第二章光譜儀及光電探測(cè)器件

第二章光譜儀及光電探測(cè)器件

第一節(jié)光柵光譜儀1、光柵√光譜儀是光譜檢測(cè)和分析的基本設(shè)備?！滩捎蒙⒃ㄈ绻鈻拧⒗忡R）實(shí)現(xiàn)光譜分離。光柵分透射式與反射式。光譜儀使用反射式光柵。

光柵方程衍射光強(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：

（2）光柵特性

√色散

描述經(jīng)分光后不同波長(zhǎng)的光線的分開程度角色散率與衍射級(jí)次m成正比，利用高的光譜級(jí)次可使光柵的角色散率增大

線色散率

波長(zhǎng)差為的兩條光譜線在譜儀的成象平面上兩個(gè)象之間的分開距離，在紫外及可見光譜區(qū)，常用的600線/mm光柵一級(jí)譜的角色散率約為二級(jí)譜達(dá)在一米光譜儀中一級(jí)線色散率為，其倒數(shù)為1.6nm/mm。

√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(jí)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(jí)光譜分辯本領(lǐng)是分辨的波長(zhǎng)差約為：

在5000埃附近，可

√

光譜疊級(jí)將出現(xiàn)光譜重迭

沒(méi)有迭級(jí)的區(qū)域稱為自由光譜區(qū)：

2閃耀光柵平面光柵零級(jí)衍射的能量最大，隨著衍射級(jí)次的增高，衍射能量將逐漸減少。由于零級(jí)衍射沒(méi)有色散，對(duì)分光無(wú)用，而色散高的二級(jí)、三級(jí)等強(qiáng)度較低，不利于使用光柵色散大的高級(jí)次。為了解決衍射能量的利用問(wèn)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(jí)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

√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(shí)稱李特洛裝置，閃耀波長(zhǎng)

√通常在產(chǎn)品目錄中給出了m=1的一級(jí)光譜的閃耀波長(zhǎng)。在閃耀方向上，閃耀波長(zhǎng)的光強(qiáng)可以達(dá)到入射光強(qiáng)的80%

√通常，閃耀光柵使用的一級(jí)光譜波長(zhǎng)范圍在

一級(jí)光譜波長(zhǎng)范圍在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(dòng)，色散相加型G1，G2反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，色散相減型第二節(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(zhǎng)選擇性的，即具有濾光特性

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1mm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(gè)數(shù)量級(jí)?！套杂晒庾V區(qū)范圍欲使干涉圓環(huán)不重迭時(shí)，入射光的光譜間隔的最大限度

重迭時(shí)：

例：L=0.5cm,一般先需對(duì)入射光作色散，再送入F-P。√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(lái)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)

掃描干涉儀使用時(shí)，要用一透鏡將干涉儀中央平面上的干涉條紋成象到光屏的小孔光闌上，且只讓中心干涉級(jí)通過(guò)而被探測(cè)器接收。當(dāng)用壓電晶體改變兩反射鏡間距離時(shí)，則可從小孔出射不同波長(zhǎng)的單色光。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(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的一種新型光譜儀?！谈盗⑷~變換紅外光譜儀是用于測(cè)量材料紅外吸收和發(fā)射的主要方法。

設(shè)動(dòng)鏡相對(duì)于定鏡的移動(dòng)距離為x，故兩鏡的光程差為Δ=2x

探測(cè)器接收到的光強(qiáng)（光源單色時(shí)）：

測(cè)出周期即可得單色波長(zhǎng)

如入射光為兩等強(qiáng)度波數(shù)不同單色光，在動(dòng)鏡移動(dòng)時(shí)由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(dòng)時(shí)，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(duì)進(jìn)行傅立葉積分反變換，即得到頻譜圖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(wú)狹縫和光柵分光器，因此到達(dá)檢測(cè)器的輻射強(qiáng)度大，信噪比大。波長(zhǎng)(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(dòng)鏡一次運(yùn)動(dòng)完成一次掃描所需時(shí)間僅為一至數(shù)秒,可同時(shí)測(cè)定所有的波數(shù)區(qū)間。而色散型儀器在任一瞬間只觀測(cè)一個(gè)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)紅外光波段。第三節(jié)光電探測(cè)器√光探測(cè)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(cè)量的物理量的器件?！虖臏y(cè)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(cè)器都是把光輻射量轉(zhuǎn)換成電量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光輻射的探測(cè)。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(lái)實(shí)施測(cè)量√光電探測(cè)器以光子作為信息載體的器件，應(yīng)用它來(lái)探測(cè)、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(wú)交叉干擾的信號(hào)幅度等特點(diǎn)?！踢€具有并行互連處理能力，極大的存儲(chǔ)能力和極高靈敏的探測(cè)能力等?！坦怆娞綔y(cè)器主要有光電子發(fā)射探測(cè)器與半導(dǎo)體探測(cè)器光電子發(fā)射探測(cè)器主要有光電倍增管和微通道管探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器有：半導(dǎo)體二極管型光電探測(cè)器、紅外探測(cè)器、固體成像探測(cè)器等幾種。1、主要表征參數(shù)有光譜響應(yīng)、靈敏度、探測(cè)率、時(shí)間響應(yīng)等?！天`敏度也稱響應(yīng)度。定義為探測(cè)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(cè)器轉(zhuǎn)換入射光信號(hào)為電信號(hào)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(shí)，入射到探測(cè)器上的信號(hào)光功率。表征了該探測(cè)器的噪聲水平和對(duì)微弱信號(hào)的探測(cè)能力。最小可探測(cè)功率：√光譜響應(yīng)指不同波長(zhǎng)的光照射到探測(cè)器光敏面時(shí)，探測(cè)器的靈敏度，等效噪聲功率等特性參數(shù)隨入射光波長(zhǎng)而變化的特性。光譜中為了比較譜線的相對(duì)強(qiáng)度，必須要知道儀器的光譜響應(yīng)曲線?！添憫?yīng)時(shí)間描述探測(cè)器對(duì)入射光輻射響應(yīng)快慢的參數(shù)。對(duì)快或超快過(guò)程的研究，需要相應(yīng)時(shí)間短的探測(cè)器。否則探測(cè)器的響應(yīng)速度跟不上信號(hào)變化，引起靈敏度的下降。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(cè)器的紅限波長(zhǎng)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（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(cè)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。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光電倍增管

光陰極與陽(yáng)極之間設(shè)置若干個(gè)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=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(shí)間響應(yīng)可以用來(lái)測(cè)量快速的光脈沖過(guò)程。光電倍增管是光譜工作中最常用的光電器件之一?！蘌MT原理√PMT使用（1）光電倍增管的選擇

①光譜響應(yīng)區(qū)，它取決于光陰極材料；②響應(yīng)度，根據(jù)待測(cè)光源的光譜特性和光通量大小來(lái)確定響應(yīng)度的要求；③暗電流，在測(cè)量微弱光信號(hào)時(shí)要特別注意挑選暗電流小的管子；④陰極尺寸，要與入射光面積相匹配。（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(shí)，電源的穩(wěn)定性應(yīng)高于0.1%。一般用專用電源。光電倍增管的供電一般以負(fù)壓供電居多。這時(shí)光陰極為負(fù)電位，陽(yáng)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10─20mm。

（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（透過(guò)式光陰極），這使其具有優(yōu)于側(cè)窗型的均勻性?！贪措娮颖对鱿到y(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。盒柵型：應(yīng)用于端窗型光電倍增管中，時(shí)間響應(yīng)略顯緩慢。

直線聚焦型：極快的時(shí)間響應(yīng)

百葉窗型：可以有大的脈沖輸出電流。時(shí)間響應(yīng)較慢3微通道板探測(cè)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(wàn)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?！虒⑽⑼ǖ腊逯糜诠怅帢O與陽(yáng)極之間，可構(gòu)成微通道板光電倍增器。其時(shí)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(chǎng)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(cè)二維信息。

4電荷耦合器件（CCD）電荷耦合器件（CCD─Charge-CoupledDevice），它存儲(chǔ)由光或電激勵(lì)產(chǎn)生的信號(hào)電荷，當(dāng)對(duì)它施加特定時(shí)序的脈沖時(shí)，其存儲(chǔ)的信號(hào)電荷便能在CCD內(nèi)作定向傳輸。ＣＣＤ工作過(guò)程的主要問(wèn)題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生，存儲(chǔ)，傳輸，和檢測(cè)。獲2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?！藽CD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(gè)電容器

耗盡