小卓课堂 | 光信号怎么 “变” 电信号？光探测器核心器件选型+解析

从手机拍照、安防监控，到医疗成像、航天探测，“捕捉光信号” 的技术无处不在。而实现这一关键功能的核心部件，正是光探测器。它就像 “光的眼睛”，能将我们肉眼看不见或难以捕捉的光信号，转化为可测量、可分析的电信号，为各类科技应用提供底层支撑。今天，我们就聚焦其中应用更广泛的光电探测器，拆解它的 “家族成员”，看看不同类型的 “光眼睛” 各自有哪些本领。

光探测器按照工作原理和结构，通常分为光电探测器和热电探测器，其中光电探测器包括真空光电器件（光电倍增管等）和固体光电探测器（光电二极管、光导探测器、CCD等）。

光电倍增管（PMT）是一种具有极高灵敏度的光探测器件，同时还有快速响应、低噪声、大面积阴极（光敏面）等特点。

典型的光电倍增管，在其真空管中，包括光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极和电子收集极（阳极）的器件。当光照射光阴极，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，通过进一步的二次发射得到倍增放大；放大后的电子被阳极收集作为信号输出（模拟信号输出）。因为采用了二次发射倍增系统，光电倍增管在可以探测到紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低的噪声。

从接受入射光方式上来分，光电倍增管有侧窗型（Side-on）和端窗型（Head-on）两种结构。

由于外加电压的变化会引起光电倍增管增益的变化，对输出的影响很大，因此对供给光电倍增管的工作电源电压要求较高，必须有极好的稳定性。卓立汉光的 HVC 系列高压稳压电源，其稳定性能达到 ±0.03%/h，非常适合作为光电倍增管高压电源。

同时需要注意的是，由于光电倍增管增益很大，一般情况不允许加高压时暴露在日光下测量可见光，以免造成损坏，作为光探测器使用时，需要将光电倍增管进行密封。卓立汉光所提供的光电倍增管封装严格按照要求进行封装，保证客户的正常安全使用。

另外，光电倍增管受温度影响很大，降低光电倍增管的使用环境温度可以减少热电子发射，从而降低暗电流。特别是在使用长波（近红外波段，俗称红敏）光电倍增管时，应当严格控制光电倍增管的环境温度。

此外，大多数的光电倍增管会受到磁场的影响。磁场会使电子脱离预定轨道而造成增益的减少。因而影响到光电倍增管的工作效率。因此，光电倍增管的封装要特别注意进行电磁屏蔽；卓立汉光提供光电倍增管均考虑到这一问题，并有效进行了电磁屏蔽。

光电二极管的工作原理主要基于光生伏特效应。 

光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在 PN 结上产生电动势的效应。

光电导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。 

所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。 

通常，凡禁带宽度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。常用的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。 

可见光波段的光电导探测器极少用于光谱探测，通常称为光敏电阻。故卓立汉光采用的可见光波段的光探测器通常为 PMT 和 光电二极管。 

红外波段的光电导探测器 PbS、Hg1-xCdxTe 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，电导体这种情况越显著，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 波段的探测器分三种情况： ①在室温下工作，但灵敏度大大下降，探测度一般只有 1 ～ 7×10⁸ cm · Hz/W ；②热电致冷温度下工作（约 -60℃），探测度约为 10⁹  cm · Hz/W; ③ 77K 或更低温度下工作，探测度可达 10¹⁰ cm · Hz/W 以上。8 ～ 14µm 波段的探测器必须在低温下工作，因此 光电导器件通常需要在制冷条件下使用。 

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

热释电型红外探测器是由具有极化现象的热释电晶体（铁电体）制作而成的。其所探测的辐射必须是变化的 ；对于恒定的红外辐射，必须进行调制（斩光），使恒定辐射变成交变辐射，借以不断引起探测器的温度变化才能导致热释电产生，并输出相应的 电信号。 

热释电探测器与之前的光电器件相比具有如下特点：

■ 无选择性：响应率与波长无关 

■ 响应慢

光谱响应度是指某一波长下探测器输出的电压或电流与入射光功率之比。 光谱响应度随波长的变化关系曲线即是探测器的光谱响应曲线（绝对响应曲线）。 若将光谱响应曲线的最大值做归一化处理，则得到相对光谱响应曲线。 

等效噪声功率是信噪比为 1 时探测器能探测器到的最小辐射功率，即最小可探测功率。 

探测率 D 是 NEP 的倒数，D 越大，表明探测器的探测性能越好。 比探测率 D* 即是归一化的探测率，也叫探测灵敏度。其单位为 ：cm · Hz1/2 · W-1 . 

时间常数表示探测器输出信号随入射光信号变化的速率，τ=1/（2πf）。

在光电测试系统中，需要根据实际需要来选择各种探测器，特别要关注如下几个方面的问题 ：

■ 实际光谱测量范围，这是选择光探测器首先要注意的问题； 

■ 光电倍增管是高灵敏的探测器，使用波长范围受限（通常到900nm，部分型号可得到1000nm以上，但价格通常很贵），而且使用 时要求配套高稳定性的高压电源； 

■ 光伏型探测器具有响应快、灵敏度高的特点，使用时一般可不需要锁相放大器，探测微弱信号时可选用锁相放大器以提高信噪比； 

■ 光导型探测器响应较慢，使用时要求信号光必须调制，并且需要搭配锁相放大器进行信号检出，同时要注意调制频率的选择； 

■ 探测器选择时尤其需要注意选择配套的前置放大器，才能更大限度的发挥探测器的探测效率； 

■ 选择TE制冷型探测器时，还要注意对应的温控器选择，探测器、温控器及前置放大器均需根据需要单独选择； 

■ 红外探测器通常需要制冷和配合锁相放大器使用。

卓立汉光可提供多种光探测器，给用户提供最为多样的产品选择性，欢迎咨询客服13810146393。

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