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30000字硕士毕业论文激光雷达探测芯片的描述与制造

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:30000字
论点:激光,成像,脉冲
论文概述:

1.1研究背景及意义1.1.1研究背景爱因斯坦在1916年发表的《关于辐射的量子理论》为激光的发现提供了理论基础,直到1960年,美国物理学家西奥多·梅曼研制出了第一台红宝石激光器,激光的应用

论文正文:

第一章导言

        1.1研究背景及意义1.1.1研究背景爱因斯坦在1916年发表的《关于辐射的量子理论》为激光的发现提供了理论基础,直到1960年,美国物理学家西奥多·梅曼研制出了第一台红宝石激光器,激光的应用与发展进入了一个崭新的时代。两年后,美国的Nathan,Hall和Quist在77K温度下成功地制成了第一台GaAs半导体激光器。80年以后,等离子激光器、超晶格量子阱激光器、光纤激光器、分布反馈半导体激光器、分布布拉格发射半导体激光器、超快激光器等也相继问世,波长覆盖了紫外、可见、红外等光谱范围,最高的峰值功率超过100TW量级,最高平均功率超过MW量级,调谐范围从200nm一直延伸到4um[1]o激光技术与成熟的微波雷达技术的结合,将光学、机械学、电子学等融合在一起,形成了具有独特性能的新一代雷达一激光雷达。        激光雷达与传统微波雷达相比有着自身独特的特性,具有极高的角分辨率、距离分辨率、速度分辨率和极强的抗干扰能力,并且它的体积和质量都较微波雷达的小,因此激光雷达从一出现就成为各国军事部门研究的宠儿。但是,激光雷达也存在本身的缺点和局限性,与微波雷达相比较全天候性要低很多,搜索目标困难等,技术难度很高,至今尚未完全发展成熟。最初的激光雷达主要应用于军事领域,用于精确测距,精确制导和跟踪,地形匹配、水下目标识别等。在近半个世纪的发展过程中,随着激光技术、微电子技术和探测器件技术的发展,涌现出多种多样的激光雷达,其应用领域也由军事领域扩展到了与人类生活息息相关的很多领域,例如气象学(21、医疗、自动控制、无人驾驶、无损检测[、人像识别[[s]等。1.1.2雷达原理介绍三维成像激光雷达的研究,最早由美国国防先进研究项目机构(DAPR.A)于1999年提出的。该项目建议:“研究能完成多种军事任务的电光三维成像传感器的新颖技术。总目标是研究具有高效的、高精度、高速的距离成像功能的传感器阵列。传统的单激光脉冲成像传感器是必需的,其它方法也将考虑”。这一建议给出了无扫描激光雷达的发展方向:一是发展基于单脉冲成像的“闪光”激光雷达,重点是进行阵列APD,PIN探测器和集成信号处理器的研究。二是利用现已成熟的阵列成像器件,采用新的工作体制,实现三维成像。这方面的研究主要集中在AM/CW(AmplitudeModulationContinueWave调幅连续波)、FM/CW(FrequencyModulationContinueWave调频连续波)、距离选通等方法实现三维成像。1.1.2.1AMJCW激光雷达AM/CW激光雷达测量法,又称鉴相法。它是70年代中期发展起来的一种激光雷达。       雷达的发射激光受到高频调制,同时对接收元件,如象增强器的微通道板进行同频率的调制,是输出的光电信号正比于被接收光信号中的高频调制信号的相位,从而实现距离成像;如果微通道板不加高频电压,只加直流电压,则可进行强度成像,这就给强度成像和距离成像交替进行提供了先决条件。理论上,AM/CW激光雷达可以达到较高的准确度,但它对测量环境的要求苛刻,因为测量环境的影响会明显降低返回信号的强度,影响测量的准确度。美国Sandia实验室一直致力于该领域的研究[f61f}1I81,在最近的几年中,发展迅猛,2006年6月其研制的轨道臂检测系统(OBSS)运用于STS-114导弹发射中,用于检测发射过程中,空间站表面状况。其系统的精度在1.5-3.Om的范围内达到了6.4mm,在3.1-4.Sm的范围内达到了25.4mma1.1.2.2距离选通法距离选通技术,又称脉冲选通法,是利用激光器和选通摄像机,以时间的先后分开不同距离上的散射光和目标的反射光,使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在摄像机选通工作的时间内到达摄像机并成像。       激光器发射很强的短脉冲,脉冲激光传输到目标上,对目标进行照射,由目标反射的激光返回到摄像机。当激光脉冲处于往返途中时,摄像机选通门或光闸关闭,这样就挡住了来自气体中的悬浮微粒的后向散射光。当反射光到达摄像机时,选通门开启,让来自目标的反射光进入摄像机。选通门开启持续时间与激光脉冲一致。这样形成的目标图像主要与距离选通时间内的反射光有关。距离分辨率由激光脉冲宽度和探测器选通门宽度决定,宽度为lns激光脉冲和宽度为1ns成像仪结合,能提供30-60cm的距离分辨率。如果选通脉冲宽度和激光脉冲宽度都很窄,使得只能探测到目标 参考文献[1〕朱京平.光电子技术基础.科学出版社.2003, No3: 39-42王青梅,张以漠.气象激光雷达的发展现状.气象科技.2006, 34 No.3:246-249[3] Hongen Liao, Susumu Nakajim, Makoto Iwahar, Nobuhiko Hata. Real-time 3DImage-Guided Navigation System Based on Integral Video Graphy. Proc. SPIE, 2002,4615: 36-44[4] J. F. Andersen, J. Busek, H. Heiselberg. Applications of High Resolution LaserRadar for 3-D Multispectral Imaging. Proc. SPIE, 2006, 6214:0U 1-OU 10 J. F. Andersen, J. Busck, H. Heiselberg. Long Distance High Accuracy 3-D LaserRadar and Person Identification. Proc, SPIE, 2005, 5791:9-15 Orr Shepherd, Andrew J. Lepage, Geert J. Wijntjes, and Theodore F. Zehnpfennig,Sandia National Labs, \"Counter-sniper 3D laser radar\", Proceedings of SPIE, Volume3577 Sensors, C3I, Information,  Todd C. Monson, Jeffrey W. Grantham, and Steve W. Childress, Sandia NationalLabs, \"Characterization of scannerless ladar\", Proceedings of SPIE Volume 3707Laser Radar Technology and  Cohn L. Smithpeter, Robert O. Nellums, Steve M. Lebien, George Studor, \"AMiniature, High-Resolution Laser Radar Operating at Video Rates\" Proceeding of范保虎,赵长明,马国强.非扫描半导体激光雷达成像制导技术研究.战术导弹技术(Tactical Missile Technology), 2008, (1): 58-62Barry Stann, Ahmed Abou-Auf, Scott Frankel. Research Progress on ScannerlessLadar Systems Using a Laser Diode Transmitter and FMlCW Radar Principles. LaserRadar Technology and  摘要 3-4 Abstract 4 第一章 绪论 7-15     1.1 研究背景及意义 7-12         1.1.1 研究背景 7         1.1.2 雷达原理介绍 7-11             1.1.2.1 AM/CW激光雷达 8             1.1.2.2 距离选通法 8-9             1.1.2.3 FM/CW激光雷达 9-11         1.1.3 MSM探测器 11-12     1.2 国内外研究进展 12-13     1.3 本文的主要任务 13-15 第二章 GaAs-MSM器件结构 15-32     2.1 热电子发射模型 15-29         2.1.1 热电子发射理论 15-17         2.1.2 MSM光电探测器的热电子发射模型 17-29     2.2 响应度 29     2.3 带宽 29-32         2.3.1 本征电容 30         2.3.2 渡越时间 30-32 第三章 相关工艺介绍 32-41     3.1 MOCVD介绍 32-36         3.1.1 MOCVD的概念及原理 32-33         3.1.2 MOCVD设备介绍 33-36             3.1.2.1 系统结构 34-35             3.1.2.2 气体源供给系统 35             3.1.2.3 尾气处理系统 35-36             3.1.2.4 设备的性能与特性 36     3.2 光刻工艺介绍 36-40         3.2.1 光学光刻技术 36-39             3.2.1.1 接近式和接触式光刻 36-37             3.2.1.2 投影式光刻系统 37-39         3.2.2 光刻胶技术 39-40     3.3 反应离子刻蚀介绍 40-41 第四章 器件的制作 41-47     4.1 器件的结构 41     4.2 基底材料的生长 41-42     4.3 电极的制作 42-46         4.3.1 光刻版版图的设计 42-43         4.3.2 器件制作流程图 43         4.3.3 器件具体制作工艺 43-46     4.4 器件的切片与封装 46-47 第五章 器件的测试 47-54     5.1 测试平台的搭建 47     5.2 固定光功率下响应度测试 47-48     5.3 变光强条件下光生电流测试 48-49     5.4 脉冲光响应条件下器件测试 49-50     5.5 器件的滤波性能测试 50-54 第六章 光生电流倍增原理的讨论 54-58     6.1 光生电流倍增原理解释 54-55     6.2 噪声分析 55-58         6.2.1 散粒噪声 56         6.2.2 电阻热噪声 56         6.2.3 1/f噪声 56-58 第七章 结论 58-60     7.1 全文工作总结 58     7.2 下一步工作地设想 58-60 参考文献 60-63 硕士期间参与发表的论文 63-64 致谢 64