光电检测技术及系统实验指导书

光电检测技术及系统实验指导书内容摘要：

Ω为保护电阻。 ②阳极灵敏度 阳极灵敏度 SP 是指光电倍增管在一定工作电压下阳极输出电流与照在阴极面上光通量的比值，即 SP=IP/Ф（ A/lm），它是一个整管参数。 在测量时为保证光电倍增管处于正常的线性工作状态，光通量要取得比测量阴极灵敏度时小一些，因为倍增极材料的二次发射系数σ值是所加电压的函数，所以光电倍增管的阳极灵敏度与整管工作电压有关。 放大倍数（电流增益） 在一定 的工作电压下，光电倍增管的阳极信号电流和阴极信号电流之比称为该管的放大倍数或电流增益，以符号 M 表示，则 M = IP/IK 式中， IP为阳极信号电流； IK 为阴极信号电流，放大倍数 M 主要取决于系统的电子倍增能力，因此它也是工作电压的函数，由于阳极灵敏度包含了放大倍数，也可以在一定工作电压下测试出阳极灵敏度 SP和阴极灵敏度 SK的数值，然后求其比值即可得放大倍数，即 M = SP/SK 以上是理论定义，真正测试时，由于增益数值很大，一步测定 M 值比较困难，通常所采用的方法之一是： 首先在足够弱的光通量下测定与某一 工作电压相应的阳极电流 IP（注意阳极电流应在线性范围内），然后，使光通量增强 m 倍（注意不能改变光谱分布），测定阴极电流 IK，这时只有光电倍增管的第一级和前几级倍增才施加正常电压，以免光电倍增管输出过载，这时电流增益可按下式求得： M = SP/SK m 式中： IP— 弱光通量下测定的阳极电流； IK— 强光通量下测定的阴极电流； m— 光通量的增加倍数。 15 暗电流 光电倍增管 在 完全没有一点光照的情况下，在规定的工作电压下，测得的阳极输出电流。 光电倍增管的暗电流与工作电压及环境温度有密切关系。 暗电流决定 光电倍增管能测定的最小光通量（即该管的极限灵敏度）。 暗电流是由热电子发射、极间漏电流，管内残余气体的离子发射，场致发射，管内荧光等引起的。 供电电路 （ 1）高压的连接方式 光电倍增管的供电方式有两种，即负高压接法，（阴极接电源负高压，电源正端接地）和正高压接法（阳极接电源正高压，电源负端接地）。 负高压接法的优点是便于与后面的放大器连接，并且可以直流输出信号，也可以交流输出信号，操作安全方便，缺点在于因玻壳的电位与阴极电位接近，屏蔽罩应至少离开管子玻壳 1~2mm，使系统的外形尺寸增大，否则由于静电屏蔽的寄 生影响，暗电流与噪声都会增大。 实验采用负高压接法。 （ 2）分压器 光电倍增管极间电压的分配最常用的方案是如图 1 所示的电阻链分压器，最佳的极间电压分配取决于三个因素：即阳极峰值电流、允许的电压波动、允许的非线性偏离。 光电倍增管极间的分配可按前级区、中间级区和末级区加以考虑，前级区的收集电压必须足够高，以便第一倍增极有高的收集效率和大的二次电子发射系数，中间级区的各级间通常具有均匀发布 的级间电压，以便管子获得最佳增益，由于末级区各级特别是末级需支取较大电流，所以末级区各级间电压不能过低，以免形成空间电荷效应而使管子失去应有的直线性。 当阳级电流增大到与分压器电流相比拟时，将会导致末级区各级间电压的大幅度下降，从而使光电倍增管出现严重的非线性，为防止级间电压的再分配以保证增益的稳定，分压器电流至少为最大阳极电流的 20 倍，对于直线性要求很高的使用场合，如精密的光幅射测量中，为了保证测量信号的线性度优于 1%，一般要求分压器上的电流是阳极最大光电流的 100倍以上。 当确定了分压器电流后，就可以根 据光电倍增管的最大阳极电压算出分压器的总电阻，再按照适当的级间分压分配，由总电阻求出各分压电阻的阻值。 16 （ 3）输出电路 光电倍增管输出的是电流信号，输出阻抗很高，可作为一个理想的恒流源来考虑，因此输出电流与负载电阻无关。 实际上，对负载阻抗也存在一个上限，因为负载电阻上的电压降明显地降低末级倍增极与阳极之间的电压，因而会降低放大倍数，致使光电特性偏离线性。 当光电倍增管用在低频光信号测量中时，阳极输出的光电流可采用电流 /电压放大器，此时光电倍增管应采用负高压供电，如图 2 所示，输出信号 V0=Ip Rf 此时运算放大器的同、反相端为同电位，阳极与末级倍增极间的电压不受光电流信号的影响。 四、实验装置 光电倍增管测试装置及暗箱前面板接线柱分布如图 3 所示。 测试暗箱分上下两层。 50W/12V 卤钨灯发射光 经 过中性小孔减光盘后，由漫透射板出射均匀的漫透射光。 反光 减 光 盘 漫 透 射 板 反 光 镜 漫 反 射 板 光 电 倍 增 管 放 光 电 器 件 位 置6 7挡 屏 2挡 屏 398挡 屏 1挡 屏 4 125341 3 0 K K D 1 D 2 D 3D 9A1 M1 3 0 K 1 3 0 K 1 3 0 K 光 源（ 卤 钨 灯 ）信 号输 出 端电 源输 入 端图 3 光电倍增管测试装置 Rf V0=Ip Rf HV Ip AMP _ + Cf A K 图 2 阳极电流测量电路 17 镜 将光束从暗箱的上层转折到下层，再经过漫反射板散射后，光信号再一次衰减，最后相对微弱的光信号照到光电倍增管上。 实验用光电倍增管（ 931A）直径 1－ 1/8 英寸、鼠笼形、九级 倍增、侧窗型、硼硅玻壳、锑铯光阴极、 300～ 650nm、最大响应波长 400nm。 各光电倍增管阴极灵敏度如下表 编号 7996 8121 8699 8756 9064 9232 9277 9284 9653 9669 Sk( uA/ｌ m ) 五、实验内容及步骤 暗电流测量 （ 注意：卤钨灯不开 ） （１）电流 /电压放大器 连电源（ +12v/12v 、 GND， +5v、地） 连 out 至 1000k、连 Vo1 至 Vi连 +5V/Ｂ至Ｂ（放大 10０倍）。 记下此时的 V’（ Vo2）。 （ 注意：此步 骤 时不连信号线 ） （２）将暗箱前面板接线柱接线柱①②短接，③连接到高压输出负端 (HV)，④接正端（地）。 （３）阴极输出信号④⑤用信号线连接到电流 /电压放大器。 ④接地、⑤接屏蔽线的芯线。 （４）调节光电倍增管电源上的电位器至最小（逆时针到底），开电源开关， 调高压从 –400V 到 1000Ｖ，记下相应的 Vo2 值，高压调 小后关电源。 处理后得 暗电流与所加的电压之间的关系。 测试条件： 第一级反馈电阻 Rf= ，第二级放大倍数 A= ,零点偏差电压 V’ = 负高压 (V) 400V 450V 500V 550V 600V 650V 700V 输出电压 Vo2 Vo =Vo2V’ 阴极电流 Io=Vo/(A*Rf) 负高压 (V) 750V 800V 850V 900V 950V 1000V 输出电压 Vo2 Vo =Vo2V’ 阴极电流 Io=Vo/(A*Rf) 18 光电倍增管增益和阳极灵敏度测量 （ 1）连接线路参照暗电流测量线路 （ 2）开 卤钨灯电源 （ 4A） ， 调节减光盘，选择两种入射光照（ 减光盘刻度 1 处 ）下，测量光电倍增管在不同高压（ 400 伏至 1000 伏）时的阳极光电流。 测试条件： 第一级反馈电阻 Rf= ，第二级放大倍数 A= ,零点偏差电压 V’ = 负高压 (V) 400V 450V 500V 550V 600V 650V 700V 输出电压 Vo2 E1= 阳极电流 Io=Vo/(A*Rf) E2= 阳极电流 Io=Vo/(A*Rf) 负高压 (V) 750V 800V 850V 900V 950V 1000V E1= 阳极电流 Io=Vo/(A*Rf) E2= 阳极电流 Io=Vo/(A*Rf) ３、光电阴极面上的入射光通量测量 （ 1）将接线柱①②连接到电流 /电压放大器，③④分别接到高压电源的负（地）、正输出端。 （ 2）将高压电源的输出调至 450V~500V。 （ 3） 打开 卤钨灯 电源（ 4A），测量 入射光 最大（减光盘刻度３）时 相应的 Vo2 值 ，计算光电阴极面上的入射光通量。 测试条件：实验用光电倍增管阴极灵敏度 Sk( uA/ｌ m )＝ ，负高压 (V)＝ ， 第一级反馈电阻 Rf= ，第二级放大倍数 A= ,零点偏差电压 V’ = 记录 输出电压 Vo2＝ 计算得到光通量＝ ４、根据２、３的结果及阴极灵敏度表，计算光电倍增管在不同高压时的阳极灵敏度和增益，并画出相应的特性曲线。 《注意事项》 在开启 高压 开关 、卤钨灯电源开关 前，首先要检查连接线 是 否正确 ， 检查 各输出旋钮是否 处于 最小位置。 关 高压电源 前 ，首先要把旋钮旋到最小位置，然后关断。 19 光电倍增管对光的响应极为灵敏，因此在没有完全隔绝外界光的情况下，切勿对管子施加工作电压，绝不允许在强光下开启光电倍增管电源，否则会导致管内倍增极的损坏。 不准在超过规定工作电压最大值时使用。 六、预习要求 复习教科书中的相关内容； 预习实验指导书的内容，编制实验操作步骤。 七、实验报告要求 画出实验所用管子的接线图，并注上所用参数。 做出暗电流与阳极电压之间的关系曲线。 计算减光盘处 于各档时，阴极面上入射的光通量。 计算不同高压时，光电倍增管的阳极灵敏度及放大倍数。 对以上计算结果和曲线作相应分析，并说明原因。 通过本实验对加强实验动手能力，提高实验质量有哪些改进措施。 八、思考题 光电倍增管是依据哪两个原理工作的。 本实验所采用的光电倍增管光电阴极采用什么材料。 响应波长范围多少。 峰值波长多少。 光电倍增管的倍增级结构有几种形式。 各有什么特性。 本实验采用的又是哪种结构。 进光形式在端面还是在侧面。 光电倍增管的供电电路有几种形式，本实验采用哪种形式 ?有什么特点。 本实验测试中应注意哪些问题。 为什么。 20 实验四 位置灵敏探测器（ PSD） 一、实验目的 掌握位置灵敏探测器 PSD 的工作原理及特点。 掌握位置灵敏探测器 PSD 的直流工作电路。 掌握利用位置灵敏探测器 PSD 进行光点的位置检测。 二、实验原理 位置灵敏探测器（ Position Sensitive Detectors）是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光电探测器件，其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。 光电位置传感器被广泛地应用于激光束的监控（对准、位移和振动）、平面度检测、二维位置检测系统 等。 PSD 的工作原理 图 1 是一个 PSD 的断面结构示意图，在一个平面硅基片上制作了一个 PIN 三层结构，上面为 p 层，下面为 n 层，中间为 I 层， p 层是有均匀电阻率的光敏层。 当入射光照射到 PSD 的光敏层上，在入射位置上就产生了与光能成比例的电荷，此电荷通过电阻层为电极所吸收而形成光电流 .由于 p 层的电阻是均匀的，所以电极①和电极②输出的电流分别与入射位置和电极之间的距离成反比。 设电极①和电极②间的距离为 2L，电极①和电极②输出的光电流分别为 I1和 I2，两者之和为 I0，则 I0=I1+I2 图 1 PSD 结构示意图 若以 PSD 的中心点位置作为原点时，光点离中心点的距离为 xA，如图 1 所示，于是 1212AA02A01IIIIxL2xLIIL2xLII （ 1） I1 ③ I0 I2 L L P 层 i 层 n 层 ① ② xA 21 利用式 1 即可确定光入射点对于器件中心的位置 xA，它只与 I I2电流的和、差及比值有关 . 位置传感器分类 PSD 分为两类：一维 PSD 和二维 PSD。 一维 PSD 主要用来测量光点在一维（ x 坐标）方向上的运动位置。 二维 PSD 主要用来测量光点在平面上地二维（ x， y）坐标，它地受光面是方形的，比一维 PSD 多一对电极。 按其结。