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    光探測器、光電探測器、熱電探測器

    2012-05-30 15:56:39  來源:卓立漢光

           光探測器按照工作原理和結(jié)構(gòu),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(光電二極管、光導(dǎo)探測器、CCD等)。
    ● 光電倍增管(PHOTOMULTIPLIER TUBES,PMT)
    光電倍增管(PMT)是一種具有極高靈敏度的光探測器件,同時還有快速響應(yīng)、低噪聲、大面積陰極(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(fā)射陰極(光陰極)和聚焦電極、電子倍增極和電子收集極(陽極)的器件。當(dāng)光照射光陰極,光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場進入倍增系統(tǒng),通過進一步的二次發(fā)射得到倍增放大;放大后的電子被陽極收集作為信號輸出(模擬信號輸出)。因為采用了二次發(fā)射倍增系統(tǒng),光電倍增管在可以探測到紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測器件中具有極高的靈敏度和極低的噪聲。
        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)。
        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(cè)窗型光電倍增管使用了不透明光陰極(反射式光陰極)和環(huán)形聚焦型電子倍增極結(jié)構(gòu),這使其在較低的工作電壓下具有較高的靈敏度。
        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極(透過式光陰極),使其具有優(yōu)于側(cè)窗型的均勻性。端窗型光電倍增管的
    大部分的側(cè)窗型光電倍增管使用了不透明光陰極(反射式光陰極)和環(huán)形聚焦型電子倍增極結(jié)構(gòu),這使其在較低的工作電壓下具有較高的靈敏度。
        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極(透過式光陰極),使其具有優(yōu)于側(cè)窗型的均勻性。端窗型光電倍增管的求較高,必須有極好的穩(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(huán)境溫度可以減少熱電子發(fā)射,從而降低暗電流。特別是在使用長波(近紅外波段,俗稱紅敏)光電倍增管時,應(yīng)當(dāng)嚴格控制光電倍增管的環(huán)境溫度。此外,大多數(shù)的光電倍增管會受到磁場的影響。磁場會使電子脫離預(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
    ● 光電二極管(Photodiode)
       光電二極管的工作原理主要基于光生伏特效應(yīng)。
       光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后,在PN結(jié)上產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)。
    ● 光電導(dǎo)探測器(Photoconductive Detector)
        光電導(dǎo)探測器是利用半導(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)。但是制造實用性器件還要考慮性能、工藝、價格等因素。常用的光電導(dǎo)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(dǎo)探測器。
        可見光波段的光電導(dǎo)探測器極少用于光譜探測,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和光電二極管。
        紅外波段的光電導(dǎo)探測器 PbS、Hg1-xCdxTe 的常用響應(yīng)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(fā)足以使導(dǎo)帶中有大量的自由載流子,這就大大降低了對輻射的靈敏度。響應(yīng)波長越長的光,電導(dǎo)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1010 cm·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(dǎo)器件通常需要在制冷條件下使用。    
        紅外探測器的時間常數(shù)。PbS探測器時間常數(shù)一般為50~500μs,HgCdTe探測器的時間常數(shù)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10-14 W;輸出的電信號也非常小,因此要有專門的前置放大器。
      ● 熱釋電探測器(Pyroelectric Detector)
        熱釋電型紅外探測器是由具有極化現(xiàn)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(diào)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(dǎo)致熱釋電產(chǎn)生,并輸出相應(yīng)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(yīng)率與波長無關(guān);2、響應(yīng)慢。
    ● 光探測器的主要性能參數(shù)
    ◆ 光譜響應(yīng)度
        光譜響應(yīng)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。
        光譜響應(yīng)度隨波長的變化關(guān)系曲線即是探測器的光譜響應(yīng)曲線(絕對響應(yīng)曲線)。
        若將光譜響應(yīng)曲線的*大值做歸一化處理,則得到相對光譜響應(yīng)曲線。
    ◆ 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。
    ◆ 探測率(D)/比探測率(D*)
        探測率D是NEP的倒數(shù),D越大,表明探測器的探測性能越好。
        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.
     ◆ 時間常數(shù)
        時間常數(shù)表示探測器輸出信號隨入射光信號變化額速率,τ=1/(2πf)。
    ● 如何選擇合適的光探測器?
        在光電測試系統(tǒng)中,需要根據(jù)實際需要來選擇各種探測器,特別要關(guān)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(wěn)定性的高壓電源;
    3、光伏型探測器具有響應(yīng)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(dǎo)型探測器響應(yīng)較慢,使用時要求信號光必須調(diào)制,并且需要搭配鎖相放大器進行信號檢出,同時要注意調(diào)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(fā)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(yīng)的溫控器選擇,探測器、溫控器及前置放大器均需根據(jù)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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