《光电检测技术及系统》 实验指导书.doc

光电检测技术及系统实验指导书闻春敖浙江大学光电信息工程学系光电信息工程实验中心2013年 4月实验规则 注意事项 预习要求1、 实验前必须认真阅读实验指导书及必要的参考资料。明确实验目的。熟悉内容和步骤，达到规定要求后才可进行。2、 安装实验装置前，检查所有仪器电源开关“关”状态，所有微调旋钮为最小位置，安装好后，应认真检查，确定无误。再经指导老师检查允许后方可接上电源，开启电源时，必须通知本组同学，实验完毕，需将可调旋钮至最小，然后再关闭全部仪器电源。3、 实验时，不要随便开关电源，也不要使身体与设备的带电部分接触，实验中有百伏以上甚至万伏以上高压，必须引起高度重视。4、 一旦发生事故或异常情况，立即关闭所有电源，经指导老师查明故障后，方可继续实验，尚未查明原因前，不要改变现状，以便分析原因，吸取教训。5、 实验完毕，实验结果必须由指导教师审阅，待全部正确后方可将实验装置恢复原状，所有仪器放回原处，排列整齐，经老师同意后方可离去。6、 进实验室就得遵守实验室规章制度，更应注意的是实验时必须保持安静、整洁、不许随便乱动旋钮及开启电源开关，不准随便搬动实验装置。7、 实验前简单写好实验目的，原理步骤及预习要求所需测量的内容，理论曲线，然后根据实验要求进行安装测试。实验报告写法与要求一、实验报告应将实验题目、目的、班级、组别、姓名、学号及同组者姓名等各项书写完整。二、实验报告具体内容及要求：（可参考实验指导书，但不能照抄，希望按自己体会写）。（一） 实验目的（二） 实验仪器（三） 实验原理（简写）（四） 实验步骤：（写出实验方法和顺序，并画出装置示意图或线路图）（五） 实验结果（1） 记录实验现象及条件（2） 记录必要数据（必要时列出表格）（3） 对实验结果进行理论分析目 录实验一 光伏探测器件的应用电路及其特性测量实验二 光电导探测器的应用电路及其特性测量实验三 光电倍增管的应用电路及特性测试实验四 位置灵敏探测器（PSD）实验五 典型光电测量系统的设计实验六 光学传感三维面形测量 实验七 面阵CCD原理及驱动实验实验八 光电探测器光谱响应的实验实验系统的组成系统由光电器件（光电倍增管、光电池等)、光电探测器测试暗箱、工作电源（卤钨灯电源、光电倍增管电源等）、电流电压转换及放大滤波电路、标准A光源稳流电源、PSD位置传感器实验装置、照度计、计算机等组成。可完成实验项目有光伏探测器件的应用电路及其特性测量、光电导探测器的应用电路及其特性测量、光电倍增管的应用电路及特性测试、位置灵敏探测器（PSD）、典型光电测量系统的设计、数据采集卡及信号频谱分析。部分实验仪器介绍如下：1测试暗箱光电探测器测试暗箱如图1所示：暗箱分上下两层。50W/12V卤钨灯发射出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，光照射到半导体光电传感器或通过反光镜、漫反射板、小孔最后照射到光电倍增管。图1 光电探测器测试暗箱减光盘共有八档，减光盘刻度位置在3时出光最大，而后各档的以此衰减，详见表一。减光盘刻度32107654衰减倍率约11/21/41/81/161/321/64黑2 工作电源电源主要有三部分组成：分别是卤钨灯电源、光电倍增管电源、测量电路工作电源。21 卤钨灯电源在科学研究和工业生产中，凡涉及辐射量和光度量的测试工作，如光源的发光强度、光通量、光探测器的光谱灵敏度、物体的光度性质以及测光仪器的检测和标定等，一般都要使用标准光源作为测试依据。标准光源包括两部分：标准灯和与之配套的专用电源。标准灯是经过精心制作和检验的优质灯，经国家计量部门标定并发给相应检定数据和测试证书的方能作为标准灯使用。而标准灯专用电源应确保标准灯的发光强度的稳定性和准确性，提供相应稳定和准确的电流和电压。只有两者极佳的配合，才能获得最佳的标准光源的效果。光电检测技术及系统实验中用到光源，对于光电器件的光照特性的测试，稳定的光源至关重要。卤钨灯发光强度的稳定性和准确性除了与其本身质量有关外，还取决于供电电源的稳定性和准确性。电源的参数对于标准灯发光强度的影响可由下式体现：1） 工作电压对发光强度的影响： dI/I= 3.6 dU/U (1) 式中dI/I为发光强度的变化；dU/U为工作电压的变化，若要求发光强度dI/I0.005 ，则dU/U0.0014。2） 工作电流对发光强度的影响： dI/I= 6 di/i (2)式中di/i为电流的变化。若要求发光强度变化dI/I0.005 ， 则di/i0.00083。 上述结果表明工作电流的变化对发光强度更灵敏，因此给卤钨灯供电时，采用稳流电源供电比稳压电源供电更合理和更优越。对卤钨灯来讲，除应采用稳流源供电外，在使用中还切忌电压（或电流）冲击。所谓电压（电流）冲击，是指突然给灯丝施加不超过损坏程度的较高电压（电流）。因为灯丝在通电时产生热膨胀，断电时产生收缩，如工作电压或电流突然施加变化，灯丝受到冲击其机械结构发生变化，这是影响灯的稳定性及寿命的重要因素之一。所以，卤钨灯工作时应逐渐地从零电流或零电压增加。关机时，也应逐渐降低电流或电压，然后再关电源。在实际应用时通常规定开机15秒25秒钟，电流（或电压）从零到达额定值。关机时也是一样。这样可避免过急的热胀冷缩给灯丝造成的损坏。这对延长灯的寿命有着重要的作用。该电源是为50W卤钨灯供电而研制，操作步骤如下（1）、通过电缆线连接电源至卤钨灯，压入启动开关，开电源开关，电流由O 慢慢升高，约25秒到设定值。设定值可通过电流调节电位器设定。稳定后电流调节至3.54.00A。（2）、关机前，弹出启动开关，电流由设定值慢慢下降至O , 然后关电源。注意：电源输出端绝对不能短路，否则电源功率管将烧坏，请千万注意。2.2 光电倍增管电源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12mm，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。正高压接法的优点是可使屏蔽光、磁、电的屏蔽罩直接与管子外壳相连，因而屏蔽效果好，暗电流小，噪声水平低，由于阳极处于正高压，会导致寄生电容大，如果直流输出，要求传输电缆能耐高压，而且后级的直流放大器也处于高电压，这样会产生一系列的不便，如果是交流输出，则需通过耐高压、噪声小的隔直电容。实验采用负高压电源，通过电位器调节输出电压，调节范围01000V。注意：电源输出端切勿短路，高压切勿触摸接线端子。2.3 测量电路工作电源在设计时考虑到实验平台的通用性，设计提供+/-5V、+/-12V、+/-15V及+/-1.25+/-35伏可调式稳压源以满足各个实验对电源电压的不同要求。由于集成稳压器件7800/7900系列电路已极其成熟，并且其性能指标（额定电流为1.5A，稳定度在5%以内）完全符合实际需求，所以采用此7800/7900系列作为固定稳压源。而用可调稳压器件LM317/LM337作为可调稳压源的稳压器件。可调稳压源设计电路如图2。图2 可调稳压源电路电路工作原理：交流220V先经变压器降压，降压后的交流电通过桥堆整流，由电容进行滤波，通过调节电位器R2，使得LM317 out端与ADJ端的电阻和ADJ端与地间电阻的比值发生改变，而out端与ADJ端的电位差是固定的(为1.25V)，从而使out端电压可调。使用注意事项：电源输出端绝对不能短路3.电流电压转换及放大滤波电路电流/电压转换及放大滤波电路是光电检测中很重要的一部分，因光电器件如光电二极管的短路电流和照度成线性，而一般通用的放大器件多是对电压信号进行放大，所以电流/电压转换也成了必需。对于微弱光电流信号，经电流/电压转换后的信号较小，所以放大是必不可少的，至于滤波，可以大大减少噪声对信号的影响，对测量的准确性起着非常重要的作用，电路框图和原理图如图3、图4所示。 图3 电流/电压转换及放大滤波电路框图电路组成 (1) I/V转换(含调零) (2)可控增益放大器电路 (3)增益控制电路(1).供电电源: 正负电源:+12V -12V GND 图4 电流/电压转换及放大滤波电路原理图 (2). I/V转换电路输入端为高频头，输出端为U01，I/V转换电路的电阻Rf可通过短路线来选择，接点OUT分别与接点*1K、 *10K、*100K、 *1000K 相连，对应的Rf 值分别为1K、 10K、100K、 1000K。调零短路线两接点在集成电路U3的左边。调零电位器为W6。主要是补偿光电探测器的暗电流及I/V转换电路的失调电流。(3). 可控增益放大器电路输入端为Ui2，输出端为U02。增益由接点A和B来控制，见表2接点A连+5V/A Lbite指示灯亮，令A=1。 接点B连+5V/A Hbite指示灯亮，令B=1。表2 增益控制表 BA放大倍数001011010100111000实验一 光伏探测器件的应用电路及其特性测量一、 实验目的1、了解各种半导体光伏探测器件的工作原理及其基本特性 2、掌握各种半导体光伏探测器件的基本应用电路。3、熟悉各种半导体光伏探测器件特性的测试方法。二、 实验设备及器材1、光电探测器：测量光电池、光电三极管、光电二极管、PIN光电二极管各一只。2、测试暗箱（包括：光源、减光盘）壹套。3、照度计、万用表 各一只4、多路稳压电源 一套5、电流/电压放大器 壹只三、 实验原理 1、光电二极管光电二极管的全电流方程为： IL=SPE- IOexp（qV/kT）-1式中： SP光电二极管的光照灵敏度（A/lx）E 探测面上的光照度（lx）IOPN结的反向饱和电流（A）q 电子电荷V 光电二极管两端的压降（V）K 波耳兹曼常数（k=1.3810-23J/K=8.6110-5eV/K）T 温度（K）I（A）RLRLV（v）VbVbRLRL光电二极管的伏安特性如图1所示 图1 光电二极管的伏安特性及典型工作电路图2 开路电压测量电路V0C1） 开路状态KTq基本电路如右图2，开路电压：VOC= ln（1+SPE/I0）RfAmp+CfV0Is图3 电流/电压放大器 2） 短路电流（线性工作状态）基本电路如右图3，电流/电压放大器的等效输入阻抗为Rf/A（A为运放开环增益）很小，则IS= SPE，电流/电压放大器的输 出电压：V0=RfIs=（RfSp）ERLV图4 无偏置电路IL3） 无偏置基本电路如右图4，IL= SPE- I0exp（qV/kT）-1VbVV0RLIL图5 反向偏置电路V=ILRL4） 反向偏置基本电路如右图5IL= SPE+ I01-exp（qV/kT）V=Vb-V0=Vb- RL IL 2、光电三极管V0VCRL（a）RLVCV0（b）图6 光电三极管基本应用电路 光电三极管是在光电二极管的基础上发展起来的，内部具有与普通三极管类似的电流放大作用。常用于光电控制方面。基本应用电路如图6（a）、（b） 所示。输出信号：（a） V0=IPRL（b） V0=VC- IPRL四、 实验内容及步骤1、 光电二极管测试 1） 按照图2电路，测量硅光电池和硅光电二极管在不同光照下的开路电压VOC，记录数据，并画出开路电压与光照的关系曲线。减光盘刻度32107654对应照度值开路电压VOC2） 按照图3电路，选择合适的反馈电阻，测量输出电压VO，记录数据，计算出硅光电池和硅光电二极管在不同光照下的短路光电流IS，画出短路光电流与光照的关系曲线，并计算它们的光照灵敏度SP。减光盘刻度32107654对应照度值输出电压VO（Rf ）短路光电流IS3） 按照图4电路，当负载电阻RL为1K，10K，100K，1M时，分别测量硅光电池和硅光电二极管，在不同光照下的光电特性曲线，记录数据，并画出输出电流与光照的关系曲线。4） 按照图5电路，当负载电阻分别为1K，10K，100K，1M，而偏置电压分别为5V、10V时，测量硅光电池和硅光电二极管的光电特性曲线，记录数据，并画出输出电流与光照的关系曲线。偏置电压(V)0V5V10V照度 (LX)RL(1K)输出电压VO输出电流IORL(10K)输出电压VO输出电流IORL(100K)输出电压VO输出电流IORL(1M)输出电压VO输出电流IO 2、光电三极管1） 按图6（a）的电路，当负载电阻分别为1K，10K，100K，1M时，测量在不同光照下，光电三极管的光电特性，记录数据，并画出相应曲线。2） 计算光电三极管的光照灵敏度SP。五、 预习要求 1、复习教科书第四章有关半导体光电探测器的相关内容。 2、预习实验指导书的内容，编制实验操作步骤。六、 实验报告要求 1、编写实验原理及操作步骤。 2、根据实验中测得的数据，画出相应的曲线，并计算有关的参数。 3、回答下列问题1） 比较光电二极管、光电三极管、光敏电阻的光照灵敏度，线性工作范围。2） 在线性工作状态，光电二极管的反向电压加大后，为什么光电流与所加电压无关？实验二 光电导探测器的应用电路及其特性测量一、 实验目的1、了解各种光敏电阻的工作原理及其基本特性 2、掌握各种光敏电阻特性参数的测试方法3、掌握各种光敏电阻的基本应用电路二、 实验设备及器材1、光电探测器：光敏电阻一只。2、测试暗箱（包括：光源、减光盘）壹套。3、照度计、万用表 各一只4、多路稳压电源 一套5、电流/电压放大器 壹只三、 实验原理 利用具有光电导效应的半导体材料做成的光电探测器称为光电导器件，通常称为光敏电阻，金属封装的硫化镉光敏电阻结构如图1所示，其光电特性：IP=SgEVb式中：Sg光电导灵敏度 E 光照度 r 照度指数，在0.51 之间.在弱光照(小于103lx) 时,近似为1,为线性光电导；强光照时,r值小于1,为非线性光电导。光敏电阻的主要特性参数有：1） 光照特性：在一定的偏压下，光敏电阻输出的电信号（电压、电流或电阻）与入射光通量（或照度）的关系。2） 伏安特性：光照度不变时，光敏电阻所加电压与流过光敏电阻的光电流的关系3） 光敏电阻的r值，表示在对数坐标中，某一照度范围内光敏电阻阻值曲线的斜率，通常r越大暗电阻越高。光敏电阻的基本应用电路如图2所示，输出信号：V0=IpRf Vb+CfV0Rf图2 电流/电压放大器四、 实验内容及步骤1） 光照特性的测试按照图2电路，加一定的偏压Vb，选择合适的反馈电阻，测量光敏电阻在不同光照下的输出电压VO，记录数据，画出流过光敏电阻的电流与光照的关系曲线，并计算它们的光照灵敏度SP。减光盘刻度32107654对应照度值Rf(1K)输出电压VO输出电流IORf(10K)输出电压VO输出电流IO2） 伏安特性的测试按照图2电路，取不同的照度，选择合适的反馈电阻，偏压Vb从0V、5V、10V、15V30V时的、测量光敏电阻在不同光照下的输出电压VO，记录数据，计算出光电流，画出曲线。减光盘刻度32107654对应照度值E1 = 输出电压VO输出电流IOE2 = 输出电压VO输出电流IO3） 计算光敏电阻在低光照条件下的光照灵敏度SP。五、 预习要求 1、复习教科书有关半导体光电导探测器的相关内容。 2、预习实验指导书的内容，编制详细实验操作步骤。六、 实验报告要求 1、编写实验原理及操作步骤。 2、根据实验中测得的数据，画出相应的曲线，并计算有关的参数。 3、对电阻Rf的取值应该考虑什么？实验三 光电倍增管的应用电路及特性测试一、实验目的1、 了解光电倍增管的工作原理及其基本特性2、 掌握光电倍增管的基本测量电路二、实验设备及器材1、光电探测器测试暗箱 一套 包括：卤钨灯、减光盘、光电倍增管（受光面8*24mm2）等。2、 微电流放大器 一套3、 万用表 壹只4、 照度计 壹只5、 可调高压电源 壹套三、实验原理光电倍增管的特性参数有阴极灵敏度、阳极灵敏度、电流增益、光电特性、暗电流。下面介绍本实验涉及到的特性和参数。1、 灵敏度 灵敏度是衡量光电倍增管将光信号转换成电信号能力的一个参数，一般指积分灵敏度,单位为uA/m，通常，光电倍增管的使用说明书中都分别给出了它的阴极灵敏度和阳极灵敏度,有的管子还需标出阴极的兰光、红光或红外灵敏度。 阴极灵敏度KA阴极灵敏度SK是光电阴极本身的积分灵敏度，是指阴极回路中的光电流与照在阴极面上的光通量之比值,它与光电面的材料和工艺有关。测量光电阴极灵敏度时，光电阴极和前几级倍增极的极间电压应大于4050伏。测量电路如图1所示。光电阴极面上的光源(2856K)R101MR2R1AaHVAk图1 阴极灵敏度测量电路 光通量一般为10-4m10-6m ，由于光电阴极的灵敏度一般为数十（uA/m），测量回路电流很小，因此在允许的情况，光通量选择大一些。高压偏低一些，一般为400伏600伏，以防阳极电流过大。回路中的1M为保护电阻。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/（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。 2、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/SKm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。 3、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。4、 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12mm，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。 （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。Rf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=IpRf 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。V0=Ip Rf-HVIpAMP_+CfAK图2 阳极电流测量电路四、实验装置1、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 图3 光电倍增管测试装置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。 2、实验用光电倍增管（931A）直径11/8英寸、鼠笼形、九级倍增、侧窗型、硼硅玻壳、锑铯光阴极、300650nm、最大响应波长400nm。各光电倍增管阴极灵敏度如下表编号7996812186998756906492329277928496539669Sk( uA/m )27.135.242.151.744.741.050.356.835.043.2五、实验内容及步骤1、暗电流测量（注意：卤钨灯不开）（）电流/电压放大器连电源（+12v/-12v 、GND，+5v、地）连out至1000k、连Vo1至Vi2、连 +5V/至（放大10倍）。记下此时的V（Vo2）。 （注意：此步骤时不连信号线） （）将暗箱前面板接线柱接线柱短接，连接到高压输出负端(-HV)，接正端（地）。（）阴极输出信号用信号线连接到电流/电压放大器。接地、接屏蔽线的芯线。 （）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-1000，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Vo2Vo =Vo2-V阴极电流Io=Vo/(A*Rf)负高压(V)-750V-800V-850V-900V-950V-1000V输出电压Vo2Vo =Vo2-V阴极电流Io=Vo/(A*Rf)2、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3、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Vo2E1= 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-1000VE1= 阳极电流Io=Vo/(A*Rf)E2= 阳极电流Io=Vo/(A*Rf)、光电阴极面上的入射光通量测量 （1）将接线柱连接到电流/电压放大器，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）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/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、根据、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1、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。2、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。3、不准在超过规定工作电压最大值时使用。 六、预习要求 1、复习教科书中的相关内容； 2、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1、 画出实验所用管子的接线图，并注上所用参数。2、 做出暗电流与阳极电压之间的关系曲线。3、 计算减光盘处于各档时，阴极面上入射的光通量。4、 计算不同高压时，光电倍增管的阳极灵敏度及放大倍数。5、 对以上计算结果和曲线作相应分析，并说明原因。6、 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1、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？ 2、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？ 3、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？4、本实验测试中应注意哪些问题？为什么？实验四 位置灵敏探测器（PSD）一、实验目的1、掌握位置灵敏探测器PSD的工作原理及特点。2、掌握位置灵敏探测器PSD的直流工作电路。3、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。1、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，所以电极和电极输出的电流分别与入射位置和电极之间的距离成反比。设电极和电极间的距离为2L，电极和电极输出的光电流分别为I1和I2，两者之和为I0，则I0=I1+I2I1I0I2LLP层i 层n层xA 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 （1）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I1、I2电流的和、差及比值有关.2、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。按其结构可分双侧双电极型和单侧四电极型。3、PSD信号处理电路根据PSD原理及光点位置的表达式，转换电路首先应对PSD输出的光电流进行电流-电压转换并放大，再按转换公式的要求，通过运算放大器进行预置相加和相减运算，最后通过模拟除法器相除，得到光点的位置信号。图2是一种一维PSD转换电路原理图，图中：Rf值取决于输入电流的大小；Divide为模拟除法器；所有的运放(U1、U2、U3、U4)为低漂移运算放大器。 图2一维PSD直流工作电路原理图4、PSD的主要特性（1）光谱响应特性PSD的光谱响应特性曲线，它表示PSD的灵敏度与波长之间的关系。这种PSD波长响应范围较宽，一般都在3001100nm范围内，峰值波长均在900nm 左右。（2）结电容与反偏电压关系特性结电容Cj是确定PSD响应速度的一个主要因素，是在频率为10KHZ时所测得的。一般反向电压愈高，极电容愈小。反偏电压的选取一定要小于器件所允许的最大反偏电压，否则器件将遭到击穿。（3）温度特性环境温度的改变会影响器件的灵敏度和暗电流。PSD的暗电流随着温度的上升而按指数规律增加，当入射光波长小于950nm（约）时，温度变化对其灵敏度基本上无影响，但长波段大于950nm时其灵敏度随着温度的变化较大。（4）位置检测误差一维PSD（S1544）位置检测越接近边缘，其误差越大。三、实验器材1、PSD位置传感器试验装置。2、电源3、万用表四、实验用PSD位置传感器特征和参数： 1.供电电源: 正电源:+15V 负电源:-15V 2.PSD传感器参考电压:1.0V(系统面板自带)。 3.半导体激光电源:2.6V (系统面板自带)。4.分辨率:根据调节输出增益有不同的分辨,典型输出幅度为5.0V时,分辨率为140mv/0.1mm。 5.线性度:0.7%.（PSD传感器两端线性度比较差） 6.时间响应是即时,因电路是模拟的。 7.输出电压稳定度:0.03V/60sec；.输出电压最大幅度：正负8.10V8.中心位置偏差:0.02mm,且中心位置偏差补偿可调。9.线性度小于0.6%的有效距离为:4mm5mm。 10.光斑能量中心位置与光电关系:. 图3 PSD位置传感器试验装置五、PSD位置传感器系统组成： 1.PSD传感器. 2.电子处理模块: (1) I/V转换 (2) 加减电路 (3)除法器 (4) 放大器(增益,调零) 注意:经实际测试(V1+V2)基本保持固定不变,可省去除法器。 3.半导体激光源及其电源。4.机械调节支架(调节PSD传感器与激光光斑位置关系)。六、 机械支架各部份名称图及各活动机械部件功能说明：1、调整螺套：调节半导体激光的高度。2、调整螺杆：调节调整螺杆可使燕尾槽左右移动，即可以使半导体激光左右移动。3、燕尾槽调整螺丝：调整燕尾槽镶条紧钉螺丝，减小溜板与导轨之间的间隙，然后再调整固定螺套的位置，直到溜板能平稳地左右移动为止。4、百分表：测量左右移动的距离。七、实验步骤PSD位置传感器测量的具体步骤是：1 用万用表测供电电源:正电源:+15V、地，负电源:-15V、地。连接电源至实验板。注意：连接电源时正负极不能接反，以免烧坏元器件。2 在关闭电源状态下，连接半导体激光电源。注意：连接电源时正负极不能接反，以免烧坏元器件。3 测半导体激光电源:2.6V左右 (系统面板自带)。4 安装百分表，光斑大约在传感器的中心点时，调节百分表使其处于刻度表的中间。5 在关闭电源状态下，连接PSD位置传感器至实验板（接点PSDI1，PSDI2，Vref）6 连接Vo1至Vi1, 连接Vo2至Vi2, 连接Vo4至Vi5, 连接Vo6至Vi6, 调节调整螺套和螺杆来调节激光光源的上下位置和左右水平位置。使光斑大约在传感器的中心点上。调节偏置调零点电位器VR4，使输出为零。7 旋转调整螺杆使光斑照射到PSD传感器的左端，使读数绝对值最大。8 旋转调整螺杆使光斑照射到PSD传感器的右端，使读数绝对值最大。9 调节偏置调零点电位器VR4重复7到8步骤，使光斑在PSD传感器左右两端时最大读数相等，极性相反。10 使光斑在PSD传感器上位置（非零点上），微调激光头支架的上下位置，使其读数绝对最大，这样PSD传感器一维感光区处于水平位置上，光斑正好打在感光点中心点上。11 再移动PSD传感器左右位置，验证两端读数最大值否相等，且极性相反。若没有达到要求，重复7到10步骤以达到要求。12 使光斑在PSD传感器上零点位置，调节百分表使其处于刻度表的中间。旋转调整螺杆移动光斑（间距0.5mm）, 读百分表刻度及测量Vo1、Vo2、Vo3、Vo4Vo7 的值并记录位置 测试点Vo1Vo2八、实验报告要求（1）实验数据处理，并画成相应的曲线。（2）回答问题 1电位器VR3、VR4的作用。 2根据实际测试Vo4 (V1+V2)的数据,分析是否可省去除法器。 3简述位置灵敏探测器PSD的应用及分析实验中可能引起误差的原因 实验五 典型光电测量系统的设计一、实验目的 1、掌握光电信息检测的基本原理。 2、熟悉光电测量系统的基本设计方法。二、实验设备及器材 1、带程控电动转台的测试暗箱 壹只 2、测试光源：LED、卤钨灯各壹只 3、硅光度探头 壹只 4、电流/电压放大器 壹只 5、多路稳压电源 壹套 6、照度计、万用表 各壹只 7、单片机测控板 壹套 8、计算机 壹套三、实验原理 1、典型光电测量系统如下图所示的是典型光电测量系统的原理框图。图1 典型光电测量系统原理图信息源可以是本身发光，或者通过光源照明发光，其出射的光信息经过光学系统成像或会聚，由光电探测器接收。经光电探测器转换后的电信号，由前置放大器（I/V、V/V）放大、电信号处理后，经A/D转换成数字信号，再送入微处理器采样、处理，输出的数字信号通过数据传输接口传到计算机系统中。同时，微处理器接收计算机系统发送的控制命令，通过控制接口输出控制信号，该信号经驱动电路驱动，控制执行机构，改变信息源的状态，从而获取相关的信号。通过计算机软件分析测量的光电信号，获得所需的信息。2、LED光强分布LED是一种注入式PN结电致发光器件，由P型半导体和N型半导体组合而成，其结构示意如图2所示。当PN结加上正向偏电压后，由于少数载流子在结区的注入与复合而产生辐射发光。图2 LED示意图由于LED半导体材料的折射率高，反射和吸收的损失很大。所以在晶体中辐射复合产生的光子，只有一部分能离开晶体向外发射。一般用外量子效率来表示LED的发光效率。即 上式的为出射的光子数，为注入的电子空穴对数。 对于典型的-V族半导体，折射率，当晶体与空气的界面为平面时，由折射定律可求出全反射的临界角为16.2，则只有在立体角内的光线才能射出器件之外。它与内部所发出光的比例为将代入得，即从LED表面发射的光只占内部所发出光的4。 为了提高LED的外量子效率，一般在LED的半导体材料表面封装光输出窗，如图3所示。不同的封装形式（平面、半圆、弧面等），LED的外量子效率、出射光的空间分布、光束角及中心光强会有较大的区别。因此LED的空间光强分布参数的测量是一项十分重要的工作。当探测器离开测量光源的距离远大于（一般为十倍以上）光源的发光面直径或探测器的光敏面直径时，可根据光度学距离平方反比定律，通过测量照度值来确定发光强度。如图4所示。即上式中的为光源在测量方向上的发光强度，单位为。 为离开光源的距离为上的垂直面上的照度，单位为。 图3 带封装窗口的LED 图4 距离平方反比关系3、探测器角度响应光电探测器的角度响应曲线是衡量探测器对空间不同方向的入射光的光电响应灵敏度。对于照度计和辐射度计，一般要求光电探测器的角度响应灵敏度符合余弦函数，即上式中的为探测器在法线方向的灵敏度值。对于照度计探头，一般单位为。为了使测量硅光电池的角度响应符合余弦函数关系，一般在探测器前加上漫射器，也称作余弦校正器，改变探测器的角度响应函数。光电探测器的角度响应函数，通常在变角光电测试仪上测量。光源固定，通过旋转探测器，测量不同入射角时的探测器的灵敏度。四、实验内容 根据所提供的上述实验设备，设计一种光电信息检测系统。下面建议两种实验方案，供参考。电流/电压放大器单片机测控板计算机驱动RS-232CLED图5探测器转台1、LED光强分布测试 测试系统原理结构如图5所示，测试的LED装在转台上，探测器固定在支架上。硅光电度探测器的输出信号连接到电流/电压放大器上，放大后的信号