光谱用光电探测器介绍_百度文库解析
光电探测器件在光谱分析中的应用
光电探测器件在光谱分析中的应用随着科学技术的不断进步，光电探测器件在各个领域得到了广泛的应用。
其中，光谱分析是光电探测器件最为重要和常见的一种应用领域。
光谱分析是一种非常有效的手段，可以通过测量光的强度和频率来研究物质的结构和特性，从而在物理学、化学、生物学等领域中得到广泛应用。
光电探测器件能够将光的能量转化为电信号，并通过信号处理实现对光的测量和分析，因此在光谱分析中起到了至关重要的作用。
下面将就光电探测器件在光谱分析中的应用进行详细介绍。
首先，光电探测器件在各类光谱仪中广泛应用。
光谱仪是用来测量光的频率和强度的仪器，包括紫外-可见光谱仪、红外光谱仪、拉曼光谱仪等。
光电探测器件作为核心部件，能够将不同波长的光线转化为电信号，并经过光电转换器转化为可测量的电流或电压信号，最终通过信号分析和处理得到光的能量分布和谱线信息。
光电探测器件的灵敏度高、响应速度快、稳定性好，使得光谱仪具有精确测量和高分辨率等优点，广泛应用于物质成分分析、物理学研究、天文学观测等领域。
其次，光电探测器件在光谱成像中的应用也十分重要。
光谱成像是通过对光的能量和频率进行检测，获得不同波长的光组成信息，并将其转化为影像或图像。
光电探测器件在光谱成像中充当了检测器的角色，通过对不同波长光线的检测和记录，可以实现对不同材料或目标的成像和分析。
例如，在医学领域，通过红外光谱成像技术，结合光电探测器件，可以实现对人体组织的非侵入性检测和诊断，从而提高疾病的早期诊断和治疗效果。
在农业领域，通过近红外光谱成像技术，结合光电探测器件，可以实现对农作物的种类和状况进行快速识别和监测，提高农作物的产量和质量。
另外，光电探测器件在分子光谱学研究中也发挥了重要作用。
分子光谱学是研究物质分子层面结构和性质变化的学科，其主要利用物质分子对光的吸收、发射和散射等现象进行研究。
光电探测器件在分子光谱学研究中常用于测量和记录物质在不同波段的吸收光谱和发射光谱，从而推测分子的结构和性质。
光电信号检测光电探测器概述概要课件
光电探测器的工作原理
光电探测器的工作原理基于光子与物质相互作用产生电子-空穴对或光生电场效 应，从而将光信号转换为电信号。
具体来说，当光子照射到光电探测器的敏感区域时，光子能量被吸收并产生电子 -空穴对，这些电子-空穴对在电场的作用下分离并形成光电流，从而完成光信号 到电信号的转换。
光电探测器的应用领域不断拓 展，如物联网、智能制造、无 人驾驶等新兴领域，为市场发 展带来更多机遇。
05
光电探测器的挑战与展望
光电探测器的挑战与展望
• 光电探测器是用于检测光信号并将其转换为电信号的器件，广泛应用于光通信、环境监测、安全监控等领域。随着光电子技术的发展，光电 探测器的性能不断提高，应用范围不断扩大。
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04
光电探测器的市场前景
全球市场情况
光电探测器在全球范围内应用广泛，包括通信、工 业、医疗、安全等领域。
随着技术的不断进步和应用需求的增加，全球光电 探测器市场规模持续增长。
市场竞争激烈，各大厂商在技术研发、产品创新等 方面不断投入，以提高市场份额。
中国市场情况
02
01
03
中国光电探测器市场发展迅速，成为全球最大的光电 探测器市场之一。
光电探测器的分类
01
光电探测器可以根据工作原理、材料、波长响应范围、光谱响应特、光电发射型等；按材料可分为硅基、锗 基、硫化铅等；按波长响应范围可分为可见光、红外、紫外等；按光谱响应特 性可分为窄带、宽带等。
03
•·
02
光电探测器的应用
通信领域的应用
光纤通信
光电探测器在光纤通信中起到至关重要的作用。它们能够将光信 号转换为电信号，使得信息的传输和处理成为可能。
光电探测器
单光子雪崩二极管探测器构成和分类
SPAD探测成像技术主要包括： 单光子雪崩二极管、雪崩淬灭电路、雪崩信号读取电路三部分
其中淬灭电路，分为： 被动式淬灭、主动式淬灭、门脉冲淬灭 雪崩信号读取电路，根据每次能够读出的像素数目可分为： 像素串行读出、像素并行读出、列并行读出
三 单光子雪崩二极管的工作原理
Vs ( ) RV ( ) P ( )
I s ( ) RI ( ) P ( )
④ 频率响应度
频率响应度R(f)：响应度随入射光频率而变化的性能 参数。其表达式为：
R0 R( f ) [1 (2f ) 2 ]1/ 2
式中R(f)为频率为f 时的响应度；R0为频率为零时的响 应度；为探测器的响应时间或称时间常数,由材料和外 电路决定。
单光子雪崩二极管的工作原理
单光子雪崩二极管就是利用APD 的雪崩效应使光电流得 到倍增的高灵敏度的光子检测器。理论上，当APD 的反 向偏压无限接近其雪崩阈值电压时，认为电流增益接近 无穷大；实际上，当APD 的反向偏压不超过雪崩电压时， 电流增益增长到一定量就会饱和 ，该饱和值无法确保 APD 一定能够检测到单光子信号。因此，通常使APD 两 端的偏置电压高于其雪崩电压，确保当有光子信号到达 时，APD 会被迅速触发而产生雪崩，这种偏置方式称为 盖革模式。由于APD 只有工作在盖革模式下才具备单光 子探测能力，所以通常直接用单光子雪崩二极管（SPAD） 来表示。
SPAD的探测机理
拉通结构将吸收区和倍增区合二为一，漂移区和倍增区分开， 这种特点保证了SPAD高量子效率、高响应速度和高内部增益的 优点。宽尺寸的π 区能够吸收大部分的入射光子，并确保只有 在该区产生的光生载流子才能进入倍增区引发碰撞电离。N+区 和P 区都很窄，所以光生空穴进入高场区中发生碰撞电离的贡 献很小；π 区的光生空穴向相反方向运动，不可能进入高场倍 增区。另一方面，硅材料中空穴离化率比电子离化率小的多， 所以硅雪崩管主要是靠电子在倍增区产生碰撞电离。噪声主要 由雪崩过程的随机起伏引起，只有一种载流子引起碰撞电离， 噪声也就比较小。
光电探测器
种类
• • • • 真空管光电探测器（PMT等） 半导体光电探测器 热电探测器 多通道探测器、成像器件
1.真空管光电探测器
• 利用在真空中光阴极受光辐照后产生光电子发射效应
光电阴极材料 • 光吸收系数大 • 传输能量损失小 • 光电子逸出功低
探测器窗口 • 透过率大
G n
AE
1.2光电倍增管
主要指标：
4. 暗电流 • 主要来源于阴极和倍 增级的热电子发射 • 决定了光电倍增管可 探测的最小光功率 • 暗电流与管子的工作 温度以及所加电压有 关
1.2光电倍增管
主要指标：
5.噪声等效功率 • 与阳极暗电流相等 的阳极输出电流所 需要的光功率决定 了光电倍增管可探 测的最小光功率 • ～10-15—10-16瓦， • ～10-18—10-19瓦（冷 却后），单光子探 测水平
单位时间内流出探测器件的光电子数与入射光子数之比
如有一探测器的灵敏度为0.5 A/W,其量子效率 为多少(光波长为1um)？
光探测器－参数
2.噪声等效功率（NEP） • 信噪比: SNR 信号的峰值和噪声的有效值(√带宽)之比
• NEP
NEP P S / N 1/ Hz
单位为W/Hz1/2
R1
C
R2
Vs
fC
图2.3 探测器的频率响应
f
Vmax
1 = c
T
i t dt
0
光探测器－参数
响应光谱 频谱响应 噪声
光探测器－噪声
1. 热噪声(thermal noise 或称Johnson noise)
白噪声
热噪声均方振幅电压值：
光电探测器
一`光电探测器第一节 光辐射探测器的主要指标光信号的探测是光谱测量中的重要一环，在不同的场合和针对不同的目的所采用的探测器也不同，最重要的考虑是探测器的应用波长范围、探测灵敏度以及响应时间。
光探测器是将光辐射能转变为另一种便于测量的物理量的器件，它的门类繁多，一般来说可以按照在探测器上所产生的物理效应，分成光热探测器、光电探测器和光压探测器，光压探测器使用得很少。
本章将着重介绍光谱学测量中常用的探测器。
光热探测器是探测元件吸收光辐射后引起温度的变化，例如光能被固体晶格振动吸收引起固体的温度升高，因此对光能的测量可以转变为对温度变化的测量。
这种探测器的主要特点是：具有较宽的光波长响应范围，但时间响应较慢，测量灵敏度相对也低一些，经常用于光功率或光能量的测量。
光电探测器是将光辐射能转变为电流或电压信号进行测量，是最常使用的光信号探测器。
它的主要特点是：探测灵敏度高，时间响应快，可以对光辐射功率的瞬时变化进行测量，但它具有明显的光波长选择特性。
光电探测器又分内光电效应器件和外光电效应器件，内光电效应是通过光与探测器靶面固体材料的相互作用，引起材料内电子运动状态的变化，进而引起材料电学性质的变化。
例如半导体材料吸收光辐射产生光生载流子，引起半导体的电导率发生变化，这种现象称为光电导效应，所对应的器件称为光导器件；又如半导体PN 结在光辐照下，产生光生电动势，称为光生伏特效应，利用这种效应制成的器件称为光伏效应器件。
外光电效应器件是依据爱因斯坦的光电效应定律，探测器材料吸收辐射光能使材料内的束縛电子克服逸出功成为自由电子发射出来。
P k E h E -=ν ---------------------------------- (2.1-1)上式中 νh 是入射光子的能量，E p 是探测器材料的功函数，即光电子的逸出功，E k 是光电子离开探测器表面的动能。
这种探测器有一个截止频率和截止波长C ν和C λ： hp E c =ν , ()()nm eV E E hC p p C 1240==λ --------(2.1-2)频率低于C ν 或波长长于C λ 的光波不能被探测到，因为这样的光子能量不足以使电子克服材料的逸出功。
光电探测器简介演示
contents
目录
• 引言 • 光电探测器的基本原理 • 光电探测器的种类与特点 • 光电探测器的性能指标 • 光电探测器的应用案例 • 总结与展望
01
CATALOGUE
引言
什么是光电探测器
• 光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的装置，它利用 了光的能量和物质的相互作用来产生电信号。光电探测器在许 多领域都有广泛的应用，如光学通信、光谱分析、环境监测、 安全监控等。
安全监控
光电探测器可以用于安全监控，例如在机场、银行等场所 的监控系统中，光电探测器可以检测到人员的活动和物体 的移动。
02
CATALOGUE
光电探测器的基本原理
光-电转换原理
光-电转换是光电探测器的基本工作原理，即通过接收光子，将光信号转换为电 信号。
光电探测器中的光敏元件（如光电二极管、雪崩光电二极管等）能够将入射光子 转化为电子-空穴对，这些载流子在外加电场的作用下定向移动，形成电信号输 出。
光电探测器的应用场景
光学通信
光电探测器可以将光信号转换为电信号，从而实现信息的 传输和处理。在光纤通信中，光电探测器是必不可少的器 件之一。
环境监测
光电探测器可以用于监测环境中的光辐射水平，从而对环 境进行评估和管理。例如，它可以用于监测大气污染和海 洋环境中的光辐射水平。
光谱分析
光电探测器可以用于检测物质的光谱特征，从而对物质进 行分析和鉴别。在环境监测和化学分析中，光电探测器也 有广泛的应用。
光电探测器在医疗诊断中的应用
内窥镜
内窥镜结合光电探测器可以实时检测人体内部病变，提高医疗诊断的准确性和 效率。
医学影像
光电探测器在医学影像技术中也有广泛应用，如X光、CT等设备的图像采集和 处理系统中都离不开光电探测器的支持。
光电探测器分解课件
光电探测器的应用领域
总结词
光电探测器广泛应用于各种领域，如科学研究、工业 生产、安全监控等。其应用范围涵盖了光谱分析、辐 射监测、激光雷达、光纤通信等众多领域。
详细描述
光电探测器作为一种重要的光电器件，具有广泛的应用 领域。在科学研究领域，光电探测器可用于光谱分析、 辐射监测等实验中，帮助科学家深入了解物质的性质和 行为。在工业生产领域，光电探测器可用于各种自动化 生产线和设备的控制与监测，提高生产效率和产品质量 。此外，在安全监控、激光雷达、光纤通信等领域，光 电探测器也发挥着重要的作用。通过不断的技术创新和 应用拓展，光电探测器的应用前景将更加广阔。
02
薄膜沉积
在衬底上沉积光电探测器的关键薄膜 材料，如半导体材料、金属材料等。
01
封装与测试
将制造完成的光电探测器进行封装和 性能测试，确保其正常工作。
05
03
光刻与刻蚀
通过光刻技术将薄膜材料加工成所需 的结构和图形，然后进行刻蚀以形成 光电探测器的各个部分。
04
掺杂与欧姆接触
对光电探测器的半导体材料进行掺杂 ，并形成欧姆接触，以实现电流的收 集和传输。
光电探测器输出电压与输入光 功率之比，用于衡量光电探测
器的光转换效率。
带宽
光电探测器的响应速度的量度 ，通常以Hz或MHz为单位。
噪声等效功率
在一定的信噪比下，探测器可 检测到的最小光功率。
线性范围
光电探测器输入光功率与输出 电压呈线性关系的范围。
03
光电探测器的制造工艺
制造工艺流程
衬底准备
选择合适的衬底材料，并进行清洗和 加工，为后续制造过程做准备。
光电探测器的发展趋势
高响应速度
光电探测器概况课件
噪声干扰
灵敏度
光电探测器在工作中容易受到环境噪 声的干扰，如热噪声、散粒噪声等， 这些噪声会影响探测器的性能和精度 。
光电探测器的灵敏度也是一大挑战， 尤其是在低光强度或弱光信号的探测 中，需要提高探测器的灵敏度和信噪 比。
响应速度
光电探测器的响应速度是另一个挑战 ，尤其在高速或瞬态光信号的探测中 ，需要提高探测器的响应速度和带宽 。
光电探测器技术的起源
19世纪末
物理学家发现光电效应，为光电 探测器技术奠定理论基础。
20世纪初
科学家开始研究光电材料，探索 光电转换原理。
光电探测器技术的发展阶段
20世纪中叶
半导体材料的发展推动了光电探测器 技术的进步，硅基光电探测器逐渐成 为主流。
20世纪末至今
新型光电材料和器件不断涌现，光电 探测器技术应用领域不断拓展。
光电探测器可以检测空气中的污染物，如烟雾、灰尘等。
光电探测器在医疗领域的应用
医学影像
光电探测器用于医学影像设备，如CT、 MRI等，将X射线或磁共振信号转换为图像 。
激光治疗
在激光治疗中，光电探测器用于检测激光光 束的强度和位置，确保治疗的准确性和安全
性。
06
光电探测器的挑战与 展望
光电探测器面临的主要挑战
• 噪声等效功率：描述光电探测器在特定信噪比下所能探测到的 最小光功率。它反映了探测器在低光功率条件下的探测能力， 是衡量光电探测器性能的重要指标。
探测率与探测极限
探测率
描述光电探测器在单位时间、单位面积内探测到的光子数。它是衡量光电探测器探测能力的关键参数 。
探测极限
指光电探测器在特定噪声等效功率下的最小可探测光功率。它反映了探测器在高信噪比下的探测能力 。
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光谱用光电探测器介绍(卓立汉光
光探测器按照工作原理和结构，通常分为光电探测器和热电探测器，其中光电探测器包括真空光电器件(光电倍增管等和固体光电探测器(光电二极管、光导探测器、CCD 等。
● 光电倍增管(PHOTOMULTIPLIER TUBES，PMT
光电倍增管(PMT是一种具有极高灵敏度的光探测器件，同时还有快速响应、低噪声、大面积阴极(光敏面等特点。
典型的光电倍增管，在其真空管中，包括光电发射阴极(光阴极和聚焦电极、电子倍增极和电子收集极(阳极的器件。
当光照射光阴极，光阴极向真空中激发出光电子。
这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，通过进一步的二次发射得到倍增放大；放大后的电子被阳极收集作为信号输出(模拟信号输出。
因为采用了二次发射倍增系统，光电倍增管在可以探测到紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低的噪声。
从接受入射光方式上来分，光电倍增管有侧窗型(Side-on和端窗型(Head-on两种结构。
侧窗型的光电倍增管，从玻璃壳的侧面接收入射光，而端窗型光电倍增管是从玻璃壳的顶部接收入射光。
通常情况下，侧窗型光电倍增管价格较便宜，并在分光光度计和通常的光度测定方面有广泛的使用。
大部分的侧窗型光电倍增管使用了不透明光阴极(反射式光阴极和环形聚焦型电子倍增极结构，这使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。
端窗型(也称作顶窗型光电倍增管在其入射窗的内表面上沉积了半透明光阴极(透过式光阴极，使其具有优于侧窗型的均匀性。
端窗型光电倍增管的特点还包括它拥有从更大面积的光敏面(几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极。
端窗型光电倍增管中还有针对高能物理实验用的，可以广角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。
由于外加电压的变化会引起光电倍增管增益的变化，对输出的影响很大，因此对供给光电倍增管的工作电源电压要求较高，必须有极好的稳定性。
卓立汉光的HVC 系列高压稳压电源，其稳定性能达到±0.03%/h，非常适合作为光电倍增管高压电源。
同时需要注意的是，由于光电倍增管增益很大，一般情况不允许加高压时暴露在日光下测量可见光，以免造成损坏，作为光探测器使用时，需要将光电倍增管进行密封。
卓立汉光所提供的光电倍增管封装严格按照要求进行封装，保证客户的正常安全使用。
另外，光电倍增管受温度影响很大，降低光电倍增管的使用环境温度可以减少热电子发射，从而降低暗电流。
特别是在使用长波(近红外波段，俗称红敏光
电倍增管时，应当严格控制光电倍增管的环境温度。
此外，大多数的光电倍增管会受到磁场的影响。
磁场会使电子脱离预定轨道而造成增益的减少。
因而影响到光电倍增管的工作效率。
因此，光电倍增管的封装要特别注意进行电磁屏蔽；卓立汉光提供的光电倍增管均进行了有效地电磁屏蔽。
● 光电二极管(Photodiode
光电二极管的工作原理主要基于光生伏特效应。
光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN 结上产生电动势的效应。
● 光电导探测器(Photoconductive Detector
光电导探测器是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。
所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。
通常，凡禁带宽度合适的半导体材料都具有光电效应。
但是制造实用性器件还要考虑性能、工艺、价格等因素。
常用的光电导探测器材料在射线和可见光波段有：CdS 、CdSe 、CdTe 、Si 、Ge 等; 在近红外波段有：PbS 、PbSe 、InSb 、
Hg0.75Cd0.25Te 等; 在长于8μm 波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x 、Te 、Si 掺杂、Ge 掺杂等；CdS 、CdSe 、PbS 等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。
可见光波段的光电导探测器极少用于光谱探测，通常称为光敏电阻。
故卓立汉光采用的可见光波段的光探测器通常为PMT 和光电二极管。
红外波段的光电导探测器 PbS 、Hg1-xCdxTe 的常用响应波段在 1～3μm、3～5μm、8～14μm三个大气透过窗口。
由于它们的禁带宽度很窄，因此在室温下，热激发足以使导带中有大量的自由载流子，这就大大降低了对辐射的灵敏度。
响应波长越长的光，电导体这种情况越显著，其中1～3μm波段的探测器可以在室温工作(灵敏度略有下降。
3～5μm波段的探测器分三种情况：1、‘在室温下工作，但灵敏度大大下降，探测度一般只有1～7×108cm·Hz/W；2、热电致冷温度下工作(约-60℃，探测度约为109 cm·Hz/W；3、77K 或更低温度下工作, 探测度可达1010 cm·Hz/W以上。
8～14μm波段的探测器必须在低温下工作，因此光电导器件通常需要在制冷条件下使用。
红外探测器的时间常数。
PbS 探测器时间常数一般为50～500μs，HgCdTe 探测器的时间常数在10-6～10-8s 量级。
红外探测器有时要探测非常微弱的辐射信号，例如10-14 W；输出的电信号也非常小，因此要有专门的前置放大器。
● 热释电探测器(Pyroelectric Detector
热释电型红外探测器是由具有极化现象的热释电晶体(铁电体制作而成的。
其所探测的辐射必须是变化的；对于恒定的红外辐射，必须进行调制(斩光，使恒定辐射变成交变辐射，借以不断引起探测器的温度变化才能导致热释电产生，并输出相应的电信号。
热释电探测器与之前的光电器件相比具有如下特点：1、无选择性：响应率与波长无关；2、响应慢。
● 光探测器的主要性能参数
◆光谱响应度
光谱响应度是指某一波长下探测器输出的电压或电流与入射光功率之比。
光谱响应度随波长的变化关系曲线即是探测器的光谱响应曲线(绝对响应曲线。
若将光谱响应曲线的最大值做归一化处理，则得到相对光谱响应曲线。
◆等效噪声功率(NEP
等效噪声功率是信噪比为1时探测器能探测到的最小辐射功率，即最小可探测功率。
◆探测率(D/比探测率(D*
探测率D 是NEP 的倒数，D 越大，表明探测器的探测性能越好。
比探测率D*即是归一化的探测率，也叫探测灵敏度。
其单位为：
cm·Hz1/2·W-1. ◆时间常数
时间常数表示探测器输出信号随入射光信号变化额速率，τ=1/(2πf。
● 如何选择合适的光探测器？
在光电测试系统中，需要根据实际需要来选择各种探测器，特别要关注如下几个方面的问题：
1、实际光谱测量范围，这是选择光探测器首先要注意的问题；
2、光电倍增管是高灵敏的探测器，使用波长范围受限(通常到900nm ，部分型号可得到1000nm 以上，但价格通常很贵，而且使用时要求配套高稳定性的高压电源；
3、光伏型探测器具有响应快、灵敏度高的特点，使用时一般可不需要锁相放大器，探测微弱信号时可选用锁相放大器以提高信噪比；
4、光导型探测器响应较慢，使用时要求信号光必须调制，并且需要搭配锁相放大器进行信号检出，同时要注意调制频率的选择；
5、探测器选择时尤其需要注意选择配套的前置放大器，才能更大限度的发挥探测器的探测效率；
6、选择TE 制冷型探测器时，还要注意对应的温控器选择，探测器、温控器及前置放大器均需根据需要单独选择；
7、红外探测器通常需要制冷和配合锁相放大器使用。