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〔1，2〕。

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，光电探测器输出的短路电流I(λ)与入射到该探测器的辐通量(功率)之比：

(λ)定义为：在规定的波长λ上，光电探测器输绝对光谱辐照度响应度R

E

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：

上进行归一相对光谱响应度R(λ)系指绝对光谱响应度在某一特定波长λ

化的光谱响应度：

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L

1

，其色温在3000～3200K，

由凹面反射镜M

1将L

1

的灯丝成像在棱镜-光栅双单色仪M

n

的入射狭缝上。色散后，

辐射在光阑B

1上，再经过反射镜M

2

和M

3

，在参考探测器D

r

或被测探测器D

s

上形

成B

1的像S

1

，放大倍数调整到1∶1，光斑直径约为5mm。S

1

的像前安放有分束器

B s ，约有70%的光透过，30%反射。并在辅助探测器D

s

前也形成1∶1的像S

2

，以

消除光束不稳定和光束不对称造成的误差。在单色仪M

n

的入射狭缝前安放有调

制器C

h 和限制进入单色仪孔径的光阑B

2

，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S

w

，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

L

2

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M

4

和其它光学系统在

S

1

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S

1

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ρ

s

(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I

s

；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

I t ，则热释电探测器表面反射比ρ

t

(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