光电探测器参数测量.doc

光电探测器特性测量实验实验讲义大恒新纪元科技股份有限公司版权所有不得翻印光电探测器特性测量实验一、引言光电探测器可将一定的光辐射转换为电信号，然后经过信号处理，去实现某种目的，它是光电系统的核心组成部分，其性能直接影响着光电系统的性能。因此，无论是设计还是使用光电系统，深入了解光电探测器的性能参数都是很重要的。通常，光电探测器的光电转换特性用响应度表示。响应特性用来表征光电探测器在确定入射光照下输出信号和入射光辐射之间的关系。主要的响应特征包括：响应度、光谱响应、时间响应特性等性能参数。本实验内容主要是光电探测器性能参数测量和光电探测器的一般使用方法，并专门列举了几种常用的光电探测器的使用方法。第一部分光电探测器光谱响应度的测量光谱响应度是光电探测器的基本性能参数之一，它表征了光电探测器对不同波长入射辐射的响应。通常热探测器的光谱响应较平坦，而光子探测器的光谱响应却具有明显的选择性。一般情况下，以波长为横坐标，以探测器接收到的等能量单色辐射所产生的电信号的相对大小为纵坐标，绘出光电探测器的相对光谱响应曲线。典型的光子探测器和热探测器的光谱响应曲线如图1-1所示。一.基本原理光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应能力。电压光谱响应度定义为在波长为的单位入射辐射功率的照射下，光电探测器输出的信号电压，用公式表示，则为（1-1）而光电探测器在波长为的单位入射辐射功率的作用下，其所输出的光电流叫做探测器的电流光谱响应度，用下式表示（1-2）式中，为波长时的入射光功率；为光电探测器在入射光功率作用下的输出信号电压；则为输出用电流表示的输出信号电流。图1-2探测器频率响应测试装置图这里用响应度和波长无关的热释电探测器作参考探测器，测得入射光功率为时的输出电压为。若用表示热释电探测器的响应度，则显然有（1-3）这里为热释电探测器前放和主放放大倍数的乘积，即总的放大倍数。在本实验中，Kf=100×300，为热释电探测器的响应度，实验中在所用的25Hz调制频率下，＝900V/W。然后在相同的光功率下，用硅光电二极管测量相应的单色光，得到输出电压，从而得到光电二极管的光谱响应度式中Kb为硅光电二极管测量时总的放大倍数，这里Kb150×300。二．实验装置实验装置示于图1-2。用卤素灯作光源，用直流稳压电源供电，光源发出的光由聚光镜会聚于入射狭缝前用同步电机带动的调制盘对入射光束进行调制。光栅单色仪把入射光分解成单色光并从出射狭缝射出。转动单色仪的波长手轮可以改变出射光的波长（参见图1-3）。在出射狭缝后分别用热释电探测器和硅光电二极管进行测量，所得光电信号经放大后由毫伏表指示。下面简要介绍实验装置的各个部分。图1-3WD30光栅单色仪光学系统图WD30光栅单色仪的光学系统图1-3是单色仪光学系统的示意图，聚光镜把光源发出的光会聚于单色仪入射狭缝S1上，光束经狭缝B1射向球面反射镜M1反射后的光束为平行光束。平行光束经平面光栅G分光后，不同的波长以不同的入射角投向球面反射镜M2。球面镜M2把分光后的光聚在焦面上，形成波长不同的一系列光谱线。出射狭缝S2位于球面镜M2的聚焦面上。测量时转动手轮使光栅转动，在出射狭缝S2处就会得到各个光谱分量的输出。输出光的波长可在手轮计数器上读出。单色仪采用的光栅为1200线/mm，此时的输出波长请参考定标说明书。2．热释电探测器本实验所用的热释电探测器是钽酸锂热释电器件，前置放大器与探测器装在同一屏蔽壳里。前放工作时需要正12V电压。为减小噪声，用干电池供电。图1-4示出了热释电探测器的典型调制特性。3．硅光电二极管硅光电二极管为待测器件，它的前置放大器与它装在同一屏蔽壳中，前放工作时需要正12V电压。。前置放大器的放大倍数为150。4．选频放大器由于分光后的光谱辐射功率很小，虽然热释电探测器和光电二极管都带有前置放大器，但仍需按选频放大器放大。选频放大器的频率特性如图1-5所示。其中心频率与调制频率一致（这里为25Hz）。图1-5选频放大器的频率特性图1-4热释电探测器的典型调制特性5．调制盘的电机使用220V电压第二部分光电探测器响应时间的测试通常，光电探测器输出的电信号要落后于作用在其上的光信号。光电探测器的这种响应落后于作用信号的特性称为惰性。由于惰性的存在，会使先后作用的信号在输出端相互交叠，从而降低了信号的调制度。如果探测器观测的是随时间快速变化的物理量，则由于惰性的影响会造成输出严重畸变。因此，深入了解探测器的时间响应特性是十分必要的。一、基本原理表示时间响应特性的方法主要有两种，一种是脉冲响应特性法，另一种是幅频特性法。1.脉冲响应响应落后于作用信号的现象称为弛豫。对于信号开始作用时产弛豫称为上升弛豫或起始弛豫；信号停止作用时的弛豫称为衰减弛豫。弛豫时间的具体定义如下：如用阶跃信号作用于器件，则