光化學(xué)傳感器理論與實(shí)踐第四章

光化學(xué)傳感器理論與實(shí)踐第四章第一頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)概述光化學(xué)傳感器較傳統(tǒng)光譜測(cè)量?jī)x器的獨(dú)特之處：1.樣品的放置位置。連有光學(xué)波導(dǎo)的光極可以到達(dá)任何需要的測(cè)量空間。第二頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日光化學(xué)傳感器較傳統(tǒng)光譜測(cè)量?jī)x器的獨(dú)特之處：2.樣品與分析對(duì)象的相互作用方式。除普通光學(xué)波導(dǎo)傳感器外，通過(guò)化學(xué)與生物方式固定了敏感層的光極探頭使探測(cè)光與分析對(duì)象的相互作用方式間接進(jìn)行，不僅提高了測(cè)量的靈敏度和選擇性，而且使許多不能被直接檢測(cè)的對(duì)象也能用光譜方法測(cè)定。第三頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日光化學(xué)傳感器測(cè)量體系樣品光譜測(cè)量?jī)x器波導(dǎo)界面試劑敏感層界面第四頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日三種基本光化學(xué)傳感器構(gòu)型(a)雙光纖或雙臂光纖束構(gòu)型:(b)單光纖構(gòu)型:(c)試劑敏感層作為包層的單光纖構(gòu)型:第五頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日三種基本光化學(xué)傳感器構(gòu)型SD(a)雙光纖或雙臂光纖束構(gòu)型:光源檢測(cè)器探測(cè)光纖信號(hào)光纖R探測(cè)光與信號(hào)光分別由不同的光纖傳輸，有效避免內(nèi)源熒光的干擾，而且不需用分光鏡將探測(cè)光與信號(hào)光分開。試劑層第六頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日RS光源D檢測(cè)器試劑層(b)單光纖構(gòu)型:采用單光纖同時(shí)傳輸探測(cè)光和信號(hào)光，較適合于遠(yuǎn)距離遙測(cè)與小空間測(cè)量的需要，但需要特殊的裝置將探測(cè)光與信號(hào)光分開；在某些特定波長(zhǎng)工作時(shí)，需要精密的分光裝置使信號(hào)光與內(nèi)源熒光分開。第七頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日利用消失波與試劑層的相互作用，但在某些特定波長(zhǎng)工作時(shí)，需要精密的分光裝置使信號(hào)光與內(nèi)源熒光分開。(c)試劑敏感層作為包層的單光纖構(gòu)型:SD檢測(cè)器光源R試劑層第八頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)光源

理想光源的條件：探測(cè)光有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，波長(zhǎng)能連續(xù)變化，而且強(qiáng)度也不隨波長(zhǎng)而變。第九頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日光源主要有：激光器：固體、液體、氣體和半導(dǎo)體激光器；發(fā)光二極管(LED)；燈光源：鹵烏燈、汞燈、氙燈、氘燈等。第十頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日Schematicdiagramofagaslaser第十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日Schematicdiagramofapulseddyelaser第十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日什么是LED？就是發(fā)光二極管（lightemittingdiode）?；窘Y(jié)構(gòu)為一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體模塊，封裝在環(huán)氧樹脂中，通過(guò)針腳作為正負(fù)電極并起到支撐作用。2.發(fā)光二極管(LED)第十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日LED第十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日各種顏色發(fā)光二極管（LED）第十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日LED的特點(diǎn)：體積??；單色性好；功耗低，耗電量少；電壓低；響應(yīng)快；效能高；顏色多；壽命長(zhǎng)。

第十六頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日汞燈發(fā)射線狀光譜第十七頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日氘燈發(fā)射紫外光第十八頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日第十九頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)光檢測(cè)器

理想的光輻射監(jiān)測(cè)器的條件：光源發(fā)光的波長(zhǎng)段要有高靈敏度；在信息傳輸速度方面，要有十分寬的頻帶和快的響應(yīng)速度；附加噪聲要少；工作電壓要低；環(huán)境溫度等外部條件變化時(shí)，工作要穩(wěn)定。第二十頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)光檢測(cè)器檢測(cè)器主要有：1.光電二極管（PD）2.光電倍增管（PMT）3.電荷耦合器(CCD)第二十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日1.光電二極管（PD）第二十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日光電二極管（PD）是一種用PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電信息轉(zhuǎn)換器件。其PN結(jié)裝在管子的頂部，以便接收光照。其上面有一個(gè)透鏡制成的窗口，以便使光線集中在敏感面，光敏二極管的外形結(jié)構(gòu)如圖（a）所示。光電二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理第二十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

光電二極管的反向偏置的工作模式

光電二極管工作時(shí)一般加反相偏壓，如圖所示，反偏使外電場(chǎng)的方向與PN內(nèi)建電場(chǎng)的方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)建電場(chǎng)，使P-N結(jié)空間電荷區(qū)拉寬。第二十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日無(wú)光照時(shí)，只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下渡越阻擋層，形成微小的反向電流，即暗電流。當(dāng)光敏二極管受光照時(shí)，PN結(jié)附近受光子轟擊吸收其能量而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加第二十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日SiPD：

有用于精密測(cè)量的從紫外到紅外的寬響應(yīng)PD,紫外到可見光的PD,以及用于一般測(cè)量的可見至紅外的PD,以及普通型的陶瓷/塑膠PD。精密測(cè)量PD的特點(diǎn)是高靈敏度,高并列電阻和低電極間電容,以降低和外接放大器之間的噪音。

SiPINPD：

在P層和N層之間加上高阻抗的I層,提高了響應(yīng)速度。外殼有金屬,陶瓷,塑膠三種。

第二十六頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日GaAsPPD：

有擴(kuò)散型和肖特基型兩種,特別在紫外和可見光區(qū)域有很高的靈敏度。

GaPPD：

在紫外區(qū)域有很高的靈敏度。肖特基型元件。

InGaAsPINPD：

在紅外區(qū)域(0.9－2.6um)有很高的靈敏性。

第二十七頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

雪崩二極管(APD)：

雪崩二極管是具有自己增益功能的光電器件。使用APD檢測(cè)微弱光時(shí)的檢測(cè)極限決定于信號(hào)讀取電路的噪音。由于APD自己有增益(比如增益倍數(shù)為N),其電路噪音的效果就是N分之一,即APD的檢測(cè)極限為一般光電二極管的N分之一。增益倍數(shù)N一般為幾十。APD的主要應(yīng)用在于光通訊,微弱光檢測(cè),高速檢測(cè)等領(lǐng)域。具體有低偏壓型APD,低溫度系數(shù)APD,短波長(zhǎng)APD,以及各種APD模塊。第二十八頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日2.光電倍增管

第二十九頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日光電倍增管原理:它由光電陰極K，陽(yáng)極A和倍增極(也稱打拿極)D組成。光電陰極發(fā)射的光電子在電場(chǎng)作用下被加速，以高速射入倍增極，倍增極表面逸出加倍的電子，稱為二次發(fā)射。倍增極數(shù)目一般為4～14個(gè)，增益G=106～108。常見的光電倍增管按進(jìn)光部位可分為側(cè)窗式和端窗式兩類；按管內(nèi)電極構(gòu)造形狀又可分聚焦式、百葉窗式和盒柵式等。第三十頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日SchematicdiagramofaPMT

第三十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日第三十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日PMTModulesPMT’sCCDPMT產(chǎn)品生產(chǎn)PMT著名公司：Hamamatsu(日本)第三十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日第三十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日特點(diǎn)：光電倍增管噪聲小、增益高、頻帶響應(yīng)寬，在探測(cè)微弱光信號(hào)領(lǐng)域是其他光電傳感器所不能取代的。注意事項(xiàng)：使用和存放時(shí)必須

絕對(duì)避免強(qiáng)光照射光陰極面，以防損壞光電陰極。

第三十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

3.CCD圖像傳感器

第三十六頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日電荷耦合器:（ChargeCoupledDevices，CCD）具有存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移并逐一讀出信號(hào)電荷的功能。利用電荷耦合器件的這種功能，可以制成圖像傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、延遲線等，在軍事、工業(yè)和民用產(chǎn)品領(lǐng)域內(nèi)都有著廣泛的應(yīng)用。CCD的感光能力和質(zhì)素比PMT低

第三十七頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日電荷耦合器的基本結(jié)構(gòu)如圖4-29所示，在一硅片上有一系列并排的MOS電容，這些MOS電容的電極以三相方式聯(lián)結(jié)，即：電極1、4、7…與時(shí)鐘￠1相連，電極2、5、8…與時(shí)鐘￠2相連，電極3、6、9…與時(shí)鐘￠3相連。只要在電極上加上電壓，硅片上就會(huì)形成一系列勢(shì)阱。有光照時(shí)，這些勢(shì)阱都能收集光生電荷。只要電極上的電壓不去掉，這些代表信息的電荷就一直存儲(chǔ)在那里。通常把這些被收集在勢(shì)阱中的信號(hào)電荷稱為電荷包。第三十八頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日第三十九頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日第四十頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

直接采用MOS電容感光的CCD圖像傳感器對(duì)藍(lán)光的透過(guò)率差、

靈敏度低。

現(xiàn)在CCD圖像傳感器已采用光敏二極管作為感光元件。它像一個(gè)大規(guī)模集成電路，

在它的正面有一個(gè)長(zhǎng)方形的感光區(qū)，感光區(qū)中有幾十萬(wàn)至幾百萬(wàn)個(gè)像素單元，

每一個(gè)像素單元上有一光敏二極管。

這些光敏二極管在受到光照時(shí)，

便產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的電荷，

再通過(guò)電注入法將這些電荷引入CCD器件的勢(shì)阱中，

便成為用光敏二極管感光的CCD圖像傳感器。

它的靈敏度極高，

在低照度下也能獲得清晰的圖像，

在強(qiáng)光下也不會(huì)燒傷感光面。

目前它不僅在家用攝像機(jī)中得到了應(yīng)用，

而且在廣播、

專業(yè)攝像機(jī)中也取代了攝像管。

第四十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日CCD相機(jī)用于拍攝天體第四十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日CCD用于天文望遠(yuǎn)鏡第四十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日第四節(jié)光極探頭設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)：1.探測(cè)光錐與信號(hào)光錐能完全重合；2.遠(yuǎn)距離遙測(cè)時(shí)，采用單光纖更簡(jiǎn)潔方便；3.小空間探頭的設(shè)計(jì)。單光纖體系:同時(shí)傳輸探測(cè)光與收集信號(hào)光1.必須采用特殊的裝置將探測(cè)光與信號(hào)光分開；2.熒光信號(hào)收集時(shí)，光纖材料內(nèi)源熒光干擾。缺點(diǎn)：第四十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日透鏡光極探頭的信號(hào)收集效率是裸光纖的兩倍左右。透鏡光極探頭單光纖體系(一)第四十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D中毛細(xì)管為被銀毛細(xì)管，是一內(nèi)徑與纖芯直徑相當(dāng)?shù)乜招墓夤?，由于光線被限制在吸有樣品溶液的光管內(nèi)多次反射，明顯提高了光的強(qiáng)度和信號(hào)收集效率。單光纖體系(二)毛細(xì)管光極第四十六頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

在透鏡右側(cè)增加一覆蓋敏感膜的光窗轉(zhuǎn)變成化學(xué)或生物修飾光極單光纖體系(三)敏感膜修飾型透鏡光極第四十七頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日反射鏡反射鏡探測(cè)光信號(hào)光至探頭分光裝置光纖圖4-12微孔—反射鏡式分束裝置至檢測(cè)器第四十八頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日至探頭光纖至檢測(cè)器探測(cè)光信號(hào)光小棱鏡透鏡圖4-13棱鏡—透鏡式分束裝置第四十九頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日采用雙光纖體系：一根傳輸探測(cè)光，另一根光纖收集信號(hào)光。優(yōu)點(diǎn)：不需分光裝置；排除內(nèi)源熒光的影響。缺點(diǎn)：增加探頭尺寸；信號(hào)收集效率降低。第五十頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日探測(cè)光信號(hào)光光錐重疊部分雙光纖構(gòu)型圖4-14雙光纖傳感體系雙光纖體系中交角為20°時(shí)，信噪比最佳。20°重疊部分體積明顯小于單根光纖覆蓋體積，信號(hào)收集效率降低；重疊部分體積變化而導(dǎo)致信號(hào)變化。第五十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D4-15雙臂光導(dǎo)纖維束斷面的變化情況雙臂光纖束：由成千上萬(wàn)根單光纖組合成束而形成的具有兩個(gè)分叉臂的裝置。探測(cè)光信號(hào)光公共端優(yōu)點(diǎn)：不需分光裝置，不受內(nèi)源熒光的干擾；又由于半徑的顯著增加而彌補(bǔ)雙光纖體系信號(hào)收集效率低的不足。第五十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日第五十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)響應(yīng)信號(hào)為吸光值時(shí)，三種形式的光導(dǎo)纖維束幾乎沒(méi)有差別，而響應(yīng)信號(hào)為熒光值時(shí)，同心圓和半圓分布的光導(dǎo)纖維束的信號(hào)收集效率遠(yuǎn)不及隨機(jī)分布光束。三種形式雙臂光纖束的比較光纖束的分布形式探測(cè)光錐與信號(hào)光錐重疊情況吸收檢測(cè)熒光檢測(cè)同心圓分布差可用不可用半圓分布差可用不可用隨機(jī)分布良好可用可用第五十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日dbqcd=b·cotqc提高雙臂光纖信號(hào)收集效率的設(shè)計(jì)1.熒光測(cè)定(隨機(jī)分布)檢測(cè)死角區(qū)：位于光纖端面探測(cè)光錐與信號(hào)光錐不能重疊的區(qū)域d—死角區(qū)厚度b—光纖包層厚度qc—光錐張角第五十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日石英波片光窗與雙臂光纖束公共端面的間隙可以自由調(diào)節(jié)以獲得最佳響應(yīng)值。針對(duì)消除檢測(cè)死角提高檢測(cè)靈敏度的設(shè)計(jì)石英波片作為