量（光度学量）（辐射度学量）5.光的波粒⼆象性指的是（波动性）（粒⼦性）6.物体根据导电性能分为（导体）（半导体）（绝缘体）7.（外界提供⾜够的能量）（跃迁到的能带上存在空位）//什么玩意发⽣的条件吧8.（能态的分布）（能态中被电⼦占据的概率）9.半导体对光⼦的吸收可分为（本征吸收）（杂质吸收）（激⼦吸收）（⾃由载流⼦吸收）（晶格吸收）（品格吸收）10.载流⼦在PN结中运动⽅式（扩散）（漂移）11.光电池种类（太阳能光电池）（测量光电池）12.光电耦合器按结构和⽤途可分为（光电隔离器）（光传感器）13.光敏三极管的两个过程（光电转换）（电流放⼤）14.光电倍增管的组成（阴极K）（倍增极D）（阳极A）15.激光器的组成（⼯作物质）（泵浦）（谐振腔）16.光热辐射检测器件包括（热敏电阻）（热电偶检测器件）（热释电器件）17.电流功率18.光电检测系统的检测⽅法分为（直接检测）（光外差检测）分别检测（相⼲光）和（⾮相⼲光）19.直接检测系统和光外差检测系统的基本特性：直接检测系统（信噪⽐、通项带宽度、检测距离、视⾓）；光外差检测特性（获得信息全部、转换增益⾼、良好流没特性、信噪⽐损失⼩、最⼩可检测功率）20. 光源光敏⼆极管光电池光栅传感器结构：光删副是由主光栅和指⽰光栅组成⼆、概念1.光电传感器：利⽤光电效应，将光通量转换为电信号的⼀种传感器2.光电导效应：是光照射到某些物体上后，引起电导变化的效应3.热噪声：由于载流⼦的⽆规则运动产⽣的噪声成为~，与温度有关，与频率⽆关。

4.光电效应：当物质受到光照射后，材料的电学性质（电导率改变，发射电⼦，产⽣感应电动势）发⽣变化的现象称为~5.禁带：允许电⼦存在的能带叫允许带，两个相邻允许带之间不允许电⼦存在的能带叫禁带6.价带：在绝对零度下能被电⼦占满的最⾼能带，也是存在电⼦的能带中，能量最⾼的带导带：导带是半导体最外⾯（能量最⾼）的⼀个能带，是由⾃由电⼦形成的能量空间，即固体结构内⾃由运动的电⼦所具有的能量范围7.光电效应：根据光电导效应，当⼊射光变化时，材料的电导率发⽣变化8.光热效应：由于⼊射光照射引起温升从⽽使电导变化，使得负载电阻上电压发⽣变化9.热电检测器件：由于⼊射光与物质相互作⽤的热效应⽽制成内光电检测器件10.光电耦合器件将信号接⼊端和输出端连接到⼀起的器件,以光为媒介将输⼊信号耦合到输出信号11.光电位置敏感器（PSD）：对位置的变化进⾏检测的器件12.热释电效应：介质的极化强度随温度变化⽽变化，引起电荷表⾯电荷变化的现象．13.辐射热计效应：⼊射光的照射使材料由于受热⽽造成电阻率变化的现象．14.温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差⽽在两结点间产⽣电动势，回路中产⽣电流．三、简答1.光电检测的测量⽅法及发展趋势（1）⽅法：直接作⽤法，补偿测量法，差动测量法，脉冲测量法（2）发展趋势：①发展纳⽶，亚纳⽶⾼精度的光电检测新技术②发展⼩型，快速的微型光、电、机系统③⾮接触、快速在线测量，满⾜快速增长的商品经济需求④发展微型空间三维和⼤型空间三维测量技术⑤发展闭环检测电路，实现光电检测和光电控制⼀体化⑥向⼈们⽆法触及的领域发展⑦发展光电跟踪和光电扫描技术，远距离遥控、遥测技术，激光制导、飞⾏物⾃动跟踪、复杂形体⾃动扫描测量2.⽐较光电效应和光热效应的作⽤机理，性能及应⽤特点等⽅⾯的差异（1）作⽤机理：①光电效应：光照射到物体表⾯，使材料电学性质发⽣变化（电导率改变、发射电⼦、产⽣感应电动势）②光热效应：光照使温度升⾼⽽引起性质改变（2）性能：①光电效应直接把光⼦能量转变为光电⼦能量②光热效应将光能转变为晶格振动的热能（3）应⽤特点：①光电对光波波长有选择性，响应速度快②光热⽆选择性，响应慢3.光⽣伏特效应与光电导效应的区别（1）光⽣伏特效应：少数载流⼦作⽤，引起电压变化，暗电流⼩，响应快，受温度影响⼩，光电特性线性号，噪声低（2）光电导效应：多数载流⼦作⽤，引起电导率变化，可对微弱辐射检测，光谱响应范围宽。

第一章1.举例说明你知道的检测系统的工作原理激光检测一激光光源的应用用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字，会使荧光字产生一定波长的激光，通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。

山于仿制困难，故用于辨伪很准确。

2.简述光电检测系统的组成和特点组成：（1）光学变换：时域变换-------调制振幅，频率，相位，脉宽空域变换-------光学扫描光学参量调制：光强，波长，相位，偏振形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。

（2）光电变换，变换电路，前置放大将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）（3）电路处理放大，滤波，调制，解调，A/D，D/A，微机与接口，控制。

第二章1.试归纳总结原子自发辐射，受激吸收，受激辐射三个过程的基本特征。

自发辐射：处于激发态的原子在激发态能级只能一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出光子。

受激辐射：在外来光的作用下，原子从激发态能级跃迁到低能级，并发射一个与外来光完全相同的光子。

受激吸收：处于低能级的原子，在外来光的作用下，吸收光子的能量向高能级跃迁。

2.场致发光（电致发光）有哪几种形式，各有什么特点结型电致发光（注入式发光）：在p-n结结构上面加上正向偏压(即p区接电源正极，n区接电源负极)时，引起电子由n区流入(在物理上称为“注入”)p区，空穴由p区流入n区，发生了电子和空穴复合而产生发光。

粉末电致发光：这是在电场作用下，晶体内部电子与空穴受激复合产生的发光现象。

两电极夹有发光材料薄膜电致发光：薄膜电致发光和粉末电致发光相似，也是在两电极间夹有发光材料，但材料是一层根薄的膜，它和电极直接接触，不混和介质。

3.为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光加正向偏压时，外加电压削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强，构成少数载流子的注入，产生电子和空穴的复合，从而释放能量，并产生电致发光现象。

4.发光二极管的外量子效率与射出的光子数，电子空穴对数，半导体材料的折射率有关。

第7章 光外差检测系统光电直接检测的光强信号及光电探测器转换后的电信号通常情况下是直流量。

而直流漂移是形成误差的重要原因，信号处理及细分都比较困难。

光外差检测采用两束具有微小频率差的光产生干涉，产生的信号为交流电，不仅克服了上述光电直接检测的漂移问题，而且使细分变得更容易，显著提高了抗干扰性能。

光外差检测（Optical heterodyne detection ）广泛应用于激光通信、干涉测长、测角、激光雷达和测速等当面。

光外差检测与光直接检测比较，其测量精度要高7-8个数量级。

它的灵敏度接近了量子噪声限，可以检测单个光子，进行光子计数。

使用外差技术的双频激光干涉仪早已实现商品化，大量用于长度、位移、速度等的超精密测量，相对测量精度可优于百万分之一。

使用外差检测通信技术的工作距离比直接检测远的多，在外层空间特别是卫星之间通信联系已达到实用阶段，能够做到上万公里的通信距离和1Gbps 以上的通信速率。

7.1 光外差检测原理光外差检测是将包含有被测信息的相干光调制波和作为基准的本机振荡光波在满足波前匹配的条件下，在光电探测器上进行光学混频（相乘）。

由于光电探测器的响应远远低于光波频率，其输出是频率为二光波的差频电信号。

这个输出信号包含有调制信号的振幅、频率和相位特征。

显然，外差检侧也是相干检测．与非相干检测的直接检测法相比，外差检测具有灵敏度高、输出信噪比高、精度高、探测目标的作用距高远等优点。

因而在精密测量中得到了广泛的应用。

如图7-1所示，考虑频率为νM 和νL 两束互相平行的平面光，其空间任意点P 的电分量分别表示为：)2cos()(M M M M t a t E ϕπν+= (7.1) 和)2cos()(L L L L t a t E ϕπν+= (7.2)图7-1外差检测原理示意图其中，a M 和a L 分别表示两光束的振幅，φM 和φL 分别表示两光束在P 点的相位。

则两光束相叠加所得到的光强为：)2cos()2cos(2)2(cos )2(cos )]()([)(22222L L L M M M L L L M M M L M t a t a t a t a t E t E t I ϕπνϕπνϕπνϕπν++++++=+= (7.3)使用三角函数对上述表达式进行变换可得：)]()(2cos[)]()(2cos[)]24cos()24cos([2/12/2/)(2222L M L M L M L M L M L M L L L M M M L M t a a t a a t a t a a a t I ϕϕννπϕϕννπϕπνϕπν-+-++++++++++= （7.4） 上式共分5项，其中前两项组成了光强的直流部分，我们注意到第3项和第4项的频率在光频量级（1014Hz ），现有的光探测器都无法达到这么高的响应速度（通常在1010Hz 以下），故这两项不对探测器产生影响，而最后一项为光强信号的交流部分，其信号振幅为a M a L ，频率νM - νL 为两束相干光的频率差，也叫拍频。

简述光外差检测的原理光外差检测是一种光学检测方法，利用两束光的干涉来检测样品的光学特性。

其原理基于干涉的原理，即当两束光相互干涉时，它们的振幅和相位会相应地叠加。

光外差检测的原理类似于常见的干涉仪原理，但它在干涉光的辐射和检测上有一定的差异。

首先，光外差检测需要两束光，分别称为“信号光”和“参考光”。

信号光是经过样品后的光线，而参考光是未经过样品的光线。

其次，这两束光线需要经过光学调制器。

光学调制器可以对两束光的幅度和相位进行调节，以实现干涉条件。

光外差检测的步骤如下：1. 通过光源产生两束光，信号光和参考光。

2. 信号光通过样品，与样品发生相互作用后传播出来。

3. 参考光未经过样品，直接传播出来。

4. 信号光与参考光在光学调制器处重合，通过调节光学调制器的幅度和相位，使得两束光在某个点或一些点上干涉。

5. 干涉后的光经过一个光探测器进行检测并转换为电信号。

6. 收集和分析电信号，通过计算得到样品的光学特性。

光外差检测的原理可以用以下几个方面解释：1. 干涉效应：两束光重合后，它们的振幅和相位会发生干涉现象。

具体来说，相位差为0或整数倍的情况下，它们的振幅叠加，而相位差为半波长的情况下，它们的振幅相互抵消，形成干涉极大和干涉极小。

2. 光学调制器：光学调制器可以调节信号光和参考光的幅度和相位。

通过调整光学调制器，可以使得两束光在某个点或一些点上干涉，从而实现对样品的检测。

3. 光探测器：光探测器可以将干涉后的光转换为电信号。

光探测器通常采用光电二极管、光电倍增管或光敏电阻等器件，能够将光信号转换为电信号。

通过以上原理和步骤，光外差检测可以应用在许多领域，例如生物医学、环境监测、材料科学等。

它可以用来监测样品的光学特性，如吸收、反射、透射、色散等，且具有灵敏度高、分辨率好、实时性强等优点。

需要注意的是，光外差检测也存在一些问题和限制。

由于干涉效应的存在，光外差检测对样品的尺寸和形态要求较高，需要与样品表面有一定的接触或临近，对样品形态和尺寸有一定的限制。