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第六章 光探测器 §1 简 述 光探测器可以认为是光源的共轭元器件，因为光源是将别的能量转换为光能并发射 出光波的元器件，而光探测器是把光能转换为其它形式的能量并被测量的元器件。眼睛是 很好的光探测器，其缺点是不能量化测定而且只对可见光敏感。 ▲ 性能指标 光探测器的种类很多，其性能指标主要有四个方面的参数，它们分别是：①响应率 或灵敏度，其单位为伏／瓦，伏／流明，安／瓦，安／流明。②光谱灵敏度范围，说通俗 些是可测波长范围或波段。这是因为下面将介绍的光探测器件里，热效应类型的器件与波 长无关，而光化学或光电效应类型器件均与波长密切相关，可以说上述的响应率是波长的 函数，所以用可测波段这个性能指标。③探测度。由于噪音的客观存在，信噪比是一定要 考虑的，所以用它来表示可探测微弱光信号的能力。④响应时间。它表示光入射到探测信 号产生的时间间隔多大，越小越快，故有叫做响应频率，实际是反应速率快慢问题。此外， 工作环境也是要考虑的，例如，温度、压力、湿度等等。 66 ▲ 器件类型 根据光能转换为其它形式能量的效应，主要有光电效应类型，光热效应类型和光化学 效应类型。 （1） 光化学效应类型。 照相胶片是常见的光化学效应的一种光探测器，如图6－1 示，把它叫做感光底片准确些。片基材料有硝酸纤维，醋酸纤维和涤纶，或纸板，或玻璃， 感光层是卤族元素的银盐微粒和明胶组成部分，光对此层作用后，经显影，定影和水洗等 过程，能得出光信息。图6－2 表示感光底片特性曲线，从曝光量H 和光密度D 的关系， 定量给出胶片的感光性能。由于微粒的直径最大有 50 微米，最小的为 50 毫微米，一般是 0.1~4 微米，因此，分辨率多数在每毫米 75~100 条，只有用于拍摄全息图的感光干版，其 鉴别率高达每毫米2000～3000 条。 图6-1 感光底片 图6-2 感光底片特性曲线 （２）光热效应类型。 此类光探测器常见的是热电偶，是利用不同介质的温差电 效应制备的，如图6－3 示。两种金属紧密接触并构成回路，将产生温差电效应，用它测 量温度故叫做热电偶，常见的有铂，镍鉻－镍铝，铜－康铜和锑－铋以及半导体材料制成 的热电偶等。还有利用温度对半导体P－N 结伏安特性曲线有影响的特点，制备的P－N 结温度传感元器件。锑－铋电偶每摄氏度有约100 微伏的输出，P－N 结温度传感元器件 在恒定的小电流下，例如，小于1 毫安，结的正向电压随温度而线性减少，每增高1 摄氏 度减少2.3 毫伏。用于探测光信号的热电偶叫做热辐射计，由于是将光能变成热能再以电 信号输出，它对红外波段更适合些。用来探测红外光的辐射热电偶的原理如图6－4 示。 基于同样道理，在红外光的探测器里，有以铁电体为主导的热释电晶体制成的热释电光探 测器，它是比较先进的红外光探测器，感兴趣者可阅读有关参考资料。 （３）光电效应类型。它是目前最常用的光探测器件，种类繁多，可归纳为内光电 效应器件和外光电效应器件。内光电效应器件典型的有光电导器件，光电池，光电二极管 和三极管等等。外光电效应器件常用的有光电管和光电倍增管。它们的可测波段覆盖紫外， 可见和红外波段，但是不同器件只能在某个波段最有用，而在其它波段是无能为力的。 67 图6－3 热电偶 图6－4 红外光热电偶 §2 外光电效应探测器件 所谓外光电效应是讲材料吸收光子能量，转化为其内部的带电粒子的动能，使此带电 粒子克服材料表面势垒，逃逸出体外，形成光电子发射的现象。并不是所有材料都有此效 应的，目前常见的是某些金属和它们的化合物以及某些半导体材料具备这类外光电效应， 例如，Cs-O-Ag， Cs-Sb， Na-K-Cs-Sb，和Ⅲ－Ⅴ族化合物。从能量转化角度看，设入射 光子能量h ν，带电粒子的动能1 mv2 ，它要逸出体外应满足能量守恒定律，即 2 1 mv2 ＝h ν－e φ