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1、第四章第四章 光波的探测与解调光波的探测与解调14.14.1光子探测方法光子探测方法4.1.14.1.1光子探测机理的分类光子探测机理的分类 把被调制的光信号转换成电信号并将信息把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术。提取出来的技术。光探测过程可以形象地称为光频解调，光光探测过程可以形象地称为光频解调，光探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测量的物理量的器件。量的物理量的器件。1、光电探测技术、光电探测技术22 2、光探测器的发展历史、光探测器的发展历史n18731873年，英国的年，英国的SmithSmith和和MayMay在大西洋横断海
2、底电信局所进行的实验在大西洋横断海底电信局所进行的实验中发现，当光照射到用作电阻的中发现，当光照射到用作电阻的sese棒后，其电阻值约改变棒后，其电阻值约改变3030；n同年同年SimensSimens将铂金绕在这种将铂金绕在这种sese棒上，制成了第一个光电池；棒上，制成了第一个光电池；n18881888年，德国的年，德国的HallwachsHallwachs在作在作HertzHertz的电磁波实验中，发现光照射的电磁波实验中，发现光照射到金属表面上会引起电子发射；到金属表面上会引起电子发射；n19091909年，年，RichtmeyerRichtmeyer发现，封入真空中的发现，封入真空中
3、的NaNa光电阴极所发射的电子光电阴极所发射的电子总数与照射的光子数成正比，奠定了光电管的基础；总数与照射的光子数成正比，奠定了光电管的基础；n接着美国的接着美国的ZworkynZworkyn研制出各种光电阴极材料，并制造出了光电倍增研制出各种光电阴极材料，并制造出了光电倍增管，并于管，并于19331933年发明了光电摄像管；年发明了光电摄像管；n19501950年，美国的年，美国的WeimerWeimer等人研制出光导摄像管；等人研制出光导摄像管；n19701970年，年，BoyleBoyle等人发明了等人发明了CCDCCD（电荷耦合器件）。（电荷耦合器件）。3n按光按光电相互作用分类电相互
4、作用分类3 3、探测机理及其分类、探测机理及其分类n按响应区域分类按响应区域分类光子直接对电子光子直接对电子产生扰动产生扰动温升使材料的某些温升使材料的某些特性发生变化特性发生变化 电磁场对材料的扰电磁场对材料的扰动所引起材料某些动所引起材料某些内特性发生变化内特性发生变化 输出信号是敏感输出信号是敏感区域的平均值区域的平均值 对敏感区域的空间对敏感区域的空间变化所产生的响应变化所产生的响应 44 4、光电效应、光电效应n 光光照照射射到到物物体体上上使使物物体体发发射射电电子子，或或电电导导率率发发生生变变化化，或或产产生生电电动动势势，这这些些因因光光照照引引起起物物体体电电学学特特性性改
5、改变变的的现现象象，统称为统称为光电效应光电效应。n内内光光电电效效应应光光子子激激发发的的载载流流子子(电电子子或或空空穴穴)将将保保留留在材料内部。在材料内部。n外外光光电电效效应应将将电电子子打打离离材材料料表表面面，外外光光电电效效应应器器件件通常有多个阴极，以获得倍增效果。通常有多个阴极，以获得倍增效果。5外光电效应外光电效应光电发射效应光电发射效应n 当当光光照照射射到到金金属属或或金金属属氧氧化化物物的的光光电电材材料料上上时时，光光子子的的能能量量传传给给光光电电材材料料表表面面的的电电子子，如如果果入入射射的的光光能能使使表表面面的的电电子子获获得得足足够够的的能能量量，电电
6、子子就就会会克克服服正正离离子子对对它它的的吸吸引引力力，脱脱离离金金属属表表面面而而进进入入外外界界空空间间，这这种种现现象象称称为为外外光光电电效应效应。外光电效应可用两条基本定律来描述。外光电效应可用两条基本定律来描述 ：n斯托列托夫定律斯托列托夫定律 当当入入射射光光的的频频率率或或频频谱谱成成分分不不变变时时，饱饱和和光光电电流流（单单位时间内反射的光子数目）位时间内反射的光子数目）与入射光的强度成正比。与入射光的强度成正比。斯托列托夫定律是光电管、光电倍增管的检测基础。斯托列托夫定律是光电管、光电倍增管的检测基础。6外光电效应外光电效应光电发射效应光电发射效应n爱因斯坦定律爱因斯坦
7、定律如如果果发发射射体体内内电电子子吸吸收收的的光光子子能能量量大大于于发发射射体体表表面面逸逸出出功功，则则电电子子将将以以一一定定的的速速度度从从发发射射体体表表面面发发射射，光光电电子子离离开开发发射射体体表表面面时时的的初初动动能能随随入入射射光光的的频频率率线线性增长，与入射光的强度无关。性增长，与入射光的强度无关。光电效应方程：光电效应方程：入射光子入射光子能量能量电子的电子的动能动能逸出功逸出功该式表明，入射光子必须具有足够的能量，也就是说至少要等于该式表明，入射光子必须具有足够的能量，也就是说至少要等于逸出功，才能发生光电发射。逸出功，才能发生光电发射。00为产生光电发射的最低
8、频率，即该频为产生光电发射的最低频率，即该频率与材料的属性有关，与入射光强无关。率与材料的属性有关，与入射光强无关。逸出功逸出功7密立根密立根(美国美国,1868-1953),1868-1953)罗伯特密立根生于罗伯特密立根生于18681868年，童年的大部分年，童年的大部分时间在农村度过，年仅时间在农村度过，年仅1414岁就开始赚取自己的岁就开始赚取自己的面包，后于面包，后于18861886年进入奥柏林大学。两年后他年进入奥柏林大学。两年后他才选修了物理课，并认为那是才选修了物理课，并认为那是“一个彻底的失一个彻底的失败败”。19081908年，年，密立根密立根4040岁，还只是一个岁，还只
9、是一个副教授，而当时美国物理学者获得教授职位的副教授，而当时美国物理学者获得教授职位的平均年纪只有平均年纪只有3232岁。他确定了两个人生目标：岁。他确定了两个人生目标：一是进入物理学的名人堂，一是进入物理学的名人堂，“留下的时间已经留下的时间已经不多了不多了”；二是将余生奉献给自己钟爱的教育；二是将余生奉献给自己钟爱的教育事业。事业。从从19091909年到年到19171917年，密立根完成了年，密立根完成了漫长而艰苦的油滴实验漫长而艰苦的油滴实验最著名的物理实验最著名的物理实验之一。之一。这一杰出工作以及光电效应的相关这一杰出工作以及光电效应的相关贡献为他赢得了贡献为他赢得了1923192
10、3年的诺贝尔物理学奖，成年的诺贝尔物理学奖，成为有史以来第二位得奖的美国物理学家。为有史以来第二位得奖的美国物理学家。8爱因斯坦定律爱因斯坦定律n入入射射光光波波长长大大于于截截止止波波长长时时，无无论论光光强强有有多多大大、照照射射时时间间多多长长，都都不不会会有有光光电电子子发发射射。光光电发射大致可分为三个过程：电发射大致可分为三个过程：n光入射物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态；光入射物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态；n受受激激电电子子从从受受激激处处出出发发，向向表表面面运运动动，其其间间必必然然要要同同其其他他电电子子或或晶晶格格发生碰撞而失去
11、部分能量；发生碰撞而失去部分能量；n到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，逸出形成光电子。到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，逸出形成光电子。外光电效应外光电效应9爱因斯坦定律爱因斯坦定律n由此得到光电发射对阴极材料的要求由此得到光电发射对阴极材料的要求：对光的吸收大，以便体内有较多的电子受激发射；对光的吸收大，以便体内有较多的电子受激发射；电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小；电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小；材料逸出功小，以使到达表面的电子容易逸出；材料逸出功小，以使到达表面的电子容易逸出；电电导导率率好好，以以便便能能够够通通过过外外电电源源来来补补充充光光电电发发射射
12、失失去去的电子。的电子。外光电效应外光电效应10光电倍增管光电倍增管n今今天天我我们们使使用用的的光光电电器器件件中中，光光电电倍倍增增管管（PMTPMT）是是一一种种具具有有极极高高灵灵敏敏度度和和超超快快时时间间响响应应的的光光探探测测器器件件。典典型型的的光光电电倍倍增增管管如如图图所所示示，在在真真空空管管中中，包包括括光光电电发发射射阴阴极极（光光阴阴极极）和和聚聚焦焦电电极极、电电子子倍倍增增极极和和电电子子收收集集极极（阳阳极极）的器件。的器件。n当当光光照照射射光光阴阴极极，光光阴阴极极向向真真空空中中激激发发出出光光电电子子。这这些些光光电电子子按按聚聚焦焦极极电电场场进进入
13、入倍倍增增系系统统，通通过过进进一一步步的的二二次次发发射射得得到到倍倍增增放大。放大后的电子被阳极收集作为信号输出。放大。放大后的电子被阳极收集作为信号输出。外光电效应外光电效应11光电倍增管光电倍增管(1)光电倍增管利用光电倍增管利用外光电效应原理外光电效应原理制成。制成。(2)结构结构外光电效应外光电效应12光电倍增管光电倍增管外光电效应外光电效应13光电倍增管的结构光电倍增管的结构n一一般般端端窗窗型型（Head-on）和和侧侧窗窗型型（Side-on）结结构构的的光光电电倍倍增增管管都都有有一一个个光光阴阴极极。侧侧窗窗型型的的光光电电倍倍增增管管，从从玻玻璃璃壳壳的的侧侧面面接接收
14、收入入射射光光，而而端端窗窗型型光光电电倍倍增增管管是是从从玻玻璃璃壳壳的的顶顶部部接接收收入入射射光光。通通常常情情况况下下，侧侧窗窗型型光光电电倍倍增增管管价价格格较较便便宜宜，并并在在分分光光光光度度计计和和通通常常的的光光度度测测定定方方面面有有广广泛泛的的使使用用。大大部部分分的的侧侧窗窗型型光光电电倍倍增增管管使使用用了了不不透透明明光光阴阴极极（反反射射式式光光阴阴极极）和和环环形形聚聚焦焦型型电电子子倍倍增增极极结结构构，这这使使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。n端端窗窗型型（也也称称作作顶顶窗窗型型）光光电电倍倍增增管管在在其其入入
15、射射窗窗的的内内表表面面上上沉沉积积了了半半透透明明光光阴阴极极（透透过过式式光光阴阴极极），使使其其具具有有优优于于侧侧窗窗型型的的均均匀匀性性。端端窗窗型型光光电电倍倍增增管管的的特特点点还还包包括括它它拥拥有有从从几几十十平平方方毫毫米米到到几几百百平平方方厘米的光阴极。厘米的光阴极。n端端窗窗型型光光电电倍倍增增管管中中还还有有针针对对高高能能物物理理实实验验用用的的，可可以以广广角角度度捕捕集集入入射射光光的的大大尺尺寸寸半半球球形形光光窗窗的的光电倍增管。光电倍增管。外光电效应外光电效应14光电倍增管光电倍增管外光电效应外光电效应15光电倍增管光电倍增管(3)特点特点n灵敏度高，适
16、宜弱光信号；灵敏度高，适宜弱光信号；n响应时间极短；响应时间极短；n频率特性较好频率特性较好，频率可达，频率可达106赫或更高；赫或更高；(4)缺点缺点需高压直流电源、价贵体积大、经不需高压直流电源、价贵体积大、经不起机械冲击等。起机械冲击等。外光电效应外光电效应16北京滨松光子北京滨松光子外光电效应外光电效应17光电倍增管应用领域光电倍增管应用领域1 1光谱学光谱学-利用光吸收原理利用光吸收原理应用领域应用领域光电倍增管特性光电倍增管特性紫外紫外/可见可见/近红外分光光度计近红外分光光度计光通过物质时使物质的电子状态发生变光通过物质时使物质的电子状态发生变化，而失去部分能量，叫做吸收。利用吸收化，而失去部分能量，叫做吸收。利用吸收进行定量分析。为确定样品物质的量，采用进行定量分析。为确定样品物质的量，采用连续的光谱对物质进行扫描，并利用光电倍连续的光谱对物质进行扫描，并利用光电倍增管检测光通过被测物质前后的强度，即可增管检测光通过被测物质前后的强度，即可得到被测物质程度，计算出物质的量。得到被测物质程度，计算出物质的量。1.宽光谱响应宽光谱响应2.高稳定性高稳定性3.低暗电流低暗电流
