實(shí)驗(yàn)名稱：雪崩光電二級(jí)管電致發(fā)光輻射特性的研究

測(cè)試目的：雪崩光電二極管是一種高速、高靈敏的二極管。相比于通常的光電倍增管，APD具有高量子效率、高穩(wěn)定性，對(duì)于外部環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。因此APD在弱光場(chǎng)測(cè)量、光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)方面得到了廣泛應(yīng)用。

測(cè)試設(shè)備：電壓放大器、單光子探測(cè)器、數(shù)字示波器、單色儀、示波器、計(jì)算機(jī)等。

實(shí)驗(yàn)過程：

圖1：實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)中使用了一個(gè)單光子探測(cè)器來記錄APD輻射出的光子。加載到APD上的反向工作電壓由一個(gè)電壓放大器來提供。電壓放大器的輸出信號(hào)由外部觸發(fā)信號(hào)來控制。當(dāng)使用方波信號(hào)觸發(fā)電壓放大器時(shí)，電壓放大器會(huì)輸出一個(gè)高壓方波信號(hào)來提供APD的反向工作電壓。數(shù)字示波器用于監(jiān)視APD的工作電流。透鏡Ll用于收集輻射出的光子以提高收集效率。透鏡收集到的光使用單色儀進(jìn)行選通。單色儀的閃耀光柵為120groove/mm。選通后的光通過透鏡L2聚焦到SPCM上。SPCM輸出的邏輯電脈沖使用數(shù)字計(jì)數(shù)器收集。為了減小環(huán)境光對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響，APD和SPCM都置于光屏蔽裝置中。電腦用于控制單色儀的波長(zhǎng)選擇以及與SR620的通訊。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖2：實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)APD上加載的是周期性的反向電壓時(shí)，可以觀測(cè)到APD輻射光子的暫態(tài)特性。為了提高收集效率，APD和SPCM改成了面對(duì)面放置，兩者的感光區(qū)域盡可能靠近。同時(shí)記錄APD的工作電流和SPCM的計(jì)數(shù)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

高壓方波信號(hào)的周期為100s。圖2(a)中的低電平為124v，低于APD的雪崩電壓。在這個(gè)電壓下APD不工作，APD的工作電流幾乎為0，SPCM的計(jì)數(shù)值為暗計(jì)數(shù)。這段時(shí)間對(duì)應(yīng)于圖2中上升沿前和下降沿后的曲線。圖2(a)中的高電平為176V，略高于APD的雪崩電壓。這個(gè)電壓足以觸發(fā)APD工作于雪崩狀態(tài)，因此SPCM輸出的計(jì)數(shù)值明顯增大。在電源點(diǎn)壓升高的同時(shí)，SPCM的計(jì)數(shù)值瞬間增加并達(dá)到最大值。此后，計(jì)數(shù)值逐漸減小直至趨于穩(wěn)定。光子輻射的暫態(tài)曲線可以用e指數(shù)衰減曲線很好的擬合，對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)為t=5.15s。圖2(d)中曲線的采樣間隔T為0.216s，采樣時(shí)長(zhǎng)為0.1s。圖2(c)記錄的是APD的工作電流，它具有與SPCM的計(jì)數(shù)值幾乎相同的變化趨勢(shì)。在這個(gè)過程中SPCM的瞬時(shí)最大值達(dá)到了759Kcps，它是穩(wěn)定時(shí)計(jì)數(shù)值(314kcps)的2.4倍；APD的瞬時(shí)最大電流為10.24mA，是穩(wěn)定值(2.64mA)的3.9倍。通過比較可以看出，APD在加電的瞬間，會(huì)以很大的概率輻射光子。

圖3：APD的工作電流與SPCM的計(jì)數(shù)值之間的關(guān)系圖

APD的工作電流與SPCM的計(jì)數(shù)值之間的關(guān)系如圖3所示，兩者之間的關(guān)系為線性關(guān)系。考慮到空間立體角的影響，APD輻射出的光子數(shù)與加載在APD上的電流的線性比例為44Mcounts/(s mA sr)。APD的工作電流為光子輻射的主導(dǎo)因素。

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審核編輯 黃宇