第二章光谱仪及光电探测器件

1、第二章第二章 光谱仪及光电探测器件光谱仪及光电探测器件 第一节第一节 光栅光谱仪光栅光谱仪 1、光栅光栅 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。 光栅分透射式与反射式。光谱仪使用反射式光栅。 )sin(sin dm 光栅方程 衍射光强（正入射)： )2/(sin )2/(sin )( 2 2 0 N IRIR :/sin2d 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 2 sin )( u u R sin2 s u （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

2、值的强度迅速增加， 但中央极大不具有分光能力（白光） (1)光栅衍射光的强度：光栅衍射光的强度： （2）光栅特性）光栅特性 色散 描述经分光后不同波长的光线的分开程度 )cos/(/dmdd 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: l D cos d m f d d f d dl 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， nmrad /106 4 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 nmrad /1012 4 二级谱达 nmmm/106 1 在一米光谱仪中一级线色散率为，其倒数为1.6nm/mm

3、。 分辨本领 分辨两条非常接近的谱线的能力。 瑞利准则 mNR 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。 例：一块宽10cm的1200线/mm的光栅，其一级光谱分辩本领是,102 . 1 5 分辨的波长差约为： 在5000埃附近，可 AR5 . 0 光谱叠级 11 m 22 m 33 m将出现光谱重迭 没有迭级的区域称为自由光谱区： m 2 2 闪耀光栅闪耀光栅 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

4、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。 平面光栅 闪耀光栅 刻槽面法线将与光栅法线成角 )(R反射系数 与刻槽倾斜角 有关 ri 单缝衍射光强主极大发生在： 即满足反射定律的反射方向上 2/ )( ri 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 )sin(sin dm sincos 2 i d m 光栅调在自准直光路时称李特洛装置，0i b mdsin2 : 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 b )23/2( 一级光谱波长范围在

5、 b )3/25/2( 3 3 光栅单色仪光栅单色仪 单光栅单色仪单光栅单色仪 双光栅单色仪双光栅单色仪 G1，G2同方向转动，色散相加型同方向转动，色散相加型 G1，G2反方向转动，色散相减型反方向转动，色散相减型 第二节第二节 干涉仪干涉仪 1 法布里法布里珀罗干涉仪珀罗干涉仪 两束透射光的光程差 cos2L 干涉极大条件： 3 , 2 , 1cos2mmL 等倾干涉，同心圆环 透射光强： )2(sin1 2 0 F I IT cos 4 2 )1 ( 4 R R F 精细度 FP干涉仪的通光特性是有波长选择性的，即具有滤光特性 F_PF_P主要参数主要参数 角色散率 11 sin2 tg

6、L m d d 线色散率 d l d Dl f d d f 例：设f = 500mm， 1 f =500nm，得距干涉环中心1mm处（即）的线色散率的倒数 mmADl/02. 0/1 ，这比大型光栅摄谱仪至少要高一个数量级。 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 ) 1()(mm重迭时： Lm F 2 2 例：L=0.5cm, o A5000 0 25. 0A F 一般先需对入射光作色散，再送入F-P。 分辩本领 F d 2 )1 ( 4 R R F 精细度 5 . 106 nm001.0 . 例：设L = 5mm，R=0.9， =500nm，可得： 2 2 扫描干

7、涉仪扫描干涉仪 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： mLnr4 设由于扫描，镜间距L发生变化改变，LLL 0 L Ln mc Ln mc rr 2 00 44 扫描干涉仪的自由光谱区 Ln c r F 4 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。间距离时，则可从小

8、孔出射不同波长的单色光。 3 3 傅立叶变换光谱仪傅立叶变换光谱仪 傅立叶变换光谱仪傅立叶变换光谱仪(FTIR)(FTIR)是将迈克尔逊干涉仪、调制技术与计算机技术相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。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设动镜相对于定镜的移动距离为x x，故两镜的光程差为，故两镜的光程差为=2=2x x 探测器接收到的光强（光源单色时）：探测器接收到的光强（光源单色时）： ) 2cos1 ()cos1 ()( 0

9、0 III 测出周期即可得单色波长测出周期即可得单色波长 2 /1, /1 1 如如入射光为两等强度波数不同单色光，在动入射光为两等强度波数不同单色光，在动镜镜移动时由于两者的变化周期移动时由于两者的变化周期 不同，干涉图的衬比将变小。不同，干涉图的衬比将变小。 设一连续光设一连续光 B 0 000 2cos 2cos 2cos1 )( dBI dBdBdBI I 2 M 反射镜反射镜连续移动时，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，就可得到随 B I 变化的干涉图。对变化的干涉图。对 进行傅立叶积分反变换，即得到频谱图进行傅立叶积分反

10、变换，即得到频谱图 0 2d cosI) (B o大大提高了谱图的信噪比。大大提高了谱图的信噪比。FT-IRFT-IR仪器所用的光学元件少，无狭缝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。和光栅分光器，因此到达检测器的辐射强度大，信噪比大。 o 波长波长( (数数) )精度高精度高( (0.01cm0.01cm-1 -1) )，重现性好。 ，重现性好。 o 分辨率高。分辨率高。 o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 间仅为一至数秒间仅为一至数秒, ,可同时测定所有的波数区间。而

11、色散型仪器在任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。一次完整的扫描需数分钟。 o主要应用于红外、远红外光波段。主要应用于红外、远红外光波段。 第三节第三节 光电探测器光电探测器 光探测器是指利用光探测器是指利用光子效应光子效应或或光热效应光热效应把光辐射量转换成另一种把光辐射量转换成另一种 便于测量的物理量的器件。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。从测量技术看，电量到目前为止是最方便、最精确的。所以大多所以大多 数光探测器都是把光辐射量转换成电量来实现对光辐射

12、的探测。即使直接数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。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还具有并行互连处理能力

13、，极大的存储能力和极高灵敏的探测 能力等。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探测器主要有光电子发射探测器与半导体探测器 o光电子发射探测器主要有光电子发射探测器主要有光电倍增管光电倍增管和和微通道管微通道管探测器探测器 o半导体探测器有：半导体探测器有：半导体二极管型光电探测器半导体二极管型光电探测器、红外探测器、固红外探测器、固 体成像探测器体成像探测器等几种等几种。 1 1、主要表征参数、主要表征参数 有光谱响应、灵敏度、探测率、时间响应等。有光谱响应、灵敏度、探测率、时间响应等。 灵敏度灵敏度 也称响应度。定义为探测器输出电压也称响应度。定义为探测器输出电压Vs

14、或电流或电流Is与输入光功率与输入光功率P之比。之比。 P I R P V R s I s V 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。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（噪声等效功率（NEP） 定义为信噪比定义为信噪比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。测器的噪声水平和对微弱信号的探测能力。 ) 1( n s n s V V V V P NEP 最小可探测功率：最小可探测功率：NEPP2 min 光谱响应光谱响应 指不同波长的光照射到探测器光敏面时

15、，探测器的灵敏度，等效噪声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。相对强度，必须要知道仪器的光谱响应曲线。 响应时间响应时间 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，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，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。引起灵敏度的下降。 2 2

16、光电倍增管光电倍增管 应用了光电效应与电子倍增发射的原理应用了光电效应与电子倍增发射的原理 光电 二极管 hmu k 2 2 1 h c /hc c 探测器的红限波长 量子效率量子效率:)( 光电子的产生速率光电子的产生速率与光子的入射速率之比与光子的入射速率之比 phe nn /)( 与灵敏度之间的关系与灵敏度之间的关系： )(108)()( 6 hc e hn en R ph e 光阴极材料光阴极材料 银银-锑锑-铯铯（Cs3-Sb): 最常用的阴极材料，高的量子效率（最常用的阴极材料，高的量子效率（20-30%），阴），阴 极红限极红限700nm左右，在可见光区灵敏度较大。左右，在可见光

17、区灵敏度较大。 银银-氧氧-铯铯（Ag-O-CS): 可探测自红外到可见光的很广光谱范围（可探测自红外到可见光的很广光谱范围（0.3- 1.0um），但暗电流高灵敏度低），但暗电流高灵敏度低,需在制冷器中工作。需在制冷器中工作。 多碱光阴极多碱光阴极: 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，红限达谱区响应十分均匀，红限达1.2um 光电倍增管光电倍增管 光阴极与阳极之间设置若干个电子倍增极光阴极与阳极之间设置若干个电子倍增极 N G 53 85 1010G 倍增极的二次电子发射系数为倍增极的二次电子发射系

18、数为 ，经，经N N次倍增，可得增益：次倍增，可得增益： 。 与倍增极材料有关，一般 与倍增极材料有关，一般 如果经如果经N=10N=10次二次发射，可得电流增益次二次发射，可得电流增益 )10( 9 s 光电倍增管有极高的灵敏度，此外它有极快的时间响应光电倍增管有极高的灵敏度，此外它有极快的时间响应可以用来测量可以用来测量 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。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。 PMTPMT原理原理 PMTPMT使用使用 （1 1）光电倍增管的选择）光电倍增管的选择 光谱响应区，它取决于光阴极材料；光谱响应区，它取决于光阴

19、极材料；响应度，根据待测光源的光谱特性和响应度，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；光通量大小来确定响应度的要求；暗电流，在测量微弱光信号时要特别注意暗电流，在测量微弱光信号时要特别注意 挑选暗电流小的管子；挑选暗电流小的管子；阴极尺寸，要与入射光面积相匹配。阴极尺寸，要与入射光面积相匹配。 （2 2）不得在加电压的情况下，有强光照射。）不得在加电压的情况下，有强光照射。 （3 3）电源）电源 电源稳定性要好，电源稳定性要好，当要求当要求G的稳定性高于的稳定性高于1%时，电源的稳定性应高于时，电源的稳定性应高于0.1%。 一般用专用电源。一般用专用电源。 光电倍增管的供电一

20、般以负压供电居多。这时光阴极为负电位，阳极电压接近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供电要求外层的金属屏蔽筒要离管壳1020mm1020mm。 （4 4）在冷却器中使用可减少暗电）在冷却器中使用可减少暗电 流发射和降低热噪声。流发射和降低热噪声。 滨松生产的滨松生产的PMT 光电倍增管的类型 按接收入射光方式分类 端窗型（端窗型（Head-onHead-on）和侧窗型（）和侧窗型（side-

21、onside-on）两大类）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。 按电子倍增系统分类 环形聚焦型：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：直线聚焦型：极快的时间响应 百叶窗型：百叶窗型：可以有大的脉冲输出电流。时间响应较慢 3 3 微通道板探测器（微通道板探测器

22、（MCPMCP） 微通道管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。数，在两端加上数千伏的高压。 微通道板微通道板是将上百万的微小玻璃管（是将上百万的微小玻璃管（10- 25um直径）彼此平行地集成为薄形盘片直径）彼此平行地集成为薄形盘片 状而形成的。状而形成的。 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。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已高于最好的通常的光电倍增管，且不受

23、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。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 4 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDChargeCCDCharge-Coupled Device-Coupled Device），），它存储由光或电激励产生的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CCDCCD内作内作 定向传输。工作过程的主要问题是信号电荷的产生，存储，传输，和检定向传输。工作过程的主要问题是信号电荷的产生，存储，传输，和检 测。测。获获20092009年诺贝