光電探測(cè)器選型指南

光電探測(cè)器的性能除了成本外，還可以根據(jù)光的四個(gè)基本屬性做出適當(dāng)?shù)倪x擇。光是研究自然界物理和化學(xué)過(guò)程的多功能工具。任何被分析的特定系統(tǒng)都可以通過(guò)其發(fā)射或反射的光來(lái)傳達(dá)有關(guān)其自身的信息。電信號(hào)是處理、傳輸和存儲(chǔ)信息的有效媒介。光電探測(cè)器的作用是將以光形式傳播的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，同時(shí)將信息質(zhì)量損失降至最低。

光攜帶的信息可以用光的四個(gè)基本屬性的任意組合進(jìn)行編碼：光譜組成(W)、強(qiáng)度(I)以及時(shí)間(T)和空間(s)特征(圖1)。因此，選擇合適的光電探測(cè)器取決于其在這四個(gè)方面的性能，此外還有成本($)，統(tǒng)稱為WITS$。

圖1所示 ，來(lái)自被研究系統(tǒng)的光可能包含光譜組成、強(qiáng)度、時(shí)間特征(例如，恒定強(qiáng)度、脈沖、指數(shù)衰減等)和空間特征(例如，準(zhǔn)直光、漫射光等)等形式的系統(tǒng)信息。

光電探測(cè)器輸出端的信噪比(S/N)是探測(cè)器性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)，也是從可用探測(cè)器池中選擇時(shí)的品質(zhì)因數(shù)。本選擇指南適用于一組四點(diǎn)探測(cè)器：光電倍增管(PMT)、光電二極管(PD)、雪崩光電二極管(APD)和硅光電倍增器(SiPM)。

PMT是一種具有光敏光電陰極的真空管，具有提供內(nèi)部電增益的一系列陽(yáng)極和信號(hào)收集陽(yáng)極。PMT具有低內(nèi)部噪聲、10^5~ 10^6量級(jí)的增益(μ)和探測(cè)單光子的能力。PD是一種光敏的固態(tài)器件，具有p-n結(jié)，沒(méi)有內(nèi)部增益(μ = 1)。在典型操作中，PD反向偏置到幾伏特。APD是一種內(nèi)部增益的PD。在典型的操作中，APD反向偏置到接近但小于其擊穿電壓的電壓。增益可達(dá)100倍左右。如果反向電壓小于擊穿電壓，則由單個(gè)電荷載流子觸發(fā)的雪崩會(huì)自行熄滅;否則，雪崩必須由外部來(lái)?yè)錅?。后一種工作模式被稱為蓋革模式。SiPM是正方形單元或像素的矩形陣列，其中每個(gè)單元是APD和淬火電阻的一系列組合。所有的單元格都是平行組合的。在典型的操作中，SiPM是反向偏置的，因此apd在蓋革模式下工作，從而使器件獲得與PMT相當(dāng)?shù)脑鲆?。人們可能?huì)認(rèn)為SiPM是PMT的固態(tài)模擬版本，盡管具有更高的內(nèi)部噪聲。表1比較了四種光電探測(cè)器。

審核編輯 黃宇