光电探测器特性测量实验报告

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

()v R λ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 () ()()

v V R P λλλ=

(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

() ()()

i I R P λλλ=

(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，()v R λ和()i R λ均可以用()R λ表示。但在具体计算时应区分()v R λ和()i R λ，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 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()f R λ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）()f V λ可得单色辐射功率()=()()f P V R λλλ，再通过(1-1)式计算即可得到待测探测器的光谱响应度。

本实验采用单色仪对钨丝灯辐射进行分光，得到单色光功率()P λ ，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()f V λ。若用f R 表示热释电探测器的响应度，则显然有

()()f f f V P R K λλ= (1-3)

这里f 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=100300f K ?，f 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，=900/f R V W 。

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()b V λ，从而得到光电二极管的光谱相应度

()() ()()()b b f f f

V K V R P V R K λλλλλ=

= (1-4) 式中b K 为硅光电二极管测量时总的放大倍数，这里=150300b K ?。 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

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(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1e -(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[1exp()]t τ--，衰减响应函数为2exp()t τ-，则根据第一种定义，起始弛豫时间为1τ，衰减弛豫时间为2τ。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 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。

2212

1()(1)A ωωτ= + (2-1)

式中，()A ω表示归一化后的幅频特性；2f ωπ=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VI ω)为 2212

()(1)V V ωωτ= + (2-2)

式中0V 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1f 时的输出信号电压1V 和调制频率为2f 时的输出信号电压2V ，就可由下式确定响应时间

τ= (2-3)

为减小误差，1V 与2V 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e f 。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e f 频率点又称为三分贝点或拐点。由式(2-1)可知

1 2o f πτ = (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

2.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

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

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/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3-1所示。

图3-1 光电倍增管结构

(1)光窗光窗分端窗型(Head-on)和侧窗型(Side-on)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）。

(3)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-O-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：

① 由光电表面及倍增极表面的热电子发射引起的电流； ② 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；

③ 因玻璃及电极支持材料发光产生的光电流； ④ 场致发射电流； ⑤ 因残留气体电离产生的电流（离子反射）； ⑥ 因宇宙射线、玻璃中的放射性同位素发出放射线、环境γ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)电流放大（增益）

由一个具有初速能量E P 的一次电子，从倍增极发射出δ个二次电子（称δ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δ的光电倍增管的电流增益为δn 。二次电子发射率δ由下式给出：

A E αδ=? (3-1)

这里的A 为一常数，E 为极间电压，α为一由倍增极材料及其几何结构决定的系数，α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μ即可表示为：

or =n a k a k I I S S μμδ== (3-2) 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I/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下的灵敏度测量

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

图2 阳极电压600V下的光电特性曲线

表3 光强为3.5μlm下的伏安特性测量

图3 光强为3.5μlm下的伏安特性曲线

表4-1 光电倍增管在3.5μlm光照时，不同负载条件下的关系

图4-1 光电倍增管在3.5μlm光照时，不同负载条件下的关系曲线

表4-2 在3.5μlm光照时运用前置放大器不同反馈电阻条件下的关系

图4-2 在3.5μlm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4-1和图4-2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。