光谱学的基本器件与性能掌握

光学仪器虽然种类繁多，但是一些基本器件却是相同。这些基本器件是光源、滤光镜、偏振器、分光仪、干涉仪、光电倍增管、光电导探测器等。由这些不同基本器件的组合，构成了不同光学仪器系统，从而达到所需求的目的。因此，掌握这些基本器件性能，就能很好地掌握各类光学仪器的性能。

1.光源

（1）黑体辐射源。黑体的特点如下：

1）在任何条件下，完全吸收任何波长的外来辐射而无任何反射。

2）吸收比为1。

3）在任何温度下，对入射的任何波长的辐射全部吸收。

黑体辐射是指由理想放射物放射出来的辐射，在特定温度及特定波长放射最大量之辐射。黑体发出的电磁辐射，比同温度下任何其他物体发出的电磁辐射都强。理论上黑体会放射频谱上所有波长的电磁波。图2-27所示为黑体辐射源。

（2）气体放电灯。这是由气体、金属蒸气，或几种气体与金属蒸气的混合放电，将电能转换为光的一种电光源。气体放电的种类很多，用得较多的是辉光放电和弧光放电。辉光放电一般用于霓虹灯和指示灯；弧光放电可有很强的光输出，照明光源都采用弧光放电。荧光灯、高压汞灯、钠灯和金属卤化物灯是应用最多的照明用气体放电灯。

1）气体放电灯分类

图2-27 黑体辐射源

①低气压放电灯。荧光灯（低压汞灯）、低压钠灯、无极灯都是低气压放电灯。通常的荧光灯是最广泛、用量最大的气体放电光源。它具有结构简单、光效高、发光柔和、寿命长等优点。荧光灯的发光效率是白炽灯的4～5倍，寿命是白炽灯的3～8倍，是高效节能光源。

②高强度气体放电灯。荧光高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯、陶瓷金属卤化物灯都是高强度气体放电灯。高强度气体放电灯是由管壁温度建立发光电弧，其发光管表面负载超过3W/cm²。金属卤化物灯是在高压汞灯和卤钨灯工作原理的基础上发展起来的新型高效光源。其基本原理是将多种金属卤化物加入到高压汞灯的电弧管中，使这些金属原子像汞一样发光。充入不同的金属卤化物，可以制成不同特性的光源。

2）气体放电灯放电原理发光的基本过程分为以下三个阶段：

①放电灯接入工作电路后，由阴极发射的电子被外电场加速，电能转化为自由电子的动能。

②快速运动的电子与气体原子碰撞，气体原子被激发，自由电子的动能又转化为气体原子的内能。

③受激气体原子从激发态返回基态，将获得的内能以光辐射的形式释放出来。

上述过程重复进行，灯就持续发光。放电灯的光辐射与电流密度的大小、气体的种类及气压的高低有关。一定种类的气体原子只能辐射特定波长的光谱线：低气压时，放电灯的辐射光谱主要就是该原子的特征谱线；气压升高时，放电灯的辐射光谱展宽，向长波方向发展；当气压很高时，放电灯的辐射光谱中才有强的连续光谱成分。

3）气体放电灯基本结构。各种气体放电灯都由泡壳、电极和放电气体构成，基本结构大同小异。图2-28所示为气体放电灯。泡壳与电极之间是真空气密封接，泡壳内充有放电气体。气体放电灯不能单独接到电路中去，必须与触发器、镇流器等辅助电器一起接入电路，才能启动和稳定工作。放电灯的启动通常要施加比电源电压更高的电压，有时高达几千伏或几万伏以上。采用漏磁变压器，或用启动器可以满足上述要求。电弧放电一般都具有负的伏-安特性，即电压随电流的增加而减小。如将放电灯单独接入电网，灯泡或电路元件将被过电流毁坏。放电灯和镇流器串联起来使用才能稳定工作，镇流器可以是电阻、电感或电容，通常在直流电源时用电阻镇流，低频交流电源时用电感镇流，高频时用电容镇流。

图2-28 气体放电灯

4）气体放电灯特点

①辐射光谱具有可选择性。通过选择适当的发光物质，可使辐射光谱集中于所要求的波长上，也可同时使用几种发光物质，以求获得最佳的组合光谱。

②具有高效率。气体放电灯可以把25%～30%的输入电能转换为光输出。

③寿命长。使用寿命长达一万小时或二万小时以上，在寿命终止时仍能提供60%～80%的初始光输出。

④光输出维持特性好。

（3）光谱灯。这是能发出特定线光谱，与滤光器组合后可以获得单色辐射的放电灯。国际照明学会（International Commission on Illumination）规定将线光谱光源称“光谱灯”。

被激发到高能级的电子返回到基态时就会产生辐射，谱线是频率范围很窄的辐射场的抽样。为了在不需要点亮的情况下获得谱线，光谱灯要在低压下、在辉光放电区域内工作。通常的光谱灯气压稍微高一点，因此需要加热灯丝来提供产生谱线足够电子。一般光谱灯中充满稀有气体，比如Ne、Ar、Kr、Xe，或者是特殊的金属蒸气。这些气体产生可视谱线，最重要的可视谱线见表2-13。

表2-13最重要的可视谱线

（续）

注：圆括号内数字指相关密度，L指光谱线适合受激发射。

实验中经常观察到的谱线如图2-29所示，主要有洛仑兹谱线、高斯谱线、Voigt谱线、Fano谱线等。图中，纵坐标表示光吸收强度，一般用光密度D（λ）、吸光度或光谱透射比τ（λ）表示。当用D（λ）表示时，吸收峰方向向上，当用τ（λ）表示时，吸收峰方向向下。

式中 I₀———入射光强度；

I———入射光被样品吸收后透过的光强度。光密度与透射比的关系为

D（λ）数值为0～∞。

波长的符号为λ，波数的符号为σ，两者关系为。换算时单位不能搞错。λ常用nm，σ常用cm^-1。1cm=10⁷nm。

1）洛仑兹谱线。从外形上看，洛仑兹谱线可以被认为是由阻尼振荡器产生的辐射，这种谱线在辐射或吸收过程中是很基本的，所以也被称为固有谱线。洛仑兹谱线可由以下公式描述：

式中 γ———谱线半峰宽；

ω———角频率；

ω₀———角频率平均值。

图2-29 实验中经常观察到的谱线

a）洛仑兹谱线 b）高斯谱线 c）Fano谱线

洛仑兹谱线如图2-29a所示，图中各个小圆点对应氪激光的辐射。

2）高斯谱线如图2-29b所示，可由以下公式描述：

式中 σ²———高斯分布的二阶矩阵，。

和洛仑兹谱线相比，在半峰宽相等的情况下，高斯谱线随意距中心距离的增加更迅速地会聚到零，高斯谱线外形比洛仑兹谱线要好。

3）Voigt谱线。外形是洛仑兹谱线与高斯谱线的结合。

4）Fano谱线如图2-29c所示。一个或多个离散的振荡器组成的系统会发生干涉，导致一种特殊的辐射特性———Fano谱线，谱线的形状不对称。Fano谱线在光的辐射、吸收、散射中都可被观察到，状态之间的耦合是Fano谱线产生的必要条件，这造成了离散和连续的转换。

光谱灯种类很多，有连续光源灯和锐线光源灯两大类，都是各种不同气体或金属蒸气的蒸气放电灯，如空心阴极灯、无极放电灯等，选择何种光谱灯依光谱仪器类型而定。

（4）同步加速辐射（synchrotron radiation）。这是由带电粒子辐射出的电磁场。同步加速光源由三个部分组成：带有线性加速器的粒子源、具有相对速率的电子在其中循环加速的同步加速器、存储环。由光源产生的电子，线性加速到几MeV；然后进入同步加速器，使其能量达到几GeV；接着被输送到循环区域-存储环。存储环由一系列弯曲和直的有磁力的透镜组成。同步加速辐射光束可以持续10～15h，且要不停地注入循环电子以平衡辐射的损失。

同步加速辐射的特点如下：

1）在很小的区域内有很高的辐射密度。

2）方向性强。辐射主要限制在以电子运动方向为轴线的、半张角的窄小角锥之内，像激光一样，光束分叉很小。

3）辐射具有连续谱。

4）显著的偏振特性。对于圆轨道电子，辐射波为线偏振，电矢量既垂直于外磁场，又垂直于电子运动方向。一般在螺旋轨道运动时，辐射是椭圆偏振。

5）光脉冲很短。

同步加速辐射广泛应用于结构分析、光电子光谱学及图形光刻。

（5）激光辐射源。激光光源是利用激发态粒子在受激辐射作用下发光的电光源，它是一种相干光源。自从1960年美国的T.H.梅曼制成红宝石激光器以来，各类激光光源的品种已达数百种，输出波长范围从短波紫外直到远红外。激光光源按其工作物质（也称激活物质）分为固体激光源（晶体和钕玻璃）、气体激光源（包括原子、离子、分子、准分子）、液体激光源（包括有机染料、无机液体、螯合物）及半导体激光源这四种光类型。按其工作性质分为波长连续激光器、半导体激光器、脉冲激光器、可调激光器及自由电子激光器。

1）激光工作原理。激光光源由工作物质、泵激励源和谐振腔三部分组成。工作物质中的粒子（分子、原子或离子）在泵激励源的作用下，被激励到高能级的激发态，造成高能级激发态上的粒子数多于低能级激发态上的粒子数，即形成粒子数反转。粒子从高能级跃迁到低能级时就产生光子。如果光子在谐振腔反射镜的作用下，返回到工作物质而诱发出同样性质的跃迁，则产生同频率、同方向、同相位的辐射。如此靠谐振腔的反馈放大循环下去，往返振荡，辐射不断增强，最终即形成强大的激光束输出。

2）激光光源特点。其特点如下：

①单色性好。激光的颜色很纯，其单色性比普通光源的光高10¹⁰倍以上。因此，激光光源是一种优良的相干光源，可广泛用于光通信。

②方向性强。激光束的发散立体角很小，为毫弧度量级，比普通光或微波的发散角小2～3数量级，因此聚焦性极好。

③光亮度高。激光焦点处的辐射亮度比普通光高10⁸～10¹⁰倍。

3）波长连续激光器。氦-氖激光、氪离子激光、氩离子激光等都是波长连续激光器。

4）半导体激光器。它既可以作为脉冲系统，也可以作为波长连续调谐系统。由电能转化为光能的效率为10%，发射过程中的量子效率可高于15%。半导体激光器需工作在低温或脉冲模式下，否则寿命很短。

5）脉冲激光器。它受激发射时间很短，频率为1s的脉冲，工作时有1W的能量，100ns的脉冲会产生10MW的能量，红宝石激光器可以在5ns内产生250J的光能量。

6）可调激光器效率高，操作简单。

7）自由电子激光器以波动器中电子同步加速辐射的受激发射为基础，具有很好的可调性，可应用于红外到紫外光谱范围。

8）最新技术集中于固体激光器，即二极管泵的掺钕钇铝石榴激光器。其优点是结构紧凑、性能稳定；缺点是价格昂贵。

2.滤光镜 这是一种仅在规定光谱范围内可以透射光的传播元件，用于消除光线中不想得到的光谱部分。

（1）分类

1）按滤光镜结构分为玻璃滤光镜、干涉滤光镜。

2）按滤光镜光谱传播范围分为窄带滤光镜、光线滤光镜、宽带滤光镜、边缘滤光镜、热滤光镜及中心密度滤光镜。窄带滤光镜可以通过气体释放，抑制等离子光线的产生，因此在激光器的光谱学中较为重要。

（2）滤光镜主要参数

1）透射比T（λ）

式中 I_T（λ）———透射光强度；

I（λ）———入射光强度。

2）最大的可充许通过的光线辐射载荷。

3.偏振器 它是获得或检验偏振光的光学器件，是起偏器和检偏器的总称。偏振器在光学设备中很有价值，可以通过光的偏振状态的改变得到固体结构的信息。

（1）起偏器。由自然光获得某种状态偏振光的光学器件称为起偏器；从自然光获得偏振光的过程称为起偏。根据所得偏振光的状态不同，起偏器可分成三类：得到线偏振光的为线起偏器；得到圆偏振光的为圆起偏器；得到椭圆偏振光的为椭圆起偏器。

线起偏器又分以下三种：

1）利用反射起偏的透明介质片，利用折射起偏的玻片堆。

2）利用二向色性起偏的偏振片。

3）利用晶体双折射起偏的晶体起偏器，例如：尼科耳棱镜、渥拉斯顿棱镜、洛匈棱镜、格兰-汤普森棱镜、格兰-傅科棱镜等。从线起偏器出射的线偏振光的光振动方向，称线起偏器的透振方向。

圆起偏器和椭圆起偏器由线起偏器N（如偏振片）和四分之一波片K构成。图2-30示出圆偏振光、椭圆偏振光的起偏。自然光垂直于偏振片入射，从其出射的线偏振光再射向波片。当偏振片的透振方向与波片的光轴方向夹角为π/4时，从波片出射的为圆偏振光；当夹角为除0、π/4或π/2之外的其他值时，从波片出射的为椭圆偏振光。

（2）检偏器。用作检验入射光偏振状态的光学器件称为检偏器。检验入射光偏振状态的过程称为检偏。线检偏器就是线起偏器，用它可以区分自然光、线偏振光和部分偏振光。更一般的检偏器由四分之一波片和线检偏器构成。用这样的检偏器可以把自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光区分开来，即确定入射的是何种偏振状态的光。检偏分两步，见表2-14所列的两步检偏法。

图2-30 圆偏振光、椭圆偏振光的起偏

表2-14两步检偏法

第一步只使用线检偏器，让入射光通过转动的线检偏器，观察出射光。出射光分成三种情况：有消光、强度无变化、强度有变化但无消光。当入射光为部分偏振光或椭圆偏振光时，还要确定光强最大时的光振动方向。

第二步先让光入射到波片（对部分偏振光或椭圆偏振光，应使光强最大时的光振动方向与波片的光轴重合），从其出射的光再射向线检偏器，在转动线检偏器的同时观察出射光，即可判定入射光的偏振状态。

4.分光仪（Spectroscope） 它是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用分光仪可测量物体表面反射的光线。阳光中的七色光是肉眼能分的部分（可见光），但若通过分光仪将阳光分解，按波长排列，可见光只占光谱中很小的范围，其余都是肉眼无法分辨的光谱，例如红外线、微波、紫外线、X射线等。通过分光仪对光信息的抓取、以照相底片显影，或以电脑化自动显示数值仪器显示和分析，从而测知物品中含有何种元素。这种技术被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。

（1）类型。分光仪有多种类型，除在可见光波段使用的分光仪外，还有红外分光仪和紫外分光仪。按色散元件的不同，分为棱镜分光仪、光栅分光仪和干涉分光仪等。按探测方法不同，分为直接用眼观察的分光镜，用感光片记录的摄谱仪，以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。单色仪是通过狭缝只输出单色谱线的光谱仪器，常与其他分析仪器配合使用。

（2）结构。分光仪由一个入射狭缝、一个分散部件和一个出射狭缝组成。入射狭缝通过一面镜子或是一个焦距为F的透镜映射出射狭缝。为了方便，假设两个狭缝的高度H和宽度W相等。图2-31所示为分光仪。

（3）特性。分光仪最重要的特性是亮度、能量和分辨率。

1）亮度 等于器具的激光率E

式中 W———狭缝宽度；

H———狭缝高度；

A———孔径；

F———透镜焦距；

E———激光率（m²）。

2）能量P

P=S（λ）I₀E_e

式中 S（λ）———仪器的传播系数；

I₀———入射光强度；

E_e———如果式（2-97）中用立体弧度，则E_e称为光电导。

图2-31 分光仪(www.xing528.com)

3）分辨率定义：能分清两个密切相邻物体的程度。分辨率通过衍射的作用或多干涉光的性质来决定，瑞利准则是确定分辨率的基础。

5.干涉仪 利用光的干涉，测定光程差或其他参量的仪器。

（1）原理。两束相干光间光程差的任何变化，会非常灵敏地导致干涉条纹的移动，而某一束相干光的光程变化，是由它所通过的几何路程或介质折射率的变化引起，所以通过干涉条纹的移动变化，可测量几何长度或折射率的微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量。测量精度决定于测量光程差的精度。干涉条纹每移动一个条纹间距，光程差就改变一个波长（约10^-7m），所以干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的。其测量精度之高是任何其他测量方法所无法比拟的。

（2）分类。干涉仪分双光束干涉仪和多光束干涉仪两大类。双光束干涉仪有瑞利干涉仪、迈克尔逊干涉仪及其变型泰曼干涉仪、马赫-秦特干涉仪等。多光束干涉仪有法布里-珀罗干涉仪等。图2-32所示为迈克尔逊干涉仪。

（3）应用。干涉仪的应用极为广泛，主要有如下几方面：

1）长度的精密测量。在双光束干涉仪中，若介质折射率均匀且保持恒定，则干涉条纹的移动是由两相干光几何路程之差发生变化所造成，根据条纹的移动数可进行长度的精确比较或绝对测量。迈克尔逊干涉仪和法布里-珀罗干涉仪曾被用来以镉红谱线的波长表示国际米。

图2-32 迈克尔逊干涉仪

2）折射率的测定。两光束的几何路程保持不变，介质折射率变化也可导致光程差的改变，从而引起条纹移动。瑞利干涉仪就是通过条纹移动来对折射率进行相对测量的典型干涉仪。应用于风洞的马赫-秦特干涉仪被用来对气流折射率的变化进行实时观察。

3）波长的测量。任何一个以波长为单位测量标准米尺的方法，也就是以标准米尺为单位来测量波长的方法。以国际米为标准，利用干涉仪可精确测定光波波长。法布里-珀罗干涉仪（标准具）曾被用来确定波长的初级标准（镉红谱线波长）和几个次级波长标准，从而通过比较法确定其他光谱线的波长。

4）检验光学元件的质量。泰曼干涉仪被普遍用来检验平板、棱镜和透镜等光学元件的质量。在泰曼干涉仪的一个光路中放置待检查的平板或棱镜，平板或棱镜的折射率或几何尺寸的任何不均匀性，必将反映到干涉图样上。若在光路中放置透镜，可根据干涉图样了解由透镜造成的波面畸变，从而评估透镜的波像差。

5）其他应用。可用作高分辨率光谱仪。法布里-珀罗干涉仪等多光束干涉仪具有很尖锐的干涉极大，因而有极高的光谱分辨率，常用作光谱的精细结构和超精细结构分析。

6.电磁辐射的检测 电磁辐射的信号要进行检测、分析，才能得出结论。电磁辐射的检测涉及的内容有信号与噪声、光电倍增管、光电探测器等。在光谱实验中，辐射强度通常很小，噪声和统计学误差会对实验有很大影响；光电倍增管是将微弱光信号放大；光电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，即探测电磁辐射信号。

（1）信号与噪声。信噪比（signal-to-noise ratio）为描写噪声的参数，是决定测量精度的一个重要的量。在规定的条件下，传输信道特定点上的有用功率与和它同时存在的噪声功率之比，通常以分贝表示。狭义来讲是指放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比，一般信噪比越大，表明产生的杂音越少，混在信号里的噪声越小，声音回放的音质量越高。信噪比一般不应该低于70dB。

“噪声”的简单定义是：“在处理过程中设备自行产生的信号”，这些信号与输入信号无关。

通过计算公式可以发现，信噪比不是一个固定的数值，它随着输入信号的变化而变化。如果噪声固定的话，显然输入信号的幅度越高信噪比就越高。显然，这种变化着的参数是不能用来作为一个衡量标准的。要想让它成为一种衡量标准，就必须使它成为一个定值。于是，作为器材设备的一个参数，信噪比被定义为：在设备最大不失真输出功率下信号与噪声的比率。信噪比通常不是直接进行测量的，而是通过测量噪声信号的幅度换算出来的。常用的方法是：给放大器一个标准信号，通常是0.775Vrms或2Vp-p@1kHz，调整放大器的放大倍数，使其达到最大不失真输出功率或幅度（失真的范围由厂家决定，通常是10%，也有1%），记下此时放大器的输出幅V_s；然后撤除输入信号，测量此时出现在输出端的噪声电压，记为V_n；再根据SNR＝20LG（V_n/V_s）就可以计算出信噪比了。P_s和P_n分别是信号和噪声的有效功率，根据SNR＝10LG（P_s/P_n）也可以计算出信号比。这样的测量方式完全可以体现设备的性能了。但是，实践中发现，这种测量方式很多时候会出现误差，某些信噪比测量指标高的放大器，实际听起来噪声比指标低的放大器还要大。经过研究发现，这不是测量方法本身的错误，而是这种测量方法没有考虑到人的耳朵对于不同频率的声音敏感性是不同的。同样多的噪声，如果都是集中在几百到几千Hz，和集中在20kHz以上是完全不同的效果。20kHz以上噪声，人的耳朵可能根本就察觉不到。因此就引入了一个“权”的概念。这是一个统计学上的概念，它的核心思想是，在进行统计的时候，应该将有效的、有用的数据进行保留，而无效和无用的数据应该尽量排除，使得统计结果接近最准确。每个统计数据都由一个“权”，“权”越高越有用，“权”越低就越无用，毫无用处的数据的“权”为0。

1）噪声来源

①放大器噪声。每一个信号放大器同样也放大输入噪声。放大器的噪声系数是输入噪声与输出噪声的比值，其值接近1。

②背景噪声。探测器的背景入射光是噪声的另一个来源，这种噪声在远红外线区域尤其不能忽略。因为在这个光谱范围内，室温辐射会产生大的背景噪声，可使用冷滤器减小背景噪声。如果背景噪声的电压的平方大于其他噪声的平方和，则这种探测器是理想的，或是背景有限的。

③产生复合噪声。与二极管中的散粒噪声相似，是由一定温度下载流子的产生复合噪声。产生复合噪声只有在电流流过探测器时才能监测到。

④Johnson噪声。由电阻中载流子的热运动产生的，这种噪声永远存在，即使电阻上没有辐射也存在这种噪声。

⑤1/f噪声。1/f噪声与探测器的表面状态有关，在低频状态下比较明显。

概括而论，噪声的来源分为内部和外部两种。内部噪声主要是由于电路设计、制造工艺等因素，由设备自身产生的；而外部噪声是由设备所在的电子环境和物理化学环境（自然环境）所造成的。外部噪声是不可能反映在信噪比指标中的。外部噪声通常被称为“干扰”。这种干扰可能是电磁干扰，也可能是机械振动干扰，也可能来自温度变化的干扰等，总之，都不是器材自身产生的。于是此时另一个不太起眼的指标凸现出了它的意义，即电磁兼容性。电磁兼容性有两个层次的含义；一是设备在运行时不会对其他设备产生干扰；二是耐受干扰的能力强，在一定的外界干扰下仍能正常工作。

2）噪声等效功率NEP。光功率产生的信号，与噪声产生的信号相等。电噪声与其他噪声一样来源于统计学，噪声信号随着测量时间的平方根值的增加而增加。

在光谱实验中，辐射强度通常都很小，噪声和统计学误差对实验会有很大的影响。噪声很普遍，在感光膜、光子计数和光电探测过程中都要考虑，信噪比即为描写噪声的参数。光探测取决于辐射的光量子特性。光子在探测过程中只有被吸收和不被吸收两种情况。用统计学中概率论的形式来描述这两种情况，对光子被吸收的概率可近似用泊松分布表示。噪声随测量时间T的平方根线性变化。

（2）光电倍增管（photomultiplier tube）。它是将微弱光信号通过光电效应转变成电信号，并利用二次发射电极转为电子倍增的电真空器件。图2-33所示为光电倍增管。

图2-33 光电倍增管

1）工作原理。光电倍增管可分成三个主要部分：光电阴极、电子倍增系统、阳极。电子倍增系统由若干倍增极D₁、D₂、D₃、D₄组成。图2-34示出光电倍增管工作原理。在光照下，光电阴极K发射的电子，在D₁电场的作用下，以高速射向倍增极D₁，产生更多的二次发射电子；这些二次电子又在D₂电场的作用下，向倍增极D₂飞去。如此继续下去，每个光电子将激发成倍增加的二次发射电子，最后被阳极B收集。一般经十次以上倍增，放大倍数可达到10⁸～10¹⁰，最后，在高电位的阳极收集到放大了的光电流。输出电流和入射光子数成正比，整个过程时间约10^-8s。放大倍数G计算式如下：

G＝δⁿ

式中 δ———二次电子发射系数；

n———倍增级数。

2）倍增级间电压。相邻两倍增极间均加有电压用来加速电子，光电阴极受光照后释放出光电子，在电场作用下射向在各倍增极，D₁、D2、D3…和阳极B上，依次加有逐渐增高的正电压，而且相邻两倍增极之间的电压差，使二次发射系数大于1，各极倍增管的电压由电压分压器供给。分压器的构造决定了系统的响应速度、灵敏度和线性度等。

图2-34 光电倍增管工作原理

K—光电阴极 D₁～D₄———倍增极 B—阳极

3）类型。电子倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类，聚焦型的倍增极把来自前一级的电子经倍增后，聚焦到下一级去，两极之间可能发生电子束轨迹的交叉。非聚焦型又分为圆环瓦片式（笼式）、直线瓦片式、盒栅式及百叶窗式。

4）光电阴极材料。由于电子是外光电效应从阴极释放出来，因此光电阴极材料必须有很低的逸出功，常用的材料为多碱化合物。

5）倍增极材料。主要选择那些能在较小入射电子能量下，有较高的灵敏度和二次发射系数的材料制成。常用的倍增极材料有锑化铯、氧化的银镁合金和氧化的铜铍合金等。倍增极的形状应有利于将前一级发射的电子收集到下一极。

6）暗电流。光电倍增管在全暗条件下，加工作电压时会输出微弱电流，称为暗电流。它主要来源于阴极热电子发射，对光电阴极制冷和减小阴极面积能够减小暗电流，这样就可测到更小数量级的信号。

7）光电倍增管优点。光电倍增管的灵敏度比普通光电管要高得多，可用来检测微弱光信号，在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。

8）光电倍增管缺点。灵敏度因强光照射或因照射时间过长而降低，停止照射后又部分地恢复，这种现象称为“疲乏”；光电阴极表面各点灵敏度不均匀。

普通光电倍增管一次只能测量一个信息，即通道数为1。现在已研制成多阳极光电倍增管，它相当于许多很细的倍增管组成的矩阵。由于通道数受阳极末端细金属丝的限制，目前只做到上百个通道。

（3）光电导探测器（photoconductive detector）。它是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。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。

光电导效应是内光电效应的一种。当照射的光子能量hν（ν是光子频率）等于或大于半导体的禁带宽度E_g时，光子能够将价带中的电子激发到导带，从而产生导电的电子、空穴对，这就是本征光电导效应。本征光电导体的响应长波限λ_c（μm）为

λ_c＝hc/E_g＝1.24/Eg

式中 h———普朗克常数；

c———光速；

E_g———材料的禁带宽度（eV）。

本征光电导材料的长波限受禁带宽度的限制，通常凡禁带宽度或杂质离化能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。

1）光电导探测器工作原理。图2-35示出光电导探测器等效电路。入射光产生的信号ΔV_S由电阻R_D的电导率的变化率ΔG得出，电阻R_D电导率的变化率ΔG可由生成率g和平衡状态连续方程得到。

①入射光产生的信号ΔV_S

式中 ΔG———电阻R_D的电导率的变化率；

Δσ———探测器电导率变化率；

A———探测器横截面积；

l———探测器长度。

图2-35 光电导探测器等效电路

② 电阻R_D的电导率的变化率ΔG

式中 Δσ———探测器电导率变化率；

A———探测器横截面积；

l———探测器长度。

③ 生成率g

式中 g———生成率[1/（m³·s）]；

α———吸收系数；

η———量子效率；

I₀———入射光强；

h———普朗克常数；

ω———角频率，ω＝2πf，f为波的频率。

④ 平衡状态连续方程

Δ_n＝gτ_n Δp＝gτ_P （2-101）

式中 Δn———单位光通量产生的电子数；

g———生成率；

τ_n———载流子寿命（电子）；

Δ_p———单位光通量产生的空穴数；

τ_P———载流子寿命（空穴）。

⑤ 探测器电导率的变化率

Δσ＝eμ_nΔn+eμ_PΔp∝g∝I₀ （2-102）

式中 e———电子电荷；

μ_n———电子迁移率；

Δn———单位光通量产生的电子数；

μ_P———空穴迁移率；

Δ_p———单位光通量产生的空穴数；

g———生成率；

I₀———入射光强。

⑥载流子寿命对探测器的灵敏度、响应速度有很大影响。

a）载流子寿命τ_P对灵敏度的影响。灵敏度随τ_n（τ_P）的增加而增加，可以用在单位时间内流过电极的光生载流子的数量，与总的光生载流子的数量的比例来定义光电导的放大倍数，好的光电导放大倍数能达到10⁴。

b）载流子寿命对响应速度的影响。载流子寿命决定了非稳态条件下变化光强产生的载流子变化时间大小，在这种情况下连续方程的解为

Δ_n（t）=Δn（0）e^-t/τn

式中 Δn（0）———t＝0时的光生载流子浓度。

τ_n（τ_P）如很大，则只能探测到缓慢变化的光强，探测器的灵敏度与响应速度成反比。然而探测器的基本性质是线性的，灵敏度与响应速度都是不变的。

2）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。

①可见光波段的光电导探测器。CdS、CdSe、CdTe的响应波段都在可见光或近红外区域，通常称为光敏电阻，它们具有很宽的禁带宽度（远大于1eV），可以在室温下工作，因此器件结构比较简单，一般采用半密封式的胶木外壳，前面加一透光窗口，后面引出两根管脚作为电极。高温、高湿环境应用的光电导探测器，可采用金属全密封型结构，玻璃窗口与金属外壳熔封。

②红外波段的光电导探测器。PbS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，光电导这种情况越显著，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波段的探测器分以下三种情况：

a）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。

b）热电致冷温度下工作（约-60℃），探测度约为10⁹cm·Hz/W。

c）77K或更低温度下工作，探测度可达10¹⁰cm·Hz/W以上。8～14μm波段的探测器必须在低温下工作，因此光电导体要保持在真空杜瓦瓶中，冷却方式有灌注液氮和用微型制冷器两种。

PbS探测器的时间常数一般为50～500μs；HgCdTe探测器的时间常数在10^-6～10^-8s。红外探测器有时要探测非常微弱的辐射信号，例如10^-14W；输出的电信号也非常小，因此要有专门的前置放大器。

光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。为了避免光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料，例如PbS-PbO、Sb₂S₃等。其他材料可采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成。

3）光电二极管。它广泛用于红外光谱区域，有以下特征：

①光电二极管通常在反偏压下工作，能够测量由光生载流子引起的很小的反向电流的变化。

②光电二极管与光电导一样有光吸收、寿命和长波限。

③光电二极管有效工作区域是p-n结的消耗层。但是这种区域非常小，因此吸收光子的概率非常低，可以在p型半导体和n型半导体之间，插入一个小的本征导电区而得到解决，即pin二极管。本征导电层的厚度由载流子的寿命及扩散或漂移距离决定，如果载流子在离开有效区域前复合，则不会产生光电流。

④二极管的灵敏度可选用固态光电倍增管来提高，因为自由态载流子能从外电场获取能量，并且通过碰撞电离而产生二次载流子，或是从掺杂物质中获得二次载流子。如果外加电场足够大，则发生雪崩放大，即雪崩二极管，但放大过程噪声也被放大，雪崩放大的结果是探测率的下降。在光电倍增管中可用监频器来抑制这种效应，因为在光电二极管中没法用这种抑制方法，所以光电二极管没有光电倍增管灵敏，但是其响应速度较快。

⑤要达到高放大倍数而又不会损失通带宽度（频率范围）的常用参数为：响应时间小到10^-10s，放大倍数达到10⁴。高性能的光电二极管的放大通带宽度可达100GHz，RAPD二极管（pin结构）能达到更快的速度及250 GHz的放大通带宽度。

⑥灵敏的肖特基二极管（金属半导体结）探测器更为实用。

4）探测器系统。它主要由二级管组成。现代半导体技术可以在非常窄的空间排列二级管，二级管间距在微米级，组成二级管阵列，记录光谱信息。这些排列可以是一维的、准一维的、二维的。一维的就是二级管排成一排；准一维的就是在垂直方向有变化；二维的就是一个平面。

① 二级管探测器优点

a）分光计将光分散的情况下，二极管阵列探测器能同时记录整个光谱信号，能节省测量时间并提高信噪比。此类型二极管阵列探测器是光学多通道分析器，简称OMA。

b）相对于光电倍增管，它在远红外和近红外光谱区域有更好的响应。

图2-36 带图像增强器的二级管探测器

② 二级管的缺点。二级管探测器量子效率较低，只有5×10^-4。为了克服二级管探测器量子效率较低的缺点，将光电倍增管与二级管探测器结合起来，使图像增强，也可以说是加了一种图像增强器的部件。这样处理后，可使总的量子效率达到7×10^-1。图2-36所示为带图像增强器的二级管探测器。其工作原理是光经窗口进入系统，被阴极吸收；阴极吸收的光子被250V的电压加速，打到通道板上；通道板上加有700V电压，含有倍增电极，光子被放大，并在6keV作用下加速，打到屏幕上产生增强图像；图像由二级管探测器得到，光子增益达到5×10³。CCD探测器是这种技术的代表。CCD探测器是国际上DR（数字接收机）产品中采取的主流技术，适用于各种微弱光谱测量，波长范围复盖可见光和近红外区域。1970年，CCD探测器开始应用于光探测技术，像素大小的典型值为5μm×25μm，每阵列含有512像素或1024像素，器件总宽度5mm，有很高的灵敏度和极小的暗电流，能获得1计数/光电子的高增益。然而，光谱分辨率由单个像元的光谱范围决定，这取决于所用分光计产生的空间色散，从这意义上说，CCD探测器的光谱分辨率是有限的。

光学探测的终极是能够探测单个光量子，称为光量子的一小撮能量。英国赫瑞瓦特大学的科学家，已把代表最新水平的单光子探测器系统交付给英国国家物理实验室使用。这个探测器系统采用了超导单光子技术。此技术在红外灵敏度、信噪比、分辨率等性能方面远远优于普通探测器。