弱光探测器中复合抛物面聚光镜(CPC)的优化设计

　　0　引　言

　　弱光探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、量子密钥分发系统等领域有着广泛地应用。随着科研和工业的发展,许多应用场合现有弱光探测器已不能够完全满足应用需求。因此,需要研制具有高量子效率、高光电增益、低暗背景记数、大探测面积、较快的时间响应特性、良好的抗磁场能力的弱光探测器[1]。

　　光电倍增管(Photoelectronic multiplier tube,PMT)是一种理想的弱光信号探测器,已成为超高灵敏度光检测设备中的关键部件。近年来通过不断地设计改进,性能不断提高,占据了高灵敏度光探测器市场的大部分份额[2]。

　　光电倍增管常用的透射式光阴极量子效率约10%~20%左右,虽然Ⅲ-Ⅴ族半导体透射式光阴极的量子效率可以达到40%,但寿命相对较短,真空要求苛刻,制造成本较高。反射式光电阴极的量子效率是透射式光电阴极的两倍左右,且制作工艺相对简单,因此传统光电倍增管一般采用反射式光电阴极提高量子效率[3]。但是,常见的反射式光电倍增管采用侧窗结构,存在光接收角小、光电响应一致性差等不足,迄今为止,很大程度上限制了它的应用。另外,通常PMT中阴极大小与光输入口径相等,为了增大光电倍增管的探测面积,必须增大阴极面积,但是大的光电阴极必然带来大的热噪声和暗电流,影响探测阈值。

　　因此,针对上述问题,本文将太阳能中常见的复合抛物面聚光镜(CPC)引入到PMT中,设计并研制了一种新型的光电倍增管,该器件具有高量子效率,单光子分辨率,快速时间响应特性,大角度、大面积接收等特性。

　　拟将复合抛物面聚光镜与电子光学聚焦系统合二为一。复合抛物面聚光镜可以高效率地将入射光反射并会聚至光电阴极上,同时聚光镜又作为聚焦电极,保证阴极发射的光电子经过加速和聚焦后被光电子倍增部件接收。基于这样的结构设计,可以实现尽可能大的光输入窗和尽可能小的光电阴极,因此在获得足够光通量的同时,减小了阴极噪声和光电子的渡越时间弥散。因此,在同样大的光接收面积下,阴极量子效率、阴极噪声、电子收集率和时间特性等都会得到显著的改善。

　　本文主要讨论近似复合抛物面聚光镜结构的设计,在标准CPC的基础上,对其结构进行优化设计,以更好的满足本课题的需要。

　　1　CPC原理与一般设计方法

　　近30年来,由于太阳能和高能物理领域研究的需要,兴起了一门新的光学分支学科———非成像光学[4],主要应用于高能物理、光纤通信、太阳能、照明、激光器等领域,并已实际应用于太阳能集热器中[5,6]。