人眼安全激光测距机用的探测器
人眼安全激光测距机用的探测器
作者:陈天玉
通常,激光测距仪机系统的工作波长为1.06微米。它用Nd:YAG激光作光游,硅雪崩咒屯二极管作探测器。使用这些系统的问题在于人眼能聚焦1.06微米辐射,从而严重地危害了 人眼的安全。解决这一 问题的办法是将工作波长加到人眼安全光谱区, 而同时保持YAG系统的紧汝、便携、 牢固等特点。 A。 M.Johnson讨论了手持式激光测距机系统设计的约束条件(1J。 美因放射卫生局、 国家标准协会和军用标准MIL STD TB-MED-279都巳给出安全波长和曝光罩指南。 根据这些标准, 我们应选择大千1.4微米的工作波长, 于是提出了一个关键性问题, 叩这种系统将用哪种光学器件呢?
人们大诚的工作是发展一些适合的固体激光光源,这些激光器使用诸如掺铝及掺钦的吱璃,皮射波长在1.13-2.10微米之同,所涉及的具体波长为1.55,1.73、2.06微米。每种怓 光器部有它的优点和缺点,所以还必须选择一种最终使用的系统。这种激光器的发射波长决 定了光探测湍的光谱响应要求。下面讨论了探测器类型、探测材料及其性能。
一、探测材料的选择
硅探讨淄,又硅材料带隙的限制,其L作波长在1.06微米以内。为了探测人眼安全的辐 射.因而有必要有相应带隙的其它半导体材料制作探测器。表l列出了主要可供选择的探测 器材料。门材料工艺的限制要求III-V族合金要用外延生长技术制备。
选择特定的合金组份就确定了探测波长范围。最通用的Ill-V族合金材料为GalnAs体 系。使用GaAs衬底上外延生长的GalnAs合金,其复盖波长从0.9微米到2.1微米以上(2)。这 种合金体系广泛地作纤维光学探测器以及测距机探测器,市场上巳有产品出售(3)。.
另 一方面, 用“品格匹配“ 合金制品在InP衬底上外延生长GainAs合金, 用以探测小:}1,6微米的改长,有优民咐性忱。这对纤维儿学特别有用,而该光谱响应对测距机的应用叮亡行[良的,,市场L也有这些产心\出售[3J。图1示出用叶、钻、G::i[nAs/GaAs和GainAs/I叫 制备的光电二极信的相对光谱响应(用趾子效卒表示)并说明材料的选择对波长范围的影响。谛唱采的光渭响应应与有相当合金组份的GainAs的光谱响应相似。然而,制作HgCdTc光探测器用的材料工艺很困难,因而限制了这种合金的使用,而采用V族合金。
半守体探测贮内光谔响应随温度而变化。用量子效率表示含有57%探测器的光谱响应随温度变化的情形。通过确保在最低工作温度下的光谱响应曲线的峰值与所需探测波长一致来达到合金组分的最佳选择。对1.73微米的探测,这一要求很容易满足,只要适当改变CaInAs中铟的百分比即可,尽管探测器的漏泄电流、电容参数合适,但考虑到要川于低温,扰仗找们避免在探灿I1. 73饮来时 使用这种探测器。
二、探测器的参数及使用
英国Plessey 光电子和微波有限公司生产 的Ga In As探测器的性俅。 为了实际应用这些探测吁, 玉必须把它们与放大器及信号处埋电路结合起来。在探 测过程中,对噪声有贡献的主要是第 级放大。这种前置级噪声的大小决定了该系统能接收到的最低光信号功本。这种功卒将必定比由衣 2列出的二极管参数所预期 的效值高。
对千1.06微米系统,用 硅光电二极管内增益可以将 放大器噪声对信噪比的影响 减至最小。这种增益过程称 为雪崩增益,霄朋增益是通过该器件结构的强场区中受到加速的电子和空穴的碰撞电离而获得的。视听书的那忡器件结 构而定,要求施加的偏压在250伏左右。
虽然内增益过程放大『信号和噪声,但是,噪卢以更高的比率放大。这冲袖外的放大, 即过剩噪声因子与半导体材料和器件结构有关。仕探测器中被放大了的啋户伯等寸前置放大 器的噪声值时,就达到鼓佳信噪比,这是由于信号和噪声放大不相等的结果。用其他材料, 而不用硅材料,这种雪崩探测器原则上也可以推广到长波长探i吨]。古崩过程的过剩噪声一般 比硅中的高得多,因而,最大增益必须大大降低。
另外,化合物半导体的材料工艺不如硅工艺成熟。因而用这些材料难于制出性能复现的 雪崩探测器。用绪能制出雪崩探测器。但足,f片勹(加探测器的过剩啋卢扛全比111-V族化合 物半导体器件的还高。用增益为1的光电二极管而不用雪崩探讨器就得精心设计以减小前笐放大器的噪声。 PlesReY公司在纤维光学接收器中巳减小了这种前笐噪声。 在此种接收器中, 把GaAs-FET前 置放大器与光电二极管组装在厚膜混合电路上用以减少杂散电容。
M.C.Brain把这种混合组件式光电探测器与铭雪崩 探测器相比较,对得出的相 对性能进行了分析。他证实 了p-i-nGaAs-FET混合组 件的优越性。表3概括了 澜距机用带GaAs--FET前宜 放大器的p-i-n光电二极管 的性能。这种组件适合用完全密封的方式封装在标准化的DIL结构或TO窗口管壳结构之中,并能符合标准的军事环烧要求。
三、结论
为了获得人眼安全的运转,手持式激光测距机必须在I.4
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