CN108489605B - 日盲紫外光探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种日盲紫外光探测装置，该装置利用量子剪裁技术完成对探测光的波长转换和光子数放大功能。通过积分球内的量子剪裁荧光玻璃吸收200nm‑280nm的日盲紫外光子，受激辐射出2‑3倍数目的长波长光子，积分球出射窗口端连接的有源器件光电倍增管其输出电流的大小和接收的光子数成正比，且对可见波段光的灵敏度是日盲紫外光的2‑10倍，同时配合积分球入射窗口设置的滤光片的滤噪功能，既可严格限制探测波长范围，又可以成倍地提高对日盲紫外光的探测灵敏度。
Description
技术领域
本发明公开了一种光电转换装置，特别是一种日盲紫外光探测装置。
背景技术
日盲紫外光(UVC)通常是指波长为200nm-280nm的电磁辐射，由于臭氧和氧气对紫外光的强吸收和紫外的强散射，近地表面自然的日盲紫外光几乎不存在，也就意味着日盲紫外光在地表的非自然干扰极少。日盲紫外光探测技术也因此在军用和民用等领域受到研究人员的广泛关注，如军事方面的导弹制导及预警、紫外通信，民用方面的火焰探测、水净化过程中的紫外测量等。
探测器的主要功能是完成光信号到电信号的转换。其主要包括光电二极管(PIN)、雪崩光电二极管(APD)和光电倍增管(PMT)等。目前，日盲紫外光源的发射功率都非常小(约为mW级)，同时紫外光探测器的灵敏度低(通常为0.01-0.05A/W，远小于可见光/近红外探测器的0.3-0.6A/W)，因此极大地限制了对日盲紫外光的探测。
光电倍增管是依据光电子发射、二次电子发射和电子光学的原理制成的有源探测器件。它由光电发射阴极、聚焦电极、电子倍增极、阳极(电子收集极)等组成。光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型。当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些电子被外电场(或磁场)加速，聚焦于第一次极。这些冲击次极的电子能使次极释放更多的电子，它们再被聚焦在第二次极。这样经过多次的倍增，放大倍数可达到108～1010。最后，在阳极收集最终放大了的光电流并输出。其输出电流和入射光子数成正比，且对可见光或者红外光响应灵敏度是紫外光的2-10倍。
量子剪裁是指材料吸收一个短波光子，发射多个长波光子的现象。1974年，Sommerdjik和Piper等人发现，利用紫外光激发YF3:Pr3+和NaYF4:Pr3+能够分别产生波长约为407nm和488nm两个可见光子，其量子效率约为140％，首次在实验中证实了可见光量子剪裁。1999年，Meijerink等在紫外光激发的Gd3+/Eu3+共掺体系中实现了两个610nm红色光子量子剪裁发射，其量子效率达190％。2013年，Labbé等人报道了一种Tb3+-Yb3+高效红外发射量子剪裁，实现了在高浓度Yb3+掺杂下的980nm红外发射，其量子效率达到197％。Zhang等人报道了一种宽谱带三光子近红外量子剪裁材料，其采用Tm3+单掺杂的YVO4基质，实现了高效的三光子发射，其量子效率大于200％。目前，可实现的量子剪裁方式主要包括：离子对可见光的量子剪裁、稀土离子共掺杂合作下转换近红外光的量子剪裁、级联发射近红外光量子剪裁。
每个日盲紫外光子具有至少两倍于可见光子的能量，理论上量子剪裁荧光玻璃每吸收1个日盲紫外光子可受激辐射出2-3个可见或者近红外光子(具体辐射光子的波长由入射光的波长和量子剪裁荧光玻璃的发射波长决定)，实现量子效率大于1。即在保持日盲紫外光源功率不变的前提下，经过量子剪裁作用，到达探测端的光子数可以提高至原来2-3倍。
发明内容
发明目的：本发明提供一种日盲紫外光探测装置，该装置探测波长可控，噪声低，在同样的光照条件下能够输出更大的响应输出电流，探测灵敏度高。
技术方案：一种日盲紫外光探测装置，包括滤波片、宽视野采集器、量子剪裁荧光玻璃、积分球以及光电倍增管；滤波片设置在宽视野采集器表面的入口处，对待探测光进行去噪，滤除所要探测波长范围以外的其他波长的光，防止非探测波长的光进入宽视野采集器对信号探测造成影响；宽视野采集器与积分球入射窗口耦合；量子剪裁荧光玻璃设置于积分球内部，量子剪裁荧光玻璃的边缘与积分球内表面完全贴合，积分球的出射窗口与光电倍增管的探测窗口连接；待探测光通过滤波片进入积分球并至少经过量子剪裁荧光玻璃一次后从积分球出射窗口射出。
工作原理：积分球内的量子剪裁荧光玻璃将所要探测的日盲紫外光转换成其他波长的光，实现光子数倍增功能。波长转换后的光经积分球的汇聚至光电倍增管进行光电转换。具体地，量子剪裁荧光玻璃每吸收1个日盲紫外光子，可以发射出2-3个长波光子，且调整量子剪裁荧光玻璃制备配方可改变发射出的光子的波长范围，一般是600nm-1100nm。受激辐射的长波光子在积分球内经过多次反射后汇聚至光电倍增管中。光电倍增管属于有源探测器件，其输出电流与接收的光子数成正比，且对可见光波段或者红外光波段响应灵敏度远高于对紫外波段，这样则可以成倍的提高系统接收端的响应输出电流。相同光照情况下，日盲紫外光探测装置的输出电流可提高至仅使用光电倍增管进行探测时的4-20倍。
有益效果：1、本发明使用滤光片滤除噪声光，根据目标探测光波长范围选择合适的滤光片，控制透过波长带宽，可以提高探测的准确度；
2、本发明采用量子剪裁荧光玻璃来实现光子数的倍增，同时又完成了目标探测光的波长转换；量子剪裁荧光玻璃的技术已经较为成熟，且制作简单、价格低廉，将其和光电倍增管结合来进行日盲紫外光探测，相得益彰。因此，本发明简单易实现，具有较大的经济价值；
3、本发明采用光电倍增管进行光电转换，既保留了其暗电流低、响应速度快的优势，又结合其输出电流和光子数成正比的关系，充分利用其对可见或红外光的响应灵敏度远高于日盲紫外光的特性，成倍地提高了对日盲紫外光的探测灵敏度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是实施例中所采用的量子剪裁荧光玻璃的受激辐射光谱图；
图3是光电倍增管的工作原理示意图；
图4是光电倍增管的响应电流与波长的关系曲线图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种日盲紫外光探测装置，在宽视野采集器2前端入射窗口处设有滤波片1，宽视野采集器2后端连接积分球4的入射光窗口；在积分球4的内部放置量子剪裁荧光玻璃3，量子剪裁荧光玻璃3两侧分别对应积分球4的入射窗口和出射窗口，量子剪裁荧光玻璃3的边缘与积分球4内表面完全贴合，积分球4的出射窗口和光电倍增管5的探测窗口紧紧相连。
本发明的滤波片1要滤除非探测波长区域的所有光，仅保留所要探测波长范围内的光，也就是可以调整滤波片1的透过波长范围来限制探测波长范围，但滤波片的透过波长范围应包含在日盲紫外光波长范围内，即200-280nm。由于带通滤波片的透过率较低，且自然界中波长低于200nm以下的光极少存在，可采用低通滤波片来代替，如截止波长为280nm的低通滤波片，从而可提高滤波片1的透过率。
量子剪裁荧光玻璃3置于积分球内部。经滤波片滤噪后的光经宽视野采集器2采集进积分球4内部，量子剪裁荧光玻璃3吸收日盲紫外LED灯8发出的日盲紫外光，受激发射出长波长的光，实现对所要探测光的波长转换的功能，且由于量子剪裁作用，量子效率大于100％，光子数成倍增加。通过调整量子剪裁荧光玻璃制作配方可改变其受激发射光的波长，受激发射光可以是单色、双色或者三色光，受激辐射光谱功率曲线的主峰值一般位于600nm-1100nm之间。本实施例中选用基质为氟磷酸盐的量子剪裁荧光玻璃3，其受激发射光为单色光且受激发射光谱功率曲线的峰值在609nm处，其受激辐射光谱如图2中Ex1曲线所示。切割、打磨荧光玻璃使其尺寸可卡在积分球4内部。
如图1所示，日盲紫外LED灯8发出的日盲紫外光穿过截止波长为280nm的低通滤波片1并经过宽视野采集器2后进入积分球内，量子剪裁荧光玻璃3的边缘与积分球4内壁紧贴，量子剪裁荧光玻璃3吸收日盲紫外LED灯8发出的日盲紫外光，受激发射出长波长的光，实现对所要探测光的波长转换的功能；受激辐射的长波光子在积分球内经过多次漫反射后汇聚至光电倍增管5中，光电倍增管5的响应曲线如图4所示，将光电倍增管5放置于积分球4出射窗口，其探测窗口与积分球出射窗口外表面贴近。光电倍增管5的输出管脚与探测装置的输出管脚6、7相连。光电倍增管5将接收到的光转换成电，并从探测装置输出管脚6、7输出响应电流。
对上述日盲紫外光探测装置进行物理特性测试，当采用波长265nm、光功率为1mW的日盲紫外LED灯8作为紫外光源时，在探测装置输出管脚6、7输出的探测响应电流为28uA。而未采用本探测装置直接探测时，光电倍增管对265nm的探测响应电流为3uA。
实施例2
实施例2与实施例1不同之处在于，本实施例选用基质为硅酸盐的量子剪裁荧光玻璃3，其受激发射光为单色光且受激发射光谱功率曲线的峰值在640nm处，其受激辐射光谱如图2中Ex2曲线所示。实施例2其余特征均与实施例1相同。
如实施例1中所述，切割、打磨荧光玻璃，使其尺寸大小可卡在积分球4内部，且边缘与积分球4内表面贴合。将截止波长为280nm低通滤波片贴于积分球4入射窗口的外表面。响应曲线如图4所示的光电倍增管5放置于积分球4出射窗口，其探测窗口与积分球4出射窗口外表面贴近。
如图1所示，日盲紫外LED灯8发出的日盲紫外光穿过截止波长为280nm的低通滤波片1并经过宽视野采集器2后进入积分球内，量子剪裁荧光玻璃3的边缘与积分球4内壁紧贴，量子剪裁荧光玻璃3吸收日盲紫外LED灯8发出的日盲紫外光，受激发射出长波长的光，实现对所要探测光的波长转换的功能；受激辐射的长波光子在积分球内经过多次漫反射后汇聚至光电倍增管5中，光电倍增管5的响应曲线如图4所示，将光电倍增管5放置于积分球4出射窗口，其探测窗口与积分球出射窗口外表面贴近。光电倍增管5的输出管脚与探测装置的输出管脚6、7相连。光电倍增管5将接收到的光转换成电，并从探测装置输出管脚6、7输出响应电流。
对上述日盲紫外光探测装置进行物理特性测试，当采用波长265nm、光功率为1mW的LED作为紫外光源时，在探测装置输出管脚6、7输出的响应电流为31uA。而未采用本探测装置直接探测时，光电倍增管对265nm的探测响应电流为3uA。
Claims (7)
1.一种日盲紫外光探测装置，包括滤波片(1)、量子剪裁荧光玻璃(3)、积分球(4)以及光电倍增管(5)，其特征在于：所述滤波片(1)设置在积分球(4)入射窗口处，所述量子剪裁荧光玻璃(3)设置于积分球(4)内部，积分球(4)的出射窗口与光电倍增管(5)的探测窗口连接；待探测光通过滤波片(1)进入积分球(4)并至少经过量子剪裁荧光玻璃(3)一次后从积分球(4)出射窗口射出，进入光电倍增管(5)；光电倍增管(5)将接收到的光转换成电，并从装置输出管脚(6)、输出管脚(7)输出响应电流。
2.根据权利要求1所述的日盲紫外光探测装置，其特征在于：所述积分球(4)的入射窗口与宽视野采集器(2)耦合，滤波片(1)设置于宽视野采集器(2)表面入口处。
3.根据权利要求1所述的日盲紫外光探测装置，其特征在于：所述滤波片(1)为低通滤波片。
4.根据权利要求3所述的日盲紫外光探测装置，其特征在于：所述低通滤波片(1)截止波长为280nm。
5.根据权利要求1所述的日盲紫外光探测装置，其特征在于：所述量子剪裁荧光玻璃(3)的边缘与积分球(4)内表面完全贴合。
6.根据权利要求1或5所述的日盲紫外光探测装置，其特征在于：所述量子剪裁荧光玻璃(3)基质为氟磷酸盐。
7.根据权利要求1或5所述的日盲紫外光探测装置，其特征在于：所述量子剪裁荧光玻璃(3)基质为硅酸盐。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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