InGaAs探测器中的双孔法非线性校正技术

杨欣欣，潘忠泉，张彬，拓锐，胡国星

(中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031)

作为探测器的一个重要指标，线性在测量中有着重要的意义［1］。当探测器响应度恒定时，即探测器的响应度不随入射光功率的变化而变化，探测器是线性的，任何入射光功率变化引起的响应度的变化都被认为是非线性的［2］。自1897年以来，人们提出了多种测量探测器线性的方法，从原理上可分为直接测量法和间接测量法。直接测量法主要是叠加法，间接测量法有距离平方反比法、滤色片或滤色片组合法、偏振片法等。间接测量法的优点是测量速度快、测量过程简单，缺点是误差源复杂，由于测量时引人了辅助量，例如滤光片的透射率以及偏振片的偏振度的测量，必然会引入额外的误差，测量结果的精度相对难以控制［3–5］。笔者选择光束叠加法作为线性测量方法。

叠加法基本原理是光束的叠加性质，理想的光探测器具有非常好的线性响应，例如分别给出的A、B辐射通量的读数的和与两个同时叠加的通量读数相等，即Iab=Ia+Ib，如果Iab≠Ia+Ib，说明探测器的响应是非线性的，这个不相等可以用来定量非线性误差。大多数光辐射测量仪器都是采用比例测量工作方式，水红外分析仪的吸收光谱正是采用这种测量方式，而该工作方式是建立在探测器在整个测量范围内都呈线性的前提条件下，因此探测器的非线性必将对光谱仪器的测量结果带来较大的影响［6–8］。

1 实验部分

1.1 实验器材

水红外分析仪：Spectra-760GII型，中国兵器工业集团第五三研究所；

数字电压表：8505A型，美国Fluke公司；双孔系统：中国兵器工业集团第五三研究所。

1.2 InGaAs探测器

目前在用的近红外探测器主要有PbS探测器及InGaAs探测器，PbS探测器的温度系数较大，InGaAs探测器具有很好的材料稳定性及良好的抗辐照性能，并且有更成熟的材料生长和器件工艺技术。水红外分析仪即选择光敏面直径为3 mm的GD3563T InGaAs探测器，响应波长为900～1 700 nm(见图1)，在仪器的应用光谱范围(1 300～1 500 nm)内有较好的响应度。

图1 InGaAs探测器光谱响应曲线

水红外分析仪探测系统的辐射响应是否与入射到其光敏面的辐射通量成正比，直接影响系统的透射比示值，进而影响仪器吸光度及相当水示值，因此水红外分析仪中的非线性校正问题将对四氧化二氮相当水含量的测量结果带来较大影响。实验拟采用双孔法对InGaAs探测器进行非线性校准，保证水红外分析仪吸光度示值误差准确性。

1.3 非线性校正设计原理

假设InGaAs探测器受到光照射后，产生的电信号按式(1)计算。

式中：u(φ)——InGaAs产生的电信号；

s(φ)——InGaAs探测器响应系数；

φ——入射到InGaAs探测器光敏面的辐射通量。

被测物质的透射比τ按式(2)计算。

式中：φo——加入被测物质时入射到InGaAs探测器光敏面的辐射通量；

φi——加入参比物质时入射到InGaAs探测器光敏面的辐射通量；

uo(φ)——加入被测物质时InGaAs产生的电信号；

ui(φ)——加入参比物质时InGaAs产生的电信号；

si(φ)——加入参比物质时InGaAs探测器的响应系数；

so(φ)——加入被测物质时InGaAs探测器的响应系数。

当si(φ)＝so(φ) (探测器的响应系数为常数)，即入射到其光敏面的辐射通量与产生的辐射响应成正比时，被测样品的透射比等于探测系统的响应电信号之比，透射比τ按式(3)计算。

但由于InGaAs探测器的响应系数的非线性，对于某一特定的系统，则表现为围绕标准值上下偏移(如图2所示)，使得透射比值为τs的样品示值表现为τ。为保证测量结果的准确性，通过公式(4)将透射比示值τ修正为τs。

图2 非线性响应示意图

式中：τ——样品透射比示值；

Δτ——透射比示值τ的非线性偏差；

τs——非线性校正后的透射比值。

首先使透过B孔单色光的电压值为空白光路的信号响应值UB0，将A孔置于光路中，测量透过A孔后的信号响应值UA0，计算平均值。按照式(5)计算透过B孔与A孔的光通量比N。

为确定不同透射比示值τ的修正系数，根据光的叠加原理，采用双孔法进行非线性校正，如图3。假设互不相干的A、B双孔，B孔面积为A孔的N倍，B孔置于光路中的光通量为φ，A孔置于光路中的光通量为φ/N，如果公式(6)中σ(φ)≠0，则系统是非线性的。

图3 双孔法非线性校正示意图

因此通过调节光源的供电电流，使B孔响应信号依次为初始值的1/n(n＞1)，测量透过A孔的信号响应。根据光的叠加原理，则根据A和B孔的几何尺寸及B孔初始信号计算的透射比值为理论透射比值，根据A孔信号响应计算的透射比值则为仪器的透射比示值。根据透射比示值偏差Δτ，建立定值装置的透射比示值与非线性偏差Δτs的校准曲线见式(7)，按照校准曲线对透射比示值τ进行非线性修正后，根据滤光片准物质对应的吸光度值建立标准曲线。

2 结果与讨论

2.1 非线性系数的确定

在金属板上分别加工“A孔(2.0 mm×4.0 mm)、B孔(2.0×8.0 mm)”尺寸的双孔系统。

按照公式(5)计算透过B孔与A孔的光通量比N。依次降低光强，使透过B孔后的电压值依次为初始值的 0.9，0.8，0.7，0.6，0.5，0.4，0.3，0.2，0.1，测量透过A孔的信号响应UA，根据公式(8)计算透射比示值τ，根据公式(9)计算透射比非线性示值偏差Δτs，如表 1 所示。

表1 双孔法校正值

根据表1中透射比示值τ与非线性偏差Δτs的测量数据，τ与Δτs对应关系函数关系见式(10)。

2.2 非线性校正结果验证

非线性校准前(无双孔系统)将装置的透射比设置为100.0%，90.0%，80.0%，70.0%，60.0%，50.0%，40.0%，30.0%，20.0%，10.0%，从仪器显示系统读数得到透射比值τ，按式(11)计算τ对应的吸光度A，根据式(12)计算吸光度偏差ΔA。

非线性校正后(有双孔系统)，将装置的透射比设置为100.0%，90.0%，80.0%，70.0%，60.0%，50.0%，40.0%，30.0%，20.0%，10.0%，依次根据式 (10)计算透射比示值τ的非线性偏差Δτs，按式(4)计算非线性校正后的透射比值τs，τs对应的吸光度值As计算同式(11)，吸光度偏差ΔAs计算同式(12)，结果如表2所示。

表2 双孔系统校正前后吸光度值比对

由表2可见，校正前后水红外分析仪定值装置的吸光度偏差最大为0.002 4，校正后的最大偏差为0.000 4。因此InGaAs探测器经非线性校正后可使仪器的吸光度偏差明显小于校正前，装置的测量准确度和可靠性得到较大提高。

3 结语

采用双孔法对水红外分析仪中InGaAs探测器进行非线性校正。结果表明，InGaAs探测器经过双孔法非线性校正后，可使水红外分析仪的吸光度偏差优于非线性校准前，提高了水红外分析仪定值装置测量的准确度。

［1］李莉，陆启生，江厚满，等.双光束组合激光辐照光导型CdS光电探测器的实验研究［J］.光学学报，2007，27(1): 85–89.

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