光電探測(cè)器光譜響應(yīng)度和響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量劉1

1、光電探測(cè)器光譜響應(yīng)度的測(cè)量光譜響應(yīng)度是光電探測(cè)器的基本性能之一，它表征了光電探測(cè)器對(duì)不同波長(zhǎng)入射輻射的響應(yīng)。通常熱探測(cè)器的光譜響應(yīng)比較平坦，而光子探測(cè)器的光譜響應(yīng)卻具有明顯的選擇性。一般情況下，以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，以探測(cè)器接受到的等能量單色輻射所產(chǎn)生的電信號(hào)的相對(duì)大小為縱坐標(biāo)，繪出光電探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線。典型的光子探測(cè)器和熱探測(cè)器的光譜響應(yīng)曲線如圖11所示。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）加深對(duì)光譜響應(yīng)概念的理解；（2）掌握光譜響應(yīng)的測(cè)試方法；（3）熟悉熱釋電探測(cè)器和硅光電二極管的使用。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）用熱釋電探測(cè)器測(cè)量鎢絲燈的光譜輻射特性曲線；（2）用比較法測(cè)量硅光電二極管的光譜響應(yīng)曲線。三、 基

2、本原理光譜響應(yīng)度是光電探測(cè)器對(duì)單色入射輻射的響應(yīng)能力。電壓光譜響應(yīng)度定義為在波長(zhǎng)為的單位入射輻射功率的照射下，光電探測(cè)器輸出的信號(hào)電壓，用公式表示，則為 （11）而光電探測(cè)器在波長(zhǎng)為的單位入射輻射功率的作用下，其所輸出的光電流叫做探測(cè)器的電流光譜響應(yīng)度，用下式表示 （12）式中， P()為波長(zhǎng)為時(shí)的入射光功率；V()為光電探測(cè)器在入射光功率P()作用下的輸出信號(hào)電壓；I()則為輸出用電流表示的輸出信號(hào)電流。為簡(jiǎn)寫(xiě)起見(jiàn)，和均可以用表示。但在具體計(jì)算時(shí)應(yīng)區(qū)分和，顯然，二者具有不同的單位。通常，測(cè)量光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)多用單色儀對(duì)輻射源的輻射功率進(jìn)行分光來(lái)得到不同波長(zhǎng)的單色輻射，然后測(cè)量在各種波長(zhǎng)輻

3、射照射下光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)V()。然而由于實(shí)際光源的輻射功率是波長(zhǎng)的函數(shù)，因此在相對(duì)測(cè)量中要確定單色輻射功率P()需要利用參考探測(cè)器（基準(zhǔn)探測(cè)器）。即使用一個(gè)光譜響應(yīng)度為的探測(cè)器為基準(zhǔn)，用同一波長(zhǎng)的單色輻射分別照射待測(cè)探測(cè)器和基準(zhǔn)探測(cè)器。由參考探測(cè)器的電信號(hào)輸出（例如為電壓信號(hào)）可得單色輻射功率，再通過(guò)（11）式計(jì)算即可得到待測(cè)探測(cè)器的光譜響應(yīng)度。本實(shí)驗(yàn)采用圖12所示的實(shí)驗(yàn)裝置。用單色儀對(duì)鎢絲燈輻射進(jìn)行分光，得到單色光功率P()。圖12 光譜響應(yīng)測(cè)試裝置圖這里用響應(yīng)度和波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的熱釋電探測(cè)器作參考探測(cè)器，測(cè)得P()入射時(shí)的輸出電壓為。若用表示熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)度，則顯然有 （13）這里Kf

4、為熱釋電探測(cè)器前放和主放放大倍數(shù)的乘積，即總的放大倍數(shù)。在本實(shí)驗(yàn)中，為熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)度，實(shí)驗(yàn)中在所用的25Hz調(diào)制頻率下，。然后在相同的光功率P()下，用硅光電二極管測(cè)量相應(yīng)的單色光，得到輸出電壓，從而得到光電二極管的光譜響應(yīng)度式中Kb為硅光電二極管測(cè)量時(shí)總的放大倍數(shù)，這里Kb=150×300。四、 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置示于圖12。用鎢絲燈作光源，用直流穩(wěn)壓電源對(duì)鎢絲燈供電，光源發(fā)出的光由聚光鏡會(huì)聚于單色儀的入射狹縫上，并在狹縫前用同步電機(jī)帶動(dòng)的調(diào)制盤(pán)對(duì)入射光束進(jìn)行調(diào)制。光柵單色儀把入射光分解成單色光并從出射狹縫射出。轉(zhuǎn)動(dòng)單色儀的波長(zhǎng)手輪可以改變出射光的波長(zhǎng)（參見(jiàn)圖13）。在出射狹縫

5、后分別用熱釋電探測(cè)器和硅光電二極管進(jìn)行測(cè)量，所得光電信號(hào)經(jīng)放大后由毫伏表指示。下面簡(jiǎn)要介紹實(shí)驗(yàn)裝置的各個(gè)部分。1WD30光柵單色儀的光學(xué)系統(tǒng) 圖13是單色儀光學(xué)系統(tǒng)的示意圖，聚光鏡把光源發(fā)出的光會(huì)聚于單色儀入射狹縫S1上，光束經(jīng)狹縫B1射向球面反射鏡M1。由于S1位于M1的焦面上，因此，經(jīng)球面鏡M1反射后的光束為平行光束。平行光束經(jīng)平面光柵G分光后，不同的波長(zhǎng)以不同的入射角投向球面反射鏡M2。球面反射鏡M2把分光后的光聚在焦面上，形成波長(zhǎng)不同的一系列光譜線。出射狹縫S2位于球面鏡M2的聚焦面上。把狹縫S1和S2開(kāi)得很窄，測(cè)量時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使光柵轉(zhuǎn)動(dòng)，在出射狹縫S2處就會(huì)得到各個(gè)光譜分量得輸出。輸出

6、光的波長(zhǎng)可在手輪計(jì)數(shù)器上讀出。儀器備有四塊光柵，分別對(duì)應(yīng)著可見(jiàn)光和紅外區(qū)四個(gè)光譜段。本實(shí)驗(yàn)采用第二塊光柵（1200線mm），此時(shí)的輸出波長(zhǎng)為手輪計(jì)數(shù)器讀數(shù)的二倍（單位：Å，1 Å0.1nm）。2熱釋電探測(cè)器 本實(shí)驗(yàn)所用的熱釋電探測(cè)器是鉭酸鋰熱釋電器件，前置放大器與探測(cè)器裝在同一屏蔽殼里。前放工作時(shí)需要正12V電壓。為減小噪聲，用干電池供電。圖14示出了熱釋電探測(cè)器的典型調(diào)制特性。3硅光電二極管 硅光電二極管為待測(cè)器件，它的前置放大器與它裝在同一屏蔽殼中，所需正12V電壓由選頻放大器提供。前置放大器的放大倍數(shù)為200。圖14 熱釋電探測(cè)器的典型調(diào)制特性 圖15 選頻放大器的頻

7、率特性4選頻放大器 由于分光后的光譜輻射功率很小，雖然熱釋電探測(cè)器和光電二極管都帶有前置放大器，但仍需接選頻放大器放大。選頻放大器的頻率特性如圖15所示。其中心頻率f0與調(diào)制頻率一致（這里為25Hz），放大倍數(shù)為300。5鎢絲燈的電源電壓在06V可調(diào)6調(diào)制盤(pán)的電機(jī)使用220V電壓。五、 實(shí)驗(yàn)步驟(1)打開(kāi)光源開(kāi)關(guān)，調(diào)整光源位置，使燈絲通過(guò)聚光鏡成像在單色儀入射狹縫S1上，S1的縫寬調(diào)整在0.2mm。把出射狹縫S2開(kāi)到1mm左右，人眼通過(guò)S2能看到與波長(zhǎng)讀數(shù)相應(yīng)的光，然后逐漸關(guān)小S2，最后開(kāi)到S20.2mm。 注意：狹縫開(kāi)大時(shí)不能超過(guò)3mm，關(guān)小時(shí)不能超過(guò)零位，否則將損壞儀器?。?）在光路中靠近

8、S1的位置放入調(diào)制器，并接通電機(jī)電源。（3）把熱釋電器件光敏面對(duì)準(zhǔn)出射狹縫S2，并連接好放大器和毫伏表，然后為探測(cè)器加上電池電壓+12V。（4）轉(zhuǎn)動(dòng)光譜手輪，記下探測(cè)器的入射波長(zhǎng)及毫伏表上相應(yīng)波長(zhǎng)的輸出電壓值，并填入表11。（5）用光電二極管換下熱釋電器件，給光電二極管加上+12V電壓，重復(fù)步驟4，將數(shù)據(jù)記入表11。表11 光譜響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)入射光波長(zhǎng)用熱釋電時(shí)毫伏表輸出硅光電二極管經(jīng)放大后輸出光譜功率P()響應(yīng)度0. 51. 2六、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告（1）畫(huà)出光源的光譜輻射分布曲線；（2）畫(huà)出硅光電二極管的光譜響應(yīng)曲線；（3）分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并確定硅光電二極管的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)和截止波長(zhǎng)。七、 思考題（

9、1）單色儀入射狹縫和出射狹縫的寬度分別控制著哪些物理量？測(cè)量時(shí)開(kāi)大些好還是開(kāi)小些好？（2）如果在測(cè)量過(guò)程中，用熱釋電器件和光電二極管測(cè)量時(shí)，二者光源光強(qiáng)度不一致是否仍能保證結(jié)果的正確性？如果二者的調(diào)制頻率不同呢？（3）在測(cè)量光譜響應(yīng)度時(shí)，如果實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有參考（基準(zhǔn)）探測(cè)器，能否想辦法測(cè)得？（4）如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置？提高測(cè)量精度和速度？光電探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間的測(cè)定通常，光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)都要在時(shí)間上落后于作用在其上的光信號(hào)，即光電探測(cè)器的輸出相對(duì)于輸入的光信號(hào)要發(fā)生沿時(shí)間的擴(kuò)展。擴(kuò)展的程序可由響應(yīng)時(shí)間來(lái)描述。光電探測(cè)器的這種響應(yīng)落后于作用信號(hào)的特性稱(chēng)為惰性。由于惰性的存在，會(huì)使先后作用的信號(hào)在輸出端

10、相互交疊，從而降低了信號(hào)的調(diào)制度。如果探測(cè)器觀測(cè)的是隨時(shí)間快速變化的物理量，則由于惰性的影響會(huì)造成輸出嚴(yán)重畸變。因此，深入了解探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)特性是十分必要的。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 了解光電探測(cè)器的響應(yīng)度不僅與信號(hào)光的波長(zhǎng)有關(guān)，而且與信號(hào)光的調(diào)制頻率有關(guān)；（2） 掌握發(fā)光二極管的電流調(diào)制法；（3） 熟悉測(cè)量探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間地方法。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1） 用探測(cè)器的脈沖響應(yīng)特性測(cè)量響應(yīng)時(shí)間；（2） 利用探測(cè)器的幅頻特性確定期響應(yīng)時(shí)間。三、 基本原理表示時(shí)間特性的方法主要有兩種，一種是脈沖響應(yīng)特性法，另一種是幅頻特性法。1脈沖響應(yīng) 響應(yīng)落后于作用信號(hào)的現(xiàn)象稱(chēng)為弛豫。對(duì)于信號(hào)開(kāi)始作用時(shí)的弛豫稱(chēng)為上升弛豫

11、和起始弛豫；信號(hào)停止作用時(shí)的弛豫稱(chēng)為衰減弛豫。弛豫時(shí)間的具體定義如下：如用階躍信號(hào)作用于器件，則起始弛豫定義為探測(cè)器的響應(yīng)從零上升為穩(wěn)定值得（11/e）（即63）時(shí)所需的時(shí)間；衰減弛豫定義為信號(hào)撤去后，探測(cè)器的響應(yīng)下降到穩(wěn)定值得1/e（即37%）所需的時(shí)間。這類(lèi)探測(cè)器有光電池、光min電阻及熱電探測(cè)器等。另一種定義弛豫時(shí)間的方法是：起始弛豫為響應(yīng)值從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所用的時(shí)間。這種定義多用于響應(yīng)速度很快的器件，如光電二極管、血崩發(fā)光二極管和光電倍增管等。若光電探測(cè)器在單位階躍信號(hào)作用下的起始階躍響應(yīng)函數(shù)為,衰減響應(yīng)函數(shù)為，則根據(jù)第一種定義，起始弛豫時(shí)間為1，衰減弛豫時(shí)間為2。此外，如

12、果測(cè)出了光電探測(cè)器的單位沖激響應(yīng)函數(shù)，則可直接用其半值寬度來(lái)表示時(shí)間特性。為了得到具有單位沖激函數(shù)形式的信號(hào)光源，即函數(shù)光源，可以采用脈沖式發(fā)光二極管、鎖模激光器以及火花源等光源來(lái)近似。在通常測(cè)試中，更方便的是采用具有單位階躍函數(shù)形式亮度分布的光源。從而得到單位階躍響應(yīng)函數(shù)，進(jìn)而確定響應(yīng)時(shí)間。2.幅頻特性 由于光電探測(cè)器惰性的存在，使得其響應(yīng)度不僅與入射輻射的波長(zhǎng)有關(guān)，而且還是入射輻射調(diào)制頻率的函數(shù)。這種函數(shù)關(guān)系還與入射光強(qiáng)信號(hào)的波形有關(guān)。通常定義光電探測(cè)器對(duì)正弦光信號(hào)的響應(yīng)幅值同調(diào)制頻率間的關(guān)系為它的幅頻特性。許多光電探測(cè)器的幅頻特性具有如下形式。 （21）式中，表示歸一化后的幅頻特性；為調(diào)

13、制圓頻率；f為調(diào)制頻率；為響應(yīng)時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)中可以測(cè)得探測(cè)器的輸出電壓為 （22）式中為探測(cè)器在入射光調(diào)制頻率為零時(shí)的輸出電壓。這樣，如果測(cè)得調(diào)制頻率為f1時(shí)的輸出信號(hào)電壓V1和調(diào)制頻率f2時(shí)的輸出信號(hào)電壓V2，就可由下式確定響應(yīng)時(shí)間 （23）為減小誤差，V1與V2的取值應(yīng)相差10以上。由于許多光電探測(cè)器的幅頻特性都可由式（21）描述，人們?yōu)榱烁奖愕乇硎具@種特性，引出截止頻率。它的定義是當(dāng)輸出信號(hào)功率降至超低頻一半時(shí)，即信號(hào)電壓降至超低頻信號(hào)電壓的70.7時(shí)的調(diào)制頻率。故頻率點(diǎn)又稱(chēng)為三分貝點(diǎn)或拐點(diǎn)。由式（21）可知 （24）實(shí)際上，用截止頻率描述時(shí)間特性是由式（21）定義的參數(shù)的另一種形式。在

14、實(shí)際測(cè)量中，對(duì)入射輻射調(diào)制的方法可以是內(nèi)調(diào)制，也可以是外調(diào)制。外調(diào)制是用機(jī)械調(diào)制盤(pán)在光源外進(jìn)行調(diào)制，因這種方法在使用時(shí)需要采取穩(wěn)頻措施，而且很難達(dá)到很高的調(diào)制頻率，因此不適用于響應(yīng)速度很快的光子探測(cè)器，所以具有很大的局限性。內(nèi)調(diào)制通常采用快速響應(yīng)的電致發(fā)光元件作輻射源。采用電調(diào)制的方法可以克服機(jī)械調(diào)制的不足，得到穩(wěn)定度高的快速調(diào)制。四、 實(shí)驗(yàn)儀器光電探測(cè)器時(shí)間常數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)箱：20M雙蹤示波器；毫伏表。在光電探測(cè)器時(shí)間常數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)箱中，提供了需測(cè)試兩個(gè)光電器件：峰值波長(zhǎng)為900nm的光電二級(jí)管和可見(jiàn)光波段的光敏電阻。所需的光源分別由峰值波長(zhǎng)為900nm的紅外發(fā)光管和可見(jiàn)光（紅）發(fā)光管來(lái)提供。光電

15、二極管的偏壓與負(fù)載都是可調(diào)的，偏壓分5V、10V、15V三檔，負(fù)載分100歐姆、1k歐姆、10k歐姆、50k歐姆和100k歐姆五檔。根據(jù)需要，光源的驅(qū)動(dòng)電源有脈沖和正弦波兩種，并且頻率可調(diào)。下面簡(jiǎn)要介紹CS1022型示波器的外觸發(fā)方式。1外觸發(fā)同步工作方式 當(dāng)示波器的觸發(fā)源選擇ext檔時(shí)，CS1022型示波器右下角的外觸發(fā)輸入插座上的輸入信號(hào)成為觸發(fā)信號(hào)。在很多應(yīng)用方面，外觸發(fā)同步更為適用與波形觀測(cè)。這樣可以獲得精確的觸發(fā)與饋送到輸入插座CH1和CH2的信號(hào)無(wú)關(guān)。因此，即使當(dāng)輸入信號(hào)變化時(shí)，也不需要再進(jìn)一步觸發(fā)。210到90的上升響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試（1）將信號(hào)加到CH1輸入插座，置垂直方式于CH1

16、。用和微調(diào)旋鈕將波形峰峰值調(diào)到6div。（2）用位移旋鈕和其它旋鈕調(diào)節(jié)波形，使其顯示在屏幕垂直中心。將t / div開(kāi)關(guān)調(diào)到盡可能快速的檔位，能同時(shí)觀測(cè)10和90兩個(gè)點(diǎn)。將微調(diào)置于校準(zhǔn)檔。（3）用位移旋鈕調(diào)節(jié)10點(diǎn)，使之與垂直刻度線重合，測(cè)量波形上10和90點(diǎn)之間的距離（div）。將該值乘以t / div，如果用“×10擴(kuò)展”方式，再乘以1/10。請(qǐng)正確使用10，90線。在CS1022型示波器上，每個(gè)0、10、90和100測(cè)量點(diǎn)都標(biāo)記在示波管屏幕上。使用公式：上升響應(yīng)時(shí)間水平距離（div）×t / div檔位ד×10擴(kuò)展”的倒數(shù)（1/10）?！九e例】例

17、如，水平距離為4div，t / div是2s（見(jiàn)圖22）。代入給定值：上升響應(yīng)時(shí)間4.0（div）×2s =8s 五、 實(shí)驗(yàn)步驟1用脈沖法測(cè)量光電二極管的響應(yīng)時(shí)間（1）首先要將本實(shí)驗(yàn)箱面板上“偏壓”檔和“負(fù)載”分別選通一組。（2）將“波形選擇”開(kāi)關(guān)撥至脈沖檔，“探測(cè)器選擇”開(kāi)關(guān)撥至光電二極管檔，此時(shí)由“輸入波形”的二極管處應(yīng)可觀測(cè)到方波，由“輸出”處引出的輸出線（紅線）即可得到光電二級(jí)管的輸出波形，其頻率可通過(guò)“頻率調(diào)節(jié)”處的方波旋鈕來(lái)調(diào)節(jié)。（3）調(diào)節(jié)示波器的掃描時(shí)間和觸發(fā)同步，使光電二極管對(duì)光脈沖的響應(yīng)在示波器上得到清晰的顯示。（4）選定負(fù)載為10k，改變其偏壓。觀察并記錄在零偏（

18、不選偏壓即可）及不同反偏下光電二極管的響應(yīng)時(shí)間，并填入表21。表21 硅光電二極管的響應(yīng)時(shí)間與偏置電壓的關(guān)系偏置電壓E/V051215響應(yīng)時(shí)間（5）在反向偏壓為15V時(shí)，改變探測(cè)器的偏置電阻，觀察探測(cè)器在不同偏置電阻時(shí)的脈沖響應(yīng)時(shí)間，記錄填入表22。表22 硅光電二極管的響應(yīng)時(shí)間與負(fù)載電阻的關(guān)系負(fù)載電阻511001k10k100k響應(yīng)時(shí)間2用脈沖法測(cè)量光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間光敏電阻所加偏壓為15V，負(fù)載是10k，是不可調(diào)的。故“偏壓”檔和“負(fù)載”檔在此時(shí)不起作用。將實(shí)驗(yàn)箱面板上“波形選擇“開(kāi)關(guān)撥至脈沖檔，“探測(cè)器選擇”開(kāi)關(guān)撥至光敏電阻檔，此時(shí)由“輸入波形”的光敏電阻處應(yīng)可觀測(cè)到方波，由“輸入”處引出的輸出線（藍(lán)線）即可得到光敏電阻3用幅頻特性法測(cè)量CdSe光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間（1）將本實(shí)驗(yàn)箱面板上“波形選擇”開(kāi)關(guān)撥至正弦檔，“探測(cè)器選擇”開(kāi)關(guān)撥至光敏電阻檔，此時(shí)由“輸入波形”的光敏電阻處應(yīng)可觀測(cè)到正弦波形，由“輸出”處引出的輸出線（藍(lán)線）即可得到光敏電阻的輸出波形，其頻率可改變“頻率調(diào)節(jié)”處的正弦旋鈕來(lái)調(diào)節(jié)。（2）改變光波信號(hào)頻率，測(cè)出不同頻率下CdSe的輸出電壓（至少測(cè)三個(gè)頻率點(diǎn)）并記錄。（3）根據(jù)公式（23）計(jì)算出其響應(yīng)時(shí)間。4用截止頻率測(cè)量CdSe光敏電阻的響應(yīng)