用光聲光譜技術(shù)測量光電探測器的光譜響應
摘要：根據光聲效應原理，用駐撮體電容微音器作為傳感器．用吸收系數接近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測器t用歸一化的光聲光譜技術(shù)測量了光電探 測器的相對光譜響應曲線(xiàn)，從而消陳了光電探測器量子救率對光源波長(cháng)的依賴(lài)性，獲得了光電探測器比 較準確的相對光譜響應特性曲線(xiàn)。

1 光電探測器件是光電檢測系統的核心。在光纖通 信、光電檢測系統中．掌握光電探測器的光譜特性，并 使光源、傳輸介質(zhì)和光電探測器的光譜特性匹配常常 是系統成功的關(guān)鍵 由于所有的光電探測器的量子效 率與波長(cháng)有關(guān)，固此不可避免地存在著(zhù)不同探；惻器具 有不同的光譜響應的問(wèn)題。因此，必須對光電探測器 的光譜特性進(jìn)行準確的測量。在光譜響應特性曲線(xiàn)測 量中，通常以熱釋電探測器作為光源功率監測器 ]， 但它的響應靈敏度較低(信號正比于溫度的變化率)．校正器| 轉換器| 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 作為光源功率監測器．用吸收系數接 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 源功率譜對光電探測器光譜響應的影響，測出了光電 探測器比較準確的相對光譜響應曲線(xiàn)。

2 基本原理 氙燈產(chǎn)生的強光被斬波器調制后，人射到波長(cháng)可 連續調諧的單色儀。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部擴散；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。微音器把聲信號探測出來(lái)并轉換為電信 號，經(jīng)前置放大送到比率中作為歸一化的分母。另一 瓢 柬光被光電探測器接收，并產(chǎn)生電信號后送致比率計 作為分子 比率計輸出的歸一化信號送到 —y記錄 儀記錄。 根據Rosencwaig和Gersho的理論 ]，光聲池內 所產(chǎn)生的光聲信號與入射光光強以及物質(zhì)的吸收系 數成正比，因此，光聲信號可寫(xiě)成為 V 一C ( )，．(^)N ( ) (1) 式中，(、 為比例系數；盧(^)為樣品的吸收系數；，．(^) 為光聲池入射光強度；N(^)為測試系統中的儀器函 數；在測試中基本保持不變，是一常數。碳黑吸收系數 也為常數，因此上式可寫(xiě)成為 V 一( 2I (^) (2) 其中( !一 盧Ⅳ 由(2)式可知，碳黑的光聲信號正比 于光源的功率譜。 另一方面，光電探測器的光電信號表示為 V- -C (^)， ( ) (3) 其中，R(^)為光電探測器的相對光譜響應函數；(’ 為 包含儀器測試函數的比例常數。(2)、(3)式相除，得 R(^)：BV． ／v (4) 其中／3-[，．(^)／I (^)]×((、，／C )。因為I．(^)／I (^) 是分束鏡的分束比，變化很小，視為常數，因而 也 為一常數 因此，可以利用比率計來(lái)實(shí)現r． ／v ，從而 得出響應函數 (^)。

3 實(shí)驗裝置及實(shí)驗參數設置 用l 000 w 的氙燈作為光源 用北京第二光學(xué)儀 器廠(chǎng)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(cháng)。鎖相放大器和斬波器為美 國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 測量光電探測器的光譜響應 特性曲線(xiàn)的實(shí)驗裝置圖 Fig．1 Setup for the measurement of the spectrum responsibility of photoelectricity detetor

4 實(shí)驗結果與分析 因為在入射縫寬和波長(cháng)不變的情況下，可微小改 變出射縫寬，從而改變光通量 測出光通量與光聲信 號關(guān)系的曲線(xiàn)如圖2所示。測量時(shí) 入射縫寬為3 mm，出射縫寬從1．00 mm～1．50 mm 變化，每次測 量l1個(gè)數據點(diǎn)。 圖2 光通量與光聲信號關(guān)系圖 Fig．2 The relationship between flux and photoacouti~signal 由圖2可以看出，光聲信號正比于光通量 叉因 為在縫寬不變時(shí)．光通量正比于光源功率。因此可用 該監測器準確地監視光源功率。 圖3是用光聲技術(shù)測量到的氙燈光源的功率譜。 測量時(shí)，波長(cháng)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是用光電探測器測量到的氙燈光源功率譜。 測量時(shí)，入、出縫寬均為2 mm，波長(cháng)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：對同樣的光源． 用光聲功率監測器和用光電探測器測量到的光源功 率明顯不同．這是由于光電探測器對不同波長(cháng)有不同 的光譜響應。 實(shí)驗測出光電探測器(硒光電池)的相對光譜響 應特性曲線(xiàn)如圖5所示。實(shí)驗條件： 池鎖放靈敏度 為2O mV．放大系數為乘10。B池鎖放靈敏度為500 mV．放大系數為乘l 時(shí)間常數均為3 s 由圖可以 看出，波長(cháng)在350 nm～680 rill1之間相對較平滑，而 且較平坦．但光譜響應相對較小。波長(cháng)在360 llm～ 400 Bm 范圍內光譜響應較低，而在波長(cháng)為690 nm、 715 Bm、73l Bm、766 11m和825 nm 等處附近光譜響 應也很低，表明這幾處的量子效率很低。而且．從整個(gè) 變化趨勢看，相對光譜在上升。波長(cháng)在700 nm～820 Bm處光譜響應總體比較高，但此段各處光譜響應差 別也較大。 圖5 光電探測器的相對光譜響應 Fig．5 The relative spectrum responsibility of photoelectrity

5 結論 光聲功率監測器是完全無(wú)選擇功率監測器，用光 聲光譜技術(shù)測量光電探測器的光譜響應特性曲線(xiàn)．可 以完全消除光源功率對光譜響應特性的影響，測量準 確．靈敏度高．可以準確地測量出各種光電探器的相 對光譜響應特性曲線(xiàn)。