光電探測器參數(shù)測量

1、光電探測器特性測量實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)講義大恒新紀(jì)元科技股分版權(quán)所有不得翻印光電探測器特性測量實(shí)驗(yàn)一、引言光電探測器可將必然的光輻射轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過信號處置，去實(shí)現(xiàn)某種目的，它是光電系統(tǒng)的核心組成部份，其性能直接阻礙著光電系統(tǒng)的性能。因此，不管是設(shè)計(jì)仍是利用光電系統(tǒng)，深切了解光電探測器的性能參數(shù)都是很重要的。通常，光電探測器的光電轉(zhuǎn)換特性用響應(yīng)度表示。響應(yīng)特性用來表征光電探測器在確信入射光照下輸出信號和入射光輻射之間的關(guān)系。要緊的響應(yīng)特點(diǎn)包括：響應(yīng)度、光譜響應(yīng)、時(shí)刻響應(yīng)特性等性能參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主若是光電探測器性能參數(shù)測量和光電探測器的一樣利用方式，并專門列舉了幾種經(jīng)常使用的光電探測器的利用方式。第

2、一部份光電探測器光譜響應(yīng)度的測量光譜響應(yīng)度是光電探測器的大體性能參數(shù)之一，它表征了光電探測器對不同波長入射輻射的響應(yīng)。通常熱探測器的光譜響應(yīng)較平坦，而光子探測器的光譜響應(yīng)卻具有明顯的選擇性。一樣情形下，以波長為橫坐標(biāo)，以探測器接收到的等能量單色輻射所產(chǎn)生的電信號的相對大小為縱坐標(biāo)，繪出光電探測器的相對光譜響應(yīng)曲線。典型的光子探測器和熱探測器的光譜響應(yīng)曲線如圖1-1所示。一.大體原理光譜響應(yīng)度是光電探測器對單色入射輻射的響應(yīng)能力。電壓光譜響應(yīng)度Rv6）概念為在波長為九的單位入射輻射功率的照射下，光電探測器輸出的信號電壓，用公式表示，那么為Rv(1-1)而光電探測器在波長為九的單位入射輻射功率的作

3、用下，其所輸出的光電流叫做探測器的電流光譜響應(yīng)度，用下式表示(12)圖1-2探測器頻率響應(yīng)測試裝置圖式中，P（X）為波長九時(shí)的入射光功率；V（X）為光電探測器在入射光功率P（X）作用下的輸出信號電壓；16）那么為輸出用電流表示的輸出信號電流。那個(gè)地址用響應(yīng)度和波長無關(guān)的熱釋電探測器作參考探測器，測得入射光功率為P（X）時(shí)的輸出電壓為V6）。假設(shè)用R表示熱釋電探測器的響應(yīng)度，那么ff顯然有V(x)P(XJ=f(1-3)RKff那個(gè)地址K為熱釋電探測器前放和主放放大倍數(shù)的乘積，即總的放大倍數(shù)。在f本實(shí)驗(yàn)中，K=100X300,R為熱釋電探測器的響應(yīng)度，實(shí)驗(yàn)中在所用的25Hzff調(diào)制頻率下，R=90

4、0V/W。f然后在相同的光功率P(x)下，用硅光電二極管測量相應(yīng)的單色光，取得輸出電壓V6),從而取得光電二極管的光譜響應(yīng)度b()V(x)V(x)/KV(k)/RKfff式中K為硅光電二極管測量時(shí)總的放大倍數(shù)，那個(gè)地址K150X3000bb二實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置示于圖1-2。用鹵素?zé)糇鞴庠矗弥绷鞣€(wěn)壓電源供電，光源發(fā)出的光由聚光鏡集聚于入射狹縫前用同步電機(jī)帶動(dòng)的調(diào)制盤對入射光束進(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)單色儀的波長手輪能夠改變出射光的波長(參見圖1-3)。在出射狹縫后別離用熱釋電探測器和硅光電二極管進(jìn)行測量，所得光電信號經(jīng)放大后由毫伏表指示。下面簡要介紹實(shí)驗(yàn)裝置

5、的各個(gè)部份。1.WD30光柵單色儀的光學(xué)系統(tǒng)圖1-3是單色儀光學(xué)系統(tǒng)的示用意，聚光鏡把光源發(fā)出的光集聚于單色儀入射狹縫S上，光束經(jīng)狹縫B射向球面反射鏡M反射后的光束為平行光束。平行111光束經(jīng)平面光柵G分光后，不同的波長以不同的入射角投向球面反射鏡M。球面2鏡M把分光后的光聚在焦面上，形成波長不同的一系列光譜線。出射狹縫S位22圖1-3WD30光柵單色儀光學(xué)系統(tǒng)圖5i于球面鏡M的聚焦面上。測量時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使2光柵轉(zhuǎn)動(dòng)，在出射狹縫S處就會取得各個(gè)光2譜分量的輸出。輸出光的波長可在手輪計(jì)數(shù)器上讀出。單色儀采納的光柵為1200線/mm，現(xiàn)在的輸出波長請參考定標(biāo)說明書。2熱釋電探測器本實(shí)驗(yàn)所用的熱釋電探

6、測器是鉭酸鋰熱釋電器件，前置放大器與探測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1-4示出了熱釋電探測器的典型調(diào)制特性。3硅光電二極管硅光電二極管為待測器件，它的前置放大器與它裝在同一屏蔽殼中，前放工作時(shí)需要正12V電壓。前置放大器的放大倍數(shù)為150。4選頻放大器由于分光后的光譜輻射功率很小，盡管熱釋電探測器和光電二極管都帶有前置放大器，但仍需按選頻放大器放大。選頻放大器的頻率特性如圖1-5所示。其中心頻率f0與調(diào)制頻率一致（那個(gè)地址為25Hz）。圖1-5選頻放大器的頻率特性圖1-4熱釋電探測器的典型調(diào)制特性5調(diào)制盤的電機(jī)利用220V電壓第二部份光電探測器響

7、應(yīng)時(shí)刻的測試通常，光電探測器輸出的電信號要掉隊(duì)于作用在其上的光信號。光電探測器的這種響應(yīng)掉隊(duì)于作用信號的特性稱為惰性。由于惰性的存在，會使前后作用的信號在輸出端彼此交疊，從而降低了信號的調(diào)制度。若是探測器觀測的是隨時(shí)刻快速轉(zhuǎn)變的物理量，那么由于惰性的阻礙會造成輸出嚴(yán)峻畸變。因此，深切了解探測器的時(shí)刻響應(yīng)特性是十分必要的。一、大體原理表示時(shí)刻響應(yīng)特性的方式要緊有兩種，一種是脈沖響應(yīng)特性法，另一種是幅頻特性法。脈沖響應(yīng)響應(yīng)掉隊(duì)于作用信號的現(xiàn)象稱為弛豫。關(guān)于信號開始作歷時(shí)產(chǎn)弛豫稱為上升弛豫或起始弛豫；信號停止作歷時(shí)的弛豫稱為衰減弛豫。弛豫時(shí)刻的具體概念如下：如用階躍信號作用于器件，那么起始弛豫概念為

8、探測器的響應(yīng)從零上升為穩(wěn)固值的（l-1/e）（即63%）時(shí)所需的時(shí)刻。衰減弛豫概念為信號撤去后，探測器的響應(yīng)下降到穩(wěn)固值的1/e（即37%）所需的時(shí)間。這種探測器有光電池、光敏電阻及熱電探測器等。另一種概念弛豫時(shí)刻的方式是：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)刻；衰減弛豫為響應(yīng)從穩(wěn)態(tài)值的90%下降到10%所用的時(shí)刻。這種概念多用于響應(yīng)速度專門快的器件，如光電二極管、雪崩光電二極管和光電倍增管等。假設(shè)光電探測器在單位階躍信號作用下的起始階躍響應(yīng)函數(shù)為1-exp（-t/T）,衰減響應(yīng)函數(shù)為exp（-t/T），那么依照第一種概念，起始弛豫時(shí)刻為T,121衷減弛豫時(shí)刻性為T。2另外，若

9、是測出了光電探測器的單位脈沖響應(yīng)函數(shù)，那么可直接用其半值寬度來表示時(shí)刻特性。為了取得具有單位沖激函數(shù)形式的信號光源，即6函數(shù)光源，能夠采納脈沖式發(fā)光二極管、鎖模激光器和火花源等光源來近似。在通常測試中，更方便的是采納具有單位階躍函數(shù)形式亮度散布的光源。從而取得單位階躍響應(yīng)函數(shù)，進(jìn)而確信響應(yīng)時(shí)刻。2.幅頻特性由于光電探測器惰性的存在，使得其響應(yīng)度不僅與入射輻射的波長有關(guān)，而且仍是入射輻射調(diào)制頻率的函數(shù)。這種函數(shù)關(guān)系還與入射光強(qiáng)信號的波形有關(guān)。通常概念光電探測器對正弦光信號的響應(yīng)值和調(diào)制頻率間的關(guān)系為它的幅頻特性。許多光電探測器的幅頻特性具有如下形式。A（3）=1/2(2-1)式中，A表示歸一化后

10、幅頻特性；3=2口f為調(diào)制圓頻率；f為調(diào)制頻率；T為響應(yīng)時(shí)刻。在實(shí)驗(yàn)中能夠測得探測器輸出電壓V（3）為V)=/1+32T2丿/2(2-2)式中V為探測器在入射光調(diào)制頻率為零時(shí)的輸出電壓。如此，若是測得調(diào)0制頻率為f時(shí)的輸出信號電壓V和調(diào)制頻率為f時(shí)為輸出信號電壓V,就可由1122下式確信響應(yīng)時(shí)刻T二1：V2-V22口f(Vf12211(2-3)由于許多光電探測器的幅頻特性都可由式（2-1）描述，人們?yōu)榱烁奖愕乇硎具@種特性，引出截止頻率。它的概念是當(dāng)輸出信號功率降至超低頻信號功率一半時(shí)，即信號電壓降至超低頻信號電壓的%時(shí)的調(diào)制頻率。故f頻率點(diǎn)又稱為c三分貝點(diǎn)或拐點(diǎn)。由式（2-1）可知、二丄e2

11、m(2-4)事實(shí)上，用截止頻率描述時(shí)刻特性是由式（2-1）概念的T參數(shù)的另一種形式。在實(shí)際測量中，對入射輻射調(diào)制的方式能夠是內(nèi)調(diào)制也可是外調(diào)制外調(diào)制是用機(jī)械調(diào)制盤在光源外進(jìn)行調(diào)制因這種方式在利歷時(shí)需要采取穩(wěn)頻方法，而且很難達(dá)到很高的調(diào)制頻率，因此不適用于響應(yīng)速度專門快的光子探測器因此具有專門大的局限性。電調(diào)制通常采納快束響應(yīng)的電致發(fā)光元件作輻射源。采取電調(diào)制的方式能夠克服機(jī)械調(diào)制的不足，取得穩(wěn)固度高的快速調(diào)制。二、實(shí)驗(yàn)儀器光電探測器時(shí)刻常數(shù)測試實(shí)驗(yàn)箱：20M雙蹤示波器。在光電探測器時(shí)刻常數(shù)測試實(shí)驗(yàn)箱中，提供了需測試兩個(gè)光電器件：峰值波長為900nm的光電二極管和可見光波段的光敏電阻。所需的光源

12、別離由峰值波長為900nm的紅外發(fā)光管和可見光(紅)發(fā)光管來提供。光電二極管的偏壓與負(fù)載都是可調(diào)的，偏壓分為5V、10V、15V三檔，負(fù)載分100歐姆、1K歐姆、10K歐姆、50K歐姆、100K歐姆五檔。依照需要，光源的驅(qū)動(dòng)電源有脈沖波和正弦波兩種，而且頻率可調(diào)。下面簡要介紹CS-1022型示波器的外觸發(fā)工作方式和10%到90%的上升響應(yīng)時(shí)刻的測試方式。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)，CS-1022型示波器右下角的外觸發(fā)輸入插座上的輸入信號成為觸發(fā)信號。在很多應(yīng)用方面，外觸發(fā)同步更為適用于波形觀測。如此能夠取得精準(zhǔn)的觸發(fā)而與饋送到輸入插座CH1和CH2的信號無關(guān)。因此，即便當(dāng)輸入信號轉(zhuǎn)變時(shí)，也不需要進(jìn)一步觸發(fā)。10%到90%的上升響應(yīng)時(shí)刻的測試將信號加到CH1輸入插座，置垂直方式于CH1。用V/div和微調(diào)旋鈕測量波形峰峰值。用令位移鈕和其它旋鈕調(diào)劑波形，使其顯示在屏幕垂直中心。將t/div開關(guān)調(diào)到適合的檔位，能同時(shí)觀測10%和90%兩個(gè)點(diǎn)。將微調(diào)置于校準(zhǔn)檔。用崛位移旋鈕調(diào)劑10%點(diǎn)，使之與垂直刻度重合，測量波形上10%和90%點(diǎn)之間的距離(div)。將該值乘以t