摘 要

现今，光电子技术的发展十分迅速，各种各样的光电转换器件也随之出现，微弱光电信号检测技术发展的速度越来越快，其在工业，医学，军事，农业等领域得到了广泛的应用。

本文基于光电探测器微弱信号测技术的原理，搭建了光电探测器检测系统，并在此套系统基础上，经过各部件的搭配组合，又搭建了荧光检测系统和表面光电压检测系统。荧光光谱检测系统可以对光发射材料与器件所发出的光谱进行检测，它以了光电倍增管作为光电转换装置进行信号转化和放大。在该套系统的基础上，又设计了一套透射光谱测量系统，通过对在入射光的不同波长下透射光强的采集，计算出样品薄膜对不同波长的入射光的透射率。第四套系统为表面光电压检测系统，该系统利用了样品的外光电效应，将光信号转化为了电压信号，经锁相放大器采集和处理，并进行分析。利用该套系统，我们能检测半导体材料的许多性质，比如光伏响应、表面电荷的分布等。

关键词：微弱光电信号数据采集光谱测量

Design of weak photoelectric signal detection system

Abstract

With the rapid development of modern optoelectronic technology and the emergency, a variety of photoelectric conversion device. A variety of photoelectric conversion device also appear. With the extremely rapid development, we can see faint signal detection photoelectric in terms of industrial, medical, military, agriculture.

Based on the principle of photoelectric weak signal measurement technology, we build the fluorescence spectroscopic detection system. Through the various combinations of the components. We built a fluorescence detection system and the surface of the light voltage detection system. The first tests the emission spectra of sample by the photoluminescence principle of fluorescent substance.It uses a photomultiplier tube as a photodetector device for signal conversion and amplification. Based on this system, we designed a transmission spectrum measurement system.It collects transmitted light intensity of different wavelengths,and then we can calculate the transmittance of membrane under incident light of different different wavelengths.The forth system is a surface light voltage detection system.It turns the optical signal into a voltage signal according to the outer photoelectric effect.Next,analysis the signal after the acquisition and processing of lock-in amplifier.Through this device, we can be measured the spectral response of a semiconductor material, conductivity type, the semiconductor bandgap, surface charge distribution.

Key words: weakphotoelectric signal; data collection; spectroscopy measurements

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章绪论 1

1.1 引言 1

1.2 光电转换 1

1.2 光电转换 2

1.2.1光电探测器的种类 2

PN光电二极管 2

PIN光电二极管 2

光电倍增管 3

光电三极管 3

1.2.2 光电探测器的选取 3

1.3光谱仪 4

1.4本论文选题背景及研究内容 4

第二章光电探测器检测系统 6

2.1实验仪器 6

2.2探测器性能参数 6

2.3系统的设计 7

2.4检测结果 7

第三章荧光光谱检测 9

3.1实验仪器 9

3.2实验原理 9

3.3荧光光谱检测系统的设计 10

3.3.1光源的选择 10

3.3.2荧光的激发 11

3.3.3光谱检测系统的设计 11

3.4系统的检测 13

3.5噪声的分析 17

3.6本章小结 18

第四章透射吸收光谱系统 19

4.1实验仪器 19

4.2实验原理 19

4.3系统的搭建 20

4.4本章小节 20

第五章表面光电压检测系统 22

5.1实验仪器 22

5.2实验原理 22

5.3表面光电压检测系统的设计 23

5.3.1样品池的设计 23

5.3.2光源系统的搭建以及信号采集 23

5.4噪声的处理 24

5.4.1互相关检测 25

5.4.2锁相放大器的构成 25

5.5本章小节 26

第六章结论与展望 27

参考文献 28

致谢 32

第一章绪论

1.1 引言

光发射材料与器件是当前科学研究前沿领域中的研究热点，其在平板显示、固态照明、生物医疗、信号检测、军事国防等领域都具有十分重要的应用。但由于不同材料与器件具有不同的特性，导致了发光的强度具有很大的差别。对于发光较弱的材料，在检测其信号时对探测器和检测系统就具有很高的要求。为了能检测到材料或器件的较弱的输出信号，检测系统要具备微弱信号检测的能力。近几十年来,科学家不断地探索在较强背景噪声中提取弱信号的技术,在不断地系统化和完整化的过程中,发展出了微弱信号检测技术。^[1]本课题主要从光电探测器的弱输出信号检测系统设计出发，讨论并设计了包括荧光检测系统、透射光谱测量系统、表面光电压检测系统在内的四套光电检测系统。

光电检测技术是在光学与电子学结合的背景下产生的一种新型检测技术,其主要是利用电子技术对光学信号进行检测^[2],然后对转化而成的电信号进行传递、储存、控制、计算和显示。理论上来说，光电检测技术是一种可以检测所有影响光学量和光学特性的非电学量的技术^[3],它通过光学系统把待检测的非电量信息转变成为系统可以辨认的光学信号,随后再通过光电探测器件将其转变成电学信号^[4],最后通过放大电路进一步放大和处理,并输出电信号^[5-6]。

1.2 光电转换

在光电检测中，光电转换起了核心作用，这一部分可以将带有特定信息的被测光信号转换成为电信号，光电转换部分对于整个微弱光检测系统测量的精度、灵敏度和动态响应范围起决定性作用。光电探测器是光电转换的主要部件，是一种将接收到的光信息量转换为电信息量的器件。随着制作工艺等的发展，探测器的光电转换效率较从前有了较大的提升。目前，常见的光电探测器有光敏二极管、光电池、光敏电阻、半导体光电管、光敏三极管、真空光电管和光电倍增管、电荷耦合器件^[7]等

1.2 光电转换

在光电检测中，光电转换起了最重要的作用，光电转换部件能将被测光信号转换成为电信号，光电转换部分对于整个微弱光检测系统测量的精度、灵敏度以及响应范围起决定性作用。光电探测器是光电转换的主要部件，它可以将接收到的光信息量转换为电信息量^[7]。随着研究的不断深入，其转换效率有了很大的提升。在现在，比较常见的光电探测器有光敏二极管、光电池、光敏电阻、半导体光电管、光敏三极管、真空光电管和光电倍增管、电荷耦合器件^[7]等

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