(實驗項目選一、選二)大恒講義 GCSGDTC光電探測器參數(shù)測量實驗

1、大恒新紀(jì)元科技股份有限公司 光電研究所 中國北京 電話(8610)82782668 傳真(8610) )82782669 信息光子學(xué)系列實驗 講義 版權(quán)所有 不得翻印光電探測器特性測量實驗實驗講義大恒新紀(jì)元科技股份有限公司 版權(quán)所有 不得翻印光電探測器特性測量實驗一、 引言光電探測器可將一定的光輻射轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)過信號處理，去實現(xiàn)某種目的，它是光電系統(tǒng)的核心組成部分，其性能直接影響著光電系統(tǒng)的性能。因此，無論是設(shè)計還是使用光電系統(tǒng)，深入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定入射光照下輸出信號和入射光輻射之間的關(guān)系

2、。主要的響應(yīng)特征包括：響應(yīng)度、光譜響應(yīng)、時間響應(yīng)特性等性能參數(shù)。本實驗內(nèi)容主要是光電探測器性能參數(shù)測量和光電探測器的一般使用方法，并專門列舉了幾種常用的光電探測器的使用方法。二.實驗?zāi)康?.加深對光譜響應(yīng)概念的理解；2.掌握光譜響應(yīng)的探測方法；3.了解對光電探測器的響應(yīng)度的影響因素；4.掌握測量探測器響應(yīng)時間的方法 第一部分 光電探測器光譜響應(yīng)度的測量光譜響應(yīng)度是光電探測器的基本性能參數(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。一般情況下，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

3、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. 實驗?zāi)康?.加深對光譜響應(yīng)概念的理解；2.掌握光譜響應(yīng)的探測方法；3.熟悉熱釋電探測器和硅光電二極管。 圖1-1 典型光電探測器的光譜響應(yīng)二.實驗內(nèi)容1.用熱釋電探測器測量鎢絲燈的光譜輻射特性曲線；2.用比較法測量硅光電二極管的光譜響應(yīng)曲線。三.基本原理光譜響應(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)度定義為在波長為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，則為 （1-1）而光電探測器在波長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器的電流光譜響應(yīng)

4、度，用下式表示 （1-2）式中，為波長時的入射光功率；為光電探測器在入射光功率作用下的輸出信號電壓；則為輸出用電流表示的輸出信號電流。通常，測量光電探測器的光譜響應(yīng)多用單色儀對輻射源的輻射功率進(jìn)行分光來得到不同波長的單色輻射，然后測量在各種波長的輻射照射下光電探測器輸出的電信號。然而由于實際光源的輻射功率是波長的函數(shù)，因此在相對測量中要確定單色輻射功率需要利用參考探測器（基準(zhǔn)探測器）。即使用一個光譜響應(yīng)度為的探測器為基準(zhǔn)，用同一波長的單色輻射分別照射待測探測器和基準(zhǔn)探測器。由參考探測器的電信號輸出（例如為電壓信號）可得單色輻射功率，再通過（1-1）式計算即可得到待測探測器的光譜響應(yīng)度。本實驗采

5、用圖1-2所示的實驗裝置。用單色儀對白光點(diǎn)光源輻射進(jìn)行分光，得到單色光功率。圖1-2 光譜響應(yīng)測試裝置圖這里用響應(yīng)度和波長無關(guān)的熱釋電探測器作參考探測器，測得入射時的輸出電壓為。若用表示熱釋電探測器的響應(yīng)度，則顯然有 （1-3）這里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)。在本實驗中，kf=100300，為熱釋電探測器的響應(yīng)度，實驗中在所用的25hz調(diào)制頻率下，900v/w。然后在相同的光功率下，用硅光電二極管測量相應(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為硅光電二極管測量時總的放大倍數(shù)，這里kb150300。四實驗裝置實驗裝置示于圖1-2。用白光點(diǎn)光源作

6、光源，用直流穩(wěn)壓電源供電，光源發(fā)出的光由聚光鏡會聚于入射狹縫前用同步電機(jī)帶動的調(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)動單色儀的波長手輪可以改變出射光的波長（參見圖1-3）。在出射狹縫后分別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。下面簡要介紹實驗裝置的各個部分。圖1-3光柵單色儀光學(xué)系統(tǒng)圖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)的示意圖，聚光鏡把光源發(fā)出的光會聚于單色儀入射狹縫s1上，光束經(jīng)狹縫b1射向球面反反射鏡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，不同的波長以不同的入射角投向球面反射鏡

7、m2。球面鏡m2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s2位于球面鏡m2的聚焦面上。把狹縫s1和s2開得很窄，測量時轉(zhuǎn)動手輪使光柵轉(zhuǎn)動，在出射狹縫s2處就會得到各個光譜分量的輸出。輸出光的波長可在千分尺上讀出。2熱釋電探測器 本實驗所用的熱釋電探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，所需+12v電壓由選頻放大器提供。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

8、率很小，雖然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。其中心頻率與調(diào)制頻率一致（這里為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)使用220v電壓五.實驗步驟1. 打開光源開關(guān)，調(diào)整光源位置，使燈絲通過聚光鏡成像在單色儀入射狹縫，肉眼通過s2能看到與波長讀數(shù)相應(yīng)的光。注意：狹縫開大時不能超過3mm，關(guān)小時不能超過零位，否則將損壞儀器！2. 在光路中靠近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準(zhǔn)出射狹縫s2轉(zhuǎn)動光譜手輪，記下探測器的入射波長及毫伏表上相應(yīng)波長的輸出電

9、壓值，并填入表1-1。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1-1。表1-1 光譜響應(yīng)測試實驗數(shù)據(jù)入射光波長熱釋電探測器電壓輸出vf硅光電二極管探測器電壓輸出vb300400500600700六實驗報告畫出光源的光譜輻射分布曲線；畫出硅光電二極管的光譜響應(yīng)曲線；分析實驗結(jié)果，并確定硅光電二極管的峰值響應(yīng)波長。七思考題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？測量時開大些好還是開小些好？2如果在測量過程中，用熱釋電器件和光電二極管測量時，二者光源光強(qiáng)度不一致是否仍能保持結(jié)果的正確性？如果二者的調(diào)制頻率不同呢？第二部分 光電探測器響應(yīng)時間的測

10、試通常，光電探測器輸出的電信號都有要在時間上落后于作用在其上的光信號，即光電探測器的輸出相對于輸入的光信號要發(fā)生沿時間軸擴(kuò)展。擴(kuò)展的程序可由響應(yīng)時間來描述。光電探測器的這種響應(yīng)落后于作用信號的特性稱為惰性。由于惰性的存在，會使先后作用的信號在輸出端相互交疊，從而降低了信號的調(diào)制度。如果探測器觀測的是隨時間快速變化的物理量，則由于惰性的影響會造成輸出嚴(yán)重畸變。因此，深入了解探測器的時間響應(yīng)特性是十分必要的。一、實驗?zāi)康模?）了解光電探測器的響應(yīng)度不僅與信號光的波長有關(guān)，而且與信號光的調(diào)制頻率有關(guān)；（2）掌握發(fā)光二極管的電流調(diào)制法；（3）熟悉測量控測器響應(yīng)時間的方法。二、實驗內(nèi)容（1）用探測器的脈

11、沖響應(yīng)特性測量響應(yīng)時間；（2）利用探測器的幅頻特性確定其響應(yīng)時間。三、基本原理表示時間響應(yīng)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)落后于作用信號的現(xiàn)象稱為弛豫。對于信號開始作用時產(chǎn)弛豫稱為上升弛豫或起始弛豫；信號停止作用時的弛豫稱為衰減弛豫。弛豫時間的具體定義如下：如用階躍信號作用于器件，則起始弛豫定義為探測器的響應(yīng)從零上升為穩(wěn)定值的（1-1/e）（即63%）時所需的時間。衰減弛豫定義為信號撤去后，探測器的響應(yīng)下降到穩(wěn)定值的1/e（即37%）所需的時間。這類探測器有光電池、光敏電阻及熱電探測器等。另一種定義弛豫的時間的方法是：起始弛豫為響應(yīng)值從穩(wěn)態(tài)值

12、的10%上升到90%所用的時間；衰減弛豫為響應(yīng)從穩(wěn)態(tài)值的90%下降到10%所用的時間。這種定義多用于響應(yīng)速度很快的器件，如光電二極管、雪崩光電二極管和光電倍增管等。若光電探測器在單位躍信號作用下的起始階躍響應(yīng)函數(shù)為1-exp(-t/1)，衰減響應(yīng)函數(shù)為exp(-t/2),則根據(jù)第一種定義，起始弛豫時間為1，衷減弛豫時間性為2。此外，如果測出了光電探測器的單位沖激響應(yīng)函數(shù)，則可直接用其半值寬度來表示時間特性。為了得到具有單位沖激函數(shù)形式的信號光源，即函數(shù)光源，可以采用脈搏沖式發(fā)光二極管、鎖模激光器以及火花源等光源來近似。在通常測試中，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

13、階躍響應(yīng)函數(shù)，進(jìn)而確定響應(yīng)時間。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)信號的波形有關(guān)。通常定義光電探測器對正弦光信號的響應(yīng)同值同調(diào)制頻率間的關(guān)系為它的幅頻特性。許多光電探測器的幅頻特性具有如下形式。 a()= (2-1)式中，a表示歸一化后幅頻特性；=2f為調(diào)制圓頻率；f為調(diào)制頻率；為響應(yīng)時間。在實驗中可以測得探測器輸出電壓v()為 v()= (2-2)式中v0為探測器在入射光調(diào)制頻率為零時的輸出電壓。這樣，如果測得調(diào)制頻率為f1時的輸出信號電壓v1和調(diào)制頻率為f2時為輸出信號電壓v2，就可由下式

14、確定響應(yīng)時間 = (2-3)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。它的定義是當(dāng)輸出信號功率降至超低頻一半時，即探測到的信號電壓降至初始信號頻率最低時探測器所探測到的電壓幅值的70.7%時的調(diào)制頻率。故fc頻率點(diǎn)又稱為三分貝點(diǎn)或拐點(diǎn)。由式（2-1）可知 (2-4) 實際上，用截止頻率描述時間特性是由式（2-1）定義的參數(shù)的另一種形式。 在實際測量中，對入射輻射調(diào)制的方式可以是內(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)制因這種方法在使用時需要采取穩(wěn)頻措施，而且很難達(dá)到很高的調(diào)制頻率，

15、因此不適用于響應(yīng)速度很快的光子探測器所以具有很大的局限性。內(nèi)調(diào)制通常采用快束響應(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、實驗儀器光電探測器時間常數(shù)測試實驗箱：20m雙蹤示波器。在光電探測器時間常數(shù)測試實驗箱中，提供了需測試兩個光電器件：峰值波長為900nm的光電二極管和可見光波段的光敏電阻。所需的光源分別由峰值波長為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毆姆、1k毆姆、10k毆姆、50k毆姆、100k毆姆五檔。根據(jù)需要，光源的驅(qū)動電源有脈搏沖和正弦波兩

16、種，并且頻率可調(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)時間的測試方法。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，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。這樣可以獲得精確的觸發(fā)而與饋送到輸入插座ch1和ch2的信號無關(guān)。因此，即使當(dāng)輸入信號變化時，也不需要進(jìn)一步觸發(fā)。2. 10%到90的上升響應(yīng)時間的測試（1）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。（2）用 位移鈕和其它旋鈕調(diào)節(jié)波形，使其顯示在屏幕垂直中心。將t/div開關(guān)

17、調(diào)到盡可能快速的檔位，能同時觀測10和90兩個點(diǎn)。將微調(diào)置于校準(zhǔn)檔。（3）用位移旋鈕調(diào)節(jié)10點(diǎn)，使之與垂直刻度重合，測量波形上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，再誠意1/10。請正確使用10、90線。在cs-1022型示波器上，每個0、10、90和100測量點(diǎn)都標(biāo)記在示波器屏幕上。使用公式：上升響應(yīng)時間tr=水平距離(div)t/div檔位“10擴(kuò)展”的倒數(shù)（1/10）?！九e例】例如，水平距離為4div，t/div是2s（見圖2-2）。代入給定值：上升響應(yīng)時間tr=4.0(div)2(s)8s 圖2-2 上升響應(yīng)時間測量距離五、實驗步驟1用脈沖法測

18、量光電二極管的響應(yīng)時間首先要將本實驗箱（光電探測器時間常數(shù)儀）面板上“偏壓”檔和“負(fù)載”分別選通一組。將“波形選擇”開關(guān)撥至脈沖檔，“探測器選擇”開關(guān)撥至光電二極管檔，此時由“波形”的二極管處應(yīng)可觀測到方波，由“輸出”接口可得到光電二極管的輸出波形，其頻率可通過“頻率調(diào)節(jié)”處的方波旋鈕來調(diào)節(jié)，一般情況下默認(rèn)將頻率旋至最低。如下圖所示，其中有色部分表示需要操作的部分，光源和輸出模塊需連接示波器。調(diào)節(jié)示波器的掃描時間和觸發(fā)同步，使光電二極管對光脈沖的響應(yīng)在示波器上得到清晰的顯示。選定負(fù)載為10k，改變其偏壓。觀察并記錄在零偏（不選偏壓即可）及不同反偏下光電二極管的響應(yīng)時間，并填入表2-1。表2-1 硅光電二極管的響應(yīng)時間與偏置電壓的關(guān)系偏置電壓e/v051215響應(yīng)時間tr/s在反向偏壓為15v時，改變探測器的偏置電阻，觀察探測器在不同偏置電阻時的