光电探测器特性测量实验报告

《光电探测器特性测量实验报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电探测器特性测量实验报告（14页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、实验 1 光电探测器光谱响应特性实验实验目的1. 加深对光谱响应概念的理解；2. 掌握光谱响应的测试方法；3. 熟悉热释电探测器和硅光电二极管的使用。实验内容1. 用热释电探测器测量钨丝灯的光谱特性曲线；2. 用比较法测量硅光电二极管的光谱响应曲线。实验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R （九）定义为在波长为九的单位入射辐射功率的照射下，光电探测器输出的信号v电压，用公式表示，则为R （九）=vV （九）（1-1）而光电探测器在波长为九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R （九）=iI （九）丽（1-2）式中，

2、P（九）为波长为九时的入射光功率；V（九）为光电探测器在入射光功率P（九）作用下的输出信号电压；1（九）则为输出用电流表示的输出信号电流。为简 写起见，R （九）和R （九）均可以用R（九）表示。但在具体计算时应区分R （九）和R （九）, v i v i 显然，二者具有不同的单位。通常，测量光电探测器的光谱响应多用单色仪对辐射源的辐射功率进行分光 来得到不同波长的单色辐射,然后测量在各种波长的辐射照射下光电探测器输出 的电信号V（九）。然而由于实际光源的辐射功率是波长的函数，因此在相对测量 中要确定单色辐射功率P（九）需要利用参考探测器（基准探测器）。即使用一个光谱响应度为R （九）的探测器

3、为基准，用同一波长的单色辐射分别照射待测探测器 f和基准探测器。由参考探测器的电信号输出（例如为电压信号）V （九）可得单色f辐射功率P（九）=V （九）R（九），再通过（1-1）式计算即可得到待测探测器的光谱响应 f度。本实验采用单色仪对钨丝灯辐射进行分光，得到单色光功率P（九），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P（九）入射时的输出电压为V （九）。若用R表示热释电探测器的响应度，则显然有 ff（1-3）PG） = AR K这里 K 为热释电探测器前放和主放放大倍数的乘织，即总的放大倍数。在本实f验中K =100x300，R为热释电探测器的响应度，实验中在所用的25Hz

4、调制频 ff率下， R =900V /W 。f然后在相同的光功率P（九）下，用硅光电二极管测量相应的单色光，得到输出电压V （九），从而得到光电二极管的光谱相应度bR （九）二V （九）丽V （九）KbbV （九）R Kff f（1-4）式中K为硅光电二极管测量时总的放大倍数，这里K =150x300。 bb实验仪器单色仪、热释电探测器组件、光电二极管探测器组件、选频放大器、光源。实验数据光谱响应测试实验数据入射光波长九/卩m用热释电时毫 伏表输出Vf硅光电一极管 经放大后输出V b光谱功率P （九）响应度R （九）0.501841600.00680.5230.551841800.00680.

5、5880.601802400.00670.7970.651883000.00700.9520.701963400.00731.0370.751862800.00690.9030.801782200.00660.7410.851821800.00670.5980.901721800.00630.6360.951901800.00700.5711.001881800.00700.5711.051761800.00650.616光谱响应测试实验曲线实验 2 光电探测器响应时间测试实验实验目的1. 了解光电探测器的响应度与信号光的波长、调制频率的关系；2. 掌握发光二极管的电流调制法；3. 熟悉测量光

6、电探测器响应时间的方法。实验内容1. 利用探测器的脉冲响应特性测量响应时间；2. 利用探测器的幅频特性确定其响应时间。实验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，另一种是隔 频特性法。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的弛 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，则起始弛豫定义为探测器的响应从零上升为稳定 值的（1-e-i）（即63%）时所需的时间；衰减弛豫定义为信号撤去后，探测器的响应 下降到稳定值的e-1 （即37%）所需的时间。这类探测器有光电池、光敏电阻及热电 探测器等

7、。另一种定义弛豫时间的方法是：起始弛豫为响应值从稳态值的 10% 上升到90%所用的时间；衰减弛豫为响应从稳态值的90%下降到10%所用的时间。 这种定义多用于响应速度很快的器件，如光电二极管、雪崩光电二极管和光电倍 增管等。 若光电探测器在单位阶跃信号作用下的起始阶跃响应函数为 1-exp（-t/打），衰减响应函数为exp（-“爲），则根据第一种定义，起始弛豫时间 为工，衰减弛豫时间为t。此外，如果测出了光电探测器的单位冲激响应函数， 12则可直接用其半值宽度来表示时间特性。为了得到具有单位冲激函数形式的信号 光源，即6函数光源，可以采用脉冲式发光二极管、锁模激光器以及火花源等光 源来近似。

8、在通常测试中，更方便的是采用具有单位阶跃函数形式亮度分布的光 源。从而得到单位阶跃响应函数，进而确定响应时间。幅频特性 由于光电探测器惰性的存在，使得其响应度不仅与入射辐射的波 长有关，而且还是入射辐射调制频率的函数。这种函数关系还与入射光强信号的 波形有关。通常定义光电探测器对正弦光信号的响应幅值同调制频率间的关系为 它的幅频特性。许多光电探测器的幅频特性具有如下形式。1A（）二（I）（2-1）（1+02T 2）1 2式中，A（o）表示归一化后的幅频特性；o = 2兀f为调制圆频率；f为调制频率；e为响应时间。在实验中可以测得探测器的输出电压VI 3 )为VV()二T(2-2)(1+02T

9、2)1 2式中V为探测器在入射光调制频率为零时的输出电压。这样，如果测得调制频率 0为f时的输出信号电压V和调制频率为f时的输出信号电压V，就可由下式确1 1 2 2定响应时间(2-3)1 V 2 - V 2T =122兀(Vf )2 -(Vf )21 2 2 1 1为减小误差，V与V的取值应相差10%以上。12由于许多光电探测器的幅频特性都可由式(2-1)描述，人们为了更方便地表示这种特性，引出截止频率 f 。它的定义是当输出信号功率降至超低频一半时，即 e信号电压降至超低频信号电压的70.7%时的调制频率。故 f 频率点又称为三分贝e点或拐点。由式(2-1)可知f =亠(2-4)o 2兀T

10、实际上，用截止频率描述时间特性是由式(2-1)定义的T参数的另一种形式。 在实际测量中，对入射辐射调制的方式可以是内调制，也可以是外调制。外 调制是用机械调制盘在光源外进行调制，因这种方法在使用时需要采取稳频措施 而且很难达到很高的调制频率，因此不适用于响应速度很快的光子探测器，所以 具有很大的局限性。内调制通常采用快速响应的电致发光元件作辐射源。采取电 调制的方法可以克服机械调制的不足，得到稳定度高的快速调制。实验仪器在本实验箱中，提供了需测试两种光电器件：峰值波长为 880nm 的光电二 极管和可见光波段的光敏电阻。光源均为调制光，峰值波长为 900nm 的红外发 光管发出脉冲调制光，可见

11、光(红)发光管发出正弦调制光。光电二极管的响应时间与其偏压与负载都有关系，所以，光电二极管的偏压 与负载电阻都是可调的，偏压分5V、10V、15V三档，负载分100殴姆、1K殴姆、 10K 殴姆、 50K 殴姆和 100K 殴姆五档。根据需要，光源的驱动电源有脉冲和正弦 波两种，并且频率在一定范围内可调。实验数据脉冲法测量光电二极管的响应时间1. 选定负载为10kQ ,改变其偏压。观察并记录在零偏（不选偏压即可）及不 同反偏下光电二极管的响应时间，并填入表 2-1。表 2-1 硅光电二极管的响应时间与偏置电压的关系偏置电压E/v051015响应时间tr/ys05004504002. 在反向偏压

12、为 15V 时，改变探测器的偏置电阻，观察探测器在不同偏置 电阻时的脉冲响应时间。记录填入表 2-2。表 2-2 硅光电二极管的响应时间与负载电阻的关系负载电阻R /QL500100010k50k100k响应时间tr/ys3503754509001800用幅频法测量光敏电阻的响应时间表 2-3 硅光电二极管的响应时间与偏置频率的关系f/HzVtr/ps101.241700150.96855200.84800250.641675实验 3 光电倍增管及其特性测试实验引言 光电倍增管是一种基于外光电效应(光电发射效应)的器件，由于其内部具有 电子倍增系统，所以具有很高的电流增益，从而能够检测极微弱的

13、光辐射。光电 倍增管的另一大优点是响应速度很快，因此其时间特性描述和测量都与其它光电 器件有所不同。此外，光电倍增管的光电线性好，动态范围大，因而被广泛用于 各种精密测量仪器和装备中。由于光电发射需要一定的光子能量，所以大多数光 电倍增管工作于紫外和可见光波段，目前在近红外波段也有应用。实验目的1. 熟悉光电光电倍增管的基本构成和工作原理，掌握光电倍增管参数的测量 方法；2. 学习光电倍增管输出信号的检测和变换处理方法。实验内容1. 验证光电倍增管的光照灵敏度；2. 测量光电倍增管在无光照射情况下的暗电流；3. 光电倍增管工作的光电特性和伏安特性曲线实验；4. 光电倍增管在不同直接负载和 I/

14、V 变换下的关系曲线；5. 了解光电倍增管在脉冲光时，经过运算放大器输出的电压波形变化。 实验原理光电倍增管结构及工作原理 光电倍增管是一种真空管，它由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增 系统和阳极五个主要部分组成。如图 31 所示。册网人射光屏蔽板9护彳灯二光电阴极10 =阳极1 9=倍增极图 3-1 光电倍增管结构(1) 光窗 光窗分端窗型(Head。n)和侧窗型(Side。n)两种。本实验系统采用的 侧窗型光电倍增管，在分光光度计和光度测定方面有广泛的使用。(2) 光电阴极 光电倍增管的阴极一般是具有低逸出功的碱金属材料形成的 光电发射面。一般分为半透明光电面(入射光和光电子运动同一

15、方向)和不透明 光电面(入射光的方向与光电子运动方向相反)。电子倍增系统 为使光电倍增管正常工作，光电倍增管中阴极(K)和阳极 (A)之间分布有多个电子倍增极Dn。在管外的阴极(K)和各个倍增极及阳极(A)引脚 之间串联多个电阻Rn,由Rn形成的分压电阻使各个倍增极相对阴极而言加上了 逐步升高的正电压，要在阴极(K)和阳极(A)之间加上0至-1500V左右的高电压， 目的是吸引并加速从阴极飞出的光电子,并使他们飞向阳极。光电倍增管的主要参量与特性(1)光谱响应 光电倍增管的阴极将入射光的能量转换为光电子。其转换效率(阴极灵敏度) 随入射光的波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光

16、谱响应 特性。图3-3 给出了双碱光电倍增管的典型光谱响应曲线。光谱响应特性的长波 端取决于光阴极材料，短波端则取决于入射窗材料。对应于该光谱响应曲线，本 实验系统采用中心波长在 425nm 的蓝光 LED 发光二极管做光源。根据不同型号 的光电倍增管的光谱响应特性，其中长波端的截止波长，对于双碱阴极和Ag-0-Cs 阴极的光电倍增管定义为其灵敏度降至峰值灵敏度的 1%点，多碱阴极则定义为 峰值灵敏度的 0.1%。对于每一支光电倍增管来讲，真实的数据可能会略有差异。(2)灵敏度由于测量光电倍增管的光谱响应特性需要精密测试系统和很长的时间，且提 供每一支光电倍增管的光谱响应特性不现实，所以一般用

17、光照灵敏度来评价光电 倍增管的灵敏度。阳极光照灵敏度表示的是对光电面上入射一定光束时，阳极输 出电流的大小。即对应于1流明光的输出电流称之为光照灵敏度，用SA表示； 单位为A/LM (安培/流明)。光照灵敏度有表示阴极特性的阴极灵敏度和表示光 电倍增管整体特性阳极灵敏度两种。(3) 光电特性光电倍增管的阳极输出电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，称 为倍增管的光电特性。一般光电倍增管的光电特性曲线线性(直线性)是很好的。 也就是说具有宽的动态范围。但是在接收较强的光入射时，会产生偏离理想线性 的情况。其主要原因是阳极的线性特性影响。具有透过型的光电阴极的光电倍增 管，工作在低电压、大电

18、流场合，也可能出现阴极线性特性的影响。阴极、阳极 两者的线性特性在工作电压一定时，与入射光波长无关，而取决于电流值大小。 因此对于模拟量测量，必须选取能保证阳极电流与光照在大范围内保持线性关系 的那些型号的光电倍增管(工程上一般取特性偏离于直线 3%作为线性区的界限)(4) 伏安特性光电倍增管的伏安特性是指在改变阳极阴极间的工作电压时，从而引起阳 极输出电流的变化。光电倍增管的输出电流对工作电压非常敏感，因此必须使用 高稳定性的高压电源。本测试仪采用的高压电源的漂移、纹波、温度变化、输出 变化、负载变化等的综合稳定度优于该光电倍增管稳定度1个数量级，并连续可 调。(5) 阳极暗电流 光电倍增管

19、在完全黑暗的环境中仍会有微小的电流输出，这个微小的电流叫做阳极暗电流。作为微小电流、微弱光使用的光电倍增管，希望暗电流尽可能小。阳极暗电流是决定光电倍增管对微弱光信号的检出能力的重要因素，其产生 的主要原因有以下几种： 由光电表面及倍增极表面的热电子发射引起的电流； 管内阳极和其它电极之间，以及芯柱阳极管脚和其它管脚之间的 漏电电流； 因玻璃及电极支持材料发光产生的光电流； 场致发射电流； 因残留气体电离产生的电流(离子反射)； 因宇宙射线、玻璃中的放射性同位素发出放射线、环境Y射线等 导致玻璃发光引起的噪声电流。阳极暗电流也受阳极电压的影响，随着工作电压增加而增加，但增加率并非 一样。(6)

20、电流放大(增益)由一个具有初速能量Ep的一次电子，从倍增极发射出6个二次电子(称6 为二次发射系数)，在低噪声的条件下得到倍增，从而达到了电流放大的作用。电流增益就是光电倍增管的阳极输出电流与阴极光电子电流的比值。在理想 情况下，具有n个倍增极，每个倍增极的平均二次电子发射率为6的光电倍增管 的电流增益为6no二次电子发射率6由下式给出：5 = A - E a(3-1)这里的A为一常数，E为极间电压，a为一由倍增极材料及其几何结构决定 的系数，a的数值一般介于0.7和0.8之间。在具有n个倍增极的光电倍增管， 其电流增益卩即可表示为：卩=I I = S /S or 卩=5 n(3-2)a ka

21、 k实验仪器PAT型光电倍增管。实验内容(1) 灵敏度测量(2) 光电特性测量(3) 伏安特性曲线测量(4) 线性测量a. 直接负载变换b. 运算放大器1/V变换(5) 脉冲光作用下的输出电流演示(6) 暗电流测量 实验报告与要求1. 做出阳极电压一定条件下输出阳极电流与光强之间的关系曲线(光电特性）；2. 做出光强一定条件下输出阳极电流与阳极电压之间的关系曲线（伏安特 性）；3. 做出负载电阻大小和输出电压的关系曲线，并分析负载电阻的大小对信号 探测的影响；4. 分析相同条件下直接负载输出和运用运算放大器输出的曲线关系；5. 测量光电倍增管的暗电流（选做）实验结果表 1 阳极电压 980V

22、下的灵敏度测量光强/plm00.20.40.60.81.01.2电流/yA172220231242251253252光强/ylm1.41.61.82.02.22.42.6电流/yA250247246246246245245图 1 阳极电压 980V 下的光电倍增管的阳极灵敏度表 2 阳极电压 600V 下的光电特性测量光强/plm0.51.01.52.02.53.03.5电流/yA2482124137143148153光强/ylm4.04.55.05.56.06.57.0电流/yA158161163162161159158光强/ylm7.58.08.18.28.38.48.5电流/yA1561

23、5513810388130表3光强为35卩血下的伏安特性测量U/v0200300350400450500550I/yA0014102766116U/v600650700750800I/yA143166191208219图3光强为35plm下的伏安特性曲线表4-1光电倍增管在35plm光照时，不同负载条件下的关系1K10K50K100K150KU/v0.090.964.537.4813.32I/pA176173164156140图4-1光电倍增管在35plm光照时，不同负载条件下的关系曲线表4-2在35Mlm光照时运用前置放大器不同反馈电阻条件下的关系1K10K50K100K150KU/v1.536.8812.73I/pA250250250图4-2在35plm光照时运用前置放大器不同反馈电阻条件下的关系曲线分析：由图41 和图 42 可看出，相同负载条件下，直接负载输出的电阻和电压 为线性关系，通过运用运算放大器输出的曲线开始时为非线性关系，当负载达到 一定值后为线性关系。