第二章光谱仪及光电探测器件课件.ppt

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1、第二章光谱仪及光电探测器件第1页，此课件共26页哦衍射光强（正入射)：相邻两衍射光的位相差 单缝衍射的强度分布，与光栅槽型有关。这里（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）(1)光栅衍射光的强度：光栅衍射光的强度：第2页，此课件共26页哦（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 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 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，在紫外及可见光谱区，常用的600线/m

2、m光栅一级谱的角色散率约为二级谱达在一米光谱仪中一级线色散率为，其倒数为1.6nm/mm。第3页，此课件共26页哦分辨本领 分辨两条非常接近的谱线的能力。瑞利准则 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分辨的波长差约为：在5000埃附近，可 光谱叠级将出现光谱重迭 没有迭级的区域称为自由光谱区：第4页，此课件共26页哦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。

3、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。平面光栅闪耀光栅刻槽面法线将与光栅法线成 角 反射系数与刻槽倾斜角 有关 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闪耀角条件 第5页，此课件共26页哦求满足反射定律的反射方向上形成的明纹条件光栅调在自准直光路时称李特洛装置，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 一级光谱波长范围在第6页，此课件共26页哦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

4、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7页，此课件共26页哦第二节第二节 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 干涉极大条件：等倾干涉，同心圆环 透射光强：精细度 干涉仪的通光特性是有波长选择性的，即具有滤光特性 第8页，此课件共26页哦F_PF_P主要参数主要参数 角色散率 线色散率 例：设f=500mm，=500nm，得距干涉环中心1mm处（即）的线色散率的倒数，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 重迭时：例：L=0.5

5、cm,一般先需对入射光作色散，再送入F-P。第9页，此课件共26页哦分辩本领 精细度 例：设L=5mm，R=0.9，=500nm，可得：2 2 扫描干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：设由于扫描，镜间距L发生变化改变，扫描干涉仪的自由光谱区 第10页，此课件共26页哦扫描干涉仪使用时，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，阑上，且只让中心干涉级通过而被探测器接收。当

6、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。则可从小孔出射不同波长的单色光。第11页，此课件共26页哦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结合的一种新型光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。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

7、源单色时）：探测器接收到的光强（光源单色时）：测出周期即可得单色波长测出周期即可得单色波长 第12页，此课件共26页哦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 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变换，即得到频谱图第13页，此课件共26页哦o大大提高了谱图的信噪比

8、。大大提高了谱图的信噪比。FT-IRFT-IR仪器所用的光学元件少，无狭缝和光栅分光器，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。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(0.01cm(0.01cm-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间仅为一至扫描速度快。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

9、率范围率范围,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14页，此课件共26页哦第三节第三节 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便于测量把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件。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。所以大多数光探测器都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的探测。即使直接转换量不是电量，通常也总是是把光辐射量转换成电量来实现对光辐射的探测

10、。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，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。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能力等。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

11、有光电子发射探测器与半导体探测器第15页，此课件共26页哦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、固体成像探测红外探测器、固体成像探测器器等几种等几种。第16页，此课件共26页哦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或电流或电流Is与输入光功率与输入光功率P之比。之比。是表征光电探测器转换

12、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。表征了该探测器的噪声水时，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。平和对微弱信号的探测能力。最小可探测功率：最小可探测功率：第17页，此课件共26页哦 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，探测器的灵敏度，等效噪声功率等特性参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

13、要知道仪器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。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，需要相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。下降。第18页，此课件共26页哦2 2 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

14、产生速率与光子的入射速率之比与光子的入射速率之比与灵敏度之间的关系与灵敏度之间的关系：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%），阴极红限），阴极红限700nm左右，在可见光区灵敏度较大。左右，在可见光区灵敏度较大。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），但暗电流高灵敏度低暗电流高灵敏度低,需在制冷器中工作。需在制冷器中工作。第19页，此课件共26页哦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，

15、噪声低，在可见光谱区响应十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，红限达分均匀，红限达1.2um第20页，此课件共26页哦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 倍增极的二次电子发射系数为倍增极的二次电子发射系数为，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

16、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，它取决于光阴极材料；响应度，根据待测光源的光谱特性和光通量大小响应度，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；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挑选暗电流小的管子；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；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。第21页，此课件共26页哦（2

17、 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1020

18、mm1020mm。（4 4）在冷却器中使用可减少暗电流发）在冷却器中使用可减少暗电流发射和降低热噪声。射和降低热噪声。滨松生产的滨松生产的PMT第22页，此课件共26页哦光电倍增管的类型 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-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

19、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。第23页，此课件共26页哦盒栅型盒栅型：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。时间响应较慢第24页，此课件共26页哦3 3 微通道板探测器（微通道板探测器（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数，在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。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

20、径）彼此平行地集成为薄形盘片状而形成的。直径）彼此平行地集成为薄形盘片状而形成的。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。其时间响应已高于最好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。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。第25页，此课件共26页哦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（CCDCharge-Coupled DeviceCCDC

21、harge-Coupled Device），），它存储由光或电激励产生的信号电荷，当对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内作定向传输。工作过程的主内作定向传输。工作过程的主要问题是信号电荷的产生，存储，传输，和检测。获要问题是信号电荷的产生，存储，传输，和检测。获20092009年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 。CCDCCD的结构的结构结构与结构与MOS(MOS(金属金属氧化物氧化物半导体半导体)器件一样，以硅半器件一样，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，导体作为衬

22、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在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极化电极（称栅极（称栅极G G）在金属与二氧化硅的界面上出现在金属与二氧化硅的界面上出现正电荷层正电荷层，在二氧化硅界在二氧化硅界面的一侧产生面的一侧产生耗尽层耗尽层（图（图b b），并且，耗尽层的宽度随所），并且，耗尽层的宽度随所加电压增加而加宽。加电压增加而加宽。栅极和半导体之间形成了一个电容器栅极和半导体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，耗尽层界面具有吸引电子的负电势，电子在那里势能较电子在那里势能较低低-形成了一个势阱形成了一个势阱第26页，此课件共26页哦