光电探测器光谱响应度和响应时间的测量(刘1).doc

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比较平坦，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，以探测器接受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、 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。
二、 实验内容
（1）用热释电探测器测量钨丝灯的光谱辐射特性曲线；
（2）用比较法测量硅光电二极管的光谱响应曲线。
三、 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λ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λ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， P(λ)为波长为λ时的入射光功率；V(λ)为光电探测器在入射光功率P(λ)作用下的输出信号电压；I(λ)则为输出用电流表示的输出信号电流。为简写起见，和均可以用表示。但在具体计算时应区分和，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辐射照射下光电探测器输出的电信号V(λ)。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(λ)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的探测器为基准，用同一波长的单色辐射分别照射待测探测器和基准探测器。由参考探测器的电信号输出（例如为电压信号）可得单色辐射功率，再通过（1－1）式计算即可得到待测探测器的光谱响应度。
本实验采用图1－2所示的实验装置。用单色仪对钨丝灯辐射进行分光，得到单色光功率P(λ)。

图1－2 光谱响应测试装置图
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P(λ)入射时的输出电压为。若用表示热释电探测器的响应度，则显然有
（1－3）
这里Kf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，，为热释电探测器的响应度，实验中在所用的25Hz调制频率下，。
然后在相同的光功率P(λ)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Kb=150×300。
四、 实验装置
实验装置示于图1－2。用钨丝灯作光源，用直流稳压电源对钨丝灯供电，光源发出的光由聚光镜会聚于单色仪的入射狭缝上，并在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。
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。由于S1位于M1的焦面上，因此，经球面镜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。球面反射镜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。把狭缝S1和S2开得很窄，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得输出。输出光的波长可在手轮计数器上读出。仪器备有四块光栅，分别对应着可见光和红外区四个光谱段。本实验采用第二块光栅（1200线⁄mm），此时的输出波长为手轮计数器读数的二倍（单位：Å，1 Å＝0.1nm）。
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，所需正12V电压由选频放大器提供。前置放大器的放大倍数为200。

图1－4 热释电探测器的典型调制特性 图1－5 选频放大器的频率特性
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，但仍需接选频放大器放大。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（这里为25Hz），放大倍数为300。
5．钨丝灯的电源电压在0～6V可调
6．调制盘的电机使用220V电压。
五、 实验步骤
(1)打开光源开关，调整光源位置，使灯丝通过聚光镜成像在单色仪入射狭缝S1上，S1的缝宽调整在0.2mm。把出射狭缝S2开到1mm左右，人眼通过S2能看到与波长读数相应的光，然后逐渐关小S2，最后开到S2＝0.2mm。
注意：狭缝开大时不能超过3mm，关小时不能超过零位，否则将损坏仪器！
（2）在光路中靠近S1的位置放入调制器，并接通电机电源。
（3）把热释电器件光敏面对准出射狭缝S2，并连接好放大器和毫伏表，然后为探测器加上电池电压+12V。
（4）转动光谱手轮，记下探测器的入射波长及毫伏表上相应波长的输出电压值，并填入表1－1。
（5）用光电二极管换下热释电器件，给光电二极管加上+12V电压，重复步骤4，将数据记入表1－1。
表1－1 光谱响应测试实验数据
入射光波长

用热释电时
毫伏表输出
硅光电二极管
经放大后输出
光谱功率
P(λ)
响应度

0. 5

1. 2

六、 实验报告
（1）画出光源的光谱辐射分布曲线；
（2）画出硅光电二极管的光谱响应曲线；
（3）分析实验结果，并确定硅光电二极管的峰值响应波长和截止波长。
七、 思考题
（1）单色仪入射狭缝和出射狭缝的宽度分别控制着哪些物理量？测量时开大些好还是开小些好？
（2）如果在测量过程中，用热释电器件和光电二极管测量时，二者光源光强度不一致是否仍能保证结果的正确性？如果二者的调制频率不同呢？
（3）在测量光谱响应度时，如果实验室没有参考（基准）探测器，能否想办法测得？
（4）如何改进实验装置？提高测量精度和速度？

光电探测器响应时间的测定
通常，光电探测器输出的电信号都要在时间上落后于作用在其上的光信号，即光电探测器的输出相对于输入的光信号要发生沿时间的扩展。扩展的程序可由响应时间来描述。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、 实验目的
（1） 了解光电探测器的响应度不仅与信号光的波长有关，而且与信号光的调制频率有关；
（2） 掌握发光二极管的电流调制法；
（3） 熟悉测量探测器响应时间地方法。

二、 实验内容
（1） 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期响应时间。

三、 基本原理
表示时间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的弛豫称为上升弛豫和起始弛豫；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得（1－1/e）（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得1/e（即37%）所需的时间。这类探测器有光电池、光min电阻及热电探测器等。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。这种定义多用于响应速度很快的器件，如光电二极管、血崩发光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,衰减响应函数为，则根据第一种定义，起始弛豫时间为τ1，衰减弛豫时间为τ2。
此外，如果测出了光电探测器的单位冲激响应函数，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δ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。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。
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。
（2－1）
式中，表示归一化后的幅频特性；为调制圆频率；f为调制频率；τ为响应时间。
在实验中可以测得探测器的输出电压为
（2－2）
式中为探测器在入射光调制频率为零时的输出电压。这样，如果测得调制频率为f1时的输出信号电压V1和调制频率f2时的输出信号电压V2，就可由下式确定响应时间
（2－3）
为减小误差，V1与V2的取值应相差10％以上。
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。它的定义是当输出信号功率降至超低频一半时，即信号电压降至超低频信号电压的70.7％时的调制频率。故频率点又称为三分贝点或拐点。由式（2－1）可知
（2－4）
实际上，用截止频率描述时间特性是由式（2－1）定义的τ参数的另一种形式。
在实际测量中，对入射辐射调制的方法可以是内调制，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。采用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。

四、 实验仪器
光电探测器时间常数测试实验箱：20M双踪示波器；毫伏表。
在光电探测器时间常数测试实验箱中，提供了需测试两个光电器件：峰值波长为900nm的光电二级管和可见光波段的光敏电阻。所需的光源分别由峰值波长为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5V、10V、15V三档，负载分100欧姆、1k欧姆、10k欧姆、50k欧姆和100k欧姆五档。根据需要，光源的驱动电源有脉冲和正弦波两种，并且频率可调。
下面简要介绍CS－1022型示波器的外触发方式。
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与波形观测。这样可以获得精确的触发与馈送到输入插座CH1和CH2的信号无关。因此，即使当输入信号变化时，也不需要再进一步触发。
2．10％到90％的上升响应时间的测试
（1）将信号加到CH1输入插座，置垂直方式于CH1。用和微调旋钮将波形峰峰值调到6div。
（2）用▲▼位移旋钮和其它旋钮调节波形，使其显示在屏幕垂直中心。将t / div开关调到尽可能快速的档位，能同时观测10％和90％两个点。将微调置于校准档。
（3）用◄►位移旋钮调节10％点，使之与垂直刻度线重合，测量波形上10％和90％点之间的距离（div）。将该值乘以t / div，如果用“×10扩展”方式，再乘以1/10。
请正确使用10％，90％线。在CS－1022型示波器上，每个0％、10％、90％和100％测量点都标记在示波管屏幕上。
使用公式：
上升响应时间水平距离（div）×t / div档位ד×10扩展”的倒数（1/10）。
【举例】
例如，水平距离为4div，t / div是2μs（见图2－2）。代入给定值：
上升响应时间4.0（div）×2μs =8μs
五、 实验步骤
1．用脉冲法测量光电二极管的响应时间
（1）首先要将本实验箱面板上“偏压”档和“负载”分别选通一组。
（2）将“波形选择”开关拨至脉冲档，“探测器选择”开关拨至光电二极管档，此时由“输入波形”的二极管处应可观测到方波，由“输出”处引出的输出线（红线）即可得到光电二级管的输出波形，其频率可通过“频率调节”处的方波旋钮来调节。
（3）调节示波器的扫描时间和触发同步，使光电二极管对光脉冲的响应在示波器上得到清晰的显示。
（4）选定负载为10kΩ，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/V
0

5
12
15

响应时间

（5）在反向偏压为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
51
100
1k
10k
100k
响应时间

2．用脉冲法测量光敏电阻的响应时间
光敏电阻所加偏压为15V，负载是10k，是不可调的。故“偏压”档和“负载”档在此时不起作用。
将实验箱面板上“波形选择“开关拨至脉冲档，“探测器选择”开关拨至光敏电阻档，此时由“输入波形”的光敏电阻处应可观测到方波，由“输入”处引出的输出线（蓝线）即可得到光敏电阻
3．用幅频特性法测量CdSe光敏电阻的响应时间
（1）将本实验箱面板上“波形选择”开关拨至正弦档，“探测器选择”开关拨至光敏电阻档，此时由“输入波形”的光敏电阻处应可观测到正弦波形，由“输出”处引出的输出线（蓝线）即可得到光敏电阻的输出波形，其频率可改变“频率调节”处的正弦旋钮来调节。
（2）改变光波信号频率，测出不同频率下CdSe的输出电压（至少测三个频率点）并记录。
（3）根据公式（2－3）计算出其响应时间。
4．用截止频率测量CdSe光敏电阻的响应时间
改变正弦波的频率，可以发现随着调制频率的提高，CdSe负载电阻两端的信号电压将减小。测出其衰减到超低频的70.7％时的调制频率，并由式（2－4）确定响应时间τ。
六、 实验报告
（1）列出表2－1、表2－2并解释光电二极管的响应时间与负载电阻和偏置电压的关系。
（2）列出用脉冲响应法测得的CdSe光敏电阻的响应时间，并与用幅频特性法测出的响应时间相比较。
（3）写出用截止频率测得的CdSe的响应时间。并比较这三种方法的特点。
七、 思考题
（1）CdSe光敏电阻在弱光和强光照射下的响应时间是否相同？为什么？
（2）如欲测量响应时间速度更快的光电探测器的响应时间，则必须提高光源的调制频率，试想还有哪些方法。