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RL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Ia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Ia时，末级倍增极Dn的一次电流IDn?Ia??n，?n为倍增极的二次发射系数，从此倍增极经过Rn流向阴极的电流为Ia?IDn???1????Ia，同理，其它倍增
n??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Ia远小于流过分压电路的电流Ib时，极间电压的重新分配不明显，阳极电流Ia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RL、阳极对地的等效电容CL的并联电路，时间常数RLCL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。
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光电检测技术实验讲义
