《光电检测技术讲义稿》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电检测技术讲义稿（109页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光电检测技术 赵 斌 机械学院 仪器系光电检测技术是传感器技术的一种应变片：变形、应力电阻 电感传感器：通电线圈的形状、磁导率 电感 电容传感器：电极面积、介电常数 电容 热敏电阻：温度电阻 热电偶：温度电压 霍尔元件：磁场电压 光敏电阻、光电倍增管、CCD（摄像机、手机摄像 机、）、红外测温仪、激光测距仪、干涉仪、光 谱仪、遥感技术、光电检测技术的内容1.光辐射的产生2.光辐射的探测3.光辐射探测的应用方法光电探测系统的构成携带信息的光束光源转变成电信号光电传感器被测物处理器光学透镜光学透镜光电检测举例?举例：?1、家电的遥控器?2、生产线上的光电产品计数?3、红外防盗报警系统?4、光电控制
2、水位前进家电的遥控器返回光辐射发射管光辐射接收管光电信号处理电路生产线上的光电产品计数返回红外防盗报警系统返回光电控制水位发光二极管所发出的光 被导入传感器顶部的透 镜。当液体浸没光电液 位开关的透镜时，则光 折射到液体中，从而使 接收器收不到或只能接 收到少量光线。返回光电检测技术的技术基础1.光源2.光电探测器件3.光电探测电路4.光电探测光路5.典型应用光电检测的优越性光是一种优秀的信息载体！?直线传播：几何优越性，自然直线基准?非接触：电磁波接触 普通接触分子间力，电子云重叠?快速：信息以光速传播?高精度、高灵敏： 特征尺寸=光波长基态原子数目 建立光反馈?谐振腔激光的优点?方向性准直
3、后远场发射角达mrad，即 衍射极限?高亮度10161028光子/立体角弧度， 而黑体为1012光子/立体角弧度可聚焦 成极小的光斑?单色性谱线宽度=10-1110-17m?相干性相干长度达百米气体激光器?He-Ne激光固体激光器?Maiman, Theodore Harold (1927- ), who was the first to successfully produce a pulse of coherent light from a laser. He accomplished this in May 1960, using ruby as the laser medium. Th
4、e first continuously operating laser was achieved a few months later.液体激光器（染料激光器）液体激光器也称染料 激光器dye laser ，因 为这类激光器的激活 物质是某些有机染料 溶解在乙醇、甲醇或 水等液体中形成的溶 液。为了激发它们发 射出激光，一般采用 高速闪光灯作激光 源，或者由其他激光 器发出很短的光脉冲。 液体激光器发出的激 光对于光谱分析、激 光化学和其他科学研 究，具有重要的意义。化学激光器?A chemical laser is a laser that obtains its energy from
5、a chemical reaction. Chemical lasers can achieve continuous wave output with power reaching to megawatt levels. They are used in industry for cutting and drilling.半导体激光?图波长外调谐第三章 光电及热电探测器?1. 物理基础?光源：电能光能?探测：光能电能?发光的本质：光与电本质上是同一的，光就是电 磁波，电磁波是电场变化的结果，电场的变化就 是电荷运动状态的变化。?反过来：光也能引起电荷运动状态的变化 宏观表现：电离、电子发射、
6、电导变化、感生电 动势光电效应 photoelectric effect?当光辐射入射到光电材料上时，材料发射电子，或 电导率发生变化，或产生感生电动势的现象称为光 电效应。(Ejection of electrons from a substance by incident electromagnetic radiation, especially by visible light.)?当光辐射入射到光电材料上时其他的变化形式： ?光发射激光、光倍频、和频、差频（非线性 光学） ?热激光加工、热电探测光电效应的分类?外光电效应：发射电子光电管、光电?倍增管?外光电效应：电导变化光敏电阻?感生
7、电动势光电池、光?电二极管发现外光电效应的实验Hertz光电效应基本规律的实验?频率-光电子动 能曲线光电效应基本规律1.光的强度与光电子数量成正比：I=S 光电发射第一定律2.光电子的发射动能只与光的波长有关： 1/2mv2=h2/-P 光电发射第二定律(爱因斯坦定律)?P0:逸出功work function电子发射体内 部费米能级到真空能级的能量差?外光电效应的最大波长红限波长Einstein, in 1905, when he wrote the Annus Mirabilis papers光电管伏安特性曲线商品图结构与电路原理图光电管的应用?721型分光光度计原理图1.光源灯;2.透镜
8、;3.棱镜;4.准直镜;5、13.保护玻璃;6.狭缝;7.反射 镜;8.光栏;9.聚光透镜;10.比色皿;11.光门;12.光电管。商品图?752型分光光度计光学系统图 1.钨灯;2.滤色片;3.氢灯;4.聚光镜;5.进狭缝;6.保护玻璃;7.反射镜;8. 准直镜;9.光栅;10.保护玻璃;11.出狭缝;12.聚光镜;13.样品;14.光 门;15.光电管。光电倍增管Photomultiplier tube1939年兹沃雷金（V.K.Zworykin,1889-1982）制成了实用的光电倍增管光电倍增管的其它结构形式光电倍增管的参数?灵敏度:光电阴极60A/lm，阳极 600A/lm,增益11
9、07?暗电流：1nA?光谱：185650nm光电倍增管的应用?电路注意事项：电压稳定、电磁场屏蔽、保存在暗环境、必要时制冷光电倍增管的应用?闪烁计数器scintillation counter闪烁计数器由闪烁体、光的收集部件和光电转换器件三个主要部分组成。 由于很多物质都可以在粒子入射后而受激发光，闪烁体可以是固体、液体 或气体，按化学性质可分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类闪烁溶剂分子吸收射线能量成为激发 态，再回到基态时将能量传递给闪烁体 分子，闪烁体分子由激发态回到基态 时，发出荧光光子。荧光光子被光电倍 增管接收转换为光电子，再经倍增，在 阳极上收集到好多光电子，以脉冲信号 形式输送出去
10、。表示出样品液中放射性 强弱与大小。液体闪烁计数器主要用于探测一些低能核素示踪原子的放射性样品，目前已广泛的 应用于工业、农业、生物医学、分子生物学、环境科学、考古与地质构造等领域科 研工作中的核素示踪与核辐射测量。主要包括以下几个方面：1 细胞与分子生物学 主要利用3H、14C、32P等放射性核素进行体内或体外标记，研究细胞生物体内 核酸、蛋白质等生物大分子的合成与降解代谢及其转化途径。尤其在核酸分子标记 及分子杂交、探针制备等方面应用更为广泛。 2 生物医学 利用放射免疫分析技术测定动物或人体内激素等微量活性物质，研究动物和人体 体内内分泌和其它生理代谢行为。 3 动植物营养 通过对大量或
11、微量元素标记测定，研究动物、植物对营养元素、矿质元素的吸收 利用率、生理代谢及其缺素症，为研究防治对策提供依据。 4 环境科学 利用标记示踪原子，研究有毒有害物质在环境体系的行为、去向和污染程度，包 括用于重金属和农药等污染研究，以及在环境中水体、大气、土壤、居室内放射性 天然背景值的监测。 5 生物体中发光测定 利用单光子监测了测定生物体内发光与单光子事件和环境变化关系的研究。光电倍增管的应用?光子计数器photon counter而当光强极低,入射光子是离散的,阳极输出脉冲也是离散的 ,记录输出脉冲个数的发光测量仪器称为光子计数器化学发光免疫分析仪:将血清样本，通过和试剂进行化学发应发光，
12、光经过光子计数器读 出光子数，通过串口送入计算机，运用计算机软件对血清中的抗原 和抗体作定量的检测分析，将图像及数据存储在计算机中，并将结 果打印出来，供临床诊断光电导（光敏电阻）Photoresistor?光电导效应：光吸收使半导体中形成非平 衡载流子（光生载流子），载流子浓度的 增大使其电导率增大，所引起的附加电 导率称为光电导。光敏电阻演示光敏电阻演示当光敏电阻当光敏电阻 受到光照时，受到光照时， 光生电子光生电子空空穴对增加，阻穴对增加，阻 值减小，电流值减小，电流 增大。（增加增大。（增加 负电荷的反向负电荷的反向 流动）流动）暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）光电特性光电流与入射
13、光通量（照度）之间的关系2200)(1)()(LV LhVeALU ALheInn p= =弱光照射时，光电流与光通量弱光照射时，光电流与光通量 （照度）成正比（照度）成正比式中：A为截面积，L为极间距，n为电子迁移率cm/S/v, 0 为载流子平均寿命应尽可能减小L强光照射时，强光照射时， 光电流与光通量（照度）成非线性。光电流与光通量（照度）成非线性。EUSURIgp=1为光电转换因子，是一个随光度量变化的指数。为光电转换因子，是一个随光度量变化的指数。 经变换可得经变换可得11 loglogloglog EERR =即在对数坐标下，光强与光电阻成线性关系在通常的照度范围内(10-1104
14、lx)，的值接近于1考虑到光敏电阻的暗电流，流过光敏电阻的电流为VgEVSVgVgIIIdgdpDp+=+=+=与材料和入射光强弱有关，对于硫化镉光电导体， 在弱光照下1，在强光照下1/2，一般0.51。光敏电阻的结构是在一块光电导体两端加上电极，贴在硬质玻光敏电阻的结构是在一块光电导体两端加上电极，贴在硬质玻 璃、云母、高频瓷或其它绝缘材料基板上，两端接电极引线，封装璃、云母、高频瓷或其它绝缘材料基板上，两端接电极引线，封装 在带有窗口的金属或塑料外壳内。在带有窗口的金属或塑料外壳内。光敏电阻的基本结构光敏电阻的基本结构光敏面作成蛇形，电极是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或光敏面作成蛇形
15、，电极是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或 铟等金属形成的。这种梳状电极可以保证有较大的受光表面，也可铟等金属形成的。这种梳状电极可以保证有较大的受光表面，也可 以减小电极之间距离，从而减小极间电子渡越时间，提高灵敏度。以减小电极之间距离，从而减小极间电子渡越时间，提高灵敏度。1-光导层; 2-玻璃窗口; 3-金属外壳; 4-电极; 5-陶瓷基座; 6-黑色绝缘玻璃; 7-电阻引线。RG12 34 567(a)结构(b)电极(c) 符号 CdS光敏电阻的结构和符号1-硫化镉单晶 2-硫化镉多晶 3-硒化镉 多晶 4-硫化镉与硒化镉混合多晶由图可见，硫化镉单晶、硫化镉与硒由图可见，硫化镉单晶、
16、硫化镉与硒化镉混合多晶，硫化镉多晶、硒化镉多晶化镉混合多晶，硫化镉多晶、硒化镉多晶 等几种光敏电阻的光谱特性曲线覆盖了整等几种光敏电阻的光谱特性曲线覆盖了整 个可见光区，峰值波长在个可见光区，峰值波长在515600nm之之 间。这与人眼的光谱光视效率间。这与人眼的光谱光视效率V()曲线的曲线的 范围和峰值波长（范围和峰值波长（555nm）是很接近的，）是很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相 机、照度计、光度计等。不过它们的形状机、照度计、光度计等。不过它们的形状 与与V()曲线还不完全一致。如直接使用，曲线还不完全一致。如直接使用，与人的视觉还有一定的差距，所以必须加与人的视觉还有一定的差距，所以必须加 滤光片进行修正，使其特性曲线与滤光片
