Id为探测器的暗电流，M为探测器的内增益
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：
Vn 4kBTRf n
2
k 为玻尔兹曼常数，T为绝对温度（K），R为电阻阻值，Δfn为测试系统等效噪声带宽
热噪声的功率谱密度：
S ( f ) 4kBTR
S的单位（物理量纲）是什么？室温下热噪 声的功率谱密度大概在什么量级（R=50Ω）？
光探测器－噪声
2.散粒噪声(shot noise)
电荷载流子的起伏称为散粒噪声，白噪声 散粒噪声功率谱密度：
Si ( f ) 2eI S
e 为电子电荷， Is为探测器的光生电流 散粒噪声的电流有效值：
最小可探测的光功率是多少？ 400nm的光＝？ 个光子
1.3微通道光电倍增管
普通的光电倍增管有十多个倍增级，因此电子渡越时间较长
通道式电子倍增器(Channel Electron Multiplier＝CEM): 渡越时间很短(<2ns)
增益：
AV G 2a V 0

1.真空管光电探测器－种类
• 真空管光电二极管 • 光电倍增管 (photomultiplier tube 或简称：PMT) • 微通道光电倍增管
1.1真空管光电二极管
+ K：阴极 A：阳极
V
特点： 结构简单，灵敏度较低，可检测较强的光辐射信号，极间电容小，频率响应特 性较快 由于光电倍增管制作工艺的成熟以及半导体光电探测器的发展，真空管光电二极 管已可以被这些器件所取代。
NEP
2eI d Gf S
e为电子电量， Id、S、G 分别 是光电倍增管的暗电流（安 培）、阳极辐射灵敏度（安培 /瓦）和放大倍数， 为测量系 统的带宽（一般取1赫兹）
1.2光电倍增管
主要指标：
6.探测功率范围 • 由阴极材料和倍增级的输出能力所决定 • 安全入射光功率为10-9—10-10W
1 S / N 1 D NEP P
单位为Hz1/2· W-1
光探测器－参数
4.比探测率D*
D
*
Ad f
NEP
1 2
（单位为 cm· Hz1/2· W-1）
光探测器－参数
5.截止频率(cut-off frequency, fC)
表征它对入射光功率随时间变化的响应
R(f) 1 0.707
If AI S f n / f
2
A为与探测器有关的系数 Is 为流过探测器的总直流电流 功率谱密度＝1/f，因此经常被称为1/f噪声
光探测器－噪声
4.产生-复合噪声
光电导探测器中的激发载流子是电子-空穴对，它们的产 生和复合都是按照散粒噪声的规律随机起伏的
噪声的噪声电流和电压的有效值：
I g r 4eI d M 2 f n Vg r 4eI d M 2 R 2 f n
1. 光导型器件
优点：可探测到40 μm的光波，相对灵 敏 缺点： 热噪声大，一般需冷却至液氦或液 氮温度； 产生复合噪声大
（大小与信号光功率成正比）
Rd
V
RL
结合光外差技术可提高信噪比 响应慢，如PbS:ms量级，InSb在us 量级
半导体光电探测器
2.半导体光电二极管－PN结 光伏型器件：基于P－N结的光伏效应
光探测器
蒋燕义
什么是光探测器？
物理量
（可测量）
光
热量
光辐射探测器
电流
光电探测器
电压
光辐射探测器
• 又名“光热探测器”
晶格振动
光
热量
温度
光辐射探测器－特点
“慢热”——响应时间慢
最快只能响应到ns量级
“木
讷”——灵敏度低
“兼容性好”——响应波长范围广
Hale Waihona Puke 光电探测器－特点 时间响应快
灵敏度高
2. 阳极灵敏度： • 阳极输出电流 与照射到阴极 上的光通量之 比 • 阳极灵敏度与 工作波长和所 加的电压有关
阳极灵敏度与阴极灵敏度的关系？
1.2光电倍增管
主要指标：
3.电流放大倍数（增益） • PMT 的倍增级数目 n 以及 材料有关，一般的光电倍 增管倍增极数目为 n=9~12， δ是倍增极的平均二次电子 发射率 • A为常数，E为极间电压， α与倍增级材料有关
2.半导体光电探测器
内光电效应 半导体材料：
Silicon：190–1100 nm Germanium (锗)：400–1700 nm Indium gallium arsenide：800–2600 nm Lead(II) sulfide (硫化铅)：<1000–3500 nm 特点： 体积小 灵敏度高 响应速度快 易于集成化
4V0 a 2 V
内壁导电层
3kV
a=L/d为管长与管径之比，A为决定二次发 射系数的物质常数，约为0.2~0.25之间， V0 为垂直管壁方向的二次电子平均发射电 位，约为1~2伏，V为所加的工作电压
图2.16 微通道倍增管
1.3微通道光电倍增管
Microchannel Plate=MCP
微通道电子倍增器 • 把大量CEM并联起来，构成微 通道板 • 将光阴极材料结合MCP，就 可构成多通道式光电倍增管 光阴极 阳极
光电阴极材料
光电阴极 银氧铯Ag-O-Cs 单碱型Sb-Cs 双碱型Cs-K-Sb 多碱型Cs-Na-K-Sb 日盲型Cs-Te 日盲型Cs-I 半导体型GaAs-Cs2O 半导体型InAsP-Cs2O 峰值波长 (nm) 750-800 340-400 330-420 330-640 170-210 120-140 850 400 波长极限 (nm) 1200 700 700 900 320 200 930 1100 阴极灵敏度 (mA/W) 2-3 20-50 30-90 20-60 20-30 15-20 50-70 40-50 量子效率 (峰值) 0.4% 15% 30% 25% 15% 12% 20% 20%
7. 时间常数τ： • 与光电倍增管的结构有关 • 通常为1－20 ns，最好的可达0.5 ns
1.2光电倍增管
• 负高压连接
(a)
• C1－C2：防止 阳极电流的过早 饱和
(b)
图2.10 光电倍增管的连接原理图 (a) 用于脉冲光强测量 (b) 用于直流光强测量
• RL： 响应时间； 输出的线性 度 阻抗匹配
1.2光电倍增管
• 工作电压： 当工作电压增加时，增益会增加，但暗电流也会增加
电源电压增加，可以降低时间常数
• 渡越时间：
从输入脉冲光开始到 光电倍增管达到最大输 出的时间间隔
幅度 输入脉冲光
t
光电倍增管输出信号
t
电子渡越时间
1.2光电倍增管
Hamamatsu（日本滨松公司）R955型光电倍增管的主要指标： 波长范围：160 — 930 nm 峰值波长： 400 nm 阴极材料： 多碱材料 窗口材料： 熔石英 阴阳极间最大电压：1250V 正常电压：1000V 阴极灵敏度：0.68mA/W 阴极辐照度：200μA/lm 阳极灵敏度： 6.8e6 mA/W 阳极辐照度： 2000A/lm 电流放大系数： 1E7 暗电流：10nA 上升时间：2.2ns 渡越时间：22ns
具有波长选择性
光电探测器－分类
光导器件 内光电 光 电 探 测 器 光伏器件
电子逸出
外光电
光真空器件
外光电效应－原理
• 爱因斯坦的光电效应定律
Ek h E p
光电子离开探测 器靶面后的动能
入射光 子能量
探测器 材料逸 出功
• 截止频率或截止波长
C
Ep h
hc C Ep
光探测器－参数
图2.17 微通道光电倍增管示意图 多级串联可以提高增益 目前三级串联的商品器件的上升时间 为0.32ns，增益可达5 ×106
多通道式光电倍增管特点: 体积小 响应时间快 可实现二维图象记录
问题1
1. 一束功率为0.1 mW的1064 nm光用日盲型Cs-I阴极材料做成 的真空光电二极管探测。如果负载电阻为1兆欧，那么在负载 电阻两端测得的电压为多少？ 2. 用光电倍增管探测一束每秒20个光子的532 nm绿光，所用 阴极材料的量子效率为0.15，光电倍增管共有12级电子倍增 级（二次电子发射系数为4）.如果负载电阻为1兆欧，那么在 负载电阻两端测得的电压为多少？ 3. 已知光电倍增管的增益系数为106，量子效率为0.1，暗电 流为10-15 A，请估算它的最小可探测光功率（波长为532 nm， 光电倍增管的等效电阻为R=106）。