光电探测器特性测量实验报告文档格式.docx
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式中心为硅光电二极管测量时总的放大倍数,这里K产150x300。
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
A/pm
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
PW
响应度RW
0.50
184
160
0.0068
0.523
0.55
180
0.588
0.60
240
0.0067
0.797
0.65
188
300
0.0070
0.952
0.70
196
340
0.0073
1.037
0.75
186
280
0.0069
0.903
0.80
178
220
0.0066
0.741
0.85
182
0.598
0.90
172
0.0063
0.636
0.95
190
0.571
1.00
1.05
176
0.0065
0.616
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
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。
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。
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-^)(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戶(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[l-expt-r/rj],衰减响应函数为exp(-r/r2),则根据第一种定义,起始弛豫时间为G衰减弛豫时间为匚。
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來表示时间特性。
为了得到具有单位冲激函数形式的信号光源,即5函数光源,可以釆用脉冲式发光二极管、锁模激光器以及火花源等光源來近似。
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悄性的存在,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。
人⑷=£
、、屮(2_1)
(1+6?
-厂)片
式中,力(0)表Z5归一化后的幅频特性;
3=2兀f为调制圆频率;
/为调制
频率;
r为响应时间。
在实验中可以测得探测器的输出电压VI3)为
式中匕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
为时的输出信号电压%和调制频率为厶时的输出信号电压匕,就可由下式确
定响应时间
嗨心7-
为减小误差,
叫与人的取值应相差10%以上。
由于许多光电探测器的幅频特性都可由式(2J)描述,人们为了更方便地表示这种特性,引出截止频率於。
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£
频率点乂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r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。
脉冲法测量光电二极管的响应时间
1.选定负载为10RG,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24。
表2J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
5
10
15
响应时间tr/jlS
500
450
400
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
负载电阻心/Q
1000
10k
50k
100k
响应时间tr/pS
350
375
900
1800
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
“Hz
V
tr/gS
1.24
1700
0.96
855
20
0.84
800
25
0.64
1675
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。
1.熟悉光电光电倍增管的基本构成和工作原理,掌握光电借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。
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。
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。
1—9=倍増极
图3-1光电倍增管结构
⑴光窗光窗分端窗型(Head-on)和侧窗型⑸de-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)。
⑶电子倍增系统为使光电倍增管正常工作,光电借增管中阴极(K)和阳极(A)之间分布有多个电子倍增极Dno在管外的阴极(K)和各个借增极及阳极(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
⑴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,本实验系统釆用中心波长在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,所以一般用光照灵敏度來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。
⑶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一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)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。
电流增益就是光电借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別。
二次电子发射率6由下式给出:
S=AEa(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U即可表示为:
P=IJIk=SJSk0】
(3-2)
PAT型光电倍增管。
(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
乩直接负载变换
b.运算放大器I/V变换
⑸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
光强/plm
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
电流/pA
231
242
251
253
252
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
250
247
246
245
图1阳极电压980V下的光电倍增管的阳极灵敏度
-■-系列2
表2阳极电压600V下的光电特性测量
0.5
1.5
2.5
3.0
3.5
24
82
124
137
143
148
153
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
158
161
163
162
159
7.5
8.0
8.1
8.2
8.3
8.4
&
156
155
138
103
88
13
图2阳极电压600V下的光电特性曲线
表3光强为3・5plm下的伏安特性测量
U/v
200
550
I/J.1A
1
4
27
66
116
600
650
700
750
166
191
208
219
图3光强为3.5plni下的伏安特性曲线
图4・1光电倍增管在3・5plm光照时,不同负载条件下的关系曲线
表4・1光电倍增管在3.5Mlm光照时,不同负载条件下的关系
Rl/G
IK
10K
50K
100K
150K
0.09
4.53
7.48
13.32
LjiA
173
164
140
表4-2在3.5Mlm光照时运用前置放大器不同反馈电阻条件下的关系
1.53
6.88
12.73
图4-2在3.5plm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4J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。
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