光譜用光電探測器介紹(卓立漢光)
光探測器按照工作原理和結構，通常分為光電探測器和熱電探測器，其中光電探測器包括真空光電器件(光電倍增管等)和固體光電探測器(光電二管、光導探測器、CCD等)。
一、光電倍增管(PHOTOMULTIPLIER TUBES，PMT)
光電倍增管(PMT)是一種具有高靈敏度的光探測器件，同時還有快速響應、低噪聲、大面積陰(光敏面)等特點。
典型的光電倍增管，在其真空管中，包括光電發射陰(光陰)和聚焦電、電子倍增和電子收集(陽)的器件。當光照射光陰，光陰向真空中激發出光電子。這些光電子按聚焦電場進入倍增系統，通過進一步的二次發射得到倍增放大；放大后的電子被陽收集作為信號輸出(模擬信號輸出)。因為采用了二次發射倍增系統，光電倍增管在可以探測到紫外、可見和近紅外區的輻射能量的光電探測器件中具有高的靈敏度和低的噪聲。
從接受入射光方式上來分，光電倍增管有側窗型(Side-on)和端窗型(Head-on)兩種結構。
1.側窗型的光電倍增管，從玻璃殼的側面接收入射光，而端窗型光電倍增管是從玻璃殼的頂部接收入射光。通常情況下，側窗型光電倍增管價格較便宜，并在分光光度計和通常的光度測定方面有廣泛的使用。大部分的側窗型光電倍增管使用了不透明光陰(反射式光陰)和環形聚焦型電子倍增結構，這使其在較低的工作電壓下具有較高的靈敏度。
2.端窗型(也稱作頂窗型)光電倍增管在其入射窗的內表面上沉積了半透明光陰(透過式光陰)，使其具有優于側窗型的均勻性。端窗型光電倍增管的特點還包括它擁有從更大面積的光敏面(幾十平方毫米到幾百平方厘米的光陰)。端窗型光電倍增管中還有針對高能物理實驗用的，可以廣角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光電倍增管。
由于外加電壓的變化會引起光電倍增管增益的變化，對輸出的影響很大，因此對供給光電倍增管的工作電源電壓要求較高，必須有好的穩定性。卓立漢光的HVC系列高壓穩壓電源，其穩定性能達到±0.03%/h，非常適合作為光電倍增管高壓電源。
同時需要注意的是，由于光電倍增管增益很大，一般情況不允許加高壓時暴露在日光下測量可見光，以免造成損壞，作為光探測器使用時，需要將光電倍增管進行密封。卓立漢光所提供的光電倍增管封裝嚴格按照要求進行封裝，保證客戶的正常安全使用。
另外，光電倍增管受溫度影響很大，降低光電倍增管的使用環境溫度可以減少熱電子發射，從而降低暗電流。特別是在使用長波(近紅外波段，俗稱紅敏)光電倍增管時，應當嚴格控制光電倍增管的環境溫度。此外，大多數的光電倍增管會受到磁場的影響。磁場會使電子脫離預定軌道而造成增益的減少。因而影響到光電倍增管的工作效率。因此，光電倍增管的封裝要特別注意進行電磁屏蔽；卓立漢光提供的光電倍增管均進行了有效地電磁屏蔽。
二、光電二管(Photodiode)
光電二管的工作原理主要基于光生伏應。
光生伏應是半導體材料吸收光能后，在PN結上產生電動勢的效應。
三、光電導探測器(Photoconductive Detector)
光電導探測器是利用半導體材料的光電導效應制成的一種光探測器件。
所謂光電導效應，是指由輻射引起被照射材料電導率改變的一種物理現象。
通常，凡禁帶寬度合適的半導體材料都具有光電效應。但是制造實用性器件還要考慮性能、工藝、價格等因素。常用的光電導探測器材料在射線和可見光波段有：CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等；在近紅外波段有：PbS、PbSe、InSb、Hg0.75Cd0.25Te等；在長于8μm波段有：Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si摻雜、Ge摻雜等；CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光電導探測器。
可見光波段的光電導探測器少用于光譜探測，通常稱為光敏電阻。故卓立漢光采用的可見光波段的光探測器通常為PMT和光電二管。
紅外波段的光電導探測器 PbS、Hg1-xCdxTe 的常用響應波段在 1～3μm、3～5μm、8～14μm三個大氣透過窗口。由于它們的禁帶寬度很窄，因此在室溫下，熱激發足以使導帶中有大量的自由載流子，這就大大降低了對輻射的靈敏度。響應波長越長的光，電導體這種情況越顯著，其中1～3μm波段的探測器可以在室溫工作(靈敏度略有下降)。3～5μm波段的探測器分三種情況：
1.在室溫下工作，但靈敏度大大下降，探測度一般只有1～7×108cm·Hz/W；
2.熱電致冷溫度下工作(約-60℃)，探測度約為109 cm·Hz/W；
3.77K或更低溫度下工作，探測度可達1010cm·Hz/W以上。8～14μm波段的探測器必須在低溫下工作，因此光電導器件通常需要在制冷條件下使用。
紅外探測器的時間常數。PbS探測器時間常數一般為50～500μs，HgCdTe探測器的時間常數在10-6～10-8s量級。紅外探測器有時要探測非常微弱的輻射信號，例如10-14W；輸出的電信號也非常小，因此要有專門的前置放大器。
四、熱釋電探測器(Pyroelectric Detector)
熱釋電型紅外探測器是由具有化現象的熱釋電晶體(鐵電體)制作而成的。其所探測的輻射必須是變化的；對于恒定的紅外輻射，必須進行調制(斬光)，使恒定輻射變成交變輻射，借以不斷引起探測器的溫度變化才能導致熱釋電產生，并輸出相應的電信號。
熱釋電探測器與之前的光電器件相比具有如下特點：
1.無選擇性：響應率與波長無關；
2.響應慢。
五、光探測器的主要性能參數：
1.光譜響應度
①光譜響應度是指某一波長下探測器輸出的電壓或電流與入射光功率之比；
②光譜響應度隨波長的變化關系曲線即是探測器的光譜響應曲線(響應曲線)；
③若將光譜響應曲線的 大值做歸一化處理，則得到相對光譜響應曲線。
2.等效噪聲功率(NEP)
等效噪聲功率是信噪比為1時探測器能探測到的 小輻射功率，即 小可探測功率。
3.探測率(D)/比探測率(D*)
①探測率D是NEP的倒數，D越大，表明探測器的探測性能越好；
②比探測率D*即是歸一化的探測率，也叫探測靈敏度。其單位為：cm·Hz1/2·W-1.
4.時間常數
時間常數表示探測器輸出信號隨入射光信號變化額速率，τ=1/(2πf)。
六、如何選擇合適的光探測器？
在光電測試系統中，需要根據實際需要來選擇各種探測器，特別要關注如下幾個方面的問題：
1.實際光譜測量范圍，這是選擇光探測器首先要注意的問題；
2.光電倍增管是高靈敏的探測器，使用波長范圍受限(通常到900nm，部分型號可得到1000nm以上，但價格通常很貴)，而且使用時要求配套高穩定性的高壓電源；
3.光伏型探測器具有響應快、靈敏度高的特點，使用時一般可不需要鎖相放大器，探測微弱信號時可選用鎖相放大器以提高信噪比；
4.光導型探測器響應較慢，使用時要求信號光必須調制，并且需要搭配鎖相放大器進行信號檢出，同時要注意調制頻率的選擇；
5.探測器選擇時尤其需要注意選擇配套的前置放大器，才能更大限度的發揮探測器的探測效率；
6.選擇TE制冷型探測器時，還要注意對應的溫控器選擇，探測器、溫控器及前置放大器均需根據需要單獨選擇；
7.紅外探測器通常需要制冷和配合鎖相放大器使用。
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更新時間：2024-03-14
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