光電探測(cè)器參數(shù)測(cè)量

1、光電探測(cè)器特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)講義大恒新紀(jì)元科技股份有限公司版權(quán)所有不得翻印大恒新紀(jì)元科技股份有限公司光電研究所光電探測(cè)器特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)一、引言光電探測(cè)器可將一定的光輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 然后經(jīng)過信號(hào)處理，去實(shí)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(jì)還是使用光電系統(tǒng)，深入了解光電探測(cè)器的性能參數(shù)都是很重要 的。通常，光電探測(cè)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(cè)器在確定入射光照下輸出信號(hào)和入射光輻射之間的關(guān)系。主要的響應(yīng)特征包 括：響應(yīng)度、光譜響應(yīng)、時(shí)間響應(yīng)特性等性能參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是光電探測(cè)器性能參數(shù)測(cè)量和光電探測(cè)器的一

2、般使用方法， 并專門列舉了幾種常用的光電探測(cè)器的使用方法。第一部分光電探測(cè)器光譜響應(yīng)度的測(cè)量光譜響應(yīng)度是光電探測(cè)器的基本性能參數(shù)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)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)器接收到的等能 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1-1所示。一.基本原理光譜響應(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Rv 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

3、式表示，則為(1-1 )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(1-2)式中，P 為波長(zhǎng)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八則為輸出用電流表示的輸出信號(hào)電流。(3 大恒新紀(jì)元科技股份有限公司光電研究所中國(guó)韻匕京圖1-2探測(cè)器頻率響應(yīng)測(cè)試裝置圖這里用響應(yīng)度和波長(zhǎng)無關(guān)的熱釋電探測(cè)器作參考探測(cè)器，測(cè)得入射光功率為P 時(shí)的輸出電壓為Vf 。若用Rf表示熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)度，則顯然有(1-3)Vf RfKf這里Kf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，K-100X 30

4、0, Rf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，Rf = 900V/W然后在相同的光功率Pn.下，用硅光電二極管測(cè)量相應(yīng)的單色光，得到輸出電 壓必,從而得到光電二極管的光譜響應(yīng)度R . V乂' /心P ' Vf - /RfKf式中反為硅光電二極管測(cè)量時(shí)總的放大倍數(shù)，這里KJ50X 300。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)出的光由聚光鏡會(huì)聚于入射狹縫前用同步電機(jī)帶動(dòng)的調(diào)制盤對(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)(參見圖1-3)。在出射狹縫后分別

5、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。1. WD3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(huì)聚于單色儀入射狹 縫S上，光束經(jīng)狹縫B1射向球面反射鏡 M 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M。球面鏡M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M的聚焦面上。 測(cè)量時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使光柵轉(zhuǎn)動(dòng)，在出射狹縫S 處就會(huì)得到各個(gè)光譜分量的輸出。輸出光的 圖1-3 WD30光柵單色儀光學(xué)系統(tǒng)圖 波長(zhǎng)可在手輪計(jì)數(shù)器上

6、讀出。單色儀采用的光柵為1200線/mm此時(shí)的輸出波長(zhǎng) 請(qǐng)參考定標(biāo)說明書。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1-4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，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，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f。與調(diào)制頻率一致(這里為 25Hz )

7、。圖1-4熱釋電探測(cè)器的典型調(diào)制特性圖1-5選頻放大器的頻率特性5.調(diào)制盤的電機(jī)使用 220V電壓第二部分 光電探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試通常，光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)要落后于作用在其上的光信號(hào)。光電探測(cè)器的這種響應(yīng)落后于作用信號(hào)的特性稱為惰性。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、基本原理表示時(shí)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(hào)的現(xiàn)象稱為弛豫。對(duì)于信號(hào)開始作用時(shí)產(chǎn)弛

8、 豫稱為上升弛豫或起始弛豫；信號(hào)停止作用時(shí)的弛豫稱為衰減弛豫。 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 值的(1-1/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)定值的1/e (即37%所需的時(shí)間。這類探測(cè)器有光電池、光敏電 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；衰減弛豫為響應(yīng)從穩(wěn)態(tài)值的90%F降到10%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、雪崩光電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)

9、為 1-exp(-t/ t 1)，衰減響應(yīng)函數(shù)為exp(-t/ T 2),則根據(jù)第一種定義，起始弛豫時(shí)間為 T 1,衷 減弛豫時(shí)間性為T 2。此外，如果測(cè)出了光電探測(cè)器的單位脈沖響應(yīng)函數(shù)， 則可直接用其半值寬度 來表示時(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 S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

10、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)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(cè)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；3 =2n f為調(diào)制圓頻率；f為調(diào)制頻率；t為響應(yīng)時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)中可以測(cè)得探測(cè)器輸出電壓V( 3 )為V(3 )=(2-2)(2-3)f2 2 - Vi fi 2式中Vo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fl時(shí)的輸出信號(hào)電壓 Vi和調(diào)制頻率為f2時(shí)為輸出信號(hào)電壓V2,就可由 下式確定響應(yīng)時(shí)間-V；由于許多光電探測(cè)器的幅頻特性都可由式(2-1 )描述，人們?yōu)榱烁奖愕?表示這種特性，引出截止頻率。它的定

11、義是當(dāng)輸出信號(hào)功率降至超低頻信號(hào)功率 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)12 二實(shí)際上，用截止頻率描述時(shí)間特性是由式(2-1 )定義的t參數(shù)的另一種形式。在實(shí)際測(cè)量中，對(duì)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(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。電調(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。實(shí)驗(yàn)儀器光電探測(cè)器時(shí)

12、間常數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)箱：20M雙蹤示波器。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(zhǎng)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。根據(jù)需要，光源的驅(qū)動(dòng)電源有脈沖波和正弦波兩種， 并且頻率可調(diào)。下面簡(jiǎn)要介紹CS-1022型示波器的外觸發(fā)工作方式和10% 90%勺上升響應(yīng)時(shí) 間的測(cè)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(shí)，CS-102

13、2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)同步更為適用于波形觀 測(cè)。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(hào)無關(guān)。因此, 即使當(dāng)輸入信號(hào)變化時(shí)，也不需要進(jìn)一步觸發(fā)。大恒新紀(jì)元科技股份有限公司光電研究所中國(guó)韻匕京電話(8610)82782668傳真(8610)82782669信息光子學(xué)系列實(shí)驗(yàn) 講義版權(quán)所有 不得翻印2. 10%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用V/div和微調(diào)旋鈕 測(cè)量波形峰峰值。A(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)調(diào)到合適的檔位，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“x 10擴(kuò)展”方式，再 乘于1/1