反射镜

光路系统常用光源和光电探测器介绍

光源负责产生光信号，光电探测器负责接收光信号，二者构成光电链路的输入端与输出端；滤光片，透镜，棱镜，光纤等中间光学元件只调控光信号传输，不能产生或者接收光信号。

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  • 光路系统常用光源介绍
  • 1.发光二级管LED：半导体 PN 结正向通电，电子空穴复合释放光子，属于电致发光光源，在光学系统里常作为宽带 / 单色激励光源。
  • 单色 LED 为准单色光源，光谱近似高斯；根据构成材料特性决定发光波段，是滤光片、探测器匹配设计的核心依据。常见单色LED光源有紫外LED，可见光LED,近红外LED；此外还有白光LED可以作为宽带光源。
  • 紫外 UV‑LED（AlGaN/GaN）
  • 紫外LED光源
  • 可见光单色 LED（InGaN / AlGaInP / GaP
  • 可见光LED光源
  • 近红外 NIR LED（GaAs / AlGaAs）
  • 近红外LED光源
  • 2.卤素灯光源：卤素灯光源 是通过加热钨丝，使其达到高温，从而激发卤素气体分子的激发态来发光的。 卤素气体的加入使得卤素灯泡比传统的白炽灯泡更耐用。
  • 碘钨灯：充碘；工作温度略低，稳定性好，多用于大功率长管状灯；
  • 溴钨灯：充溴；允许更高灯丝温度，色温更高，光更白；实验室仪器光源优选。
  • 卤素灯光源
  • 3.氙灯光源;是一种通过高压气体放电原理发光的人造光源。 它无需传统灯泡的灯丝，而是利用电子镇流器产生的高压，激发密封在石英玻璃管内的氙气等惰性气体，使其电离形成电弧并稳定放电发光。氙灯光源属于连续宽谱光源，没有单一峰值波长，可见光区域能量分布平坦，但800–1000 nm 存在明显氙原子特征发射尖峰。
  • 短弧纯氙灯（直流连续，XBO）。光谱输出范围：185nm-2000 nm（石英窗口）；无臭氧版本 220~2000 nm。
  • 长弧纯氙灯（直流连续，管状）。光谱输出范围：200-2500nm。
  • 脉冲氙灯（闪光氙灯）。常用光谱输出范围200-1100nm。
  • 汞氙灯 Hg-Xe（短弧）。常用光谱输出范围200-2000nm。
  • 氙灯光源
  • 4.激光光源：激光光源通过受激辐射和粒子数反转实现光的放大，产生高单色性、高方向性和相干性的光束。
  • 半导体激光二极管 LD（Laser Diode）：体积小、功耗低；存在温度波长漂移；有一定线宽；部分带 ASE 自发辐射背景。
  • 半导体激光二极管激光光源
  • 固体激光器（Solid-state Laser）。增益介质：掺杂晶体（Nd:YAG、Nd:YVO4 等，光泵浦），特点：光束质量好、线宽窄，稳定性高。
  • 固体激光光源
  • 气体激光器。增益介质：气体；结构复杂体积较大，现在逐步被半导体 / 固体替代。
  • 气体激光光源
  • 光纤激光器 Fiber Laser。增益介质：掺杂光纤（Yb、Er 等），属于固体激光分支。Yb 光纤：1030~1080 nm，代表 1064 nm； Er 光纤：1530~1560 nm ；特点：光束质量优异，高功率，窄线宽可选；广泛用于拉曼、加工。
  • 准分子激光 Excimer Laser（紫外脉冲）。193 nm、248 nm、308 nm；脉冲紫外，线宽较宽；光刻、紫外激发。
  • 光路系统常见光电探测器介绍
  • 1.光电倍增管PMT：
  • 光电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）是一种将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件，广泛应用于光学测量、光谱分析、天文观测等领域。光电倍增管的工作原理基于外光电效应和二次电子发射效应。主要由以下部分组成：光阴极：负责将入射光子转换为光电子。电子光学输入系统：聚焦和加速光电子。电子倍增系统：通过多级倍增极实现电子的倍增。阳极：收集放大的电子信号。
  • PMT 根据结构形态分类
  • 端窗型：光垂直入射光阴极，透射式光阴极；
  • 侧窗型：光从侧面入射，反射式光阴极；
  • 微通道板光电倍增管：内置 MCP 倍增，超快响应，单光子探测；光谱特性仍由光阴极决定。
  • PMT光电倍增管
  • PMT响应范围
  • 2.光电二极管Photodiode：当入射光子能量大于半导体材料的禁带宽度时，PN 结耗尽区会产生电子 - 空穴对，在反向偏置电场作用下形成光电流，光电流大小与入射光强度成正比。
  • 光电二极管按半导体材料分为硅光电二极管、Ge 光电二极管、InGaAs 光电二极管、砷化镓（GaAs）光电二极管、碳化硅（SiC）光电二极管和碲镉汞（HgCdTe）光电二极管等。
  • 按结构与工作原理分为PN 结光电二极管、PIN 光电二极管、雪崩光电二极管（APD）、肖特基势垒光电二极管、光电二极管阵列（PDA）。
  • 光电二极管
  • 3.CCD和CMOS探测器:
  • CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）：将光信号转化为电信号的半导体图像传感器，光线照射到像素上，产生电荷；每个像素就地放大，可独立读出，速度快、功耗低、可集成更多功能。
  • CCD（Charge-Coupled Device，电荷耦合器件）:将光信号转换为电信号并逐级读出的光电传感器（探测器），光线照射到像素上产生电荷，电荷统一移送到边缘读出；噪声低、画面均匀性好、色彩还原准确。
  • 根据半导体材料分为：
  • 硅基（Si）CCD / CMOS：峰值波长~550 nm（可见）/ ~800-900 nm（近红外端有次峰），光谱响应范围200-1100nm;可用于数码相机、手机摄像头、工业检测、普通光谱仪探测器。
  • InGaAs 基CCD / CMOS：峰值波长1310 / 1550 nm，光谱响应范围900-1700nm（短波红外领域使用）；可用于红外成像、光谱分析、工业分选、夜视。
  • 特殊材料例如HgCdTe（碲镉汞）：光谱响应范围2 ~ 16 μm，可用于中长波红外热成像。
  • CCD和CMOS探测器
  • 4.红外探测器：
  • 锑化铟探测器（InSb）
  • 碲镉汞探测器（HgCdTe）
  • 热释电探测器（LiTaO₃/DTGS/PZT）
  • 热电堆
  • 滤光片设计必须匹配光源输出光谱和光电探测器光谱响应范围
  • 光源的输出光谱决定了滤光片的光子接收范围，滤光片不能接收到光源输出光谱以外的光信号。
  • 光电探测器只在其光谱响应范围内把滤光片传输过来的光子转为电信号。
  • 光源除主波长外，还有连续背景、谐波、自发辐射、ASE（激光）。滤光片阻带深度（OD 值）要按光源在该波长的光功率来设计：光源某波长功率越高，滤光片需要越高 OD 来截止。
  • LED / 激光器波长随温度漂移；设计滤光片时通带宽度要预留余量，保证光源波长偏移时仍落在滤光片通带内。
  • 滤光片通带必须落在光电探测器高灵敏度区间，最大化信号强度；避免在探测器 “盲波段” 设计通带。
  • 光电探测器对环境光、光源谐波、样品散射光只要在其响应区间就会产生噪声电流。滤光片设计时需要对光电探测器响应范围内除工作波段外的波长区域做深度截止。
  • 多数光电探测器响应曲线不平坦，会改变最终系统光谱形状;因此滤光片设计时充分考虑光电探测器峰值波长和光谱响应范围。