激光测距系统中光电探测器的研究进展
激光测距系统中光电探测器的研究进展
作者:顾小琨;李永亮;胡伟伟;刘泓鑫;张英明;张翼鹏;
激光测距仪在军事、航天、工业等领域发挥着不可替代的作用。光电探测器作为测距系统的核心部件之一,可以探测到极微弱的光信号,并在系统中完成光电转换。本文分析了传统的激光测距方法与其对应的光电二极管和新兴的光子计数技术与其对应的单光子探测器,并对未来激光测距系统中探测器的发展前景进行了总结和展望。
0 引言
光电探测器是激光测距系统的核心部件之一,本文在介绍各类探测器工作原理的基础上,指出了在激光测距领域探测单元的发展方向。1960年第一台激光器由美国科学家梅曼研制成功,在此之后美军很快展开军事激光应用的研究,1961年,首台军用激光测距仪得到了军方的实验论证,之后激光技术在测距领域的应用也随之展开。光电探测器是激光测距系统的探测单元,其原理为光电效应,而光电效应又分为内光电效应和外光电效应。光电倍增管是利用外光电效应,即入射光子打在阴极材料上,将其内部电子轰击出来形成光电流。而光电二极管、雪崩二极管等则利用内光电效应,入射光子将光电材料内部的电子从低能态激发到高能态,于是在低能态上留下一个空穴,高能态上产生一个能自由移动的电子,光子和空穴对改变了光电材料的导电性能,人们通过检测这种变化来读取信号。
随着测距目标,测距方式,测距精度的不同,需要选取不同工作方式的探测器,本文对各种类型光电探测器进行了总结和分析,不仅包括了传统激光测距技术及其探测系统如光电二极管、PIN型光电二极管,APD雪崩二极管,同时也涉及了新兴的光子计数激光测距技术,以及该技术所涉及的单光子探测器,光电倍增管,SPAD单光子雪崩二极管和超导单光子探测器。
1 光电二极管
光电二极管与普通的二极管相同,在检测信号时,把光信号转换成电信号,光电二极管的核心部分是P-N结,在P-N结中存在一个从N区指向P区的内电场E,有光照射在P-N结附近区域时,如果照射的光子有足够大的能量,那么就会在P-N结附近区域产生少数光生载流子。少数光生载流子靠扩散作用进入P-N结区,并在内电场E的作用下,电子和空穴分别漂移到N区和P区。从而产生电势.在实际的测距过程中,探测器需要对回波信号有很快的响应速度,同时又要保证较低的噪音。所以在激光测距中只有PIN 型和雪崩型满足激光测距的要求,下面将着重介绍PIN型光电二极管和APD雪崩光电二极管的线性工作模式。
1.1 PIN型光电二极管
PN结光电二极管中,由于存在内建电场,会使耗尽层产生一个斜坡,从而使光电子和光电子空穴加速,但是在耗尽层以外的区域中由于没有内建电场的加速作用,光电子和光空穴运动速度快,所以导致了光电转换效率低,为了减小这种扩散,研发了这种PIN 型的光电二极管,在普通的PN结中掺入一层浓度很低的近似与本征半导体,被称之为Ⅰ层.本征层的引入增大了耗尽层的宽度,使得器件的击穿电压不再受到基体材料的限制,可以选择低电阻率的基底材料,这样有利于光辐照的吸收,提高了量子效率,减少结电容,从而减少器件的响应时间。PIN 二极管的光谱响应范围约为300nm~1 100nm.
2016年周宇等人设计并测试了一款基于脉冲法的激光测距仪研究,其中系统的接收端选用PIN二极管,其测距的极限量程为10m,并测试了多组近距离的测量误差,且分析了原因。同年叶道焕等人在基于嫦娥五号激光测距仪的工作特性及技术指标的要求下设计了高精度激光动态测试系统,结合激光脉冲信号的特点和该系统的技术要求PIN光电二极管成为首选,实验结果表明动态系统的满足测量精度优于0.15m,zui小模拟距离小于15m 的技术要求,为脉冲式地物测距仪提供了一种动态测量的方法。2017年吕雪驹为了减少现有的激光云高仪的成本,根据脉冲法测量原理,采用小功率激光器和PIN二极管设计了一款便携式的激光云高仪系统,并通过对光电探测器接收反射信号的理论和数学建模解决了PIN的灵敏度问题。
PIN二极管在近程的激光测距领域有着非常广泛的使用,但是由于自身结构的限制PIN 光电二极管中每有一个光子入射时最多只能产生一个电子空穴对,那意味着PIN光电二极管是一种无内部增益的光电检测器件,所以当我们所需的测量距离变远时,目标反射回来的光信号极其的微弱,要想读取极其微弱的光信号就变得非常的困难,所以PIN光电二极管在中远距离的激光测距系统中很少被使用。
1.2 APD雪崩光电二极管(线性模式)
上文提到PIN 光电二极管由于其内部结构没有对信号放大的作用,使它灵敏度进一步的提高受到了限制,2014年徐佳等人对APD雪崩二极管和PIN光电二极管的性能进行了比较,发现APD的灵敏度要远高于PIN,且APD对微弱光信号的探测能能力远远大于PIN,APD雪崩光电二极管的内部具有类似P-N结结构,在P-N结P区外再做一层掺杂浓度极高的P+ 层构成了APD,这种结构使得该二极管可以利用内部载流子产生的“雪崩倍增”效应来放大光电信号,使检测灵敏度更高。APD在工作时,给P-N结加上反向偏压,当有微弱的光信号入射时,会被P-N 结吸收,使得势垒区内的电子和空穴做漂移运动它们会与晶格原子在势垒区内发生碰撞从而产生电离,此过程中所激发的二次电子再与空穴在电场中加速,碰撞过后再产生新的电子,如此循环往复形成雪崩。我们也称工作在反向偏压下的雪崩二极管的工作模式为线性模式,雪崩二极管还有一种工作模式为非线性模式也就是我们常称的盖格模式,将会在下章做详细介绍。
雪崩二极管作为光敏接收器件,特别适用于微弱光的接收和检测,在各种激光测距机中探测器接收的都是从目标反射回来极弱的漫反射光,因此APD在中近程激光测距上得到了广泛的应用,而不同的材料所对应的响应波段亦有所不同,目前市面上主流的三种:1)Si-APD的主要工作波段在400nm~1 100nm,2)Ge-APD的主要工作波段为800nm~1 550nm,3)InGaAs-APD的主要工作波段为900nm~1 700nm。各个激光测距机根据其工作波段的不同选择不同的雪崩二极管作为光电探测器。
在2014年时刘海帝等人在研究高精度和短距离测量时,对相位法激光测距技术进行了研究和调整,为了满足实验要求哈工大的研究团队自行设计了一款基于APD雪崩二极管的光电探测器,并与THORLAS公司的PIN光电二极管做了比对,它在截止频率的大小和响应时间方面有非常突出的优越性。在2017年彭伟等人在近距离的激光测距,使用了相位差式的红外测距计数并选用APD作为其光电探测器。由此我们可以看出APD雪崩二极管因其具有内部增益的结构所以不管是在短距离的测距还是中近距离的激光测距中都得到了广泛的应用,其性能也要远远优于PIN 光电二极管,但是工作线性模式下的雪崩二极管的增益并不是很高,噪声大,并且受温度的影响非常大[19],这就使得我们需要用复杂的外围控制电路和温度补偿电路来保证APD的灵敏度。这大大增加了成本,且加大了激光测距机的体积,而随着人们对测距距离的要求越来越高,新的测距手段和新兴的单光子探测器的研究变成了热潮。
2 单光子探测器
随着激光测距技术的不断发展远距离激光测距机的研制成为热点,在远距离激光测距中常被使用的是脉冲式激光测距系统,该系统一般采用低重频率,高能量的激光器为光源,配合大口径的望远系统作为接收端,这使得整体的激光测距系统体积大,质量大,且回波光子的利用率低,所以传统的脉冲式激光测距系统已经不适用于远距离的测量,为了达到更远的探测距离,一种新的测距手段光子计数技术得到广泛的应用[21],其中以美国NASA,MIT林肯实验为代表的科研团队取得了较为显著的成果。该技术通常采用高重频,低能量的激光器为信号源,配合高灵敏度的单光子探测器完成测距,单光子探测器作为一种具有高探测效率、大动态范围、低偏置电压、低功耗和结构简单等优点的探测器可以很好地去完成信号的采集,目前市面上成熟的单光子探测器有以下几种(1)光电倍增管单光子探测器(PMT)(2)盖格工作模式的雪崩二极管(SPAD)(3)超导纳米线单光子探测器(SNSPD)。
2.1 光电倍增管单光子探测器
光电倍增管是实现单光子探测并将该技术广泛应用的光电探测器件光电倍增管的核心是由玻璃真空管、光阴极、若干级电子束打拿级(电子倍增级)和一个电阳极(收集级)组成的,是一种基于外光电效应和二次电子发射效应的电真空器件,该器件在工作时需要在各电极之间加上一定的电压,光电阴极吸收光子后发射光电子,光电子在电场的作用下一次经过若干个倍增级进行倍增,被阳极收集后得到输出信号,光电倍增管单光子探测器具有非常高的增益,极低的噪声以及极快的相应时间,并且可以将光敏区域做得很大等一系列的优点.在早年间的地卫测距中得到了很广泛的应用,2011年哈尔滨工业大学的王瀚基等人在基于时间相关单光子计数技术的激光测距实验中选用了PMT去完成实验内容。但是现阶段的激光测距机正在向小型化,轻量化,一体化发展,而光电倍增管单光子探测器的体积太过庞大,而且抗干扰能力极差极易受到磁场的干扰,它的内部真空容器的结构复杂且多数需要手工制作导致它的价格非常的昂贵,同时还有着动态响应范围小,需要多组工作电压等缺陷导致其不能在现在的新型激光测距机中被使用。现在的新型激光器的发展在于如何在保证体积尽量小的前提下,尽量去达到大测程,所以固体化单光子探测器得到了越来越多的使用。
2.2 SPAD雪崩二极管单光子探测器
单光子雪崩二极管是一种可以进行单光子探测的光电探测器件。由于其灵敏度高、体积小、功耗低、高度的集成化等优点,在激光测距领域得到了广泛的应用和关注,SPAD其本质为工作在盖格模式下的APD,其基本原理已在第一章进行了阐述,这里不再复述,与普通工作在线性模式下的APD 不同的是,盖格模式是使APD工作在击穿电压以上,来达到该器件探测灵敏度的极限,从而使其可以进行单光子级别的信号读取。单光子探测器在远距离激光测距中的使用十分的普遍。2016年罗远等人在100km 的远距离激光雷达测距系统中,主要应用于远距离小目标的测量,采用了盖格模式的雪崩二极管单光子探测器。2018年DuB,PangC等人演示了高速长距离光子计数测距系统,并完成了165km的实测,在该系统中他们选用了APD雪崩二极管来完成探测。因为不同材料的雪崩单光子探测器对不同的谱段的灵敏度不同,不同的谱段又分别适用于不同的激光测距场合,所以人们开始研究不同的倍增材料的探测器。不同的倍增材料会导致探测器对不同谱段的光波的响应灵敏度不一样,下表摘录了一部分单光子探测器的参数.
近年来人们对红外通信波段(850nm、1310nm、1550nm)技术的不断深入研究。对该波段的单光子探测器的需求也变得非常的迫切,而在激光测距领域人眼安全波段的激光测距也是目前地物激光测距的发展大趋势,由下表我们可以看出有多种材料的单光子雪崩二极管就无法得到使用,为了能够接受人眼安全波段,目前主要采用InGaAs/InP材料,其中InGaAs作为吸收层,InP作为倍增层的探测器作为信号的接收端2011年A.McCarthy等人提出了使用高速门控InGaAS/InP APD准连续探测实现了单光子激光测距,紧接着在2013年的时候,英国的A.McCarthy研究小组采用了单个APD 在1550nm波段实现了成像的实验,2014年黄健华等人研究了适用于人眼安全测距应用的InGaAs/INP雪崩光电二极管,并应用于激光测距。2016年的长春理工的张洪浩等人选用了LIGHTSENSING公司旗下的LSIAPD-500的单光子雪崩二极管作为探测装置,该探测器在900nm~1650nm波长范围的光谱具有极高的响应度,同时采用InGaAs作为倍增材料,非常适用于人眼安全激光测距,且其理想峰值响应为1550nm。
单光子雪崩二极管具有量子效率高、功耗低、工作频谱范围大、体积小、工作电压低等优点,但是由于其工作在盖格模式下也就说每完成一次信号的采集就会有一段死时间,且自身无法终止雪崩,需要有外围的淬灭电路来抑制其雪崩,且SPAD一直工作在其击穿电压附近此时的暗电流等噪声极大,而且击穿电压对温度非常敏感,所以需要温度控制电路来保持其恒温。由于材料本征物理性质的限制,使得它具有较高的暗计数,相对较低的探测速率,降低了有效回波光子的探测概率,因而常用的具有单光子灵敏度探测器的SPAD,已经无法满足远距离近红外波段单光子探测的应用需求,在这样的需求背景下新兴的SNSPD超导纳米线单光子探测器已经成为远距离近红外激光测距探测单元的重要技术。
2.3 超导纳米线单光子探测器
超导纳米线单光子探测器是一种从氮化铌热辐射计中所开发出来的超导探测器超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种新型单光子探测器2001年,世界上第一台超导单光子探测器研制成功该探测器利用了超导材料的另一种特性:临界电流密度的特性,对于超导体而言,即使是处于临界温度以下,当流过的电流达到临界电流时,超导体会失去超导特性,所以在临界电流附近,从超导状态变化到正常状态时,电阻率变化大,且过程快,能快速探测出超导材料吸收光子后的电阻率突变,以此来实现高速的单光子探测。超导纳米线单光子探测器具有灵敏度高、时间精度高、探测速度快和暗计数低等特点,超导体中的能隙比半导体探测器中的能隙一般要小上三个量级。因此从量子效率方面来看,它更适合用于近红外光的探测。在激光测距等领域具有重要应用前景。2016年张森等人将其应用于超远距离的地物测距中并在可见度80km的情况下完成了126km 的实地测距实验,并推算出测距极限为280km,同年Li H,Chen S,You L,等人设计并完成了基于SNSPD的卫星激光测距距离佘山天文台地面测站约3000km,且精度达到了8mm所以这种超导单光子探测器在远距离激光测距中非常的实用,在2017年的时候Zhujiang等人就是用了超导纳米线单光子探测器完成了42.3km~63.5km的雾天回波信号的探测。
由上述团队的实验结果我们可以发现:SNSPD因其在探测效率、暗计数、探测速度、时间抖动以及响应波段等性能方面的优异表现,已经成为目前综合性能好的单光子探测器件,在远距离的激光测距领域有着广泛的使用,但是由于SNSPD的制作非常困难,纳米线的制作中,整个纳米宽度须保持一致,不然将会失去其特有的灵敏度同时大阵列和大尺寸的SNSPD 器件相比传统小尺寸器件而言,制备工艺难度急剧提高,导致了器件性能一致性和成品率也随之下降,这些都制约这SNSPD器件的进一步发展和应用。当这一问题得到解决激光测距系统的性能有望得到进一步的提高。尽管它的制备有些许的困难,但其拥有当前所有单光子探测器的所有关键参数的突破,作为一种革命性的单光子检测技术,它将会是未来激光测距探测领域的发展方向。
3 总结与展望
光电探测器的研究已经积累了一定程度的相关经验,针对不同的测距需求选择合适的光电探测器成为研究的重点,由于测距场合的不同,对测距结果的精度要求不同,对光电探测器的选择也有所不同。随着光电探测器种类的增多,研究不同测距方式,不同测程,探索激光测距系统匹配的光电探测器成为研究人员的目标。在近距离测量中PIN 二极管就已经满足了大部分的测距需求,而在中距离的测量中,雪崩光电二极管由于其雪崩增益效应得到了广泛的应用。随着人们对测距量程的需求越来越大,新型的测距手段:光子计数技术被广泛地应用于测距领域,其对应的单光子探测器也成为激光测距领域探测器件的研究热点。近年来新型的单光子探测技术获得了长足的进步,为激光测距的发展提供了更多的技术支持。如PMT光电倍增管,SPAD单光子雪崩二极管等单光子探测器都得到了广泛的使用。
超导纳米线单光子探测器(SNSPD)为zui新型技术的代表,已获得了成功的应用。因SNSPD在暗计数、低时间抖动、高计数等方面的优异性能,非常适用于光子计数技术的激光测距系统,尤其是在红外激光波段的研究方向。可见SNSPD将会是未来激光测距探测器件的主要研究方向,未来提高SNSPD的光子数分辨能力,扩大其光谱探测能力做到从可见光到中远红外全覆盖,将会是SNSPD单光子探测器的发展方向。
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