实验四 光电探测器性能指标测量实验 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、示波器 三、实验原理 (一)光谱响应度 光电探测器是光电探测系统的核心组成部分，它可将被探测目标的光辐射信号转换为电信 号，然后经过信号处理，以达到对目标外形、组成材料与温度、运动方向与速度等属性的准确 测量的目的。光电探测器的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和测试方法都是很重要的。 光电探测器主要分为光子探测器（如光敏电阻、光电二极管、光电三极管、硅光电池）和 热探测器（如热电偶、热释电探测器等）。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所示。 零() 光子探测器 热探测器 图1-1典型光电探测器的光清响应 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()定义为在波 长为入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 R(A)=Y() (1) P(2) 而光电探测器在波长为入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 24
24 实验四 光电探测器性能指标测量实验 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、示波器 三、实验原理 （一）光谱响应度 光电探测器是光电探测系统的核心组成部分，它可将被探测目标的光辐射信号转换为电信 号，然后经过信号处理，以达到对目标外形、组成材料与温度、运动方向与速度等属性的准确 测量的目的。光电探测器的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和测试方法都是很重要的。 光电探测器主要分为光子探测器（如光敏电阻、光电二极管、光电三极管、硅光电池）和 热探测器（如热电偶、热释电探测器等）。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 所示。 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 ( ) Rv 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 ( ) ( ) ( ) v V R P (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
R(A)=1() (2) P(2) 式中，P()为波长为入时的入射光功率；V()为光电探测器在入射光功率P)作用下的输 出信号电压：I()则为输出用电流表示的输出信号电流。为简写起见，R,(2)和R,()均可以用 表示。但在具体计算时应区分R和R(),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)。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()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）V,()可得单 色辐射功率P2=y,(2)(),再通过(1)式计算即可得到待测探测器的光谱响应度。 本实验采用下图所示的实验装置。用单色仪对钨丝灯辐射进行分光，得到单色光功率P()。 光潭电 手轮 电机 光播单色仪 圆操测器 前置放大器 电可 喜伏丧 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②入射时的输出电压为 y,)。若用R,表示热释电探测器的响应度，则显然有 '(2) P(1)= (3) RK 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。在本实验中 25
25 ( ) ( ) ( ) i I R P (2) 式中，P( ) 为波长为 时的入射光功率；V( ) 为光电探测器在入射光功率P( ) 作用下的输 出信号电压； I( ) 则为输出用电流表示的输出信号电流。为简写起见， ( ) Rv 和 ( ) Ri 均可以用 R( ) 表示。但在具体计算时应区分 ( ) Rv 和 ( ) Ri ，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 ( ) 。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( ) 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 ( ) Rf 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） ( ) Vf 可得单 色辐射功率 ( )= ( ) ( ) PVR f ，再通过(1)式计算即可得到待测探测器的光谱响应度。 本实验采用下图所示的实验装置。用单色仪对钨丝灯辐射进行分光，得到单色光功率 P( ) 。 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( ) 入射时的输出电压为 ( ) Vf 。若用 Rf 表示热释电探测器的响应度，则显然有 ( ) ( ) f f f V P R K (3) 这里 K f 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。在本实验中
K,=100×300,R,为热释电探测器的响应度，实验中在所用的25Hz调制频率下，R,=900P1W。 然后在相同的光功率P()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相应度 Ra)=-(2/K。 (4) P(2)V()/RK 式中K。为硅光电二极管测量时总的放大倍数，这里K,=150×300。 (二)响应时间 通常光电探测器输出的电信号相对于输入的光信号发生时间沿上的扩展，即在输出的电信 号要落后于作用在其上的光信号。扩展的时间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。 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。 脉冲响应法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-) (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（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。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-Xp(-/x)】,衰减响应函 数为xp(-x2),则根据第一种定义，起始弛豫时间为t,衰减弛豫时间为t2· 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。 幅频特性法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： 26
26 =100 300 Kf ，Rf 为热释电探测器的响应度，实验中在所用的 25Hz 调制频率下， =900 / R VW f 。 然后在相同的光功率 P( ) 下，用硅光电二极管测量相应的单色光，得到输出电压 ( ) Vb ， 从而得到光电二极管的光谱相应度 ( ) ( ) ( ) () () b b f f f V V K R P V RK (4) 式中 Kb 为硅光电二极管测量时总的放大倍数，这里 =150 300 Kb 。 （二）响应时间 通常光电探测器输出的电信号相对于输入的光信号发生时间沿上的扩展，即在输出的电信 号要落后于作用在其上的光信号。扩展的时间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。 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。 脉冲响应法 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 (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的 1 e (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。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 [1 exp( )] t ，衰减响应函 数为 2 exp( ) t ，则根据第一种定义，起始弛豫时间为 1 ，衰减弛豫时间为 2 。 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 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。 幅频特性法 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：
A(O)= (1+o2x2)9 (5) 式中，A(O)表示归一化后的幅频特性：o=2π∫为调制圆频率：∫为调制频率：t为响 应时间。 在实验中可以测得探测器的输出电压V(⊙)为 V(o)= Vo (1+w2x2)2 (6) 式中%为探测器在入射光调制频率为零时的输出电压。如果测得调制频率为时的輸输出信号电 压V和调制频率为∫；时的输出信号电压？，就可由下式确定响应时间 1 -昭 T= (7) 2πVW5'-(Wf)2 为减小误差，V与V,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(5)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f频率点又称为三分贝点或拐点。由式(5)可知 1 ∫。-2π (8) 实际上，用截止频率描述时间特性是由式(5)定义的π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。 四、实验仪器 在本实验箱中，提供了需测试的两种光电器件：峰值波长为880m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900m的红外发光管发出脉冲调制光，可见 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，偏压分为5V、10V、15V三档，负载分100殴姆、1K殴姆、10K殴姆、50K殴姆和100K 27
27 2 2 12 1 ( ) (1 ) A (5) 式中，A( ) 表示归一化后的幅频特性； 2 f 为调制圆频率； f 为调制频率； 为响 应时间。 在实验中可以测得探测器的输出电压 V（ω）为 0 2 2 12 ( ) (1 ) V V (6) 式中V0 为探测器在入射光调制频率为零时的输出电压。如果测得调制频率为 1 f 时的输出信号电 压V1和调制频率为 2f 时的输出信号电压V2，就可由下式确定响应时间 2 2 1 2 2 2 2 2 11 1 2 ( )( ) V V Vf Vf (7) 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(5)描述，人们为了更方便地表示这种特性，引出 截止频率 ef 。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 ef 频率点又称为三分贝点或拐点。由式(5)可知 1 2 of (8) 实际上，用截止频率描述时间特性是由式(5)定义的 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。 四、实验仪器 在本实验箱中，提供了需测试的两种光电器件：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 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，偏压分为 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。 实验系统面板说明 1.偏压一指加在光电二极管上的电压，三档可选。 2.负载电阻一指光电二极管的负载电阻，五档可选。 3.波形选择一对加在光源上的调制波形的选择，分为正弦波和脉冲波两种。 4.频率调节一指调制波的频率调节旋钮，分为正弦波和脉冲波两种。 5.探测器选择一对被测光电器件的选择，分别为光敏电阻和光电二极管。 6.光源一指加在光源上的调制波形，分别为正弦波和脉冲波。 7.输出一指被测光电器件的输出测试端，分别为光敏电阻和光电二极管。 8.特别说明一光电探测器选择为光电二极管时，波形选择只能选择脉冲波形。偏压和负 载电阻选择对光敏电阻无效。 五、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 3、利用探测器的脉冲响应特性测量响应时间 二选一 4、利用探测器的幅频特性确定其响应时间 六、实验步骤 (1)光路调整 1.首先确认单色仪狭缝，将狭缝调整到适当大小。 将光源置于入射狭缝S1一侧并点亮，调整与狭缝的距离，使其光聚于入射狭缝。此时将 单色仪的波长调至可见光范围，在出射狭缝处可见到单色的光。S1的缝宽调整在0.5mm。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0.5mm左右。 2.将调制盘置于入射狭缝S1位置，尽量贴近狭缝。将任一探测器置于出射狭缝S2的位 置，尽量贴近狭缝。 3.将各组件的连接线与“选频放大器和调制盘驱动器”的相应端口相连，打开“选频放 大器和调制盘驱动器”的电源，用示波器观察输出信号，应能在示波器的屏幕上看到=25Hz 的正弦波。 4.调整光路，使输出波形达到最大（此时单色仪的波长读数调在红光附近），至此，测试前 的准备工作完成，注意保证光路在整个测试过程中的稳定性。 6、将单色仪的输出波长调至测试范围的一个极限值，然后连续缓缓调整其输出波长，同时 注意观察示波器显示的波形，对波峰波谷值波长等较重要的数据做到心中有数，以防漏测。 (2)热释电探测器光谱功率测量 1、把热释电器件光敏面对准出射狭缝S2,并连接好放大器和示波器。 2、转动光谱手轮，每隔50m记下探测器的入射波长及示波器上相应波长的峰-峰电压 值，并填入表1。 硅光电二极管经 入射光波长 用热释电时毫伏 光谱功率 表输出 放大后输出 元/um 响应度R(入) g P(2) 28
28 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。 实验系统面板说明 1. 偏压‐‐‐指加在光电二极管上的电压，三档可选。 2. 负载电阻—指光电二极管的负载电阻，五档可选。 3. 波形选择—对加在光源上的调制波形的选择，分为正弦波和脉冲波两种。 4. 频率调节—指调制波的频率调节旋钮，分为正弦波和脉冲波两种。 5. 探测器选择—对被测光电器件的选择，分别为光敏电阻和光电二极管。 6. 光源—指加在光源上的调制波形，分别为正弦波和脉冲波。 7. 输出—指被测光电器件的输出测试端，分别为光敏电阻和光电二极管。 8. 特别说明—光电探测器选择为光电二极管时，波形选择只能选择脉冲波形。偏压和负 载电阻选择对光敏电阻无效。 五、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 3、 利用探测器的脉冲响应特性测量响应时间 4、 利用探测器的幅频特性确定其响应时间 六、实验步骤 （1） 光路调整 1． 首先确认单色仪狭缝，将狭缝调整到适当大小。 将光源置于入射狭缝 S1 一侧并点亮，调整与狭缝的距离，使其光聚于入射狭缝。此时将 单色仪的波长调至可见光范围，在出射狭缝处可见到单色的光。S1 的缝宽调整在 0.5mm。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 0.5mm 左右。 2． 将调制盘置于入射狭缝 S1 位置，尽量贴近狭缝。将任一探测器置于出射狭缝 S2 的位 置，尽量贴近狭缝。 3． 将各组件的连接线与“选频放大器和调制盘驱动器”的相应端口相连，打开“选频放 大器和调制盘驱动器”的电源，用示波器观察输出信号，应能在示波器的屏幕上看到 f=25Hz 的正弦波。 4． 调整光路，使输出波形达到最大(此时单色仪的波长读数调在红光附近)，至此，测试前 的准备工作完成，注意保证光路在整个测试过程中的稳定性。 6、将单色仪的输出波长调至测试范围的一个极限值，然后连续缓缓调整其输出波长，同时 注意观察示波器显示的波形，对波峰波谷值波长等较重要的数据做到心中有数，以防漏测。 （2） 热释电探测器光谱功率测量 1、把热释电器件光敏面对准出射狭缝 S2，并连接好放大器和示波器。 2、转动光谱手轮，每隔 50nm 记下探测器的入射波长及示波器上相应波长的峰‐峰电压 值，并填入表 1。 入射光波长 / m 用热释电时毫伏 表输出 Vf 硅光电二极管经 放大后输出 Vb 光谱功率 P( ) 响应度 R( ) 二选一