光化學傳感器理論與實踐第四章

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

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

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

理想的光輻射監(jiān)測器的條件：光源發(fā)光的波長段要有高靈敏度；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，工作要穩(wěn)定。第二十頁，共六十四頁，2022年，8月28日第三節(jié)光檢測器檢測器主要有：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，共六十四頁，2022年，8月28日1.光電二極管（PD）第二十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日光電二極管（PD）是一種用PN結單向導電性的結型光電信息轉換器件。其PN結裝在管子的頂部，以便接收光照。其上面有一個透鏡制成的窗口，以便使光線集中在敏感面，光敏二極管的外形結構如圖（a）所示。光電二極管的結構和工作原理第二十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日

光電二極管的反向偏置的工作模式

光電二極管工作時一般加反相偏壓，如圖所示，反偏使外電場的方向與PN內建電場的方向相同，加強了內建電場，使P-N結空間電荷區(qū)拉寬。第二十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日無光照時，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。當光敏二極管受光照時，PN結附近受光子轟擊吸收其能量而產生電子空穴對，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，共六十四頁，2022年，8月28日SiPD：

有用于精密測量的從紫外到紅外的寬響應PD,紫外到可見光的PD,以及用于一般測量的可見至紅外的PD,以及普通型的陶瓷/塑膠PD。精密測量PD的特點是高靈敏度,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,提高了響應速度。外殼有金屬,陶瓷,塑膠三種。

第二十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日GaAsPPD：

有擴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，共六十四頁，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檢測微弱光時的檢測極限決定于信號讀取電路的噪音。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的主要應用在于光通訊,微弱光檢測,高速檢測等領域。具體有低偏壓型APD,低溫度系數(shù)APD,短波長APD,以及各種APD模塊。第二十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日2.光電倍增管

第二十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日光電倍增管原理:它由光電陰極K，陽極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，增益G=106～108。常見的光電倍增管按進光部位可分為側窗式和端窗式兩類；按管內電極構造形狀又可分聚焦式、百葉窗式和盒柵式等。第三十頁，共六十四頁，2022年，8月28日SchematicdiagramofaPMT

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

絕對避免強光照射光陰極面，以防損壞光電陰極。

第三十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日

3.CCD圖像傳感器

第三十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日電荷耦合器:（ChargeCoupledDevices，CCD）具有存儲、轉移并逐一讀出信號電荷的功能。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)存儲器、延遲線等，在軍事、工業(yè)和民用產品領域內都有著廣泛的應用。CCD的感光能力和質素比PMT低

第三十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日電荷耦合器的基本結構如圖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，即：電極1、4、7…與時鐘￠1相連，電極2、5、8…與時鐘￠2相連，電極3、6、9…與時鐘￠3相連。只要在電極上加上電壓，硅片上就會形成一系列勢阱。有光照時，這些勢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在那里。通常把這些被收集在勢阱中的信號電荷稱為電荷包。第三十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日第三十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日第四十頁，共六十四頁，2022年，8月28日

直接采用MOS電容感光的CCD圖像傳感器對藍光的透過率差、

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。它像一個大規(guī)模集成電路，

在它的正面有一個長方形的感光區(qū)，感光區(qū)中有幾十萬至幾百萬個像素單元，

每一個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，

便產生與入射光強度相對應的電荷，

再通過電注入法將這些電荷引入CCD器件的勢阱中，

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，

在強光下也不會燒傷感光面。

目前它不僅在家用攝像機中得到了應用，

而且在廣播、

專業(yè)攝像機中也取代了攝像管。

第四十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日CCD相機用于拍攝天體第四十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日CCD用于天文望遠鏡第四十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日第四節(jié)光極探頭設計優(yōu)點：1.探測光錐與信號光錐能完全重合；2.遠距離遙測時，采用單光纖更簡潔方便；3.小空間探頭的設計。單光纖體系:同時傳輸探測光與收集信號光1.必須采用特殊的裝置將探測光與信號光分開；2.熒光信號收集時，光纖材料內源熒光干擾。缺點：第四十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日透鏡光極探頭的信號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，共六十四頁，2022年，8月28日圖中毛細管為被銀毛細管，是一內徑與纖芯直徑相當?shù)乜招墓夤?，由于光線被限制在吸有樣品溶液的光管內多次反射，明顯提高了光的強度和信號收集效率。單光纖體系(二)毛細管光極第四十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日

在透鏡右側增加一覆蓋敏感膜的光窗轉變成化學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，共六十四頁，2022年，8月28日反射鏡反射鏡探測光信號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器第四十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日至探頭光纖至檢測器探測光信號光小棱鏡透鏡圖4-13棱鏡—透鏡式分束裝置第四十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日采用雙光纖體系：一根傳輸探測光，另一根光纖收集信號光。優(yōu)點：不需分光裝置；排除內源熒光的影響。缺點：增加探頭尺寸；信號收集效率降低。第五十頁，共六十四頁，2022年，8月28日探測光信號光光錐重疊部分雙光纖構型圖4-14雙光纖傳感體系雙光纖體系中交角為20°時，信噪比最佳。20°重疊部分體積明顯小于單根光纖覆蓋體積，信號收集效率降低；重疊部分體積變化而導致信號變化。第五十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日圖4-15雙臂光導纖維束斷面的變化情況雙臂光纖束：由成千上萬根單光纖組合成束而形成的具有兩個分叉臂的裝置。探測光信號光公共端優(yōu)點：不需分光裝置，不受內源熒光的干擾；又由于半徑的顯著增加而彌補雙光纖體系信號收集效率低的不足。第五十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日第五十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日當響應信號為吸光值時，三種形式的光導纖維束幾乎沒有差別，而響應信號為熒光值時，同心圓和半圓分布的光導纖維束的信號收集效率遠不及隨機分布光束。三種形式雙臂光纖束的比較光纖束的分布形式探測光錐與信號光錐重疊情況吸收檢測熒光檢測同心圓分布差可用不可用半圓分布差可用不可用隨機分布良好可用可用第五十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日dbqcd=b·cotqc提高雙臂光纖信號收集效率的設計1.熒光測定(隨機分布)檢測死角區(qū)：位于光纖端面探測光錐與信號光錐不能重疊的區(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，共六十四頁，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節(jié)以獲得最佳響應值。針對消除檢測死角提高檢測靈敏度的設計石英波片作為