第二章光谱仪及光电探测器件

快速的光脉冲过程。光电倍增管是光谱工作中最常用的光电器件之一。
√ PMT使用
（1）光电倍增管的选择
①光谱响应区，它取决于光阴极材料；②响应度，根据待测光源的光谱特性和光 通量大小来确定响应度的要求；③暗电流，在测量微弱光信号时要特别注意挑选 暗电流小的管子；④阴极尺寸，要与入射光面积相匹配。
（2）不得在加电压的情况下，有强光照射。 （3）电源 电源稳定性要好，当要求G的稳定性高于1%时，电源的稳定性应高于0.1%。 一般用专用电源。 光电倍增管的供电一般以负压供电居多。这时光阴极为负电位，阳极电压接近 为零，输出端可不用隔直流电容，使用安全方便。为减小暗电流和噪声，这种 供电要求外层的金属屏蔽筒要离管壳10─20mm。 （4）在冷却器中使用可减少暗电 流发射和降低热噪声。
4R (1 R)2
精细度
F P 干涉仪的通光特性是有波长选择性的，即具有滤光特性
F_P主要参数
√角色散率
d m 1 1 d 2Lsin tg
线色散率
Dl
dl d
f
d d
f
例：设f = 500mm，=500nm，得距干涉环中心1mm处（ 即1 f ）的线色散率的倒数
1/ Dl 0.02 A/ mm ，这比大型光栅摄谱仪至少要高一个数量级。
√将微通道板置于光阴极与阳极之间，可构成微通道板光电倍增器。其时间响应
已高于最好的通常的光电倍增管，且不受外界磁场影响
√微通道板光电倍增器还有极其高的空间分辩能力。可以探测二维信息。
4 电荷耦合器件（CCD）
电荷耦合器件（CCD─Charge-Coupled Device），它存储由光或电激励产 生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD 内作定向传输。ＣＣＤ工作过程的主要问题是信号电荷的产生，存储，传输， 和检测。获2009年诺贝尔物理学奖 。
测出周期即可得单色波长
如入射光为两等强度波数不同单色光，在动镜移动时由于两者的变化周期1/~1, 1/~2 不同，干涉图的衬比将变小。
设一连续光 B~
I
()
0
B~
1
c
os2~
d~
0
B~
d~
0
B~
c
os
2~
d~
I
0
B~cos2~d~
反射镜M 2 连续移动时，用光电接收器同步地记录下光通量的改变，就可得到 I 随
光栅调在自准直光路时称李特洛装置，i 0
2d sin mb
b :闪耀波长
√通常在产品目录中给出了m =1的一级光谱的闪耀波长。在闪耀方向上，闪耀波长
b 的光强可以达到入射光强的80%
√通常，闪耀光栅使用的一级光谱波长范围在 (2 / 3 2)b
一级光谱波长范围在 (2 / 5 2 / 3)b
（2）光栅特性
√色散
描述经分光后不同波长的光线的分开程度
d / d m /(d cos )
角色散率与衍射级次m成正比，利用高的光谱级次可使光栅的角色散率增大
线色散率 Dl :波长差为
的两条光谱线在谱仪的成象平面上两个象之间的
分开距离，
Dl
dl d
f
d d
f
m d cos
在紫外及可见光谱区，常用的600线/mm光栅一级谱的角色散率约为6 104 rad / nm
变化的干涉图。对 I 进行傅立叶积分反变换，即得到频谱图 B~
B(~
)
0I
cos
2~
d
大大提高了谱图的信噪比。FT-IR仪器所用的光学元件少，无狭缝 和光栅分光器，因此到达检测器的辐射强度大，信噪比大。
波长(数)精度高(±0.01cm-1)，重现性好。 分辨率高。 扫描速度快。傅立叶变换仪器动镜一次运动完成一次扫描所需时
二级谱达 12 104 rad / nm 在一米光谱仪中一级线色散率为 6101mm/ nm ，其倒数为1.6nm/m
√分辨本领
分辨两条非常接近的谱线的能力。
R mN 采用高的光谱级次m 和增大光栅的刻线总数均可使光栅 的分辨本领提高。
瑞利准则
例：一块宽10cm的1200线/mm的光栅，其一级光谱分辩本领1.是2 10 5 ,在5000埃附近，可
√自由光谱区范围
欲使干涉圆环不重迭时，入射光的光谱间隔的最大限度
重迭时：( )m (m 1)
F
m
2 2L
例：L=0.5cm,
5000
o
A
0
F 0.25 A
一般先需对入射光作色散，再送入F-P。
√分辩本领
d F
F
4R (1 R)2
精细度
例：设L
=
5mm，R=0.9，=500nm，可得：
2d sin / : 相邻两衍射光的位相差
R( ) : 单缝衍射的强度分布，与光栅槽型有关。这里
R(
)
sin
u
2
u
u 2 s sin
（单缝两边沿处次波的位相差的一半）
多光束干涉强度分布受单缝衍射强度分布的调制
√随着刻槽线数N的增加，中心极大值的强度迅速增加，
但中央极大不具有分光能力（白光）
之间形成了一个电容器
耗尽层界面具有吸引电子的负电势，电子在那里 势能较低-形成了一个势阱
√ 信号电荷的产生与存贮
在光谱测量中，被探测的光直接入射到耗尽层处，在此处产生电子─空穴对， 外加电场将电子吸引到势阱内，形成信号电荷。
Q =ηq△AT
η为材料的量子效率；q为电子电荷量；△为入射光的光子流速(与入射的光谱辐通量 成正比）；A为光敏单元的受光面积；T为光注入时间(由CCD驱动器的转移脉冲的周 期决定)。
3 光栅单色仪
单光栅单色仪
双光栅单色仪
G1，G2同方向转动，色散相加型 G1，G2反方向转动，色散相减型
第二节 干涉仪
1 法布里─珀罗干涉仪
透射光强：
IT
1
F
I0 sin
2
(
2)
两束透射光的光程差 2Lcos
干涉极大条件：2Lcos m m 1,2,3
等倾干涉，同心圆环
4 cos
F
2 光电倍增管
应用了光电效应与电子倍增发射的原理
k
1 mu2 2
h
c / h c hc / 探测器的红限波长
光电 二极管
量子效率 () : 光电子的产生速率与光子的入射速率之比
() ne / n ph
与灵敏度之间的关系：R() nee e () 8 10 6 ()
n phh hc
RV
Vs P
RI
Is P
是表征光电探测器转换入射光信号为电信号能力的重要参数。
√ 噪声等效功率（NEP）
定义为信噪比S/N=1时，入射到探测器上的信号光功率。表征了该探 测器的噪声水平和对微弱信号的探测能力。
NEP P Vs Vn
(Vs 1) Vn
最小可探测功率： Pmin 2NEP
√ 光谱响应
分辨的波长差约为： R 0.5A
√ 光谱叠级
m11 m22 m33 将出现光谱重迭
没有迭级的区域称为自由光谱区： m
2 闪耀光栅
平面光栅零级衍射的能量最大，随着衍射级次的增高，衍射能量将逐渐 减少。由于零级衍射没有色散，对分光无用，而色散高的二级、三级等 强度较低，不利于使用光栅色散大的高级次。为了解决衍射能量的利用 问题，现代光谱仪中经常采用闪耀光栅。它可使最大衍射能量集中在所 需的级次上。
3 傅立叶变换光谱仪
√傅立叶变换光谱仪(FTIR)是将迈克尔逊干涉仪、调制技术与计算机技术相结
合的一种新型光谱仪。
√傅立叶变换红外光谱仪是用于测量材料红外吸收和发射的主要方法。
设动镜相对于定镜的移动距离为x，故两镜的光程差为Δ=2x 探测器接收到的光强（光源单色时）：
I () I0 (1 cos ) I0 (1 cos2~)
√ 按电子倍增系统分类
环形聚焦型：应用于侧窗型光电倍增管中，特点：结构紧凑和响应快速。
盒栅型：应用于端窗型光电倍增管中，时间响应略显缓慢。 直线聚焦型：极快的时间响应 百叶窗型：可以有大的脉冲输出电流。时间响应较慢
3 微通道板探测器（MCP）
微通道管是一种高电阻率的薄壁玻璃管，其内壁具有很高的二次电子发射系数， 在两端加上数千伏的高压。 微通道板是将上百万的微小玻璃管（1025um直径）彼此平行地集成为薄形盘片状 而形成的。
滨松生产的PMT
光电倍增管的类型
√按接收入射光方式分类
端窗型（Head-on）和侧窗型（side-on）两大类
侧窗型光电倍增管（R系列）是从玻 璃壳的侧面接收入射光；使用不透明 光阴极（反射式光阴极）和环形聚焦 型电子倍增极结构。
端窗型光电倍增管（CR系列）则从玻璃壳的顶部接收射光。在其入射窗 的内表面上沉积了半透明的光阴极（透过式光阴极），这使其具有优于 侧窗型的均匀性。
间仅为一至数秒,可同时测定所有的波数区间。而色散型仪器在任 一瞬间只观测一个很窄的频率范围,一次完整的扫描需数分钟。 主要应用于红外、远红外光波段。
第三节 光电探测器
√光探测器是指利用光子效应或光热效应把光辐射量转换成另一种
便于测量的物理量的器件。
√从测量技术看，电量到目前为止是最方便、最精确的。所以大多数
√ PMT原理
倍增极的二次电子发射系数为
，经N次倍增，可得增益：
G N
与倍增极材料有关，一般
35 。
光电倍增管 光阴极与阳极之间设置若干个电子倍增极
如果经N=10次二次发射，可得电流增益
G 105 ~ 108
光电倍增管有极高的灵敏度，此外它有极快的时间响应 (10 9 s) 可以用来测量
指不同波长的光照射到探测器光敏面时，探测器的灵敏度，等效噪声功 率等特性参数随入射光波长而变化的特性。光谱中为了比较谱线的相对 强度，必须要知道仪器的光谱响应曲线。
√ 响应时间
描述探测器对入射光辐射响应快慢的参数。对快或超快过程的研究， 需要相应时间短的探测器。否则探测器的响应速度跟不上信号变化， 引起灵敏度的下降。
平面光栅
刻槽面法线将与光栅法线成 角 反射系数 R( ) 与刻槽倾斜角 有关
闪耀光栅
√单缝衍射光强主极大发生在： i r 即满足反射定律的反射方向上
i r
( ) / 2
闪耀角条件
√求满足反射定律的反射方向上形成的明纹条件
m d(sin sin )
m 2d cosi sin
第二章 光谱仪及光电探测器件
√光谱仪是光谱检测和分析的基本设备。 √采用色散元件（如光栅、棱镜）实现光谱分离。
第一节 光栅光谱仪
1、光栅
光栅分透射式与反射式。光谱仪使用反射式光栅。
m d(sin sin )
光栅方程
(1)光栅衍射光的强度：
衍射光强（正入射)：
IR
R( )I0
sin 2 (N / 2) sin 2 ( / 2)
光探测器都是把光辐射量转换成电量来实现对光辐射的探测。即使直接转 换量不是电量，通常也总是把非电量（如温度、体积等）转换成电量来实 施测量
√光电探测器以光子作为信息载体的器件，应用它来探测、处理
光子信息，在本质上具有极高的信息容量、极快的处理速度、极 强的和无交叉干扰的信号幅度等特点。
√还具有并行互连处理能力，极大的存储能力和极高灵敏的探测
.
6
105
.
0.001nm
2 扫描干涉仪 亦称球面共焦扫描干涉仪，是在F--P干涉仪基础上发展起来的一种干涉仪
透射光最强条件： 4nr L m
设由于扫描，镜间距L发生变化改变，L L0 L
wk.baidu.com
mc 4nr L0
mc 4nr L20
L
扫描干涉仪的自由光谱区
F
c 4nr L
扫描干涉仪使用时，要用一透镜将干涉仪中央平面上的干涉条纹成象到光屏的小 孔光阑上，且只让中心干涉级通过而被探测器接收。当用压电晶体改变两反射镜 间距离时，则可从小孔出射不同波长的单色光。
能力等。
√光电探测器主要有光电子发射探测器与半导体探测器
光电子发射探测器主要有光电倍增管和微通道管探测器
半导体探测器有：半导体二极管型光电探测器、红外探测器、固
体成像探测器等几种。
1、主要表征参数 有光谱响应、灵敏度、探测率、时间响应等。
√ 灵敏度
也称响应度。定义为探测器输出电压Vs或电流Is与输入光功率P之比。
√ 光阴极材料
银-锑-铯（Cs3-Sb): 最常用的阴极材料，高的量子效率（20-30%），阴 极红限700nm左右，在可见光区灵敏度较大。
银-氧-铯（Ag-O-CS): 可探测自红外到可见光的很广光谱范围（0.31.0um），但暗电流高灵敏度低,需在制冷器中工作。
多碱光阴极: 除含锑外还含有几种碱金属。量子效率高，噪声低，在可见光谱 区响应十分均匀，红限达1.2um
√ CCD的结构
结构与MOS(金属─氧化物─半导体)器件一 样，以硅半导体作为衬底，在硅半导体表面 覆一层二氧化硅薄膜，在氧化层表面排列互 相绝缘而且距离极小的金属化电极（称栅极 G）
在金属与二氧化硅的界面上出现正电荷层，在二氧化 硅界面的一侧产生耗尽层（图b），并且，耗尽 层的宽度随所加电压增加而加宽。栅极和半导体