《探测与解调》PPT课件

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1、第四章光波的探测与解调14.1光子探测方法4.1.1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提取出来的技术。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量的物理量的器件。1、光电探测技术22、光探测器的发展历史1873年，英国的Smith和May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se棒后，其电阻值约改变30％；同年Simens将铂金绕在这种se棒上，制成了第一个光电池；1888年，德国的Hallwachs在作Hertz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；1909年，Richtme

2、yer发现，封入真空中的Na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；接着美国的Zworkyn研制出各种光电阴极材料，并制造出了光电倍增管，并于1933年发明了光电摄像管；1950年，美国的Weimer等人研制出光导摄像管；1970年，Boyle等人发明了CCD（电荷耦合器件）。3按光—电相互作用分类3、探测机理及其分类按响应区域分类光子直接对电子产生扰动温升使材料的某些特性发生变化电磁场对材料的扰动所引起材料某些内特性发生变化输出信号是敏感区域的平均值对敏感区域的空间变化所产生的响应44、光电效应光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，

3、或产生电动势，这些因光照引起物体电学特性改变的现象，统称为光电效应。内光电效应光子激发的载流子(电子或空穴)将保留在材料内部。外光电效应将电子打离材料表面，外光电效应器件通常有多个阴极，以获得倍增效果。5①外光电效应——光电发射效应当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射的光能使表面的电子获得足够的能量，电子就会克服正离子对它的吸引力，脱离金属表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。外光电效应可用两条基本定律来描述：斯托列托夫定律当入射光的频率或频谱成分不变时，饱和光电流（单位时间内反射的光子数目）与入射光的强度成正比。斯

4、托列托夫定律是光电管、光电倍增管的检测基础。6①外光电效应——光电发射效应爱因斯坦定律如果发射体内电子吸收的光子能量大于发射体表面逸出功，则电子将以一定的速度从发射体表面发射，光电子离开发射体表面时的初动能随入射光的频率线性增长，与入射光的强度无关。光电效应方程：入射光子能量电子的动能逸出功该式表明，入射光子必须具有足够的能量，也就是说至少要等于逸出功，才能发生光电发射。ν0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。逸出功7密立根(美国,1868-1953)罗伯特密立根生于1868年，童年的大部分时间在农村度过，年仅14岁就开始赚取自己的面包，

5、后于1886年进入奥柏林大学。两年后他才选修了物理课，并认为那是“一个彻底的失败”。1908年，密立根40岁，还只是一个副教授，而当时美国物理学者获得教授职位的平均年纪只有32岁。他确定了两个人生目标：一是进入物理学的名人堂，“留下的时间已经不多了”；二是将余生奉献给自己钟爱的教育事业。从1909年到1917年，密立根完成了漫长而艰苦的油滴实验——最著名的物理实验之一。这一杰出工作以及光电效应的相关贡献为他赢得了1923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。8爱因斯坦定律入射光波长大于截止波长时，无论光强有多大、照射时间多长，都不会有光电子发射。光电

6、发射大致可分为三个过程：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；受激电子从受激处出发，向表面运动，其间必然要同其他电子或晶格发生碰撞而失去部分能量；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。①外光电效应9爱因斯坦定律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；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；电导率好，以便能够通过外电源来补充光电发射失去的电子。①外光电效应10光电倍增管今天我们使用的光电器件中，光电倍增管（PMT）是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光

7、探测器件。典型的光电倍增管如图所示，在真空管中，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。①外光电效应11光电倍增管(1)光电倍增管利用外光电效应原理制成。(2)结构①外光电效应12光电倍增管①外光电效应13光电倍增管的结构一般端窗型（Head-on）和侧窗型（Side-on）结构的光电倍增管都有一个光阴极。侧窗型的光电倍增管，从玻璃壳的侧面接收入射光，而端