1、第二章 光谱仪及弱信号检测仪主讲教师：许立新http:/ 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、分辩本领3、光谱叠级、光谱叠级H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将最大衍射能量集中在所需要的衍射级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 干涉仪第二节干涉仪扫描 FP第一节干涉仪第二节干涉仪球面共
2、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nLmcmnLnL4/44相干条件光程差24LLnmc第二节干涉仪nLmcmnLnL4/44相干条件光程差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、信号与噪声特性一、信号与噪声特性1、信号与噪声概念、信号
3、与噪声概念信号是携带了某种被测信息的的物理量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噪声是一种无规则的随机涨落信噪比：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：ffKUnn
4、02第三节 信号与噪声2、噪声的统计特性 （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）概率分布功率谱密度第三节 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
5、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三节 信号与噪声光电探测器光电探测器按光电转换方式，光电探测器可分为按光电转换方式，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（可见狭能隙半导体材料（红外）和宽能隙半导体材料（可见和紫外）。和紫外）。宽能隙材料以宽
6、能隙材料以 Si、Ge、和、和 GaN、AlN 等为主，等为主，狭能隙半导体材料主要为铅盐、碲镉汞、狭能隙半导体材料主要为铅盐、碲镉汞、SbIn 等。等。inpRPIR is the responsivity of the photodetector(A/W)RqhvhvPqIrateincidencephotonrategenerationelectroninp)exp(1WpPinabsthe bandwidth of a photodetector is determined by the speed with which it responds to variations in the
7、 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.RCtrrT9ln tr is the transit time and RC is the time constant of the equivalent RC circuit.The transit time is added to
8、 RC because it takes some time before the carriers are collected after their 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 responsivity(speed versus
9、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
10、optical technology with the sum-frequency(SF)light generation.近期光电探测器最大的进展在两个方面：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、响应时间用超晶格（量子阱）结构提高了量子效率、响应时间和集成度；和集成度；（2）制成了探测器阵，可以用作成像探测。）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（红外焦平面列阵（FPA），并成功地应用），并成功地应用于红外遥感、成像等。于红外遥感
11、、成像等。Photodetector:convert light into electricity through the photoelctric effectRequirements:high sensitivity,fast response,low noise,low cost,and high reliability第四节 光电探测器Wavelength Range 950-1650 nm Wavelength Range(multimode versions)950-1650 nm 3-dB Bandwidth 25 GHz Rise Time 17 ps Maximum Conv
12、ersion Gain 15 V/W Typical Maximum Responsivity 0.6 A/W Output Impedance 50 Minimum NEP cw Saturation Power 2 mW Maximum Pulse Power 100 mW Detector Material/Type InGaAs/Schottky Detector Diameter 25 m Power Requirements internal 9-V battery Optical Input FC Electrical Output Wiltron K 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、光电倍增管一、光电倍增管光电效应与电子倍增发射光电效应与电子倍增发射第四节 光电探测器一、光电倍增管一、光电倍增管光电效应与电子倍增发射光电效应与电子倍增发射第四节 光电探测器第四节 光电探测器第四节 光电探测器
