光电探测器参数测量

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1、光电探测器特性测量实验实验讲义大恒新纪元科技股分版权所有 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必然的光辐射转换为电信号，然后通过信号处置，去实现某 种目的，它是光电系统的核心组成部份，其性能直接阻碍着光电系统的性能。因 此，不管是设计仍是利用光电系统，深切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 测器在确信入射光照下输出信号和入射光辐射之间的关系。要紧的响应特点包 括：响应度、光谱响应、时刻响应特性等性能参数。本实验内容主若是光电探测器性能参数测量和光电探测器的一样利用方式， 并专门列举了几种经常使用的光电探测

2、器的利用方式。第一部份 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大体性能参数之一，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。一样情形下，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.大体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Rv6）概 念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电压，用公式表示，那么为Rv(1-1)而光电探

3、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(12)图1-2探测器频率响应测试装置图式中，P（X）为波长九时的入射光功率；V（X）为光电探测器在入射光功率P（X） 作用下的输出信号电压；16）那么为输出用电流表示的输出信号电流。那个地址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P（X）时的输出电压为V 6）。假设用R表示热释电探测器的响应度，那么 ff显然有V (x)P(XJ= f(1-3)R Kff那个地址 K 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f本实验中，K=100X300, R为热释电探测

4、器的响应度，实验中在所用的25Hz ff调制频率下，R =900V/W。f然后在相同的光功率 P (x )下，用硅光电二极管测量相应的单色光，取得输出电压V 6),从而取得光电二极管的光谱响应度b( ) V(x) V (x)/ KV (k)/R Kff f式中K为硅光电二极管测量时总的放大倍数，那个地址K 150X3000bb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 光由聚光镜集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能够 改变出射光的波长(参见图 1-3)。在出射狭缝后

5、别离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 的各个部份。1. WD30光栅单色仪的光学系统图1-3是单色仪光学系统的示用意，聚光镜把光源发出的光集聚于单色仪入 射狭缝S上，光束经狭缝B射向球面反射镜M反射后的光束为平行光束。平行 111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M。球面2镜M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S位22图1-3 WD30光栅单色仪光学系统图于球面镜M的聚焦面上。测量时转动手轮使2光栅转动，在出射狭缝S处就会取得各个光2谱分量的输出。输出光的波长可在手轮计数 器上读

6、出。单色仪采纳的光栅为1200线/mm， 现在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，尽管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f0与调制频率一致（那个地址为 25

7、Hz ）。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调制盘的电机利用220V电压第二部份 光电探测器响应时刻的测试通常，光电探测器输出的电信号要掉队于作用在其上的光信号。光电探测器 的这种响应掉队于作用信号的特性称为惰性。由于惰性的存在，会使前后作用的 信号在输出端彼此交叠，从而降低了信号的调制度。若是探测器观测的是随时刻 快速转变的物理量，那么由于惰性的阻碍会造成输出严峻畸变。因此，深切了解 探测器的时刻响应特性是十分必要的。一、大体原理表示时刻响应特性的方式要紧有两种，一种是脉冲响应特性法，另一种是幅 频特性法。1. 脉冲响应 响应掉队于作用信号的现象称为弛豫。关于信

8、号开始作历时产弛 豫称为上升弛豫或起始弛豫；信号停止作历时的弛豫称为衰减弛豫。弛豫时刻的 具体概念如下：如用阶跃信号作用于器件，那么起始弛豫概念为探测器的响应从零上升为稳 固值的（l-1/e）（即63%）时所需的时刻。衰减弛豫概念为信号撤去后，探测器 的响应下降到稳固值的1/e （即37%）所需的时间。这种探测器有光电池、光敏 电阻及热电探测器等。另一种概念弛豫时刻的方式是：起始弛豫为响应值从稳态 值的 10%上升到 90%所用的时刻；衰减弛豫为响应从稳态值的 90%下降到 10%所用 的时刻。这种概念多用于响应速度专门快的器件，如光电二极管、雪崩光电二极 管和光电倍增管等。假设光电探测器在单

9、位阶跃信号作用下的起始阶跃响应函数为 1-exp（-t/T ）,衰减响应函数为exp（-t/T ），那么依照第一种概念，起始弛豫时刻为T ,1 2 1 衷减弛豫时刻性为T。2另外，若是测出了光电探测器的单位脉冲响应函数，那么可直接用其半值宽 度来表示时刻特性。为了取得具有单位冲激函数形式的信号光源，即6函数光源， 能够采纳脉冲式发光二极管、锁模激光器和火花源等光源来近似。在通常测试中， 更方便的是采纳具有单位阶跃函数形式亮度散布的光源。从而取得单位阶跃响应 函数，进而确信响应时刻。2. 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，而且仍是入射辐射调制频率的函数。

10、这种函数关系还与入射光强信号的 波形有关。通常概念光电探测器对正弦光信号的响应值和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。A（3）=1/2(2-1)式中，A表示归一化后幅频特性；3=2口f为调制圆频率；f为调制频率；T为响应时刻。在实验中能够测得探测器输出电压V（3）为V)= /1 + 3 2T 2 丿/2(2-2)式中 V 为探测器在入射光调制频率为零时的输出电压。如此，若是测得调 0制频率为f时的输出信号电压V和调制频率为f时为输出信号电压V ,就可由1 1 2 2 下式确信响应时刻T 二 1 ：V2 - V22口f (Vf1 2 2 1 1(2-3)由于许

11、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。它的概念是当输出信号功率降至超低频信号功率一半时，即信号电压降至超低频信号电压的%时的调制频率。故f频率点又称为 c三分贝点或拐点。由式（2-1）可知、二丄e2m(2-4)事实上，用截止频率描述时刻特性是由式（2-1）概念的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能够是内调制也可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式在利历时需要采取稳频方法，而且很难达到很高的调制频率，因此不适用于响应速度专门快的光子探测器因此具有专门大的局限性。电调制通常采纳快束响应的电致发光元件作辐射源。

12、采取电调制的 方式能够克服机械调制的不足，取得稳固度高的快速调制。二、实验仪器光电探测器时刻常数测试实验箱：20M双踪示波器。在光电探测器时刻常数测试实验箱中，提供了需测试两个光电器件：峰值波长为 900nm的光电二极管和可见光波段的光敏电阻。所需的光源别离由峰值波长为 900nm的红外发光管和可见光(红)发光管来提供。光电二极管的偏压与负载都 是可调的，偏压分为5V、10V、15V三档，负载分100欧姆、1K欧姆、10K欧姆、 50K欧姆、100K欧姆五档。依照需要，光源的驱动电源有脉冲波和正弦波两种， 而且频率可调。下面简要介绍CS-1022型示波器的外触发工作方式和10%到90%的上升响

13、应时 刻的测试方式。1外触发同步工作方式当示波器的触发源选择ext档时，CS-1022型示波器右下角的外触发输入插 座上的输入信号成为触发信号。在很多应用方面，外触发同步更为适用于波形观 测。如此能够取得精准的触发而与馈送到输入插座CH1和CH2的信号无关。因此， 即便当输入信号转变时，也不需要进一步触发。2. 10%到90%的上升响应时刻的测试(1) 将信号加到CH1输入插座，置垂直方式于CH1。用V/div和微调旋钮 测量波形峰峰值。(2) 用令位移钮和其它旋钮调剂波形，使其显示在屏幕垂直中心。将t/div 开关调到适合的档位，能同时观测10%和90%两个点。将微调置于校准档。(3) 用崛位移旋钮调剂10%点，使之与垂直刻度重合，测量波形上10% 和90%点之间的距离(div)。将该值乘以t/div，若是用“ X10扩展”方式，再 乘于1/10。请正确利用10%、90%线。在CS-1022型示波器上，每一个0%、10%、90%和100%测量点都标记在示波器屏幕上。利用公式：上升响应时刻七=水平距离(div)X t/div档位X“X10扩展”的倒数(1/10)。r【举例】例如，水平距离为4div, t/div是2 口 s (见图2-2)。代入给定值：上升响应时刻t =(div) X2(us) =8 口 sr