光譜儀以及光電探測器件

1、關(guān)于光譜儀及光電探測器件第1頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四衍射光強(qiáng)（正入射)： 相鄰兩衍射光的位相差 單縫衍射的強(qiáng)度分布，與光柵槽型有關(guān)。這里 （單縫兩邊沿處次波的位相差的一半） 多光束干涉強(qiáng)度分布受單縫衍射強(qiáng)度分布的調(diào)制隨著刻槽線數(shù)N的增加，中心極大值的強(qiáng)度迅速增加，但中央極大不具有分光能力（白光） (1)光柵衍射光的強(qiáng)度： 第2頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四 （2）光柵特性 色散 描述經(jīng)分光后不同波長的光線的分開程度 角色散率與衍射級次m成正比，利用高的光譜級次可使光柵的角色散率增大 線色散率 波長差為的兩條光譜線在譜儀的成象平面上兩個象

2、之間的分開距離，在紫外及可見光譜區(qū)，常用的600線/mm光柵一級譜的角色散率約為二級譜達(dá)在一米光譜儀中一級線色散率為，其倒數(shù)為1.6nm/mm。 第3頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四分辨本領(lǐng) 分辨兩條非常接近的譜線的能力。 瑞利準(zhǔn)則 采用高的光譜級次m 和增大光柵的刻線總數(shù)均可使光柵的分辨本領(lǐng)提高。 例：一塊寬10cm的1200線/mm的光柵，其一級光譜分辯本領(lǐng)是分辨的波長差約為： 在5000埃附近，可 光譜疊級將出現(xiàn)光譜重迭 沒有迭級的區(qū)域稱為自由光譜區(qū)： 第4頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四2 閃耀光柵平面光柵零級衍射的能量最大，隨著衍射級次

3、的增高，衍射能量將逐漸減少。由于零級衍射沒有色散，對分光無用，而色散高的二級、三級等強(qiáng)度較低，不利于使用光柵色散大的高級次。為了解決衍射能量的利用問題，現(xiàn)代光譜儀中經(jīng)常采用閃耀光柵。它可使最大衍射能量集中在所需的級次上。 平面光柵閃耀光柵刻槽面法線將與光柵法線成角 反射系數(shù)與刻槽傾斜角有關(guān) 單縫衍射光強(qiáng)主極大發(fā)生在：即滿足反射定律的反射方向上閃耀角條件 第5頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四求滿足反射定律的反射方向上形成的明紋條件光柵調(diào)在自準(zhǔn)直光路時稱李特洛裝置，閃耀波長 通常在產(chǎn)品目錄中給出了m =1的一級光譜的閃耀波長。在閃耀方向上，閃耀波長的光強(qiáng)可以達(dá)到入射光強(qiáng)的8

4、0% 通常，閃耀光柵使用的一級光譜波長范圍在 一級光譜波長范圍在第6頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四3 光柵單色儀單光柵單色儀雙光柵單色儀G1，G2同方向轉(zhuǎn)動，色散相加型G1，G2反方向轉(zhuǎn)動，色散相減型第7頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四第二節(jié) 干涉儀1 法布里珀羅干涉儀 兩束透射光的光程差 干涉極大條件： 等傾干涉，同心圓環(huán) 透射光強(qiáng)： 精細(xì)度 干涉儀的通光特性是有波長選擇性的，即具有濾光特性 第8頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四F_P主要參數(shù) 角色散率 線色散率 例：設(shè)f = 500mm，=500nm，得距干涉環(huán)中心1

5、mm處（即）的線色散率的倒數(shù)，這比大型光柵攝譜儀至少要高一個數(shù)量級。自由光譜區(qū)范圍欲使干涉圓環(huán)不重迭時，入射光的光譜間隔的最大限度 重迭時： 例：L=0.5cm,一般先需對入射光作色散，再送入F-P。第9頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四分辯本領(lǐng) 精細(xì)度 例：設(shè)L = 5mm，R=0.9，=500nm，可得：2 掃描干涉儀亦稱球面共焦掃描干涉儀，是在F-P干涉儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種干涉儀 透射光最強(qiáng)條件： 設(shè)由于掃描，鏡間距L發(fā)生變化改變， 掃描干涉儀的自由光譜區(qū) 第10頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四掃描干涉儀使用時，要用一透鏡將干涉儀中央平面上

6、的干涉條紋成象到光屏的小孔光闌上，且只讓中心干涉級通過而被探測器接收。當(dāng)用壓電晶體改變兩反射鏡間距離時，則可從小孔出射不同波長的單色光。 第11頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四3 傅立葉變換光譜儀傅立葉變換光譜儀(FTIR)是將邁克爾遜干涉儀、調(diào)制技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的一種新型光譜儀。傅立葉變換紅外光譜儀是用于測量材料紅外吸收和發(fā)射的主要方法。 設(shè)動鏡相對于定鏡的移動距離為x，故兩鏡的光程差為=2x 探測器接收到的光強(qiáng)（光源單色時）： 測出周期即可得單色波長 第12頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四如入射光為兩等強(qiáng)度波數(shù)不同單色光，在動鏡移動時由

7、于兩者的變化周期不同，干涉圖的襯比將變小。 設(shè)一連續(xù)光 反射鏡連續(xù)移動時，用光電接收器同步地記錄下光通量的改變，就可得到隨變化的干涉圖。對進(jìn)行傅立葉積分反變換，即得到頻譜圖第13頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四大大提高了譜圖的信噪比。FT-IR儀器所用的光學(xué)元件少，無狹縫和光柵分光器，因此到達(dá)檢測器的輻射強(qiáng)度大，信噪比大。 波長(數(shù))精度高(0.01cm-1)，重現(xiàn)性好。 分辨率高。 掃描速度快。傅立葉變換儀器動鏡一次運(yùn)動完成一次掃描所需時間僅為一至數(shù)秒,可同時測定所有的波數(shù)區(qū)間。而色散型儀器在任一瞬間只觀測一個很窄的頻率范圍,一次完整的掃描需數(shù)分鐘。主要應(yīng)用于紅外、遠(yuǎn)

8、紅外光波段。第14頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四第三節(jié) 光電探測器光探測器是指利用光子效應(yīng)或光熱效應(yīng)把光輻射量轉(zhuǎn)換成另一種便于測量的物理量的器件。從測量技術(shù)看，電量到目前為止是最方便、最精確的。所以大多數(shù)光探測器都是把光輻射量轉(zhuǎn)換成電量來實現(xiàn)對光輻射的探測。即使直接轉(zhuǎn)換量不是電量，通常也總是把非電量（如溫度、體積等）轉(zhuǎn)換成電量來實施測量光電探測器以光子作為信息載體的器件，應(yīng)用它來探測、處理光子信息，在本質(zhì)上具有極高的信息容量、極快的處理速度、極強(qiáng)的和無交叉干擾的信號幅度等特點(diǎn)。還具有并行互連處理能力，極大的存儲能力和極高靈敏的探測能力等。光電探測器主要有光電子發(fā)射探測

9、器與半導(dǎo)體探測器第15頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四光電子發(fā)射探測器主要有光電倍增管和微通道管探測器半導(dǎo)體探測器有：半導(dǎo)體二極管型光電探測器、紅外探測器、固體成像探測器等幾種。第16頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四1、主要表征參數(shù)有光譜響應(yīng)、靈敏度、探測率、時間響應(yīng)等。 靈敏度也稱響應(yīng)度。定義為探測器輸出電壓Vs或電流Is與輸入光功率P之比。是表征光電探測器轉(zhuǎn)換入射光信號為電信號能力的重要參數(shù)。 噪聲等效功率（NEP）定義為信噪比S/N=1時，入射到探測器上的信號光功率。表征了該探測器的噪聲水平和對微弱信號的探測能力。最小可探測功率：第17頁，

10、共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四 光譜響應(yīng)指不同波長的光照射到探測器光敏面時，探測器的靈敏度，等效噪聲功率等特性參數(shù)隨入射光波長而變化的特性。光譜中為了比較譜線的相對強(qiáng)度，必須要知道儀器的光譜響應(yīng)曲線。 響應(yīng)時間描述探測器對入射光輻射響應(yīng)快慢的參數(shù)。對快或超快過程的研究，需要相應(yīng)時間短的探測器。否則探測器的響應(yīng)速度跟不上信號變化，引起靈敏度的下降。第18頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四2 光電倍增管應(yīng)用了光電效應(yīng)與電子倍增發(fā)射的原理 光電二極管探測器的紅限波長 量子效率 光電子的產(chǎn)生速率與光子的入射速率之比與靈敏度之間的關(guān)系： 光陰極材料銀-銻-銫（

11、Cs3-Sb): 最常用的陰極材料，高的量子效率（20-30%），陰極紅限700nm左右，在可見光區(qū)靈敏度較大。 銀-氧-銫（Ag-O-CS): 可探測自紅外到可見光的很廣光譜范圍（0.3-1.0um），但暗電流高靈敏度低,需在制冷器中工作。第19頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四多堿光陰極: 除含銻外還含有幾種堿金屬。量子效率高，噪聲低，在可見光譜區(qū)響應(yīng)十分均勻，紅限達(dá)1.2um第20頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四光電倍增管 光陰極與陽極之間設(shè)置若干個電子倍增極 倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)為，經(jīng)N次倍增，可得增益：。與倍增極材料有關(guān)，一般如果經(jīng)N

12、=10次二次發(fā)射，可得電流增益光電倍增管有極高的靈敏度，此外它有極快的時間響應(yīng)可以用來測量快速的光脈沖過程。光電倍增管是光譜工作中最常用的光電器件之一。 PMT原理 PMT使用（1）光電倍增管的選擇 光譜響應(yīng)區(qū)，它取決于光陰極材料；響應(yīng)度，根據(jù)待測光源的光譜特性和光通量大小來確定響應(yīng)度的要求；暗電流，在測量微弱光信號時要特別注意挑選暗電流小的管子；陰極尺寸，要與入射光面積相匹配。 第21頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四（2）不得在加電壓的情況下，有強(qiáng)光照射。（3）電源電源穩(wěn)定性要好，當(dāng)要求G的穩(wěn)定性高于1%時，電源的穩(wěn)定性應(yīng)高于0.1%。一般用專用電源。光電倍增管的供電

13、一般以負(fù)壓供電居多。這時光陰極為負(fù)電位，陽極電壓接近為零，輸出端可不用隔直流電容，使用安全方便。為減小暗電流和噪聲，這種供電要求外層的金屬屏蔽筒要離管殼1020mm。 （4）在冷卻器中使用可減少暗電流發(fā)射和降低熱噪聲。濱松生產(chǎn)的PMT第22頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四光電倍增管的類型 按接收入射光方式分類端窗型（Head-on）和側(cè)窗型（side-on）兩大類側(cè)窗型光電倍增管（R系列）是從玻璃殼的側(cè)面接收入射光；使用不透明光陰極（反射式光陰極）和環(huán)形聚焦型電子倍增極結(jié)構(gòu)。端窗型光電倍增管（CR系列）則從玻璃殼的頂部接收射光。在其入射窗的內(nèi)表面上沉積了半透明的光陰極（

14、透過式光陰極），這使其具有優(yōu)于側(cè)窗型的均勻性。 按電子倍增系統(tǒng)分類 環(huán)形聚焦型：應(yīng)用于側(cè)窗型光電倍增管中，特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊和響應(yīng)快速。第23頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四盒柵型：應(yīng)用于端窗型光電倍增管中，時間響應(yīng)略顯緩慢。 直線聚焦型：極快的時間響應(yīng) 百葉窗型：可以有大的脈沖輸出電流。時間響應(yīng)較慢第24頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四3 微通道板探測器（MCP） 微通道管是一種高電阻率的薄壁玻璃管，其內(nèi)壁具有很高的二次電子發(fā)射系數(shù)，在兩端加上數(shù)千伏的高壓。 微通道板是將上百萬的微小玻璃管（10-25um直徑）彼此平行地集成為薄形盤片狀而形成的。將

15、微通道板置于光陰極與陽極之間，可構(gòu)成微通道板光電倍增器。其時間響應(yīng)已高于最好的通常的光電倍增管，且不受外界磁場影響 微通道板光電倍增器還有極其高的空間分辯能力?？梢蕴綔y二維信息。 第25頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四4 電荷耦合器件（CCD）電荷耦合器件（CCDCharge-Coupled Device），它存儲由光或電激勵產(chǎn)生的信號電荷，當(dāng)對它施加特定時序的脈沖時，其存儲的信號電荷便能在CCD內(nèi)作定向傳輸。工作過程的主要問題是信號電荷的產(chǎn)生，存儲，傳輸，和檢測。獲2009年諾貝爾物理學(xué)獎 。 CCD的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)器件一樣，以硅半導(dǎo)體作為襯底，在硅半導(dǎo)體表面覆一層二氧化硅薄膜，在氧化層表面排列互相絕緣而且距離極小的金屬化電極（稱柵極G） 在金屬與二氧化硅的界面上出現(xiàn)正電荷層，在二氧化硅界面的一側(cè)產(chǎn)生耗盡層（圖b），并且，耗盡層的寬度隨所加電壓增加而加寬。柵極和半導(dǎo)體之間形成了一個電容器 耗盡層界面具有吸引電子的負(fù)電勢，電子在那里勢能較低-形成了一個勢阱第26頁，共30頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)44分，星期四 信號電荷的產(chǎn)生與存貯在光譜測量中，被探測的光直接入射到耗盡層處，在此處產(chǎn)生電子空穴對，外加電場將電子吸引到勢阱內(nèi)，形成信號電荷。