用光聲光譜技術(shù)測(cè)量光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)

用光聲光譜技術(shù)測(cè)量光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)
摘要：根據(jù)光聲效應(yīng)原理，用駐撮體電容微音器作為傳感器．用吸收系數(shù)接近1的碳黑作為吸收物質(zhì)，制 作了高靈敏度的光聲傳感器。用該傳感器作為光源功率監(jiān)測(cè)器t用歸一化的光聲光譜技術(shù)測(cè)量了光電探 測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線，從而消陳了光電探測(cè)器量子救率對(duì)光源波長(zhǎng)的依賴(lài)性，獲得了光電探測(cè)器比 較準(zhǔn)確的相對(duì)光譜響應(yīng)特性曲線。

1 光電探測(cè)器件是光電檢測(cè)系統(tǒng)的核心。在光纖通 信、光電檢測(cè)系統(tǒng)中．掌握光電探測(cè)器的光譜特性，并 使光源、傳輸介質(zhì)和光電探測(cè)器的光譜特性匹配常常 是系統(tǒng)成功的關(guān)鍵 由于所有的光電探測(cè)器的量子效 率與波長(zhǎng)有關(guān)，固此不可避免地存在著不同探；惻器具 有不同的光譜響應(yīng)的問(wèn)題。因此，必須對(duì)光電探測(cè)器 的光譜特性進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。在光譜響應(yīng)特性曲線測(cè) 量中，通常以熱釋電探測(cè)器作為光源功率監(jiān)測(cè)器 ]， 但它的響應(yīng)靈敏度較低(信號(hào)正比于溫度的變化率)．校正器| 轉(zhuǎn)換器| 傳送器| 變送器| 傳感器| 記錄儀| 有紙記錄儀| 無(wú)紙記錄儀|  響應(yīng)速度慢(電容性元器件) 本文利用靈敏度非常高 的光聲傳感器 作為光源功率監(jiān)測(cè)器．用吸收系數(shù)接 收薯日期：2001—03-26 修訂日期；2001 05-28 近1的碳黑作為吸收物質(zhì)， 而比較徹底地消除了光 源功率譜對(duì)光電探測(cè)器光譜響應(yīng)的影響，測(cè)出了光電 探測(cè)器比較準(zhǔn)確的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線。

2 基本原理 氙燈產(chǎn)生的強(qiáng)光被斬波器調(diào)制后，人射到波長(zhǎng)可 連續(xù)調(diào)諧的單色儀。從單色儀狡縫出射的光用分光鏡 分束．一束光人射光聲池的碳黑、碳黑吸收光后被周 期性加 ，產(chǎn)生的熱能一部分在碳黑內(nèi)部擴(kuò)散；另一 部分則傳到它相接觸的空氣中，使碳黑一氣體界面上 的氣體交變加熱而振動(dòng)，猶如振動(dòng)活塞向其余氣體發(fā) 射光聲波。微音器把聲信號(hào)探測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換為電信 號(hào)，經(jīng)前置放大送到比率中作為歸一化的分母。另一 瓢 柬光被光電探測(cè)器接收，并產(chǎn)生電信號(hào)后送致比率計(jì) 作為分子 比率計(jì)輸出的歸一化信號(hào)送到 —y記錄 儀記錄。 根據(jù)Rosencwaig和Gersho的理論 ]，光聲池內(nèi) 所產(chǎn)生的光聲信號(hào)與入射光光強(qiáng)以及物質(zhì)的吸收系 數(shù)成正比，因此，光聲信號(hào)可寫(xiě)成為 V 一C ( )，．(^)N ( ) (1) 式中，(、 為比例系數(shù)；盧(^)為樣品的吸收系數(shù)；，．(^) 為光聲池入射光強(qiáng)度；N(^)為測(cè)試系統(tǒng)中的儀器函 數(shù)；在測(cè)試中基本保持不變，是一常數(shù)。碳黑吸收系數(shù) 也為常數(shù)，因此上式可寫(xiě)成為 V 一( 2I (^) (2) 其中( !一 盧Ⅳ 由(2)式可知，碳黑的光聲信號(hào)正比 于光源的功率譜。 另一方面，光電探測(cè)器的光電信號(hào)表示為 V- -C (^)， ( ) (3) 其中，R(^)為光電探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)函數(shù)；(’ 為 包含儀器測(cè)試函數(shù)的比例常數(shù)。(2)、(3)式相除，得 R(^)：BV． ／v (4) 其中／3-[，．(^)／I (^)]×((、，／C )。因?yàn)镮．(^)／I (^) 是分束鏡的分束比，變化很小，視為常數(shù)，因而 也 為一常數(shù) 因此，可以利用比率計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)r． ／v ，從而 得出響應(yīng)函數(shù) (^)。

3 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置 用l 000 w 的氙燈作為光源 用北京第二光學(xué)儀 器廠生產(chǎn)的WDP500—2A 型光柵單色儀來(lái)提供350 nm～850 nm的可變波長(zhǎng)。鎖相放大器和斬波器為美 國(guó)Stanford Research System 公司生產(chǎn)的SP 530型 LICK—In AMPI 1FIER，斬波器的斬波頻率為40 Hz． 時(shí)問(wèn)常數(shù)選為3 S。記錄儀為重慶生產(chǎn)的3086 X—Y記 錄儀 光聲池為非共振型 裝置如圖l所示。 囝1 測(cè)量光電探測(cè)器的光譜響應(yīng) 特性曲線的實(shí)驗(yàn)裝置圖 Fig．1 Setup for the measurement of the spectrum responsibility of photoelectricity detetor

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 因?yàn)樵谌肷淇p寬和波長(zhǎng)不變的情況下，可微小改 變出射縫寬，從而改變光通量 測(cè)出光通量與光聲信 號(hào)關(guān)系的曲線如圖2所示。測(cè)量時(shí) 入射縫寬為3 mm，出射縫寬從1．00 mm～1．50 mm 變化，每次測(cè) 量l1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。 圖2 光通量與光聲信號(hào)關(guān)系圖 Fig．2 The relationship between flux and photoacouti~signal 由圖2可以看出，光聲信號(hào)正比于光通量 叉因 為在縫寬不變時(shí)．光通量正比于光源功率。因此可用 該監(jiān)測(cè)器準(zhǔn)確地監(jiān)視光源功率。 圖3是用光聲技術(shù)測(cè)量到的氙燈光源的功率譜。 測(cè)量時(shí)，波長(zhǎng)范圍是350 nm～850 nm，鎖相放大器的 靈敏度為5O mV，人、出狹縫寬度均為2 mm 圉3 光聲光譜技術(shù)測(cè)量的氤燈功辜譜 Fig．3 The power sp~ trum of xenon lamp measured photoacoustic technique 圖4是用光電探測(cè)器測(cè)量到的氙燈光源功率譜。 測(cè)量時(shí)，入、出縫寬均為2 mm，波長(zhǎng)范圍為350 nrn～ 850 nm。鎖相放大器的靈敏度為50 mV。 婁 ㈠ j一：一 i ll i] 蛐 如” ” 如 圈4 光電探鍘器鍘量的氙燈功率譜 Fig．4 The power spectrum of xenoD Ja腳p measured by ph0t0e】ectricity detector 從圖3和圖4的比較可以看出：對(duì)同樣的光源． 用光聲功率監(jiān)測(cè)器和用光電探測(cè)器測(cè)量到的光源功 率明顯不同．這是由于光電探測(cè)器對(duì)不同波長(zhǎng)有不同 的光譜響應(yīng)。 實(shí)驗(yàn)測(cè)出光電探測(cè)器(硒光電池)的相對(duì)光譜響 應(yīng)特性曲線如圖5所示。實(shí)驗(yàn)條件： 池鎖放靈敏度 為2O mV．放大系數(shù)為乘10。B池鎖放靈敏度為500 mV．放大系數(shù)為乘l 時(shí)間常數(shù)均為3 s 由圖可以 看出，波長(zhǎng)在350 nm～680 rill1之間相對(duì)較平滑，而 且較平坦．但光譜響應(yīng)相對(duì)較小。波長(zhǎng)在360 llm～ 400 Bm 范圍內(nèi)光譜響應(yīng)較低，而在波長(zhǎng)為690 nm、 715 Bm、73l Bm、766 11m和825 nm 等處附近光譜響 應(yīng)也很低，表明這幾處的量子效率很低。而且．從整個(gè) 變化趨勢(shì)看，相對(duì)光譜在上升。波長(zhǎng)在700 nm～820 Bm處光譜響應(yīng)總體比較高，但此段各處光譜響應(yīng)差 別也較大。 圖5 光電探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng) Fig．5 The relative spectrum responsibility of photoelectrity

5 結(jié)論 光聲功率監(jiān)測(cè)器是完全無(wú)選擇功率監(jiān)測(cè)器，用光 聲光譜技術(shù)測(cè)量光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)特性曲線．可 以完全消除光源功率對(duì)光譜響應(yīng)特性的影響，測(cè)量準(zhǔn) 確．靈敏度高．可以準(zhǔn)確地測(cè)量出各種光電探器的相 對(duì)光譜響應(yīng)特性曲線。