光検出器に関する質問

半導体レーザーからどれだけの出力が出ているかを調べるフォトセンサーを購入することを考えているのですが、
これに関しての質問です。

・基本的に、フォトセンサーには波長依存性があり、入ってくる光の波長によってA/Wの値が異なります。
となると出力が同じ20mWで400nmのレーザーと900nmのレーザーが入ったときで、検出される出力が異なるということになります。
これは装置の中でディテクター依存のA/W値の逆数のW/Aをかけて出力を算出していると考えて良いのでしょうか？

・それと、400nmのレーザーと900nmのレーザーでは同じ出力20mWでもフォトン数が違うはずです。
具体的には900nmのレーザーのフォトン数は多いはずですが、これはフォトセンサーでは考慮されないということで良いのでしょうか？

よろしくお願い致します。

No.2 ベストアンサー 回答者： inara1 回答日時： 2008/09/30 22:38

光パワーメータでなく、フォトダイオードを使って光パワーを測定する場合は、その波長でのセンサの感度 S [A/W] の値を使って、光電流 I [A] から光パワー P [W] を求めることができます。

変換式は
　　　P = I/S
です。センサの感度 S というのは、フォトン数の違いがすでに盛り込まれた感度なので、フォトン数の違いは気にしなくていいです。

JAICA2 さんが疑問に思っているのは、センサの感度 S [A/W] と、センサ自身の絶対感度（１個のフォトンが入ってきたときに何個の電子・正孔対に変換されるかの割合）の関係だと思います。センサの絶対感度のことを量子効率といいます（量子効率 = 1 というのは１個のフォトンが入ってきたときに1個の電子・正孔対に変換されるという意味で、0 から 1 までの値をとります）。

＞同じ出力20mWでもフォトン数が違うはずです
その通りです。光パワーが P [W] の光源からは、１秒間に
　　　Np = ( P*λ )/( h*c )
個の光子が出ています。λ は光の波長 [m] 、 h はプランク定数（ = 6.62606896×10^-34 J・s）、c は真空の光速（ = 2.99792458×10^8 m/s）です。波長400nm・光出力 20mW の青紫色のレーザからは１秒間に 4.03×10^16個の光子が、波長900nm・光出力 20mW の赤外レーザからは１秒間に 9.06×10^16個の光子が出ていますので、同じ光パワーでも、波長の短い光ほど光子数は少なくなります。１秒間に Np 個の割合で入射してきたフォトンが、Ne 個の電子・正孔対に変換されるときの量子効率 η は
　　　η = Ne/Np
で表わされます。
　　　Ne = I/q
です。I はフォトダイオードの光電流 [A] 、q は電子の電荷（ = 1.602176487E-19 C）です。1A の電流というのは、１秒間に q 個の電子が流れている状態です。したがって
　　　η = Ne/Np = ( I*h*c )/( q*P*λ )
となります。センサの感度 S [A/W] と入射光パワー P [W] の関係は
　　　P = I/S
ですから
　　　η = ( h*c*S )/( q*λ )
　　　→ S = ( q*λ*η )/( h*c )
という関係が得られます。これがセンサの感度 S [A/W] と、センサの量子効率 η の関係です。同じ量子効率でも、波長が短いほどセンサの感度 S が小さくなります。η が 1 (100%) の場合、波長400nmの光に対する感度は S = 0.323 A/W、波長900nmの光に対する感度は S = 0.726 A/W となります（これが感度の上限値）。実際のセンサの感度はこれより小さいはずです。

No.1 回答者： walkingdic 回答日時： 2008/09/30 15:06

多分購入されようとしているのは光パワーメータですよね。

以下その前提で書きます。

>これは装置の中でディテクター依存のA/W値の逆数のW/Aをかけて出力を算出していると考えて良いのでしょうか？

はい。そのため測定波長を入力する機能がついているはずです。

昔のパワーメータではマニュアルで感度調整して波長を合わせるようなものもありましたけど（アンプゲインをトリマーで調節する仕組み）、さすがに今はそんなものはないと思います。

＞具体的には900nmのレーザーのフォトン数は多いはずですが、これはフォトセンサーでは考慮されないということで良いのでしょうか？

はい。フォトン数を計数する道具ではありませんので。