光譜用光電探測(cè)器介紹(卓立漢光)
光探測(cè)器按照工作原理和結(jié)構(gòu)，通常分為光電探測(cè)器和熱電探測(cè)器，其中光電探測(cè)器包括真空光電器件(光電倍增管等)和固體光電探測(cè)器(光電二管、光導(dǎo)探測(cè)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(cè)器件，同時(shí)還有快速響應(yīng)、低噪聲、大面積陰(光敏面)等特點(diǎn)。
典型的光電倍增管，在其真空管中，包括光電發(fā)射陰(光陰)和聚焦電、電子倍增和電子收集(陽)的器件。當(dāng)光照射光陰，光陰向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦電場(chǎng)進(jìn)入倍增系統(tǒng)，通過進(jìn)一步的二次發(fā)射得到倍增放大；放大后的電子被陽收集作為信號(hào)輸出(模擬信號(hào)輸出)。因?yàn)椴捎昧硕伟l(fā)射倍增系統(tǒng)，光電倍增管在可以探測(cè)到紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測(cè)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(cè)窗型(Side-on)和端窗型(Head-on)兩種結(jié)構(gòu)。
1.側(cè)窗型的光電倍增管，從玻璃殼的側(cè)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(cè)窗型光電倍增管價(jià)格較便宜，并在分光光度計(jì)和通常的光度測(cè)定方面有廣泛的使用。大部分的側(cè)窗型光電倍增管使用了不透明光陰(反射式光陰)和環(huán)形聚焦型電子倍增結(jié)構(gòu)，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(nèi)表面上沉積了半透明光陰(透過式光陰)，使其具有優(yōu)于側(cè)窗型的均勻性。端窗型光電倍增管的特點(diǎn)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(duì)高能物理實(shí)驗(yàn)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(huì)引起光電倍增管增益的變化，對(duì)輸出的影響很大，因此對(duì)供給光電倍增管的工作電源電壓要求較高，必須有好的穩(wěn)定性。卓立漢光的HVC系列高壓穩(wěn)壓電源，其穩(wěn)定性能達(dá)到±0.03%/h，非常適合作為光電倍增管高壓電源。
同時(shí)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(shí)暴露在日光下測(cè)量可見光，以免造成損壞，作為光探測(cè)器使用時(shí)，需要將光電倍增管進(jìn)行密封。卓立漢光所提供的光電倍增管封裝嚴(yán)格按照要求進(jìn)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(huán)境溫度可以減少熱電子發(fā)射，從而降低暗電流。特別是在使用長(zhǎng)波(近紅外波段，俗稱紅敏)光電倍增管時(shí)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制光電倍增管的環(huán)境溫度。此外，大多數(shù)的光電倍增管會(huì)受到磁場(chǎng)的影響。磁場(chǎng)會(huì)使電子脫離預(yù)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(jìn)行電磁屏蔽；卓立漢光提供的光電倍增管均進(jìn)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(yīng)。
光生伏應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在PN結(jié)上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。
三、光電導(dǎo)探測(cè)器(Photoconductive Detector)
光電導(dǎo)探測(cè)器是利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種光探測(cè)器件。
所謂光電導(dǎo)效應(yīng)，是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象。
通常，凡禁帶寬度合適的半導(dǎo)體材料都具有光電效應(yīng)。但是制造實(shí)用性器件還要考慮性能、工藝、價(jià)格等因素。常用的光電導(dǎo)探測(cè)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(zhǎng)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(dǎo)探測(cè)器。
可見光波段的光電導(dǎo)探測(cè)器少用于光譜探測(cè)，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(cè)器通常為PMT和光電二管。
紅外波段的光電導(dǎo)探測(cè)器 PbS、Hg1-xCdxTe 的常用響應(yīng)波段在 1～3μm、3～5μm、8～14μm三個(gè)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(fā)足以使導(dǎo)帶中有大量的自由載流子，這就大大降低了對(duì)輻射的靈敏度。響應(yīng)波長(zhǎng)越長(zhǎng)的光，電導(dǎo)體這種情況越顯著，其中1～3μm波段的探測(cè)器可以在室溫工作(靈敏度略有下降)。3～5μm波段的探測(cè)器分三種情況：
1.在室溫下工作，但靈敏度大大下降，探測(cè)度一般只有1～7×108cm·Hz/W；
2.熱電致冷溫度下工作(約-60℃)，探測(cè)度約為109 cm·Hz/W；
3.77K或更低溫度下工作，探測(cè)度可達(dá)1010cm·Hz/W以上。8～14μm波段的探測(cè)器必須在低溫下工作，因此光電導(dǎo)器件通常需要在制冷條件下使用。
紅外探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)。PbS探測(cè)器時(shí)間常數(shù)一般為50～500μs，HgCdTe探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)在10-6～10-8s量級(jí)。紅外探測(cè)器有時(shí)要探測(cè)非常微弱的輻射信號(hào)，例如10-14W；輸出的電信號(hào)也非常小，因此要有專門的前置放大器。
四、熱釋電探測(cè)器(Pyroelectric Detector)
熱釋電型紅外探測(cè)器是由具有化現(xiàn)象的熱釋電晶體(鐵電體)制作而成的。其所探測(cè)的輻射必須是變化的；對(duì)于恒定的紅外輻射，必須進(jìn)行調(diào)制(斬光)，使恒定輻射變成交變輻射，借以不斷引起探測(cè)器的溫度變化才能導(dǎo)致熱釋電產(chǎn)生，并輸出相應(yīng)的電信號(hào)。
熱釋電探測(cè)器與之前的光電器件相比具有如下特點(diǎn)：
1.無選擇性：響應(yīng)率與波長(zhǎng)無關(guān)；
2.響應(yīng)慢。
五、光探測(cè)器的主要性能參數(shù)：
1.光譜響應(yīng)度
?、俟庾V響應(yīng)度是指某一波長(zhǎng)下探測(cè)器輸出的電壓或電流與入射光功率之比；
?、诠庾V響應(yīng)度隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系曲線即是探測(cè)器的光譜響應(yīng)曲線(響應(yīng)曲線)；
③若將光譜響應(yīng)曲線的 大值做歸一化處理，則得到相對(duì)光譜響應(yīng)曲線。
2.等效噪聲功率(NEP)
等效噪聲功率是信噪比為1時(shí)探測(cè)器能探測(cè)到的 小輻射功率，即 小可探測(cè)功率。
3.探測(cè)率(D)/比探測(cè)率(D*)
?、偬綔y(cè)率D是NEP的倒數(shù)，D越大，表明探測(cè)器的探測(cè)性能越好；
?、诒忍綔y(cè)率D*即是歸一化的探測(cè)率，也叫探測(cè)靈敏度。其單位為：cm·Hz1/2·W-1.
4.時(shí)間常數(shù)
時(shí)間常數(shù)表示探測(cè)器輸出信號(hào)隨入射光信號(hào)變化額速率，τ=1/(2πf)。
六、如何選擇合適的光探測(cè)器？
在光電測(cè)試系統(tǒng)中，需要根據(jù)實(shí)際需要來選擇各種探測(cè)器，特別要關(guān)注如下幾個(gè)方面的問題：
1.實(shí)際光譜測(cè)量范圍，這是選擇光探測(cè)器首先要注意的問題；
2.光電倍增管是高靈敏的探測(cè)器，使用波長(zhǎng)范圍受限(通常到900nm，部分型號(hào)可得到1000nm以上，但價(jià)格通常很貴)，而且使用時(shí)要求配套高穩(wěn)定性的高壓電源；
3.光伏型探測(cè)器具有響應(yīng)快、靈敏度高的特點(diǎn)，使用時(shí)一般可不需要鎖相放大器，探測(cè)微弱信號(hào)時(shí)可選用鎖相放大器以提高信噪比；
4.光導(dǎo)型探測(cè)器響應(yīng)較慢，使用時(shí)要求信號(hào)光必須調(diào)制，并且需要搭配鎖相放大器進(jìn)行信號(hào)檢出，同時(shí)要注意調(diào)制頻率的選擇；
5.探測(cè)器選擇時(shí)尤其需要注意選擇配套的前置放大器，才能更大限度的發(fā)揮探測(cè)器的探測(cè)效率；
6.選擇TE制冷型探測(cè)器時(shí)，還要注意對(duì)應(yīng)的溫控器選擇，探測(cè)器、溫控器及前置放大器均需根據(jù)需要單獨(dú)選擇；
7.紅外探測(cè)器通常需要制冷和配合鎖相放大器使用。
