一种FTIR测量光电探测器响应的宽谱校正方法

摘要

本发明公开了一种FTIR测量光电探测器响应的宽谱校正方法，本方法以作为FTIR光谱仪标准配置的具有宽光谱范围平坦响应的热释电探测器为基础，得到该探测器及放大电路对选定光源和分束器组合在不同扫描速度下的响应，提取相关数据并拟合出该探测器及放大电路的频率响应特性。利用此频率响应特性对特定光源和分束器组合的原始输出特性进行校正，即得到其实际的输出特性。以此校正后的实际输出特性作为背景光谱，即可对测量所得的光电探测器原始响应光谱进行参比操作，得到校正后的光电探测器实际响应光谱。鉴于热释电探测器是FTIR光谱仪的标配且具有宽谱响应，因而此方法是普适且宽谱的，适用于各种FTIR光谱仪中不同的光源和分束器组合。

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电光谱领域，具体为一种普适的对傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪测量所得光电探测器响应进行宽谱范围校正的方法。

背景技术

半导体光电探测器(PD)及其焦平面阵列(FPA)器件在诸多领域都有重要应用，而其响应光谱是所有这些应用中都十分关注的。常规PD或FPA都有一个连续的响应波长范围，在此范围内响应的大小会有变化，也即响应度有一光谱分布，此光谱分布或称响应光谱需通过实际测量获得，而具有一系列优点的傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪已成为测量PD或FPA器件的首选仪器，特别是在红外波段。

通过FTIR光谱仪直接测得的探测器光电流谱虽然包含了其光谱响应信息，但并非探测器的实际响应光谱，而且在很多情况下与实际响应光谱相去甚远，这主要是由于仪器本身的输出特性(包含光源和分束器以及其他部件)很不平坦，其本身也有一个特定的光谱分布造成的。为解决此方面问题人们也已发展了被称为计算仪器函数校正法、标准探测器传递校正法等相关校正方法，由此来获得探测器的实际响应光谱。这些都取得了一定效果，但也还存在不少问题。例如：对于计算仪器函数校正法，采用黑体辐射公式来模拟红外光源的输出，需要设定一个黑体辐射温度，这样一方面红外光源并非单一温度的理想黑体，且此温度的设定是人为的而非通过实际测量得到，另一方面实际红外光源的温度必然会有一个分布范围，难以用单一温度模拟；此外，计算仪器函数校正法所需的分束器响应特性也非实测，这些都难免引入一定误差。再如：标准探测器传递校正法的基础是基于经过标定的标准探测器，因此校正范围只能限制在此标准探测器的响应范围之内，不同的波段需要不同的标准探测器，波段的连续衔接也有困难，这使得在很多场合的应用都受到很大限制。量子型光电探测器仍在不断发展中，一些具有宽谱响应的器件也已出现，例如响应向可见光波段拓展的InGaAs探测器。对这样的宽谱器件进行光谱响应表征就是必须解决的问题。

发明内容

基于上述提到的问题，本发明创新性的提出了提供一种普适的对傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪测量所得光电探测器响应进行宽谱范围校正的方法，能够实现对宽波段范围内的光电探测器进行光谱响应校正。

本发明所述的校正方法具体操作步骤为：

1)通过测量热释电探测器及放大电路对选定光源和分束器组合在不同扫描速度下的响应，然后提取相关数据拟合出此探测器及放大电路的解析频率响应特性；

2)根据步骤1)得到的热释电探测器及放大电路解析频率响应特性对特定光源和分束器组合的原始输出特性进行校正，从而得到在此特定光源和分束器组合下FTIR光谱仪的实际输出特性，也即实际背景光谱；

3)根据步骤2)得到的以此校正后的光谱仪实际输出特性作为背景光谱，对测量所得的光电探测器的原始响应光谱进行参比操作，即可得到校正后的光电探测器实际响应光谱。

鉴于热释电探测器是FTIR光谱仪的标配且具有宽谱响应，因而此方法可应用于各种FTIR光谱仪，且适用于不同的光源和分束器组合覆盖宽广的光谱范围，因此是普适的且宽谱的。为适合中红外波段，FTIR光谱仪的标配热释电探测器现常为包含KBr窗口的DTGS探测器，以下就简称DTGS探测器。DTGS探测器作为一种热探测器，其本身的光谱响应是平坦的，与波长无关，而且KBr窗口在整个中红外波段以及近红外和可见光波段的透过率也是平直的，因此DTGS探测器可以认为是响应与波长无关的器件，但其响应与光信号的频率则直接相关。

为进一步说明本发明，图1示出了在不同扫描速度下采用DTGS探测器及放大电路测得的FTIR光谱仪在特定光源和分束器组合下的原始背景光谱，图中空心方块为后续拟合所选用的数据点。由图1可见，随扫描速度的提高，在各个波数下由DTGS探测器/放大器组合测得的输出都是减小的，而实际输出应是不变的，这就是由DTGS探测器及放大电路的频率响应造成的。对图1的测量结果，为覆盖较宽的频率范围，在9000cm-1以及低频端的3000cm-1以及高频端的15000cm-1这几个波数点上提取了相对响应数据用于拟合，选取这3个波数点有较好的代表性，也避开了水汽吸收带可能引起的误差。对提取的数据以9000cm-1为基础，将低频端3000cm-1及高频端15000cm-1的数据进行整体抬升后使其与9000cm-1中频范围数据趋势重合，利用傅里叶频率fF,动镜扫描速度v及波数ν之间的线性关系fF＝2vν，得到一组高低频端得到拓展的用于拟合的数据如图2所示。对此组数据采用非线性拟合即得到图2中所示的解析拟合曲线，用较简单的倒数二阶多项式拟合可有很好的效果。用图2所得的拟合函数即可对某一指定扫描速度下的仪器输出(如图1)进行校正，即做参比运算，即可得到仪器的实际输出特性也即实际背景光谱。

得到某一扫描速度下的实际背景光谱后，以此对在此同一扫描速度下测得的光电探测器原始光谱做参比运算，即得到了校正后的光电探测器实际响应光谱，如图3所示。对FTIR光谱测量而言，常规是在波数坐标下进行测量和运算，波数坐标转换成波长坐标仍按常规进行。图3中也示出了采样其他方法标定得出的探测器响应光谱即所谓标准光谱数据以资比较。

本发明的优点在于：

A.本发明的校正方法都是基于实测数据，唯一的假设条件是认为热释电探测器的响应与波长无关，这也与实际情况相符，因此可以获得良好的校正效果。

B.本发明的校正方法对同一光谱仪(包括其配置的DTGS探测器)只需进行一组测量拟合即可方便地获得所需的DTGS探测器及放大电路的频率响应特性，其后的仪器校正步骤都是基于由此特性获得的背景光谱，因而操作方便。

C.校正后的背景光谱也包含水汽吸收等干扰，因此以此进行参比可基本消除最终响应光谱中的相应干扰。

D.本发明的校正方法由于其原理对于不同的光源和分束器组合均可适用，因此是普适的，可以覆盖宽广的波长范围；

附图说明

图1为在不同扫描速度下采用DTGS探测器及其配套放大电路测得的FTIR光谱仪在卤钨灯(白光)光源和石英分束器组合下的原始背景光谱，图中空心方块为后续拟合所选用的数据点。

图2为采用从图1中所提取的数据点进行拟合得到的DTGS探测器及放大电路的频率响应特性。

图3为测量得到的Si和InGaAs探测器的原始光电流谱(细实线)以及采用本发明方法校正后的探测器实际响应光谱(粗实线)；图中圆点为此二探测器的标定数据也即用于比较的标准数据，图中数据均已进行了归一化处理。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细的说明。

实施例1：波长扩展InGaAs探测器

如图3下部所示，对于一已有标准光谱数据的波长扩展InGaAs探测器进行了原始光电流谱测试，采用本发明的校正方法进行了响应光谱校正。此器件的长波截止波长约为2.5μm，是正面进光探测器，短波端响应拓展至可见光波段，因此测量中采用了卤钨灯(白光)光源和石英分束器组合，以使光谱仪有较强的短波输出，从而覆盖从中红外短波端至可见光的宽光谱范围。在固定光圈、增益参数下首先改变扫描速度(如0.1581cm/s至1.8988cm/s共7档)测得一组原始背景光谱(如图1所示)，测量时为保证数据质量可采用较多的扫描次数(如64次)；对探测器测量而言由于一般不含有精细光谱信息，因此可用较低的分辨率(如16cm-1)以缩短测量时间；再在同一条件下以固定扫描速度(如0.4747cm/s，实际可以根据需要选定)测得此波长扩展InGaAs器件的原始光电流谱，然后从此组原始背景光谱测试数据中提取所需数据进行DTGS探测器和放大电路的频率特性拟合，得到其频率特性的解析参数。以此频率特性对0.4747cm/s扫描速度下的原始背景光谱做参比运算得到实际背景光谱，再用此实际背景光谱对波长扩展InGaAs器件的原始响应光谱做参比运算，即得到器件的实际响应光谱，最后对将波数坐标下的光谱转换成波长坐标，即得到图3下部粗线所示校正后的实际响应光谱，图中细线为测量所得原始光谱，圆点为此器件的标准光谱，可供比较。在此过程中需注意数据质量以使操作可进行及结果可靠，对高频端(及低频端)由于仪器输出过低造成的低质量数据以及光谱仪内部He-Ne激光器波长附近(如15770-15820cm-1区间)上的跳动数据可进行截断或删除。由于此光谱测试都只涉及响应的相对值，因此无需关注数据的绝对数值，乘除和归一化运算均可随时进行以方便数据处理。

实施例2：Si探测器

如图3上部所示，对于一已有标准光谱数据的一Si探测器进行了原始光电流谱测试，采用本发明的校正方法进行了响应光谱校正。此探测器的长波截止波长约为1μm的正面进光器件，短波端响应拓展至可见光波段，因此测量中仍采用卤钨灯(白光)光源和石英分束器组合，以使光谱仪有较强的短波输出。在固定光圈、增益参数下首先改变扫描速度(如0.1581cm/s至1.8988cm/s7档)测得一组原始背景光谱(如图1所示)，测量时为保证数据质量可采用较多的扫描次数(如64次)；对探测器测量而言由于一般不含有精细光谱信息，因此可用较低的分辨率(如16cm-1)以缩短测量时间；再在同一条件下以固定扫描速度(如0.4747cm/s，实际可以根据需要选定)测得此Si探测器的原始光电流谱，然后从此组原始背景光谱测试数据中提取所需数据进行DTGS探测器和放大电路的频率特性拟合，得到其频率特性的解析参数(注意到此过程与实施例1完全相同，因此对同一仪器只需进行一次这样的操作)。以此频率特性对0.4747cm/s扫描速度下的原始背景光谱做参比运算得到实际背景光谱，再用此实际背景光谱对Si探测器的原始响应光谱做参比运算，即得到探测器的实际响应光谱，最后对将波数坐标下的光谱转换成波长坐标，即得到图3上部粗线所示校正后的实际响应光谱，图中细线为测量所得原始光谱，圆点为此器件的标准光谱，可供比较。在此过程中需注意数据质量以使操作可进行及结果可靠，对高频端(及低频端)由于仪器输出过低造成的低质量数据以及光谱仪内部He-Ne激光器波长附近(如15770-15820cm-1区间)上的跳动数据可进行截断或删除。由于此光谱测试都只涉及响应的相对值，因此无需关注数据的绝对数值，乘除和归一化运算均可随时进行以方便数据处理。