一万年太久，只争朝夕

激光光谱学离不开探测器。测量就是选择适当的探测器和测量方法，尽可能地提高信噪比（信号与噪声的比值）。信噪比越高，测量需要的时间就越短，外界对系统的影响也就越小。再说，人生苦短，还有很多事情要做，我们还是赶快把手头上的实验做完吧。

假设分光已经不是问题，接下来的就是选择探测器了。最常见的光探测器就是人的眼睛。我们用眼睛作为例子，说明探测器的选择原则。关于人眼的构造和视觉的机制，可以参看《费曼物理学讲义》第一卷第35章和第36章。

1、要确定探测器的响应区间。光谱的范围很宽，每种探测器只能覆盖其中很小的一段。比如说，人眼就只能看到可见光（400-760纳米）。太阳光经过棱镜以后，出现了红橙黄绿青蓝紫的彩色光带，在红光的外侧，你看不见什么东西，可是把温度计放在那里，就会发现温度计的温度升高了，这就是红外光的效果。必须根据自己的研究内容选择适当的探测器，比如红外探测器、紫外探测器、X射线探测器，等等。有时候你会遇到影像增强器，发现它先把光转化为电子、再把电子转化为光，这并不是因为设计者闲的没事干，而是因为没有适当的探测器可以探测初始阶段的光，只能采用这种迂回的方式。

2、确定探测器的响应曲线——对于响应区间里的不同波长，探测器的响应也是不一样的。比如说，人眼对绿光最敏感，对红光、紫光就有些差劲了。

3、确定探测器对特定波长的光的光强响应特性。这个响应最好是线性的，处理起来方便，如果不是线性的，更要做好定标了。既要知道探测器能够测量的最小光强（再小就无法和噪音区分了），也要知道探测器能够承受的最大光强（再大就要烧坏了）。人眼非常灵敏，能够探测接近于单光子的水平；人眼不是很皮实，对着太阳看就能被照瞎了（大家千万不要学牛顿，他没有被太阳照瞎完全是运气好）。人眼对光的响应就不是线性的，强光和弱光下的光谱响应曲线都不一样（白天和晚上的响应是不同的，因为人眼里有多种感光细胞，我们对光的感觉是各种响应混合的结果）。

4、确定探测器的时间响应特性，也就是说，探测器对光的反应时间$\tau$的大小。在这个方面，人眼就比较差劲，响应得太慢了，只有几十个毫秒，视觉暂留说的就是这件事。观测系统中比$\tau$更短的变化，都被探测器平均掉了。

5、确定探测器的一致性。有时候，你需要不止一个探测器，在相同的波长范围里探测。你当然希望这些探测器的表现都一样，尽可能的一样。人眼在这方面就比较差，人和人都不一样，普通人看到400-760纳米，可是有的人却能看到380-780纳米呢。就是同一个人，你的左眼和右眼也不一样，就是同一只眼睛，今天和明天的表现也还依赖于你的心情和身体状况呢。当然，现在的半导体光电探测器的一致性都是很好的。

6、确定探测器的噪音特性。简单地说，就是不用光照的时候，探测器的响应有多大。如果在漆黑的夜晚，别人都是啥也看不到，而你却能看到闪闪发光的大佛，那么你就不太适合做光学实验了。

最后一点，就是价格。只有你有钱，总是可以买到更好的探测器，但是根据自己的研究内容和研究目标进行适当的规划、量入而出，总是好的。当然，一味地省钱，万事都自己动手、丰衣足食，也不适合现在这个全面分工、各专一门的社会。

选择好探测器，我们再谈谈探测的方法。说起来就一句话，增大信号、减小噪音，尽可能地提高信噪比。做起来就痛苦多了，我们只能是讲讲简单的原则。

首先要尽可能低增大信号。比如说，用光照射物体，可以让它的温度升高，这就是把光转化为热效应。为了尽可能增大探测器的温度变化，你就要选用比热容小的材料、让它尽可能的黑（增大吸收率）、体积做得尽可能的小（减小物质的量）。为了测量方便，也许还要选用半导体材料，这样就可以把温度的变化（不容易测量）变成电阻的变化（容易测量）。

如果光产生的效应还是太弱，那么你就要考虑是不是有什么方法让初级效应产生一些二级效应、三级效应等等。比如说雪崩二极管，就是利用大电场加速半导体中光生的电子和空穴，让它们撞击产生更多的电子和空穴，新生的电子和空穴又继续加速产生更多的电子和空穴，这样就可以让信号变得很大（光电倍增管的原理也是类似的）。一生二、二生三、三生万物。

如果你的信号碰巧比较大，探测器的噪音水平比较低，也就是说，信噪比达到你的要求了，那么直接测量就可以了。如果信噪比离你的要求还差一些，一种简单的方法是延长测量时间。因为信号的增加是正比于时间的，而噪音的增加跟时间的平方根成正比（著名的醉汉行走问题），所以信噪比也就正比于测量时间的平方根。这种方法需要假定被观测的系统不会随时间发生变化。

一种常见的提高信噪比的方法是差分测量。选用两个（尽可能）相同的探测器，一个用光照，一个不照光，把二者的输出相减，就可以了。这是空间差分。采用同一个探测器，一会让光照它，一会挡住光，把这两种情况下的输出相减，也就可以了。这是时间差分。

上面讲的都是单个的探测器。随着半导体加工工艺的发展，现在可以制作大批量的、性能一致的探测器阵列，这就是我们通常说的线阵探测器（几百个探测器排列在一条线上）和阵列探测器（成千上万个探测器排列成一个面）。手机里的照相机就是这样的阵列探测器，几千行、几千列相同的半导体元件集成在一起，就构成了我们通常所说的一千万像素的CCD（或者CMOS）探测器。科学研究利用的探测器跟手机上的差不多，只是性能要好得多（主要体现在噪音水平很低），价格也要贵得多。

有了探测器阵列，就可以把很多原来必须串行操作的测量工作转变为可以并行操作的事情。用分光仪把不同波长的光照射到不同的空间位置上，阵列探测器就可以同时测量不同的波长了（如果有必要还可以做各种差分测量）。这样就大大提高了测量的效率。

现在你要干的事情，就是根据你的研究内容和研究目标，选择适当的探测器和测量方法了。最后再提醒一句，一定要记得适可而止，千万不能超出你能够掌控的资源，甚至时间也是重要的资源——毕竟你还是希望能按期毕业的吧。