CN102384761A - 一种光电探测器绝对光谱响应率的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电探测器绝对光谱响应率的标定方法，利用宽谱光源分光法测量光电探测器在某个光谱波段内的相对响应系数，而采用在该波段内稳定输出的激光源测量得到光电探测器的绝对响应率，再根据测量得到相对响应系数得到整个光谱波段内的绝对响应率值，从而得到探测器工作波长的绝对响应率值。该方法克服了现有绝对标定方法中由于宽谱光源分光后功率太弱的问题，减小了标定不确定度，可用于紫外、可见光和红外波段。

Description

一种光电探测器绝对光谱响应率的标定方法

技术领域

本发明涉及一种光电探测器响应率参数的标定方法，尤其是一种利用探测器光谱响应特性实现绝对光谱响应率的标定方法。

背景技术

光电探测器是一种将光信号转换为电信号的传感器，区别于传统的热探测器，因具有响应时间快、灵敏度高等特点，广泛地用于光学测量领域，由于其具有波长选择性，即响应率随所探测的光谱变化，因而其绝对光谱响应率即在特定波长下的绝对响应率参数的精确测量成为一个技术难题。

光电探测器的绝对光谱响应率R_λ是指在指定波长λ下，探测器所产生的信号S与入射的该波长光功率P_λ的比值，R_λ＝S/P_λ，要实现其绝对测量需要测量得到入射到探测器的该波长的光功率P_λ和光电探测器产生的信号S。现有的光谱响应率测量法主要是相对测量法，通常将黑体、能斯特灯、硅碳棒等宽谱光源发出光经过光栅分光后入射到探测器，并根据探测器响应的电压或电流信号幅值，计算得到较为准确的相对光谱响应值。但由于上述光源的光强很弱，再经过波长分光后其功率更弱，故很难精确测量得到分光后的光功率，而根据宽谱光源的辐射特性并结合光栅衍射参数计算得到的绝对辐射功率值，由于计算环节和影响因素多，也难以得到精确的光源绝对功率值，最终影响到探测器在指定波长下的绝对响应率测量和标定。

发明内容

本发明目的是提供一种光电探测器绝对光谱响应率的标定方法，解决现有绝对标定方法中由于宽谱光源分光后功率太弱而引起的标定不确定度较大的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种光电探测器绝对光谱响应率的标定方法，包括以下步骤：

[1]测量光电探测器的相对响应率幅值序列：

宽谱光源经过光谱分光后入射到探测器光敏面，测量得到探测器在λ_min～λ_max光谱区间内的按照波长顺序排布的相对响应率幅值序列k_i，其中包含特定波长λ_m和λ_n相对应的幅值k_m和k_n；所述的λ_m为需要标定的波长，λ_n为与需要标定的波长临近的激光器的波长；

[2]测量光电探测器在波长为λ_n时的绝对响应率

用波长为λ_n的激光器入射到探测器光敏面，测量得到光电探测器在波长λ_n下的绝对响应率

[3]计算光电探测器在波长为λ_m时的绝对响应率

按照公式

计算得到光电探测器在波长λ_m的绝对响应率。

上述测量光电探测器在波长λ_n时的绝对响应率

的步骤为：

[1]在激光入射光路上沿激光入射方向先后准直布置光阑孔、光电探测器，所述光阑孔的孔径略小于探测器光敏面；

[2]测量得到波长λ_n激光束经过光阑孔后探测器的输出信号U；

[3]在探测器前采用光功率计测量得到光阑孔后的激光功率P；

[4]计算得到光电探测器在波长λ_n下绝对响应率

上述的光阑由两个已知刻度且缝隙宽度可调节的狭缝相互垂直拼接而得。

上述宽谱光源为黑体源、钨灯、硅碳棒、能斯特灯或石英加热管。

上述激光器为266nm固体激光器、0.532μm固体激光器、1.06μm固体激光器、1.55μm半导体激光器、2.0μm光纤激光器、3.39μmHe-Ne激光器、10.6μm二氧化碳激光器或中远红外波段量子级联激光器。

本发明具有的有益效果：

1、本发明采用波长替代的方法，利用了同一宽谱波段内不同波长的激光器测得探测器单点绝对响应率值，再结合宽谱光源测得的探测器相对响应率序列，计算得到了探测器在指定波长下的绝对响应率值，克服了由于宽谱光源功率太弱无法绝对标定探测器响应率参数，激光器波长又与指定的波长有差异的标定问题，实现了光电探测器绝对光谱响应率的标定。

2、本发明的光电探测器绝对光谱响应率的标定方法可用于紫外、可见光和红外波段，具有广泛的适用性。

附图说明

图1为本发明光电探测器在波长λ_n下绝对响应率

测量光路图；

图2为本发明由两只相互垂直的宽度可调节狭缝板拼接的光阑示意图；

其中：1-激光器；2-光功率计；3-光阑；4-探测器光敏面；5-光电探测器；6-垂直狭缝调节板；7-垂直狭缝调节旋钮；8-垂直狭缝；9-水平狭缝调节旋钮；10-水平狭缝调节板；11-水平狭缝；12-光阑孔。

具体实施方式

为了克服了现有绝对标定方法中由于宽谱光源分光后功率太弱而引起标定不确定度较大的问题，本发明采用的思路是利用宽谱光源分光法测量光电探测器在某个光谱波段内的相对响应系数，而采用在该波段内稳定输出的激光源测量得到光电探测器的绝对响应率，再根据前面的相对响应系数得到整个光谱波段内的绝对响应率值，从而得到探测器在该工作波长的绝对响应率值。

本发明波长替代标定法的具体步骤如下：

一、采用宽谱光源按照光谱分光后入射到探测器的光敏面，测量得到探测器在λ_min～λ_max光谱区间内的相对响应率幅值，得到一个按照波长顺序排布的数据序列k_i，其中包含特定波长λ_m和λ_n相对应的幅值k_m和k_n，其中波长λ_m为需要标定的探测器的工作波长。

由于宽谱光源如黑体源、钨灯、硅碳棒、能斯特灯、石英加热管等经过分光后尽管其输出功率比较小，难以准确测量，但是其具有输出光谱较宽、输出功率稳定等特点，故准确得到该光谱波段内的相对响应率系数，光谱分光的方法通常采用光栅分光，工作原理同现有的光栅光谱仪产品，其光谱宽度可达数μm。

二、将波长为λ_n的激光器入射到探测器光敏面，测量得到光电探测器在波长λ_n下绝对响应率

其中λ_n为选定的稳定输出的激光器波长。

随着激光技术的发展，近几年出现了多种波长的稳定输出、功率较大的激光器，比如266nm固体激光器、532nm固体激光器、1.06μm固体激光器1.55μm半导体激光器、2.0μm光纤激光器、3.39μmHe-Ne激光器、10.6μm二氧化碳激光器、中远红外波段量子级联激光器等，这些激光器的波长范围从紫外到远红外波段，包含了整个光电探测器响应波段，且激光器的输出稳定、功率较大，而步骤一中的宽谱光源光谱宽度较宽，故总可以选择到适合波长的激光器和宽谱光源，使激光器工作波长和需标定的探测器波长均在宽谱光源的波段范围内。由于所选的激光器的功率较大，输出稳定，则可以准确测量得到该激光波长下的绝对响应率；对于输出稳定度不高的激光器，在测量中可以采用分光监测的方法。

三、计算得到探测器在波长λ_m的绝对响应率

本发明的波长替代法，利用了同一宽谱波段内不同波长的激光器测得探测器单点绝对响应率值，再结合宽谱光源测得的探测器相对响应率序列，计算得到了探测器在指定波长下的绝对响应率值，克服了由于宽谱光源功率太弱无法绝对标定探测器响应率参数，激光器波长又与指定的波长有差异的标定问题，可用于紫外、可见光和红外波段，具有广泛地适用性。

光电探测器在激光波长λ_n下的绝对响应率

的测量方法具体如下：

如图1所示，在激光入射光路上沿激光入射方向先后准直布置光阑孔3、光电探测器5，所述光阑孔3的孔径略小于探测器光敏面4。首先测量得到激光束经过光阑孔3后探测器5的输出信号U，其次，在探测器5和光阑孔3之间光路上插入光功率计2，测量得到光阑孔3后的激光功率P，最后计算得到光电探测器5在波长λ_n下绝对响应率

由于探测器5的光敏面积有限，故在探测器5前增加准直的小孔径光阑孔3，确保通过光阑孔3后的光全部照射到探测器光敏面4上，从而确保激光功率测量的准确性。

光阑3可以采用普通的圆孔光阑3，也可以采用如图2所示的两只相互垂直的缝隙宽度可调节狭缝板拼接而成。通过垂直狭缝调节旋钮7和水平狭缝调节旋钮9的调节可使得垂直狭缝调节板6和水平狭缝调节板10移动，实现垂直狭缝8和水平狭缝11的宽度调节，最终形成方形光阑孔12，满足不同探测器光敏面的需求。如果垂直狭缝调节旋钮7和水平狭缝调节旋钮9均带有刻度，则还可以精确测量得到狭缝的面积。

需要说明的是，上述宽谱光源并不仅限于技术方案中提及的黑体源、钨灯、硅碳棒、能斯特灯、石英加热管，也包括其他谱段宽且输出稳定的光源；绝对标定的激光器也不仅限于技术方案中提及的几种波长的激光器，也包括其他波长的激光器。以上变化均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种光电探测器绝对光谱响应率的标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

[1]测量光电探测器的相对响应率幅值序列：

宽谱光源经过光谱分光后入射到探测器光敏面，测量得到探测器在λ_min～λ_max光谱区间内的按照波长顺序排布的相对响应率幅值序列k_i，其中包含特定波长λ_m和λ_n相对应的幅值k_m和k_n；所述的λ_m为需要标定的波长，λ_n为与需要标定的波长临近的激光器的波长；

[2]测量光电探测器在波长为λ_n时的绝对响应率

用波长为λ_n的激光器入射到探测器光敏面，测量得到光电探测器在波长λ_n下的绝对响应率

[3]计算光电探测器在波长为λ_m时的绝对响应率

按照公式

计算得到光电探测器在波长λ_m的绝对响应率。

2.根据权利要求1所述的光电探测器绝对光谱响应率的标定方法，其特征在于：所述测量光电探测器在波长λ_n时的绝对响应率

的步骤为：

[1]在激光入射光路上沿激光入射方向先后准直布置光阑孔、光电探测器，所述光阑孔的孔径略小于探测器光敏面；

[2]测量得到波长λ_n激光束经过光阑孔后探测器的输出信号U；

[3]在探测器前采用光功率计测量得到光阑孔后的激光功率P；

[4]计算得到光电探测器在波长λ_n下绝对响应率

3.根据权利要求2所述的光电探测器绝对光谱响应率的标定方法，其特征在于：所述的光阑由两个已知刻度且缝隙宽度可调节的狭缝相互垂直拼接而得。

4.根据权利要求1或2或3所述的光电探测器绝对光谱响应率的标定方法，其特征在于：所述宽谱光源为黑体源、钨灯、硅碳棒、能斯特灯或石英加热管。

5.根据权利要求4所述的光电探测器绝对光谱响应率的标定方法，其特征在于：所述激光器为266nm固体激光器、0.532μm固体激光器、1.06μm固体激光器、1.55μm半导体激光器、2.0μm光纤激光器、3.39μmHe-Ne激光器、10.6μm二氧化碳激光器或中远红外波段量子级联激光器。

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