硅光电探测器光谱响应度测量标准装置

硅光电探测器光谱响应度测量标准装置

张建民 林延东 邵 晶 樊其明 (中国计量科学研究院,北京 100013)

摘要 本文介绍了硅光电探测器光谱响应度测量的原理和装置,描述了相对和绝对光谱响应度标定方法,详细分析了引起标定误差的因素和误差合成,简要分析了国际比对结果。本装置的波长范围为300~1000nm,相对光谱响应的不确定度(1σ)为0.21%~0.86%,绝对光谱响应的不确定度(1σ)为0.25%~0.87%。 关键词:光电探测器 相对光谱响应度 绝对光谱响应度

硅半导体材料和硅光电器件工艺的发展,使硅光电探测器的灵敏度、温度系数、表面均匀性和稳定性等都达到了相当完善的程度。它已经在光学测量方面成为普遍采用的传感器,在光度、色度、光谱辐射和激光辐射等精密光学测量领域尤其受到重视。几乎在所有的测量中均要求精确测定它的光谱响应度,因此,建

〔1,2〕

立硅光电探测器的光谱响应度测量标准装置是十分必要的。

1 测量原理

光电探测器的光谱响应度分为绝对的和相对的两类〔3〕。绝对光谱响应度又分为辐通量响应度和辐照度响应度。 绝对光谱辐通量响应度

定义为:在规定的波长λ上,光电探测器输

之比:

绝对光谱辐照度响应度RE(λ)定义为:在规定的波长λ上,光电探测器输出的短路电流I(λ)与照射到该探测器表面的辐照度E(λ)之比:

相对光谱响应度R(λ)系指绝对光谱响应度在某一特定波长λ0上进行归一化的光谱响应度:

出的短路电流I(λ)与入射到该探测器的辐通量(功率)

硅光电探测器光谱响应度的测量和标定分两步进行:首先,在光谱响应度标准装置上,通过与无光谱选择性参考探测器的比较,标定相对光谱响应度;然后

在相同装置上,通过与陷阱二极管保存的激光功率标准的比较,标定绝对光谱响应度。

1.1 硅光电探测器光谱响应度测量标准装置

在此装置上既能标定硅光电探测器的相对光谱响应度,又能标定绝对光谱响应度。装置的光路图如图1所示,用溴钨灯做辐射源L1,其色温在3000~3200K,由凹面反射镜M1将L1的灯丝成像在棱镜-光栅双单色仪Mn的入射狭缝上。色散后,辐射在光阑B1上,再经过反射镜M2和M3,在参考探测器Dr或被测探测器Ds上形成B1的像S1,放大倍数调整到1∶1,光斑直径约为5mm。S1的像前安放有分束器Bs,约有70%的光透过,30%反射。并在辅助探测器Ds前也形成1∶1的像S2,以消除光束不稳定和光束不对称造成的误差。在单色仪Mn的入射狭缝前安放有调制器Ch和限制进入单色仪孔径的光阑B2,用以减少杂散辐射和调整孔径角,光束发散角(全角)为F/6.8。光路中安放有电快门Sw,供测量暗电流使用。

图1 硅光电探测器光谱响应度测量标准装置光路图

绝对定标可以应用单色仪输出的单色辐射做辐射源,它定标方便,但有信号弱等缺点。也可应用消除偏振光的强激光做辐射源,这时由激光器L2做辐射源,辐射进入积分球I,在积分球出射口可形成均匀的、带宽很窄的非相干单色辐射源,辐射通过可移动反射镜M4和其它光学系统在S1处形成相应的像。由于辐照度均匀,即使探测器表面响应度不够均匀,也只带来很小的误差。

对辐射源进行斩波调制,辅助、标准和被测探测器的光电信号均经I/V变换后送入锁相放大器放大。用微计算机进行自动控制、数据采集、计算和处理,全部过程实现自动化。

1.2 无光谱选择性参考探测器

参考探测器采用电校准热释电功率计,该仪器虽能直接测量辐通量和辐照度,但是由于误差大,只用它做相对光谱响应标准的参考探测器,而用陷阱二极管保存的激光小功率标准做绝对定标。

图2 测量金黑吸收系数的示意图

热释电探测器的表面虽有金黑吸收层,其吸收系数基本上与波长无关,但在300~1200nm波长范围内约有0.2%~0.6%的反射,随波长而异。为验证该项误差以及得到修正系数,我们做了如图2所示的实验。

首先,在图1的标定装置像平面S1处放置一个带5mm中心孔的大面积硅探测器。接收面背向辐射的入射方向,让由单色仪出来的单色辐射通过中心孔照在一个已知反射比ρs(λ)的标准白板上,白板和探测器之间加一个8mm光阑,白板的反射部分由带中心孔的大面积硅探测器测量,得到读数Is;然后再换上做参考用的热释电探测器,二者光阑的大小、光阑的反射比等条件相同,在大面积硅探测器上又得到一个读数It,则热释电探测器表面反射比ρt(λ)为:

这种方法很简便。测得结果如图3所示,与文献上发表过的数据接近。 热释电探测器的吸收系数经修正后,剩余误差为±0.15%。

图3 热释电探测器表面反射比

2 误差考察与评估

2.1 参考探测器修正吸收系数之后的残差 此项误差为±0.15%。 2.2 单色仪带宽误差

当参考探测器和被标定标准探测器的光谱响应的斜率不同时,单色仪带宽会引进误差。该误差可通过反卷积的数学方法进行很好的修正,但处理繁琐,常出现病态方程。该误差又不大,因此在很窄的带宽内对探测器的光谱响应、单色仪

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