光電探測(cè)器特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)1光電探測(cè)器光譜響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 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。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。實(shí)驗(yàn)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R（九）定義為在波長(zhǎng)為九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)v電壓，用公式表示，則為R（九）=vV（九）（1-1）13而光電探測(cè)器在波長(zhǎng)為九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R（九）=iI（九）麗（1-2）式中，P（九）為波

2、長(zhǎng)為九時(shí)的入射光功率；V（九）為光電探測(cè)器在入射光功率P（九）作用下的輸出信號(hào)電壓；1（九）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)，R（九）和R（九）均可以用R（九）表示。但在具體計(jì)算時(shí)應(yīng)區(qū)分R（九）和R（九）,vivi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)的輻射照射下光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)V（九）。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（九）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R（九）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)

3、探測(cè)器f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)）V（九）可得單色f輻射功率P（九）=V（九）R（九），再通過(guò)（1-1）式計(jì)算即可得到待測(cè)探測(cè)器的光譜響應(yīng)f度。本實(shí)驗(yàn)采用單色儀對(duì)鎢絲燈輻射進(jìn)行分光，得到單色光功率P（九），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（九）入射時(shí)的輸出電壓為V（九）。若用R表示熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)度，則顯然有ff（1-3）PG）=ARK這里K為熱釋電探測(cè)器前放和主放放大倍數(shù)的乘織，即總的放大倍數(shù)。在本實(shí)f驗(yàn)中K=100x300，R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ff率下，R=900V/W。f然后在相同的光功率P（九）下

4、，用硅光電二極管測(cè)量相應(yīng)的單色光，得到輸出電壓V（九），從而得到光電二極管的光譜相應(yīng)度bR（九）二V（九）麗V（九）KbbV（九）RKfff（1-4）式中K為硅光電二極管測(cè)量時(shí)總的放大倍數(shù)，這里K=150x300。bb實(shí)驗(yàn)儀器單色儀、熱釋電探測(cè)器組件、光電二極管探測(cè)器組件、選頻放大器、光源。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)光譜響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)入射光波長(zhǎng)九/卩m用熱釋電時(shí)毫伏表輸出Vf硅光電一極管經(jīng)放大后輸出Vb光譜功率P（九）響應(yīng)度R（九）0.501841600.00680.5230.551841800.00680.5880.601802400.00670.7970.651883000.00700.9520.7019

5、63400.00731.0370.751862800.00690.9030.801782200.00660.7410.851821800.00670.5980.901721800.00630.6360.951901800.00700.5711.001881800.00700.5711.051761800.00650.616光譜響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)曲線實(shí)驗(yàn)2光電探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解光電探測(cè)器的響應(yīng)度與信號(hào)光的波長(zhǎng)、調(diào)制頻率的關(guān)系；2. 掌握發(fā)光二極管的電流調(diào)制法；3. 熟悉測(cè)量光電探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間的方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.利用探測(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)器的幅頻特性確定其響

6、應(yīng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)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，另一種是隔頻特性法。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(kāi)始作用時(shí)的弛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-e-i）（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e-1（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%下降到10

7、%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、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)為1-exp（-t/打），衰減響應(yīng)函數(shù)為exp（-“爲(wèi)），則根據(jù)第一種定義，起始弛豫時(shí)間為工，衰減弛豫時(shí)間為t。此外，如果測(cè)出了光電探測(cè)器的單位沖激響應(yīng)函數(shù)，12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6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。幅頻特性由于光電探測(cè)器惰性的存在，使得

8、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。1A（）二（I）（2-1）（1+02T2）12式中，A（o）表示歸一化后的幅頻特性；o=2兀f為調(diào)制圓頻率；f為調(diào)制頻率；e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VI3)為VV()二T(2-2)(1+02T2)12式中V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0為f時(shí)的輸出信號(hào)電壓V和調(diào)制頻率為f時(shí)的輸出信號(hào)電壓V，就可由下式確1122定響應(yīng)時(shí)間(2

9、-3)1V2-V2T=122兀(Vf)2-(Vf)212211為減小誤差，V與V的取值應(yīng)相差10%以上。12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奖愕乇硎具@種特性，引出截止頻率f。它的定義是當(dāng)輸出信號(hào)功率降至超低頻一半時(shí)，即e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f頻率點(diǎn)又稱為三分貝e點(diǎn)或拐點(diǎn)。由式(2-1)可知f=亠(2-4)o2兀T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

10、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)儀器在本實(shí)驗(yàn)箱中，提供了需測(cè)試兩種光電器件：峰值波長(zhǎng)為880nm的光電二極管和可見(jiàn)光波段的光敏電阻。光源均為調(diào)制光，峰值波長(zhǎng)為900nm的紅外發(fā)光管發(fā)出脈沖調(diào)制光，可見(jiàn)光(紅)發(fā)光管發(fā)出正弦調(diào)制光。光電二極管的響應(yīng)時(shí)間與其偏壓與負(fù)載都有關(guān)系，所以，光電二極管的偏壓與負(fù)載電阻都是可調(diào)的，偏壓分5V、10V、15V三檔，負(fù)載分100毆姆、1K毆姆、10K毆姆、50K毆姆和100K毆姆五檔。根據(jù)需要，光源的驅(qū)動(dòng)電

11、源有脈沖和正弦波兩種，并且頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)脈沖法測(cè)量光電二極管的響應(yīng)時(shí)間1. 選定負(fù)載為10kQ,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(shí)間，并填入表2-1。表2-1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/v051015響應(yīng)時(shí)間tr/ys05004504002. 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2-2。表2-2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R/QL500100010k50k100k響應(yīng)時(shí)間tr/ys3503754509001800用幅頻法測(cè)量光敏電阻的響應(yīng)時(shí)

12、間表2-3硅光電二極管的響應(yīng)時(shí)間與偏置頻率的關(guān)系f/HzVtr/ps101.241700150.96855200.84800250.641675實(shí)驗(yàn)3光電倍增管及其特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)引言光電倍增管是一種基于外光電效應(yīng)(光電發(fā)射效應(yīng))的器件，由于其內(nèi)部具有電子倍增系統(tǒng)，所以具有很高的電流增益，從而能夠檢測(cè)極微弱的光輻射。光電倍增管的另一大優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度很快，因此其時(shí)間特性描述和測(cè)量都與其它光電器件有所不同。此外，光電倍增管的光電線性好，動(dòng)態(tài)范圍大，因而被廣泛用于各種精密測(cè)量?jī)x器和裝備中。由于光電發(fā)射需要一定的光子能量，所以大多數(shù)光電倍增管工作于紫外和可見(jiàn)光波段，目前在近紅外波段也有應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.

13、熟悉光電光電倍增管的基本構(gòu)成和工作原理，掌握光電倍增管參數(shù)的測(cè)量方法；2. 學(xué)習(xí)光電倍增管輸出信號(hào)的檢測(cè)和變換處理方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 驗(yàn)證光電倍增管的光照靈敏度；2. 測(cè)量光電倍增管在無(wú)光照射情況下的暗電流；3. 光電倍增管工作的光電特性和伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)；4. 光電倍增管在不同直接負(fù)載和I/V變換下的關(guān)系曲線；5. 了解光電倍增管在脈沖光時(shí)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器輸出的電壓波形變化。實(shí)驗(yàn)原理光電倍增管結(jié)構(gòu)及工作原理光電倍增管是一種真空管，它由光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽(yáng)極五個(gè)主要部分組成。如圖31所示。冊(cè)網(wǎng)人射光屏蔽板9護(hù)彳燈二光電陰極10=陽(yáng)極19=倍增極圖3-1光電倍增管結(jié)構(gòu)(

14、1) 光窗光窗分端窗型(Head。n)和側(cè)窗型(Side。n)兩種。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的側(cè)窗型光電倍增管，在分光光度計(jì)和光度測(cè)定方面有廣泛的使用。(2) 光電陰極光電倍增管的陰極一般是具有低逸出功的堿金屬材料形成的光電發(fā)射面。一般分為半透明光電面(入射光和光電子運(yùn)動(dòng)同一方向)和不透明光電面(入射光的方向與光電子運(yùn)動(dòng)方向相反)。電子倍增系統(tǒng)為使光電倍增管正常工作，光電倍增管中陰極(K)和陽(yáng)極(A)之間分布有多個(gè)電子倍增極Dn。在管外的陰極(K)和各個(gè)倍增極及陽(yáng)極(A)引腳之間串聯(lián)多個(gè)電阻Rn,由Rn形成的分壓電阻使各個(gè)倍增極相對(duì)陰極而言加上了逐步升高的正電壓，要在陰極(K)和陽(yáng)極(A)之間加上0至-

15、1500V左右的高電壓，目的是吸引并加速?gòu)年帢O飛出的光電子,并使他們飛向陽(yáng)極。光電倍增管的主要參量與特性(1)光譜響應(yīng)光電倍增管的陰極將入射光的能量轉(zhuǎn)換為光電子。其轉(zhuǎn)換效率(陰極靈敏度)隨入射光的波長(zhǎng)而變。這種光陰極靈敏度與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系叫做光譜響應(yīng)特性。圖3-3給出了雙堿光電倍增管的典型光譜響應(yīng)曲線。光譜響應(yīng)特性的長(zhǎng)波端取決于光陰極材料，短波端則取決于入射窗材料。對(duì)應(yīng)于該光譜響應(yīng)曲線，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用中心波長(zhǎng)在425nm的藍(lán)光LED發(fā)光二極管做光源。根據(jù)不同型號(hào)的光電倍增管的光譜響應(yīng)特性，其中長(zhǎng)波端的截止波長(zhǎng)，對(duì)于雙堿陰極和Ag-0-Cs陰極的光電倍增管定義為其靈敏度降至峰值靈敏度的1%

16、點(diǎn)，多堿陰極則定義為峰值靈敏度的0.1%。對(duì)于每一支光電倍增管來(lái)講，真實(shí)的數(shù)據(jù)可能會(huì)略有差異。(2)靈敏度由于測(cè)量光電倍增管的光譜響應(yīng)特性需要精密測(cè)試系統(tǒng)和很長(zhǎng)的時(shí)間，且提供每一支光電倍增管的光譜響應(yīng)特性不現(xiàn)實(shí)，所以一般用光照靈敏度來(lái)評(píng)價(jià)光電倍增管的靈敏度。陽(yáng)極光照靈敏度表示的是對(duì)光電面上入射一定光束時(shí)，陽(yáng)極輸出電流的大小。即對(duì)應(yīng)于1流明光的輸出電流稱之為光照靈敏度，用SA表示；單位為A/LM(安培/流明)。光照靈敏度有表示陰極特性的陰極靈敏度和表示光電倍增管整體特性陽(yáng)極靈敏度兩種。(3) 光電特性光電倍增管的陽(yáng)極輸出電流與入射于光電陰極的光通量之間的函數(shù)關(guān)系，稱為倍增管的光電特性。一般光電倍

17、增管的光電特性曲線線性(直線性)是很好的。也就是說(shuō)具有寬的動(dòng)態(tài)范圍。但是在接收較強(qiáng)的光入射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生偏離理想線性的情況。其主要原因是陽(yáng)極的線性特性影響。具有透過(guò)型的光電陰極的光電倍增管，工作在低電壓、大電流場(chǎng)合，也可能出現(xiàn)陰極線性特性的影響。陰極、陽(yáng)極兩者的線性特性在工作電壓一定時(shí)，與入射光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，而取決于電流值大小。因此對(duì)于模擬量測(cè)量，必須選取能保證陽(yáng)極電流與光照在大范圍內(nèi)保持線性關(guān)系的那些型號(hào)的光電倍增管(工程上一般取特性偏離于直線3%作為線性區(qū)的界限)(4) 伏安特性光電倍增管的伏安特性是指在改變陽(yáng)極陰極間的工作電壓時(shí)，從而引起陽(yáng)極輸出電流的變化。光電倍增管的輸出電流對(duì)工作電壓非常敏感

18、，因此必須使用高穩(wěn)定性的高壓電源。本測(cè)試儀采用的高壓電源的漂移、紋波、溫度變化、輸出變化、負(fù)載變化等的綜合穩(wěn)定度優(yōu)于該光電倍增管穩(wěn)定度1個(gè)數(shù)量級(jí)，并連續(xù)可調(diào)。(5) 陽(yáng)極暗電流光電倍增管在完全黑暗的環(huán)境中仍會(huì)有微小的電流輸出，這個(gè)微小的電流叫做陽(yáng)極暗電流。作為微小電流、微弱光使用的光電倍增管，希望暗電流盡可能小。陽(yáng)極暗電流是決定光電倍增管對(duì)微弱光信號(hào)的檢出能力的重要因素，其產(chǎn)生的主要原因有以下幾種： 由光電表面及倍增極表面的熱電子發(fā)射引起的電流； 管內(nèi)陽(yáng)極和其它電極之間，以及芯柱陽(yáng)極管腳和其它管腳之間的漏電電流； 因玻璃及電極支持材料發(fā)光產(chǎn)生的光電流； 場(chǎng)致發(fā)射電流； 因殘留氣體電離產(chǎn)生的電流

19、(離子反射)； 因宇宙射線、玻璃中的放射性同位素發(fā)出放射線、環(huán)境Y射線等導(dǎo)致玻璃發(fā)光引起的噪聲電流。陽(yáng)極暗電流也受陽(yáng)極電壓的影響，隨著工作電壓增加而增加，但增加率并非一樣。(6)電流放大(增益)由一個(gè)具有初速能量Ep的一次電子，從倍增極發(fā)射出6個(gè)二次電子(稱6為二次發(fā)射系數(shù))，在低噪聲的條件下得到倍增，從而達(dá)到了電流放大的作用。電流增益就是光電倍增管的陽(yáng)極輸出電流與陰極光電子電流的比值。在理想情況下，具有n個(gè)倍增極，每個(gè)倍增極的平均二次電子發(fā)射率為6的光電倍增管的電流增益為6no二次電子發(fā)射率6由下式給出：5=A-Ea(3-1)這里的A為一常數(shù)，E為極間電壓，a為一由倍增極材料及其幾何結(jié)構(gòu)決定

20、的系數(shù)，a的數(shù)值一般介于0.7和0.8之間。在具有n個(gè)倍增極的光電倍增管，其電流增益卩即可表示為：卩=II=S/Sor卩=5n(3-2)akak實(shí)驗(yàn)儀器PAT型光電倍增管。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1) 靈敏度測(cè)量(2) 光電特性測(cè)量(3) 伏安特性曲線測(cè)量(4) 線性測(cè)量a. 直接負(fù)載變換b. 運(yùn)算放大器1/V變換(5) 脈沖光作用下的輸出電流演示(6) 暗電流測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告與要求1. 做出陽(yáng)極電壓一定條件下輸出陽(yáng)極電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系曲線(光電特性）；2. 做出光強(qiáng)一定條件下輸出陽(yáng)極電流與陽(yáng)極電壓之間的關(guān)系曲線（伏安特性）；3. 做出負(fù)載電阻大小和輸出電壓的關(guān)系曲線，并分析負(fù)載電阻的大小對(duì)信號(hào)探測(cè)的影響；4. 分析相同條件下直接負(fù)載輸出和運(yùn)用運(yùn)算放大器輸出的曲線關(guān)系；5. 測(cè)量光電倍增管的暗電流（選做）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表1陽(yáng)極電壓980V下的靈敏度測(cè)量光強(qiáng)/plm00.20.40.60.81.01.2電流/yA1722202312422