用光声光谱技术测量光电探测器的光谱响应

用光声光谱技术测量光电探测器的光谱响应
摘要：根据光声效应原理，用驻撮体电容微音器作为传感器．用吸收系数接近1的碳黑作为吸收物质，制 作了高灵敏度的光声传感器。用该传感器作为光源功率监测器t用归一化的光声光谱技术测量了光电探 测器的相对光谱响应曲线，从而消陈了光电探测器量子救率对光源波长的依赖性，获得了光电探测器比 较准确的相对光谱响应特性曲线。

1 光电探测器件是光电检测系统的核心。在光纤通 信、光电检测系统中．掌握光电探测器的光谱特性，并 使光源、传输介质和光电探测器的光谱特性匹配常常 是系统成功的关键 由于所有的光电探测器的量子效 率与波长有关，固此不可避免地存在着不同探；恻器具 有不同的光谱响应的问题。因此，必须对光电探测器 的光谱特性进行准确的测量。在光谱响应特性曲线测 量中，通常以热释电探测器作为光源功率监测器 ]， 但它的响应灵敏度较低(信号正比于温度的变化率)．校正器| 转换器| 传送器| 变送器| 传感器| 记录仪| 有纸记录仪| 无纸记录仪|  响应速度慢(电容性元器件) 本文利用灵敏度非常高 的光声传感器 作为光源功率监测器．用吸收系数接 收薯日期：2001—03-26 修订日期；2001 05-28 近1的碳黑作为吸收物质， 而比较彻底地消除了光 源功率谱对光电探测器光谱响应的影响，测出了光电 探测器比较准确的相对光谱响应曲线。

2 基本原理 氙灯产生的强光被斩波器调制后，人射到波长可 连续调谐的单色仪。从单色仪狡缝出射的光用分光镜 分束．一束光人射光声池的碳黑、碳黑吸收光后被周 期性加 ，产生的热能一部分在碳黑内部扩散；另一 部分则传到它相接触的空气中，使碳黑一气体界面上 的气体交变加热而振动，犹如振动活塞向其余气体发 射光声波。微音器把声信号探测出来并转换为电信 号，经前置放大送到比率中作为归一化的分母。另一 瓢 柬光被光电探测器接收，并产生电信号后送致比率计 作为分子 比率计输出的归一化信号送到 —y记录 仪记录。 根据Rosencwaig和Gersho的理论 ]，光声池内 所产生的光声信号与入射光光强以及物质的吸收系 数成正比，因此，光声信号可写成为 V 一C ( )，．(^)N ( ) (1) 式中，(、 为比例系数；卢(^)为样品的吸收系数；，．(^) 为光声池入射光强度；N(^)为测试系统中的仪器函 数；在测试中基本保持不变，是一常数。碳黑吸收系数 也为常数，因此上式可写成为 V 一( 2I (^) (2) 其中( !一 卢Ⅳ 由(2)式可知，碳黑的光声信号正比 于光源的功率谱。 另一方面，光电探测器的光电信号表示为 V- -C (^)， ( ) (3) 其中，R(^)为光电探测器的相对光谱响应函数；(’ 为 包含仪器测试函数的比例常数。(2)、(3)式相除，得 R(^)：BV． ／v (4) 其中／3-[，．(^)／I (^)]×((、，／C )。因为I．(^)／I (^) 是分束镜的分束比，变化很小，视为常数，因而 也 为一常数 因此，可以利用比率计来实现r． ／v ，从而 得出响应函数 (^)。

3 实验装置及实验参数设置 用l 000 w 的氙灯作为光源 用北京第二光学仪 器厂生产的WDP500—2A 型光栅单色仪来提供350 nm～850 nm的可变波长。锁相放大器和斩波器为美 国Stanford Research System 公司生产的SP 530型 LICK—In AMPI 1FIER，斩波器的斩波频率为40 Hz． 时问常数选为3 S。记录仪为重庆生产的3086 X—Y记 录仪 光声池为非共振型 装置如图l所示。 囝1 测量光电探测器的光谱响应 特性曲线的实验装置图 Fig．1 Setup for the measurement of the spectrum responsibility of photoelectricity detetor

4 实验结果与分析 因为在入射缝宽和波长不变的情况下，可微小改 变出射缝宽，从而改变光通量 测出光通量与光声信 号关系的曲线如图2所示。测量时 入射缝宽为3 mm，出射缝宽从1．00 mm～1．50 mm 变化，每次测 量l1个数据点。 图2 光通量与光声信号关系图 Fig．2 The relationship between flux and photoacouti~signal 由图2可以看出，光声信号正比于光通量 叉因 为在缝宽不变时．光通量正比于光源功率。因此可用 该监测器准确地监视光源功率。 图3是用光声技术测量到的氙灯光源的功率谱。 测量时，波长范围是350 nm～850 nm，锁相放大器的 灵敏度为5O mV，人、出狭缝宽度均为2 mm 圉3 光声光谱技术测量的氤灯功辜谱 Fig．3 The power sp~ trum of xenon lamp measured photoacoustic technique 图4是用光电探测器测量到的氙灯光源功率谱。 测量时，入、出缝宽均为2 mm，波长范围为350 nrn～ 850 nm。锁相放大器的灵敏度为50 mV。 娄 ㈠ j一：一 i ll i] 蛐 如” ” 如 圈4 光电探铡器铡量的氙灯功率谱 Fig．4 The power spectrum of xenoD Ja脚p measured by ph0t0e】ectricity detector 从图3和图4的比较可以看出：对同样的光源． 用光声功率监测器和用光电探测器测量到的光源功 率明显不同．这是由于光电探测器对不同波长有不同 的光谱响应。 实验测出光电探测器(硒光电池)的相对光谱响 应特性曲线如图5所示。实验条件： 池锁放灵敏度 为2O mV．放大系数为乘10。B池锁放灵敏度为500 mV．放大系数为乘l 时间常数均为3 s 由图可以 看出，波长在350 nm～680 rill1之间相对较平滑，而 且较平坦．但光谱响应相对较小。波长在360 llm～ 400 Bm 范围内光谱响应较低，而在波长为690 nm、 715 Bm、73l Bm、766 11m和825 nm 等处附近光谱响 应也很低，表明这几处的量子效率很低。而且．从整个 变化趋势看，相对光谱在上升。波长在700 nm～820 Bm处光谱响应总体比较高，但此段各处光谱响应差 别也较大。 图5 光电探测器的相对光谱响应 Fig．5 The relative spectrum responsibility of photoelectrity

5 结论 光声功率监测器是完全无选择功率监测器，用光 声光谱技术测量光电探测器的光谱响应特性曲线．可 以完全消除光源功率对光谱响应特性的影响，测量准 确．灵敏度高．可以准确地测量出各种光电探器的相 对光谱响应特性曲线。