光电检测技术实验讲义

光电检测技术实验指导书

电气工程学院

目录

实验一半导体激光器工作域值及输出功率特性的测量 (2)

实验二半导体激光器输出光谱特性曲线的测量 (9)

实验三光电探测原理及特性测试（综合性） (13)

实验四* CCD输出特性及二值化处理实验 (22)

实验五 PSD位移传感器特性实验 (28)

实验六反射式光纤位移传感器原理及定标实验 (32)

实验七光电报警系统设计（设计性） (38)

实验一 半导体激光器工作域值及输出功率特性的测量

一、实验目的

测试半导体激光器工作域值，测量输出功率－电流（P-I ）特性曲线和输出功率的稳定性，从而对半导体激光器工作特性有个基本了解。

二、实验内容

1、测试YSLD3125型半导体激光器工作域值。

2、测试YSLD3125型半导体激光器输出功率与电流（P-I ）特性曲线。

3、测试YSLD3125型半导体激光器注入电流为30mA 时输出功率的稳定性。

三、实验仪器

1、YSLD3125型半导体激光器（带尾纤输出，FC 型接口） 1只

2、ZY606型LD/ LED 电流源 1台

3、光功率计 1台

4、万用表 1只

四、实验原理

1、激光器一般知识

激光器是使工作物质实现粒子数反转分布产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。激光，其英文LASER 就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （受激辐射的光放大）的缩写。

激光的本质是相干辐射与工作物质的原子相互作用的结果。尽管实际原子的能级是非常复杂的，但与产生激光直接相关的主要是两个能级，设E u 表示较高能级，E l 表示较低能级。原子能在高低能级间越迁，在没有外界影响时，原子可自发的从高能级越迁到低能级，并伴随辐射一个频率为

h E E l u /)(-=ν

的光子，这过程称自发辐射。

若有能量为l u E E h -≥ν的光子作用于原子，会产生两个过程，一是原子吸收光子能量从低能级越迁到高能级，同时在低能级产生一个空穴，称为受激越迁或受激吸收，此激发光子消失；二是原子在激发光子的刺激下，从高能级越迁到低能级，并伴随辐射一个频率

h E E l u /)(-=ν

的光子，这过程称受激辐射。

受激辐射激发光子不消失，而产生新光子，光子增加，而且产生的新光子与激发光子具有相同的频率、相位和偏振态，并沿相同的方向传播，具有很好的相干性，这正是我们所需要的。

受激辐射和受激吸收总是同时存在的，如果受激吸收超过受激辐射，则光子数的减少多于增加，总的效果是入射光被衰减；反之，如果受激辐射超过受激吸收，则入射光被放大。实现受激辐射超过受激吸收的关键是维持工作物质的原子粒子数反转分布。所谓粒子数反转分布就是工作物质中处于高能级的原子多于处于低能级的原子。所以原子的粒子数反转分布是产生激光的必要条件。

实现粒子数反转可以使受激辐射超过受激吸收，光在工作介质中得到放大，产生激光，但工作介质的增益都不足够大，若使光单次通过工作介质而要产生较强度的光，就需要很长的工作物质，实际上这

是十分困难，甚至是不可能的。于是就想到了用光学谐振腔进行光放大。所谓光学谐振腔，实际上是在激光器两端，面对面地装两块反射镜，如下图所示：

一块几乎全反射，一块为部分反射，激光可透过部分反射镜射出。被反射回到工作介质的光，可在工作介质中多次往返，设往返次数为m ，则有效长度为：

mL L eff 2= （m=1，2，3，4…）

L 为工作介质的的实际长度。

由于谐振腔内工作介质存在吸收，反射镜存在透射和散射，而且只有沿轴线方向的光才被放大，因此光受到一定损耗，当增益和损耗相当时，在谐振腔内建立起稳定的激光振荡。即一个激光器，m 有一个确定的值。

谐振腔的另一个作用是选模，光在谐振腔内反射时，反射波将和入射波发生干涉，为了能在腔内形成稳定的振荡，必须满足相干相长的条件，也就是沿腔的纵向（轴线方向）形成驻波的条件，这条件是：

n

q

L 2λ

= 或q

nL

2=

λ 式中，λ为波长，n 是工作介质的折射率，q=1，2，3，4，…，为某一整数，为驻波波幅的个数，它表征了腔内纵向光场的分布，称为激光的纵模，q=1称单纵模激光器，q ≥2称多纵模激光器。每个驻波的频率是不一样的，第q 个驻波的频率由：

L

c q

q 2=ν s m C /1038⨯=，为光速。

以上两式都说明，虽然由于导带和价带是由许多连续能级组成的有一定宽度的能带，两个能带中不同能级之间电子的跃迁会产生许多不同波长的光波，但只有符合激光振荡的相位条件的那些波长存在，不符合激光振荡的相位条件的那些波长的光将衰减掉，这些波长取决于激光器工作物质的纵向长度L 。

多纵模激光器输出q 个波长的光，但幅度不一样，幅度最大的称为主模，其余的称为边模。 2、半导体激光器的结构

半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带，如下图（a ）所示，能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Eu 和价带顶的能量E l 之间的能量差g

l u E E E =-称为禁带宽度或带隙，不同的半导体材料有

不同的带隙。本征半导体中导带和价带被电子和空穴占据的几率是相同的，N 型半导体导带被电子占据

的几率大，P 型半导体价带被空穴占据的几率大。如下图（b ）、（c ）所示。

半导体激光器的结构多种多样，基本结构是下图所示的双异质结平面条形结构。这种结构由三层不同类型半导体材料构成，中间层通常为厚度为0.1～0.3μm 的窄带隙P 型半导体，称为有源层，作为工作介质，两侧分别为具有较宽带隙的N 型和P 型半导体，称为限制层。具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结。有源层与右侧的N 层之间形成的是P--N 异质结，而与左侧的P 层之间形成的是P--P 异质结，故这种结构又称N-P-P 双异质结构，简称DH 结构。

施加正向偏压后，就能使左侧的N 层向有源层注入电子，右侧的P 层向有源层注入空穴，但由于右侧的P 层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P 层，同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N 层。这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在0.1～0.3μm 的有源层内，形成了粒子数的反转分布。

前后两个晶体解理面作为反射镜构成谐振腔。 给半导体激光器施加正向偏压，即注入电流是维持有源层介质的原子永远保持粒子数的反转分布，自发辐射产生的光子作为激发光子诱发受激辐射，受激辐射产生的更多新光子作为新的激发光子诱发更强的受激辐射。

3、半导体激光器的主要特性 （1）输出光功率特性

激光器光功率特性通常用输出光功率与激励电流I 的关系曲线，既P —I 曲线表示。给半导体激光器注入电流，就是给激光器有源层半导体工作介质注入能量，对价带上的载流子（电子）进行激发，当注入电流较小时，导带和价带间载流子不能形成反转分布，这时从导带上跃迁到价带上的载流子主要以自发辐射为主，产生的是荧光，即非相干光。当注入电流达到一定值时，导带和价带间载流子才能形成反转分布，产生受激辐射，激光器才有激光(即相干光)输出，这个一定值称为阈值电流。阈值电流以后，随着注入电流的增大，导带和价带间粒子数差值增大，激光增益系数增大，输出功率增加，并与注入电流近似成线性关系，如下式所示。

()e

hf

I I P P D th f th η⋅

-+=

式中I f 为注入电流，S J h ∙⨯=-34

10

628.6为普朗克常数，λ

c

f =

为入射光频率，s

m c /1038

⨯=为光速，λ为入射光波长，e 为电子电量，ηD 为外微分量子效率，I th 为阈值电流，P th 为阈值功率。图

线表示如下：

半导体激光器 LD 的P-I 特性曲线

根据P-I 曲线可以求出激光器的阈值电流I th 和外微分量子效率ηD ：将P-I 曲线的线性部分作直线与横坐标相交，交点处的电流值即为激光器的阈值电流；曲线线性部分的斜率为e

hf

D η，由曲线求得斜率，

可计算ηD 。

（2）温度特性

激光器输出光功率是随温度而变化的，有两个原因：一是激光器阈值电流I th 随温度升高而增大，二是激光器外微分量子效率η

D

随温度升高而减小。温度升高时，I th 增大，η

D

减小，输出光功率明显下

降，达到一定温度时，激光器就不激射了。当以直流电流驱动时，阈值电流I th 随温度的变化更加明显。

五、设备简介

1、 ZY -YSLD3125型激光器

我们所用ZY -YSLD3125型半导体激光器是具有多量子阱F-P 腔激光器LD ，内置背景光探测器PD ，这种激光器使用时具有下图所示四种型式：

图中，LD 为激光器，PD 为背景光探测器。PD-N side dwon 的管是探测器PD 的负（N ）与激光器LD 的负（N ）或正（P ）相连，PD-P side dwon 的管是探测器PD 的正负（P ）与激光器LD 的负（N ）或正（P ）相连，与激光器LD 的负（N ））相连的称为DVD 型管，与激光器LD 的正（P ）相连的称为POINT 型管。所用ZY -YSLD3125型激光器为PD-N side dwon 的POINT 型管，单模光纤同轴封装，带尾纤FC 连接。性能指标如下表所示

表中CW表示连续。管脚图如下

2、ZY606型LD/ LED电流源

本机为激光二极管（LD）专用测试设备，可广泛用于650nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等各种中小功率LD的电流测试及老化测试。设备内部带APC(Automatic Power Control)电路及ACC(Automatic Current Control)电路，可以实现以下三种功能：

1） LD电源

2） Iop及Im电流测试

3） LD恒功老化及恒流老化

性能指标

供给电流（Iop）max：150mA

反馈测量电流(Im)max：2000uA

Iop的测量准确度：±0.5mA

Iop分辨率：0.1mA

Im测量准确度：±5uA

Im分辨率：1uA

仪器的结构

仪器的前面板如下图所示

POWER 电源开关

IOP 激光器工作电流显示

Im 激光器探测电流显示

PD正、PD负、LD正、LD负待测激光器插入座

DVD、POINTER 待测激光器类型转换钮，按下测DVD型

恒功、恒流恒功或恒流测量转换钮

粗调、细调激光器工作电流调节钮

操作说明

1）本机只能对PD-N side down的LD进行测量，不能用来测量PD-P side down安装的激光器，否则会损坏激光器。

2）本机的一大特色是设备内部带APC（Automatic Power Control）电路，这种电路是LD在实际应用时通常采用的一种恒功控制电路。因此，一只LD在本机上所表现的直流特性，将与它在实际应用时的直流特性完全一致。有了这种恒功控制电路，就可以长期通电对LD进行寿命及稳定性考核。从而反映出LD在应用产品（如光通信模块、DVD激光头等）中工作时的稳定性。没有APC电路的设备，则不能实现上述功能。

操作步骤

1）通电之前，确保“粗调”旋钮在最小值位置。这样可防止冲击电流损坏LD。

2）确认LD已经插接良好后，打开电源开关。此时电源输出为零，LD尚未发光。

3）恒功测量：将切换开关拨到恒功档，顺时针缓慢调节输出功率“粗调”旋钮，LD射出激光。改调“细调”旋钮，可将LD输出调至要求的数值（用一台光功率计来测量LD的输出功率）。通过Iop显示窗口可以读出输出电流值，通过Im显示窗口可以读出探测电流值。

4）恒流测量：将切换开关拨到恒流档，该方式下“细调”旋钮无效，Im窗口显示读数也无效。只需要调节输出功率“粗调”旋钮即可，通过Iop显示窗口可以读出输出电流值。

5）恒功老化：将被测LD调到固定的功率输出（这个值由用户根据需要确定），并保持不断电，记录该LD在通电一定时间后工作电流的变化量，从而反映出LD产品在实际应用中的稳定性。

6）恒流老化：将被测LD调到固定的电流输出（这个值由用户根据需要确定），并保持不断电，记录该LD在通电一定时间后输出功率的变化量，从而反映出LD产品在实际应用中的稳定性。

五、实验装置及步骤

（一）ZY-YSLD3125型激光器测试实验装置如下

1、按图连接线路，连接图如下。关于ZY606型LD/ LED电流源的详细使用方法参见设备简介。

2、因YSLD3125型半导体激光器为Pointer型，将电流源“DVD、Pointer”管切换钮置于Pointer，

恒功恒流切换置于恒功，“粗调”和“细调”置于最小。开启电流源，缓慢调节电流旋纽使电流由0mA 逐渐增加到35mA ，每隔3mA 测输出光功率值，绘制P-I 曲线。切记电流最大不能超过40mA ，否会损坏激光器！！

3、通过P-I 曲线的线性部分作直线与横坐标相交，交点处的电流值即为激光器的阈值电流，计算外微分量子效率ηD 。

4、稳定性测量，将工作电流调到25mA ，每隔1分钟测一次输出功率，测20～30分钟。 输出功率稳定性S 按下式计算

__

____

P

P S ∆=

30

30

1

__

∑=

i

P

P 30

)

(30

1

__

___

∑-=

∆p p

p i

注意：插拔激光器之前，务必先把输出功率“粗调”旋钮调到最小，然后关闭电源开关，这是因为带电插拔LD 会造成LD 的劣化。

六、实验报告要求

1、 在坐标纸上作出P —I 曲线，并确定出阈值电流和外微分量子效率。

2、 计算工作电流为25mA 时输出功率的稳定性。

实验二 半导体激光器输出光谱特性曲线的测量

一、实验目的

测试半导体激光器输出光谱特性曲线与注入电流的关系，掌握测量方法,解释注入电流对谱线中心波长影响的原因。

二、实验内容

测试中心波长650nm 的半导体激光器的光谱特性。

三、实验仪器

1、中心波长650nm 半导体激光器 1只

2、ZY606型LD/ LED 电流源 1台

3、WGD3型组合式多功能光栅光谱仪 1台

4、微机 1台

四、实验原理

半导体激光器的发射波长取决于工作物质导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度E g （eV ），由h E E l u /)(-=ν，λ

ν/c =可得

g

l u E hc

E E hc =

-=

λ 将光速s m C /1038

⨯=，普朗克常数S J h ∙⨯⋅=-34

106286，J eV 1910611-⨯⋅=代入得到

g

E 24

1⋅=

λ 不同的半导体材料有不同的禁带宽度E g ，因而有不同的发射波长。铝镓砷—镓砷（AlGaAs ）材料适用于630--900nm 波段，铟镓砷磷—铟磷（InGaAsP —InP ）材料适用于1300--1550nm 波段。

由前面的讨论已知，在直流驱动下，多纵模激光器输出q 个波长的光，幅度最大的主模和若干边模。其典型的光谱如下图所示：

随着驱动电流的增加，由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模减少，主模增益增加，同时驱动电流增加时，半导体能带宽度变大，禁带宽度E g 变小，从而使纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄，同时中心波长变大。

五、设备简介

WGD3型组合式多功能光栅光谱仪由入射光源、光栅单色仪、控制箱、软件及计算机、光电探测器组成。

光栅单色仪：光栅单色仪光学系统原理如下图所示：

光源发出的复色光束入射到入射狭缝S1，经反射镜M1反射到准光镜M2上，经M2反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M3后可通过一转换开关从出射狭缝S2或S3射出。S2处可安装光电探测器探测出射光束，S3处用来观察出射光束。本仪器安装的光电探测器为光电倍增管。通过控制机构转动平面光栅G，则出射不同波长的光束。

控制箱前面板如下图所示

负高压调节：手动调节供光电倍增管的直流电压，调节范围0—1000V，用电压表指示；

倍增管：与光电倍增管探测器相连的接口，输出负高压到光电倍增管，输出通过软件产生的控制光

电倍增管增益的信号，共有1—7八档增益；

电机驱动：与光栅单色仪相连的接口，输出通过软件产生的控制光栅G转动的信号；

USB：与计算机相连的通信接口；

PWR：接通电源指示灯；

STA：计算机与控制箱通信的指示灯；

六、实验装置及方法

实验装置如下图

电流源供给激光器驱动电流，电流值可自身测量。激光器输出的光进入光栅单色仪进行分光，输出单一波长的光，用光电倍增管接收，光电倍增管输出的与接收光强成比例的电压信号由计算机显示。光栅单色仪的分光由计算机控制。

1、将激光器安装在S1狭缝，开启电流源电源，用“恒流”、“POINTER”档，调“粗调”，使驱动电流为35mA；

2、光谱仪转换开关拨至“观察”缝，调整S1狭缝宽度，从S3缝观察使有红光出现；

a)将光电倍增管探测器安装在S2，并按图接好电路，光电倍增管直流电压暂调至400V，初步调整S2狭缝宽度适当；

b)参数设置：仅供参考

S1、S2狭缝刻度调至2mm

工作方式栏中的间隔选0.1nm

工作范围栏中的起始波长选550 nm，终止波长选750 nm

工作状态栏中的增益（光电倍增管的增益）选1

当前寄存器选寄存器1

从工作界面上点击“单程”，则扫描出一条光谱曲线，横坐标是波长，纵坐标是相对能量。要求光谱曲线能观察到6～8个副峰，如果曲线能量轴过小或过大，可适当调整S2狭缝宽度或光电倍增管直流电压，使曲线高度适中。

c)从工作界面上点击“读取数据”，选择寻峰—自动寻峰，则出现寻峰/谷菜单，在此菜单中选择检峰、积存器1、适当设置最小峰高，然后点击“检峰/谷”钮，则给出各峰的波长和能量；此曲线说明了半导体激光器的多纵模特性；

d)将半导体激光器调驱动电流调为15mA，当前寄存器选寄存器2，从工作界面上点击“单程”，则扫描出一条光谱曲线，要求光谱曲线能观察到高度适中完整主峰。若过大（顶端出现平坦）或过小，可适当调整光电倍增管直流电压和工作状态栏中的增益（光电倍增管的增益），使曲线高度适中；

e)将半导体激光器调驱动电流调为20mA，当前寄存器选寄存器3，点击“单程”，则扫描出一条光谱曲线，要求此光谱曲线高度与驱动电流调为15mA时的曲线高度接近；

f)将半导体激光器调驱动电流调为25mA，当前寄存器选寄存器4，仿上扫描出调驱动电流为

25mA的光谱曲线；

9、比较并分析3条光谱曲线的异同，测量中心波长值。

六、实验要求

1、在坐标纸上做出650nm 的半导体激光器在调驱动电流为15 mA 、20 mA 、25mA的光谱曲线。

2、指出调驱动电流由小到大光谱曲线的不同，分析其原因。

实验三光电探测原理及特性测试

一、实验目的

了解两种探测器的工作原理及特性。

（一）内增益探测器

1.理解内增益探测器光电倍增管的基本特性。

2.学习光电倍增管基本参数的测量方法。

(二)四象限光电探测器

1．了解四象限探测器的性能及单脉冲定向原理。

2．通过该系统直接、间接地测定目标的方向，观测红外可见光辐射到四象限探测器上的位置和强度变化。

二、实验内容

（一）内增益探测器

测量光电倍增管的静态特性参数。

(二)四象限光电探测器

1.测量激光器脉冲驱动信号。

2.测量以四象限探测器做接收器，脉冲光信号的放大信号、展宽信号。

3.通过上位机显示每个象限的光强以及光斑的光心坐标，通过观察光斑在四个象限的显示情况验证四象限探测器原理。

三、实验原理

(一)内增益探测器

1.结构

光电倍增管是具有内增益的探测器，结构如图。K是光电阴极，D为聚焦极，它与阴极共同形成电子光学聚焦系统，将光电阴极发射的电子会聚成束并通过膜孔射向第一倍增极D1，D1～D10为倍增极，所加电压逐级增加。A为收集电子的阳极。这些电极封装在真空管内，光电阴极附近制作光入射窗口。在高速初电子的激发下，第一倍增极被激发出若干二次电子，这些电子在电场的作用下，又打第二倍增极，又引起更多的二次电子发射……，此过程一直继续D10。最后经倍增的电子被阳极A收集而输出光电流，在负载R L上产生信号电压。

图8 光电倍增管

2.供电分压器

为使光电倍增管能正常工作，需要在阴极K 和阳极A 加近千伏的电压。同时，还需要在阴极、聚焦极、倍增极、阳极之间分配一定的极间电压，才能保证光电子能被有效的收集，光电流通过倍增极系统得到放大。通常由上图所示的电阻链分压来完成。

随着光通量的增加，阳极电流I a 也相应增加。当光通量进一步增大并超过某一定值后，阳极电流与光通量之间会偏离线性关系，甚至使光电倍增管进入饱和状态，如图9所示

图9 阳极电流与光通量关系

*输出信号是直流情况下，当阳极电流为I a 时，末级倍增极Dn 的一次电流n a Dn I I ∂÷=，n ∂为倍增极的二次发射系数，从此倍增极经过R n 流向阴极的电流为a n Dn a I I I ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛

∂-=-11，同理，其它倍增极也有一部分电流流向阴极，而且这些电流随光电流增大而增大，这些电流会使各极间电压重新分配。当I a 远小于流过分压电路的电流I b 时，极间电压的重新分配不明显，阳极电流I a 随光通量线性增加；如曲线A 段。当阳极电流增大到能与分压器电流相比拟时，极间电压的重新分配将很明显，导致阳极与后几级倍增极的极间电压下降，阴极与前几级倍增极的极间电压上升，结果光电倍增管的电流放大倍数明显增加，如曲线B 段。当阳极电流进一步增加时，阳极与末级倍增极的极间电压趋向零，阳极的电子收集率逐渐减小，最后阳极输出电流饱和，如曲线C 段。为防止极间电压的再分配以保证增益稳定，分压器电流至少为最大阳极电流的20倍。对于直线性要求很高的应用场合，分压器电流至少为最大阳极平均电流的100倍。*

3.输出电路

光电倍增管输出的是电荷，且其阳极可以看成是一个理想的电流发生器来考虑。因此，输出电流与负载阻抗无关。但实际上，对负载的输入阻抗却存在着一个上限。因为负载电阻上的电压降明显地降低了末极倍增管与阳极之间的电压，从而降低放大倍数。

对于直流信号，光电倍增管的阳极能产生达数十伏的电压输出。因此可以使用大的负载电阻；对于交流信号，光电倍增管的输出级可等效成阳极电流源、负载电阻R L 、阳极对地的等效电容C L 的并联电路，时间常数R L C L 应远小于脉冲宽度。

4.倍增管的主要特性和参数

光电倍增管的特性参数包括灵敏度、电流增益、伏安特性、暗电流等。

1）灵敏度

灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数，一般是指积分灵敏度。

阴极灵敏度S K

阴极光照灵敏度S K 是指光电阴极本身的积分灵敏度。定义为光电阴极的光电流I k 除以入射光通量Φ所得的商

)/(Lm A I S K k μΦ

= 侧光电倍增管阴极灵敏度，阴极为一极，其它各极连在一起为另一极。入射到阴极K 的光照度为E ，光电阴极的面积为A ，则光电倍增管接受到的光通量为

A E ⋅=Φ

若已知光照度E ，光电阴极的面积A ，用G 测得光电流I K ，则可计算出阴极灵敏度。

阳极灵敏度S p

阳极光照灵敏度S p 定义是指光电倍增管在一定工作电压下阳级输出电流与照射阴极上光通量的比值

)/(Lm A I S p

p Φ=

2） 放大倍数(电流增益)G

放大倍数G(电流增益)定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流I p 与阴极电流I K 间的比值。

K p

I I G =K p S S =

放大倍数G 取决于系统的倍增能力，因此它是工作电压的函数。

3） 暗电流I d

当光电倍增管在完全黑暗的情况下工作时，在阳极电路里仍然会出现输出电流，称为暗电流，暗电流与阳极电压有关，通常是在与指定阳极光照灵敏度相应的阳极电压下测定的。

4）伏安特性

有阳极伏安特性和阴极伏安特性之分

阴极伏安特性：定义为当光照度E 一定时，阴极电流I K 与阴极和第一倍增极之间的电压（阴极电压）V K 的关系。当V K 大于几十伏后，阴极电流开始趋向饱和，且与光照度成线性变化。

阳极伏安特性：定义为当光照度E 一定时，阳极电流I p 与最后一级倍增极之间的电压（阳极电压）V A 的关系。当V A 大于几十伏后，阳极电流开始趋向饱和，且与光照度成线性变化。如下图所示：

图10 阴极、阳极伏安特性

(二) 四象限光电探测器

由四象限探测器组成的光电定向是指用光学系统来测定目标的方位，该系统框图如下图：

图11 系统结构图

*系统电路框图如下

1.发射部分

发射部分主要由650nm激光器、NE555组成的脉冲发生器组成。

2.接收部分

接收部分主要由四象限探测器承担。四象限光电探测器是是将四个性能完全相同的探测器按照直角坐标排列成四个象限做在同一芯片上，通常称四象限管，如下图所示：

图13 四象限探测器

四个象限之间的间隔称为“死区”。在可见光和近红外波段，光电探测器目前广泛采用硅光电池和硅光电二极管。光电探测器有光照射时产生电信号。

二维方向上目标的方位定向原理如下图所示：

由光学系统和四象限探测器组成接收系统，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像。四象限探测器放在光学系统后焦面附近，光轴通过四象限探测器的十字沟道中心，因四象限探测器的位置略有离焦，于是接收目标的像为一圆形光斑。当目标成像在光轴上时，圆形光斑中心与四象限探测器中心重合。因四象限探测器中四个探测器件受照的光斑面积相同，输出相等的脉冲电压。当目标成像不在光轴上时，目标像的圆形光斑的位置在四象限探测器上相应的有偏移，四个探测器件受照的光斑面积不同，输出不相等的脉冲电压。比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标的方位）。

3、信号处理电路

信号处理电路包括四象限探测器的偏置与放大电路、展宽电路和运算电路：

（1）四象限探测器的偏置与放大电路

单脉冲定向系统中，光脉冲通常由激光产生，其脉冲宽度一般为几十纳秒级，也可作得更窄。而重复频率比较低，一般为几十赫兹。这种信号要用来指示与控制需要放大与展宽。另一方面由于探测器的性能不可能完全一致，放大器可以起补偿和均衡作用。偏置与放大电路通常都与探测器做在一起。

（2）展宽电路

窄脉冲展宽实质是峰值保持的一个特例。由于脉冲宽度极窄要求电路响应快而又要保持相对较长的时间，而且还需要有较高的线性输出，所以展宽电路实质是用于将目标脉冲信号在显示时有一个持续时间，以便观察。

(3)显示电路

模拟显示：用四个探测器输出并被展宽的信号驱动发光二极管D1～D4，二极管亮表示光斑在此象限的面积最大。

数字显示：将四个探测器输出并被展宽的信号进行模/数转换。转换后的信号再送入单片机，然后通过RS232连接线与计算机相连。在计算机显示数字输出。显示方式如下图所示。

要精确显示光斑在X—Y坐标系中的位置，必须对四个探测器输出并被展宽的信号进行计算，得到

代表光斑沿X 或Y 方向的偏移量所对应的电压。

图16 和差运算电路

假设光斑得到的辐射是均匀的，每个光电探测器件收到的光功率，从而输出信号一定与每个探测器件接收到的光斑面积成比例，可以将探测器件接收到的光斑面积和光斑半径r 作为已知量计算出偏离量x 1，y 1。这里以A 、B 、C 、D 表示二极管接收到的光斑面积占总光斑面积的百分比，当

11<

y 时，通过求扇形面积的公式求得 [])()(4

1C B D A r

x +-+=π

[])()(41D C B A r y +-+=π 可见，只要能测出A 、B 、C 、D 和r 就可以求得目标直角坐标（x 1、，y 1）

，但实际系统中能测得的是各象限的光功率信号。若探测器件的材料是均匀的，则各象限的光功率信号与各象限的光斑面积成正比 ，各象限的输出信号也与各象限的光斑面积成正比，对和差运算，系统输出电压信号为

[])()(1C B D A KP V X +-+=

[])()(1D C B A KP V y +-+=

以上四式中，K 为电路放大系数，P 为探测器接收的总功率。显见，只要系统确定，则K 、P 、r 均是常数，偏离值只与光斑面积的百分比有关；但在实际系统中，P 和r 要随目标距离远近而变化，1x V 、1y V 并不能代表目标的实际坐标，若采用和差比幅式就可以解决这个问题 。

四、注意事项

1、连线之前要保证电源关闭。

2、若照度计表头显示为“1＿”时说明超过量程，应改为合适的量程再测试。

3、光电倍增管对光的响应极为灵敏。因此，在没有完全隔绝外界干扰光的情况下，切勿对管施加

工作电压，否则会导致管内倍增极的损坏；

4、测量倍增管阴极电流时，加在其间的电压不可超过250V，否则容易烧坏光电倍增管。

5、PCB板右边部分为220V电源模块，切勿触摸，防止触电。

6、在插拔RS232接口前，必须切断电源开关。

7、不要用眼睛直接看激光，以免损伤眼睛。

五、实验步骤

(一)内增益探测器

1.暗电流测量

1）将电压调节逆时针调到最小，光源开关断开，阴极(阳极)开关拨到阳极位置，即正常分压供电。

2）缓慢调节电压调节开关，测电压分别为200V、400V、600V、800V、1000V时的暗电流值。

2.阳极伏安特性及灵敏度测量

1）将电压调节逆时针调到最小，阴极(阳极)开关拨到阳极位置，即正常分压供电合光强1，此时光照度E=10lx，所用光电倍增管光电阴极有效面积A=8mm×24mm。

2）缓慢调节电压调节开关，测电压分别为100V、200V、300V、400V、500V、600V、700V、800V、900V、1000V时的阳极电流值。

3）断开光强1，合上光强2，此时光照度E=50lx，重复2)的实验内容。

3.阴极伏安特性及灵敏度测量

1）将电压调节逆时针调到最小，阴极(阳极)开关拨到到阴极位置，既各倍增极和阳极接在一起作为一个电极。光照度调到E=150lx。

2）缓慢调节电压旋钮，从0开始，每隔50V记录电压和电流值，直到电压调至最大为止。

(二)四象限光电探测器

1.系统的安装：*安装好的示意图如下

图20 安装图*

激光器用四芯连接线与电路板右边的四芯航空插座相连，四象限探测器用六芯连接线与电路板上的六芯航空插座相连，串口与计算机相连。

2.将激光器和探测器在水平方向对准，调节激光器前端的旋，使激光器的光斑到满意程度后，对