Ένας σωλήνας φωτοπολλαπλασιαστή χρησιμοποιεί δύο επιστημονικές αρχές για να ενισχύσει την επίδραση ενός μόνο προσπίπτοντος φωτονίου. Κατασκευάζονται σε πολλές διαφορετικές διαμορφώσεις φωτοευαίσθητων υλικών και γωνιών προσπίπτοντος φωτός για την επίτευξη υψηλού κέρδους και χαμηλής απόκρισης θορύβου στο εύρος λειτουργίας των υπεριωδών, ορατών και εγγύς υπέρυθρων συχνοτήτων. Οι λυχνίες φωτοπολλαπλασιαστή που αναπτύχθηκαν αρχικά ως μια τηλεοπτική κάμερα με μεγαλύτερη απόκριση, βρίσκονται τώρα σε πολλές εφαρμογές.
Με την εφεύρεση των ημιαγωγών, οι σωλήνες κενού έχουν εξαλειφθεί σε μεγάλο βαθμό από τη βιομηχανία ηλεκτρονικών, με εξαίρεση τον σωλήνα φωτοπολλαπλασιαστή. Σε αυτή τη συσκευή, ένα μόνο φωτόνιο περνά μέσα από ένα παράθυρο ή μια πλάκα πρόσοψης και προσκρούει σε μια φωτοκάθοδο, ένα ηλεκτρόδιο κατασκευασμένο από φωτοηλεκτρικό υλικό. Αυτό το υλικό απορροφά την ενέργεια του φωτονίου φωτός σε συγκεκριμένες συχνότητες και εκπέμπει ηλεκτρόνια με αποτέλεσμα να ονομάζεται φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.
Τα αποτελέσματα αυτών των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων ενισχύονται με τη χρήση της αρχής της δευτερογενούς εκπομπής. Τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από τη φωτοκάθοδο εστιάζονται στην πρώτη από μια σειρά πλακών πολλαπλασιαστή ηλεκτρονίων που ονομάζονται δύνοδοι. Σε κάθε δύναμο, τα εισερχόμενα ηλεκτρόνια προκαλούν την εκπομπή επιπλέον ηλεκτρονίων. Εμφανίζεται ένα φαινόμενο καταρράκτη και το προσπίπτον φωτόνιο έχει ενισχυθεί ή ανιχνευθεί. Ως εκ τούτου, η βάση για το όνομα «φωτοπολλαπλασιαστής», το πολύ μικρό σήμα ενός μόνο φωτονίου ενισχύεται σε σημείο που είναι εύκολα ανιχνεύσιμο από τη ροή του ρεύματος από τον σωλήνα φωτοπολλαπλασιαστή.
Οι φασματικές αποκρίσεις του σωλήνα φωτοπολλαπλασιαστή οφείλονται κυρίως σε δύο σχεδιαστικά στοιχεία. Ο τύπος του παραθύρου καθορίζει ποια φωτόνια μπορούν να περάσουν στη συσκευή. Το υλικό της φωτοκαθόδου καθορίζει την απόκριση στο φωτόνιο. Άλλες παραλλαγές στο σχέδιο περιλαμβάνουν παράθυρα τοποθετημένα στο άκρο του σωλήνα ή πλευρικά παράθυρα όπου το ρεύμα φωτονίων αναπηδά από τη φωτοκάθοδο. Καθώς το κέρδος ή η ενίσχυση περιορίζεται από τη διαδικασία δευτερογενούς εκπομπής και δεν αυξάνεται με την αυξημένη τάση επιτάχυνσης, αναπτύχθηκαν φωτοπολλαπλασιαστές πολλαπλών σταδίων.
Η απόκριση της φωτοκάθοδος εξαρτάται από τη συχνότητα του προσπίπτοντος φωτονίου και όχι από τον αριθμό των φωτονίων που λαμβάνονται. Εάν ο αριθμός των φωτονίων αυξάνεται, το ηλεκτρικό ρεύμα που δημιουργείται αυξάνεται, αλλά η συχνότητα των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων είναι σταθερή για οποιονδήποτε συνδυασμό παραθύρου-φωτοκάθοδος, αποτέλεσμα που ο Albert Einstein χρησιμοποίησε ως απόδειξη της σωματιδιακής φύσης του φωτός.
Το κέρδος ενός σωλήνα φωτοπολλαπλασιαστή κυμαίνεται έως και 100 εκατομμύρια φορές. Αυτή η ιδιότητα, μαζί με το χαμηλό θόρυβο ή το αδικαιολόγητο σήμα, καθιστά αυτούς τους σωλήνες κενού απαραίτητους για την ανίχνευση πολύ μικρού αριθμού φωτονίων. Αυτή η ικανότητα ανίχνευσης είναι χρήσιμη στην αστρονομία, τη νυχτερινή όραση, την ιατρική απεικόνιση και άλλες χρήσεις. Χρησιμοποιούνται εκδόσεις ημιαγωγών, αλλά ο φωτοπολλαπλασιαστής σωλήνων κενού είναι πιο κατάλληλος για την ανίχνευση φωτονίων φωτός που δεν ευθυγραμμίζονται, πράγμα που σημαίνει ότι οι ακτίνες φωτός δεν ταξιδεύουν σε παράλληλες διαδρομές μεταξύ τους.
Οι φωτοπολλαπλασιαστές αναπτύχθηκαν αρχικά ως τηλεοπτικές κάμερες, οι οποίες επέτρεψαν στην τηλεοπτική μετάδοση να προχωρήσει πέρα από τις λήψεις στούντιο με έντονο φως σε πιο φυσικές ρυθμίσεις ή επιτόπια αναφορά. Ενώ έχουν αντικατασταθεί με συσκευές σύζευξης φόρτισης (CCD) σε αυτήν την εφαρμογή, οι σωλήνες φωτοπολλαπλασιαστή εξακολουθούν να προσδιορίζονται ευρέως. Μεγάλο μέρος των εργασιών ανάπτυξης στον σωλήνα φωτοπολλαπλασιαστή πραγματοποιήθηκε από την RCA σε εγκαταστάσεις στις Ηνωμένες Πολιτείες και την πρώην Σοβιετική Ένωση στο δεύτερο μισό του 20ού αιώνα. Στις πρώτες δεκαετίες του 21ου αιώνα, οι περισσότεροι από τους σωλήνες φωτοπολλαπλασιαστή στον κόσμο κατασκευάζονται από μια ιαπωνική εταιρεία, τη Hamamatsu Photonics.