HSGD-1安徽實驗指導書光電檢測

1、 THSGD-1型 光電傳感器技術(shù)實驗臺實驗指導書PAGE PAGE 29天煌科技 天煌教儀目 錄 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc263660941 目 錄 PAGEREF _Toc263660941 h 1 HYPERLINK l _Toc263660942 實驗一 發(fā)光二極管特性測試實驗 PAGEREF _Toc263660942 h 2 HYPERLINK l _Toc263660943 實驗二 光敏電阻的特性測試實驗 PAGEREF _Toc263660943 h 3 HYPERLINK l _Toc263660944 實驗三 光敏二極管的特性測量 P

2、AGEREF _Toc263660944 h 5 HYPERLINK l _Toc263660945 實驗四 光敏三極管的特性測量 PAGEREF _Toc263660945 h 8 HYPERLINK l _Toc263660946 實驗五 硅光電池特性測試實驗 PAGEREF _Toc263660946 h 10 HYPERLINK l _Toc263660947 實驗六 透射式光電開關(guān) PAGEREF _Toc263660947 h 12 HYPERLINK l _Toc263660948 實驗七 反射式光電開關(guān) PAGEREF _Toc263660948 h 13 HYPERLINK

3、l _Toc263660949 實驗八 光照度傳感器測光照度實驗 PAGEREF _Toc263660949 h 14 HYPERLINK l _Toc263660950 實驗九 半導體激光器實驗 PAGEREF _Toc263660950 h 16 HYPERLINK l _Toc263660951 實驗十 光耦實驗 PAGEREF _Toc263660951 h 18 HYPERLINK l _Toc263660952 實驗十一 光電轉(zhuǎn)速實驗 PAGEREF _Toc263660952 h 19 HYPERLINK l _Toc263660953 實驗十二 光調(diào)制解調(diào) PAGEREF _T

4、oc263660953 h 21 HYPERLINK l _Toc263660954 實驗十三 熱釋電紅外傳感器檢測實驗 PAGEREF _Toc263660954 h 22 HYPERLINK l _Toc263660955 實驗十四 PSD位置測量實驗 PAGEREF _Toc263660955 h 23 HYPERLINK l _Toc263660956 實驗十五 光纖溫度傳感器系統(tǒng)實驗 PAGEREF _Toc263660956 h 24 HYPERLINK l _Toc263660957 實驗十六 光纖位移傳感器實驗 PAGEREF _Toc263660957 h 26 HYPERL

5、INK l _Toc263660958 實驗十七 光纖壓力傳感器壓力系統(tǒng)實驗 PAGEREF _Toc263660958 h 28實驗一 發(fā)光二極管特性測試實驗一、實驗?zāi)康牧私獍l(fā)光二極管的工作原理及基本特性。二、實驗儀器電流表、光電器件/光開關(guān)實驗?zāi)K、光功率/光照度計。三、實驗原理某些半導體材料（如GaAs）形成的PN結(jié)正向偏置時空穴與電子在PN結(jié)復合產(chǎn)生特定波長的光，發(fā)光的波長與半導體材料的能級間隙Eg有關(guān)。發(fā)光波長可由下式確定： (1-1)式(1-1)中h為普朗克常數(shù)，c為光速。在實際的半導體材料中能級間隙Eg有一個寬度，因此發(fā)光二極管發(fā)出光的波長不是單一的，其發(fā)光波長寬度一般在2540

6、nm左右，隨半導體材料的不同而有差別。發(fā)光二極管輸出光功率P與驅(qū)動電流I的關(guān)系由下式確定： (1-2)其中，為發(fā)光量子效率，Ep為光子能量，e為電子電荷常數(shù)。從上式可見，輸出光功率與驅(qū)動電流呈線性關(guān)系，當電流較大時由于PN結(jié)不能及時散熱，發(fā)光效率降低，LED輸出光功率趨向飽和。本實驗用一個驅(qū)動電流可調(diào)的白色超高亮度發(fā)光二極管作為光源，驅(qū)動電流的調(diào)節(jié)范圍為020毫安。四、實驗內(nèi)容與步驟.如圖1-1接線，將直流電流表和發(fā)光二極管串聯(lián)接入LED“光源驅(qū)動”恒流源中，用專用連線連接硅光電池至光照度計。圖1-1 發(fā)光二極管特性測試實驗接線圖.光照度計選擇“2000Lx”檔（注意要調(diào)零），直流電流表選擇“

7、20mA”檔。.將“電流調(diào)節(jié)”電位器逆時針旋到底，打開電源開關(guān)，順時針旋轉(zhuǎn)“電流調(diào)節(jié)”電位器，將電流表和光照度計的讀數(shù)記入表1-1。表1-1 發(fā)光二極管發(fā)光特性電流(mA)24681012141618光照度(Lx)五、實驗報告1.根據(jù)表1-1的實驗數(shù)據(jù)作出發(fā)光二極管的電流光照關(guān)系曲線。2.總結(jié)說明發(fā)光二極管的發(fā)光特性。實驗二 光敏電阻的特性測試實驗一、實驗?zāi)康?了解光敏電阻的工作原理。2測量光敏電阻的光照特性。二、實驗儀器恒流源、直流電流表、萬用表、光電器件/光開關(guān)實驗?zāi)K。三、實驗原理光敏電阻的工作原理是光電導效應(yīng)。在無光照時，光敏電阻具有很高的阻值，在有光照時，當光子的能量大于材料的禁帶寬

8、度，價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導帶，激發(fā)出電子-空穴對，使電阻降低。入射光越強，激發(fā)出的電子-空穴對越多，電阻值越低；光照停止后，自由電子與空穴復合，導電性能下降，電阻恢復原值。光敏電阻通常是用半導體材料CdS（硫化鎘）或CdSe（硒化鎘）等制成。圖2-1為光敏電阻的原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖2-1 光敏電阻原理結(jié)構(gòu)圖它是由涂于玻璃底板上的一薄層半導體物質(zhì)構(gòu)成，半導體上裝有梳狀電極。由于存在非線性，因此光敏電阻一般用在控制電路中，不適用作測量元件。發(fā)光二極管輸出光功率P與驅(qū)動電流I的關(guān)系由下式確定：，其中，為發(fā)光效率，為光子能量，為電子電荷常數(shù)。由上式可知，輸出光功率與驅(qū)動電流呈線性關(guān)系，因此本

9、實驗用驅(qū)動電流可調(diào)的發(fā)光二極管作為實驗光源，來測量光敏電阻的光照特性。四、實驗內(nèi)容與步驟1光敏電阻置于光電傳感器模塊上的暗盒內(nèi)，其兩個引腳引出到面板上。暗盒的另一端裝有發(fā)光二極管，通過驅(qū)動電流控制入射光強大小，如圖2-2所示。圖2-2 光敏電阻特性測量電路2連接實驗臺恒流源輸出到光電器件/光開關(guān)實驗?zāi)K驅(qū)動發(fā)光二極管，用實驗臺上的直流電流表測量LED驅(qū)動電流，用萬用表的歐姆檔測量光敏電阻阻值Rg，并將數(shù)據(jù)記錄在表2-1中。表2-1 光敏電阻與輸入光強關(guān)系特性測量電流(mA)Rg()五、實驗報告1.簡述光敏電阻的工作原理。2.根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，作Rg-I曲線，并作簡單的分析。實驗三 光敏二極管的特性

10、測量一、實驗?zāi)康?了解光敏二極管的工作原理。2測量光敏二極管的光照特性、伏安特性。二、實驗儀器恒流源、直流電流表、直流穩(wěn)壓電源、直流電壓表、光功率/光照度計、光電器件/光開關(guān)實驗?zāi)K。三、實驗原理1工作原理光敏二極管是一種PN結(jié)半導體元件，它以高電阻系數(shù)P型硅（或鍺）為基本材料制作基片，然后在基片上用擴散磷的方法形成N型光敏面，構(gòu)成一個PN結(jié)，當具有比禁帶能量大的光照射到PN結(jié)上時，半導體內(nèi)電子受到激發(fā)，就產(chǎn)生出電子-空穴對。由于電場的作用，在耗盡層中產(chǎn)生的電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，并且擴散長度以內(nèi)的電子、空穴也從PN結(jié)擴散到耗盡層，然后又在電場作用下，各自漂向N區(qū)和P區(qū)，如圖3-1所示

11、。結(jié)果就在P型層和N型層中產(chǎn)生了電荷積累，從而產(chǎn)生了電勢，這就是光電效應(yīng)。圖3-1 受光照的光敏二極管這種電荷積累降低了PN結(jié)勢壘，所以電子和空穴又會反方向移動，直到電壓下降到某一值時就達到了平衡，這個電壓值稱為開路電壓。將PN結(jié)兩端的電極短路時所產(chǎn)生的電流稱為短路電流，如圖3-2所示。圖3-2 光敏二極管的伏安特性2伏安特性光敏二極管在不同照度下的伏安特性曲線如圖3-3所示。從圖中可以看出：(1)當入射光強度增加時，通過光敏二極管的電流隨之增加。這是由于入射光越強，激發(fā)的電子-空穴對越多。(2)在零偏壓時，仍有光電流輸出。這是由于光電二極管存在光生伏特效應(yīng)。(3)在一定光強下，光電流隨著電壓

12、的增大而增大，但很快飽和。這是由于在一定光強下，被激發(fā)的電子-空穴對濃度是一定的。圖3-3 光敏二極管的伏安特性曲線光敏二極管在無光照條件下，若給PN結(jié)一個恰當?shù)姆聪螂妷?，則反向加強了內(nèi)建電場，使PN 結(jié)空間電荷區(qū)拉寬，勢壘增大，流過PN結(jié)的電流(暗電流)很小，它是由少數(shù)載流子的漂移運動形成的。當入射光子在本征半導體的p-n 結(jié)及其附近產(chǎn)生電子空穴對時，光生載流子受勢壘區(qū)電場作用，電子漂移到n 區(qū)，空穴漂移到p 區(qū)。當在PN結(jié)兩端加負載時就有一光生電流流過負載。其伏安特性是： (3-1)式(3-1)中I為流過光敏二極管的總電流,為反向飽和電流，V為PN結(jié)兩端電壓，T為工作絕對溫度，為產(chǎn)生的光電

13、流。四、實驗內(nèi)容與步驟1光照特性測量如圖3-4接線。注意：光敏二極管為反偏狀態(tài)；電流表選擇20uA檔，測量前要調(diào)零，電壓源首先調(diào)為3V。（1）暗電流測量：打開電源，將恒流源的調(diào)節(jié)旋鈕逆時針調(diào)到底，讀取電流表的讀數(shù)，即為光敏二極管的暗電流。暗電流基本為0uA，一般光敏二極管的暗電流小于0.1uA，暗電流越小，光敏二極管性能越好。圖3-4 光敏二極管光電流測量電路(2)光電流測試：在圖3-4接線的基礎(chǔ)上，用專用連線連接硅光電池至光照度計（參考圖1-1），選擇合適的檔位，并注意要調(diào)零。調(diào)節(jié)恒流源旋鈕來增大LED光源的驅(qū)動電流，記錄下光照度及光敏二極管的光電流，并將數(shù)據(jù)記錄在表3-1中。表3-1 光敏

14、二極管的光電流和入射光的強度關(guān)系測量光照度（Lx）光電流（uA）2伏安特性測量 在一定的光照強度下，光電流隨外加電壓的變化而變化。測量時，調(diào)節(jié)恒流源使光照強度為某一恒定值，調(diào)節(jié)電壓源（28V），測量流過光敏二極管的電流，并將數(shù)據(jù)記錄在表3-2中。表3-2 光敏二極管的光電流和偏置電壓的關(guān)系測量光電流uA光照度（Lx）偏壓V五、實驗報告根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，作光敏二極管光電流與入射光強的關(guān)系曲線。實驗四 光敏三極管的特性測量一、實驗?zāi)康?了解光敏三極管的工作原理。2測量光敏三極管的光照特性、伏安特性。二、實驗儀器恒流源、直流電流表、直流穩(wěn)壓電源、直流電壓表、光功率/光照度計、光電器件/光開關(guān)實驗?zāi)K。

15、三、實驗原理光敏三極管是具有NPN或PNP結(jié)構(gòu)的晶體管，是能夠靠光的照射量控制電流的一種光電效應(yīng)器件。當具有的光子能量（E=hv為普朗克常數(shù)，v為光頻率）大于禁帶能量（取決于材料）的光，照射到半導體PN結(jié)上時，價帶電子就與入射光成正比地被激發(fā)到導帶上，并在價帶中留下空穴，生成電子-空穴對。這個電子-空穴對中電子向N區(qū)、空穴向P區(qū)擴散。當入射光照射到反向偏置的集電結(jié)上時，就產(chǎn)生了基極電流，再被放大倍（共發(fā)射極電流放大系數(shù)），成為光電流輸出。光敏三極管的結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。一般光敏三極管只引出E、C兩個電極，體積小，光電特性是非線性的，廣泛應(yīng)用于光電自動控制，作光電開關(guān)應(yīng)用。圖4-1 光敏三極管的

16、結(jié)構(gòu)圖四、實驗內(nèi)容與步驟1光照特性測量按圖4-2接線，在圖4-2接線的基礎(chǔ)上，用專用連線連接硅光電池至光照度計（參考圖1-1），選擇合適的檔位，并注意要調(diào)零。將可調(diào)電壓源調(diào)至某一值（如3V），再調(diào)節(jié)恒流源，即調(diào)節(jié)LED的驅(qū)動電流，記錄不同驅(qū)動電流時光敏三極管的電流，并將數(shù)據(jù)記錄在表4-1中。圖4-2 光敏三極管特性的測量電路表4-1 光敏三極管的光電流和入射光強的關(guān)系測量光照度（Lx）光電流（uA）2伏安特性的測量緩慢調(diào)節(jié)恒流源的電流調(diào)節(jié)旋鈕至某一值使光照度為一定值。再調(diào)節(jié)可調(diào)電壓源，記錄光敏三極管的電壓和電流。表4-2 光敏三極管的伏安關(guān)系測量電壓(V)光電流(uA)五、實驗報告根據(jù)記錄的數(shù)

17、據(jù)，作出光敏三極管的伏安特性曲線和光照特性曲線。實驗五 硅光電池特性測試實驗一、實驗?zāi)康?了解硅光電池的原理。2測量硅光電池的光照特性。二、實驗儀器恒流源、直流電壓表、直流電流表、光電器件/光開關(guān)實驗?zāi)K。三、實驗原理硅光電池主要是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)，即當物質(zhì)在一定頻率的光照射下，釋放出光電子的現(xiàn)象。當光照射半導體材料的表面時，會被這些材料內(nèi)的電子所吸收，如果光子的能量足夠大，吸收光子后的電子可掙脫原子的束縛而溢出材料表面，這種電子稱為光電子，這種現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射，又稱為外光電效應(yīng)。當外加偏置電壓與結(jié)內(nèi)電場方向一致，PN結(jié)及其附近被光照射時，就會產(chǎn)生載流子（即電子-空穴對）。結(jié)區(qū)內(nèi)的電子-空

18、穴對在勢壘區(qū)電場的作用下，電子被拉向N區(qū)，空穴被拉向P區(qū)而形成光電流。當入射光強度變化時，光生載流子的濃度及通過外回路的光電流也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。這種變化在入射光強度很大的動態(tài)范圍內(nèi)仍能保持線性關(guān)系。常用的硅光電池結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。圖5-1 硅光電池結(jié)構(gòu)圖四、實驗內(nèi)容與步驟在光光電器件/光開關(guān)實驗?zāi)K上，如圖5-2所示接線。圖5-2 硅光電池特性測量電路1.開路電壓測量打開實驗臺電源，接上電壓表，選擇合適的檔位，順時針旋轉(zhuǎn)恒流源調(diào)節(jié)旋鈕，記錄下硅光電池的開路電壓2.取下電壓表連線接上電流表，選擇合適的檔位記錄完以后再記錄硅光電池短路電流。將數(shù)據(jù)填入表5-1。表5-1 硅光電池光照特性測量光

19、源驅(qū)動電流(mA)開路電壓（V）短路電流（uA）五、實驗報告1簡述硅光電池的工作原理。2根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，作驅(qū)動電流-開路電壓、驅(qū)動電流-短路電流曲線，并對所得的曲線作出分析。實驗六 透射式光電開關(guān)一、實驗?zāi)康?了解透射式光電開關(guān)組成原理及應(yīng)用。2了解光電開關(guān)在工業(yè)、光控制等方面的應(yīng)用。二、實驗儀器直流穩(wěn)壓電源、直流電壓表、光電器件模塊/光電開關(guān)實驗?zāi)K。三、實驗原理光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收，并進行光電轉(zhuǎn)換，同時加以某種形式的放大和控制，從而最終控制輸出的“開”“關(guān)”信號的器件。用光電開光檢測物體時，大部分只要求其輸出信號有“高”“低”之分即可。對射式光電開關(guān)大部分都做成

20、開槽式，把一個光發(fā)射器(紅外發(fā)光二極管)和一個光接收器(光敏晶體管)，分別裝在槽的兩側(cè)，如圖6-1所示。圖6-1 對射式光電開關(guān)示意圖發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻擋情況下光接收器能接收到光。但有被檢測的物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關(guān)便動作，輸出一個開關(guān)控制信號，控制負載產(chǎn)生人們要想達到的作用。四、實驗內(nèi)容與步驟1將實驗臺上的+5V，GND分別接到實驗?zāi)K的透射光開關(guān)部分，將U01 和GND接到直流電壓表。2記下電壓表的示數(shù)，然后用遮擋物擋住發(fā)射管發(fā)出的紅外光，如圖6-1，注意觀察此時電壓的變化。3重復步驟2的實驗多次，總結(jié)出電壓變化的規(guī)律。五、實驗報告1查資料了解光電開關(guān)在工業(yè)、光

21、控制等方面的應(yīng)用。2想一想能否利用透射式光電開關(guān)的功能，組建計數(shù)、計時等系統(tǒng)。實驗七 反射式光電開關(guān)一、實驗?zāi)康?了解反射式光電開關(guān)的工作原理。2了解光電開關(guān)在工業(yè)、光控制等方面的應(yīng)用。二、實驗儀器直流穩(wěn)壓電源、直流電壓表、光電器件模塊/光電開關(guān)實驗?zāi)K三、實驗原理光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收，并進行光電轉(zhuǎn)換，同時加以某種形式的放大和控制，從而最終控制輸出的“開”“關(guān)”信號的器件。用光電開光檢測物體時，大部分只要求其輸出信號有“高”“低”之分即可。反射光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，如圖7-1。圖7-1 反射式光電開關(guān)當有被檢測物體經(jīng)過時，將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射

22、的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當被檢測物體的表面光亮或其反光率較高時，直接反射式的光電開關(guān)是首選的檢測模式。四、實驗內(nèi)容與步驟1將實驗臺上的+5V，GND分別接到實驗?zāi)K的反射光開關(guān)部分，將U01和GND接到直流電壓表。2記下電壓表的示數(shù)，然后用反射面（如鏡片、硬幣等）將光反射，如圖7-1，調(diào)節(jié)反射面與光電開關(guān)間的距離，注意觀察電壓的變化。3重復步驟2的實驗多次，總結(jié)出電壓變化的規(guī)律。五、實驗報告1查資料了解光電開關(guān)在工業(yè)、光控制等方面的應(yīng)用。2想一想能否利用反射式光電開關(guān)的功能，組建計數(shù)、計時系統(tǒng)等。實驗八 光照度傳感器測光照度實驗一、實驗?zāi)康?了解光電測量系統(tǒng)的

23、組成。2學習光照度測量的原理和方法。二、實驗儀器光照度計、光照度探測器、光照度計連接線、臺燈（安裝鹵素燈）三、實驗原理1光照度(Ev)是光度學中的一個基本物理量，和輻射度學中的輻射照度(Ee)物理量相對應(yīng)。光照度：接收面上單位面積所接收的輻射通量。光照度的單位是勒克斯（lx），它相當于1lm的光通量均勻地照射在1m2面積上所產(chǎn)生的光照度。2光電測量系統(tǒng)光是人們最熟悉的物質(zhì)。廣義上講，指的是光輻射，按波長可以分為X射線、紫外輻射、可見光和紅外輻射。而從狹義上講，人們所說的“光”指的就是可見光，即對人眼能產(chǎn)生目視刺激而形成“光亮”感的電磁輻射?？梢姽獾牟ㄩL范圍是380780nm。光電測量系統(tǒng)的典型

24、配置如圖8-1所示，包括輻射源（或光源）、信息載體、光電探測器和信號處理裝置。圖8-1 光電測量系統(tǒng)3光電探測器光電探測器包括真空光電器件和固體光電器件。本實驗裝置主要研究固體光電器件。固體光電器件又分為半導體光電導器件和半導體結(jié)型光電器件，本實驗中探測器用半導體結(jié)型光電器件PN23CV。（1）半導體光電導器件半導體光電導器件是利用半導體材料的光電導效應(yīng)制成的光電探測器件。光電導效應(yīng)是表示半導體材料（或器件）受到光照時，由于對光子的吸收引起載流子濃度的增大，因而導致材料（或器件）電導率增大。光電導效應(yīng)屬于內(nèi)光電效應(yīng)，最典型的光電導器件是光敏電阻。（2）半導體結(jié)型光電器件半導體結(jié)型光電器件是利用

25、光生伏特效應(yīng)來工作的光電探測器件。光生伏特效應(yīng)是一種內(nèi)光電效應(yīng)，當光子激發(fā)時能產(chǎn)生一個光生電動勢，當兩端短接時能得到短路電流。這種效應(yīng)是基于兩種材料相接觸形成內(nèi)建勢壘，光子激發(fā)的光生載流子被內(nèi)建電場掃向勢壘兩邊，從而形成了光生電動勢。結(jié)型光電器件按結(jié)的種類不同，可分為PN結(jié)型、PIN結(jié)型和肖特基結(jié)型等，屬于這一類的光電器件很多，有光電池、光電二極管、光電三極管等。四、實驗內(nèi)容與步驟注意：在此實驗過程中光照度探測器的四位編號應(yīng)當與位于實驗臺右邊的雙聯(lián)插座上邊貼的條形碼的后四位編號一致。1.測量環(huán)境光光照度（1）打開實驗裝置總電源，電源指示燈亮。（2）如圖8-2接線。用光照度計連接線將光照度計探測

26、器接至光照度計輸入，將其調(diào)零。調(diào)零方法為：選擇合適的檔位，用手捂住光照度探測器，使其幾乎沒有光照，調(diào)節(jié)光照度計調(diào)零旋鈕，使數(shù)顯框為零。（3）調(diào)整光照度計探測器角度，使探頭有效地接收實驗室內(nèi)光線輻射。（4）改變光照度計探測器角度，觀察觀察光照度變化（注意：要及時換擋，光照度超過量程時顯示為1）。2.測量臺燈光照度（1）打開實驗裝置總電源，電源指示燈亮。（2）如圖8-2接線。用光照度計連接線將光照度計探測器接至光照度計輸入，將其調(diào)零。調(diào)零方法為：選擇合適的檔位，用手捂住光照度探測器，使其幾乎沒有光照，調(diào)節(jié)光照度計調(diào)零旋鈕，使數(shù)顯框為零。（3）打開臺燈電源，調(diào)整光照度計探測器角度，使探頭有效地接收臺

27、燈發(fā)出的光線。（4）改變臺燈離光照度探測器的的距離，觀察光照度變化（注意：要及時換擋，光照度超過量程時顯示為1）。圖8-2 環(huán)境光/臺燈光照度測量接線圖五、實驗報告1闡明光照度測量的原理和方法。2整理實驗結(jié)果，寫出心得體會。實驗九 半導體激光器實驗一、實驗?zāi)康?了解半導體激光器的工作原理及基本特性。2學習激光光功率測量的原理和方法。二、實驗儀器半導體激光器、光功率計探測器、光功率/光照度計、電源適配器。三、實驗原理激光器一般是由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源組成，如圖9-1。常用的泵浦源是輻射源或電源，利用泵浦源能量將工作物質(zhì)中的粒子從低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，使處于高能態(tài)的粒子數(shù)大于處于低能態(tài)的粒子數(shù)，

28、構(gòu)成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布，這是產(chǎn)生激光的必要條件。處于這一狀態(tài)的原子或分子稱為受激原子或分子。當高能態(tài)粒子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)而產(chǎn)生輻射后，它通過受激原子時會感應(yīng)出同相位同頻率的輻射。這些輻射波沿由兩平面構(gòu)成的諧振腔來回傳播時，沿軸線的來回反射次數(shù)最多，它會激發(fā)出更多的輻射，從而使輻射能量放大。這樣，受激和經(jīng)過放大的輻射通過部分透射的平面鏡輸出到腔外，產(chǎn)生激光。圖9-1 激光器工作原理圖 圖9-2 GaAs半導體激光器結(jié)構(gòu)圖1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作物質(zhì)是半導體材料。它的原理與發(fā)光二極管沒有太多差異，P-N結(jié)就是激活介質(zhì)，如砷化鎵同質(zhì)結(jié)二極管激光器的結(jié)構(gòu)，兩個與結(jié)平面垂直的晶體解理

29、面構(gòu)成了諧振腔，如圖9-2。P-N結(jié)通常用擴散法或液相外延法制成。當P-N結(jié)正向注入電流時，則可激發(fā)激光。半導體激光器光輸出-電流特性如圖9-3所示，其中受激發(fā)射曲線與電流軸的交點就是該激光器的閾值電流，它表示半導體激光器產(chǎn)生激光輸出所需的最小注入電流。閾值電流還會隨溫度的升高而增大。閾值電流密度是衡量半導體激光器性能的重要參數(shù)之一，其數(shù)值與材料、工藝、結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)。圖9-3 半導體激光器輸出-電流特性根據(jù)材料與結(jié)構(gòu)的不同，目前半導體激光器的發(fā)射光波長為0.33um44um。半導體激光器體積小、重量輕、效率高，壽命超過一萬小時，因此廣泛應(yīng)用于光通信、光學測量、自動控制等方面，是最有前途的

30、輻射源之一。2半導體激光器的特性 （1）單色性普通光源發(fā)射的光，即使是單色光也有一定的波長范圍。這個波長范圍即譜線寬度，譜線寬度越窄，單色性越好。（2）方向性普通光源的光是均勻射向四面八方，因此照射的距離和效果都很有限，即使是定向性比較好的探照燈，它的照射距離也只有幾十公里。半導體激光器的方向性一般用光束的發(fā)射角表示，一般為510。（3）亮度半導體激光器由于發(fā)光面小，發(fā)散角小，因此可獲得高的光譜輻亮度。用半導體激光器代替其它光源可解決由于弱光照明帶來的低信噪比問題，也為非線性光學創(chuàng)造了前提。（4）相干性由于半導體激光器的發(fā)光過程是受激輻射，單色性好，發(fā)射角小，因此有很好的空間和時間相干性。半導

31、體激光器的出現(xiàn)使相干計量和全息術(shù)獲得了革命性變化。四、實驗內(nèi)容與步驟注意：在此實驗過程中光功率探測器的四位編號應(yīng)當與位于實驗臺右邊的雙聯(lián)插座上邊貼的條形碼的后四位編號一致。半導體激光器特性測試實驗中激光光功率測量原理圖，如圖9-4。圖9-4 激光光功率測量原理圖實驗步驟如下：1打開實驗裝置總電源，電源指示燈亮，將光功率計探測器接至光功率計輸入，將其調(diào)零。調(diào)零方法為：選擇合適的檔位，用手捂住光功率探測器，使其幾乎沒有光照，調(diào)節(jié)光功率計調(diào)零旋鈕，使數(shù)顯框為零。 2將電源適配器從實驗裝置側(cè)面接上AC220V電源，插頭接至半導體激光器探測器，半導體激光器亮。3調(diào)節(jié)半導體激光器方向和光功率計高度，使半導

32、體激光器發(fā)射出的光照射到光功率計探測器的中央部分。4光功率計選擇合適量程（一般選擇2mw或20mw檔），測量不同距離時的激光光功率。五、實驗注意事項1光功率計探頭采用精密光電傳感器，注意保護。六、實驗報告1闡明激光光功率測量的原理和方法。2整理實驗結(jié)果，寫出心得體會。實驗十 光耦實驗一實驗?zāi)康?.、了解和掌握光耦基本知識及工作原理二、實驗儀器恒流源、直流電流表、電壓表、恒壓源、萬用表、光電器件/光開關(guān)實驗?zāi)K。三、實驗原理光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦，如圖10-1。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它

33、在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。光耦合器的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高?，F(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級間耦合、驅(qū)動電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放

34、大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機接口中。圖10-1 光耦示意圖四、實驗內(nèi)容與步驟1.將光電器件/光開關(guān)實驗?zāi)K中的發(fā)光二極管接到恒流源中，萬用表電阻檔接光敏電阻兩端，通過改變恒流源電流大小，來改變發(fā)光二極管光照度使光敏電阻阻值在2k左右，如圖2-2。2.不要改變恒流源的大小，然后將光耦的輸入和發(fā)光二極管串聯(lián)在恒流源上，如圖10-2接線。Uo和GND接電壓表20V檔，記錄輸出的電壓。圖10-2 光耦實驗連線圖3.圖10-2中不要接恒流源，Uo和GND接電壓表20V檔，記錄輸出的電壓。五、實驗報告1.簡述光耦的原理，了解光耦的應(yīng)用。2.對光耦實驗連線圖的原理做簡單的分析。實驗十一

35、 光電轉(zhuǎn)速實驗一、實驗?zāi)康?了解對射式光電開關(guān)、反射式光電開關(guān)測速的原理。2熟悉對射式光電開關(guān)、反射式光電開關(guān)測速的方法。二、實驗儀器直流穩(wěn)壓電源、頻率/轉(zhuǎn)速表、光電開關(guān)實驗?zāi)K三、實驗原理1對射式光電開關(guān)測速傳感器端有發(fā)光管和接收管，發(fā)光管發(fā)出的光源通過轉(zhuǎn)盤上的孔透射到接收管上，并轉(zhuǎn)換成電信號，由于轉(zhuǎn)盤上有等間距的6個透射孔，轉(zhuǎn)動時將獲得與轉(zhuǎn)速及透射孔數(shù)有關(guān)的脈沖，將電脈計數(shù)處理即可得到轉(zhuǎn)速值。2反射式光電開關(guān)測速傳感器端有發(fā)光管和接收管，發(fā)光管發(fā)出的光被轉(zhuǎn)盤上的圓形金屬片反射至接收管，并轉(zhuǎn)換成電信號，由于轉(zhuǎn)盤上有等間距的6個金屬片，轉(zhuǎn)動時將獲得與轉(zhuǎn)速及金屬片個數(shù)有關(guān)的脈沖，將電脈計數(shù)處理即

36、可得到轉(zhuǎn)速值。四、實驗內(nèi)容與步驟1對射式光電開關(guān)測速光電傳感器已安裝在轉(zhuǎn)動源上，如圖11-1所示。實驗臺上的+5V電源接到光電轉(zhuǎn)速傳感器檢測裝置，光電輸出接到頻率/轉(zhuǎn)速表的“f/n”輸入端。圖11-1對射式光電測速安裝示意圖打開實驗臺電源開關(guān)，用不同的電源驅(qū)動轉(zhuǎn)動源轉(zhuǎn)動，記錄不同驅(qū)動電壓對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，填入表11-1。 表11-1 電機驅(qū)動電壓-轉(zhuǎn)速關(guān)系測量驅(qū)動電壓(V)4V6V8V10V12V16V20V24V轉(zhuǎn)速(rpm)2反射式光電開關(guān)測速光電傳感器已安裝在轉(zhuǎn)動源上，如圖11-2所示。實驗臺上+5V電源接到光電轉(zhuǎn)速傳感器檢測裝置，光電輸出接到頻率/轉(zhuǎn)速表的“f/n”輸入端。打開實驗臺電源開關(guān)

37、，用不同的電源驅(qū)動轉(zhuǎn)動源轉(zhuǎn)動，記錄不同驅(qū)動電壓對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，填入表11-2。表11-2 電機驅(qū)動電壓-轉(zhuǎn)速關(guān)系測量驅(qū)動電壓(V)4V6V8V10V12V16V20V24V轉(zhuǎn)速(rpm)圖11-2反射式光電測轉(zhuǎn)速安裝示意圖五、實驗報告根據(jù)測得的驅(qū)動電壓和轉(zhuǎn)速關(guān)系數(shù)據(jù)，分別作V-n曲線，比較兩種曲線。實驗十二 光調(diào)制解調(diào)一、實驗?zāi)康?了解光調(diào)制解調(diào)的原理。2掌握脈沖信號、聲音信號的調(diào)制解調(diào)方法。二、實驗儀器直流穩(wěn)壓電源、正弦函數(shù)信號發(fā)生器、光電調(diào)制解調(diào)實驗?zāi)K、光電器件/光開關(guān)實驗?zāi)K。三、實驗原理光束是一種電磁波，具有振幅、相位、強度和偏振等參量和良好的相干性。如果能夠應(yīng)用某種物理方法改變光波的這

38、些參量之一，使其按照調(diào)制信號（如數(shù)字信號、聲音信號）的規(guī)律變化，那么該光束就受到了調(diào)制，達到“運載”信息的目的。實現(xiàn)光束調(diào)制的原理有振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制、強度調(diào)制、脈沖調(diào)制、脈沖編碼調(diào)制。從方法來說，即有電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制、直接調(diào)制等。本實驗用的是脈沖調(diào)制和音頻調(diào)制。四、實驗內(nèi)容與步驟光電調(diào)制解調(diào)實驗?zāi)K面板，如圖12-1所示。圖12-1 光電調(diào)制解調(diào)實驗?zāi)K面板圖1脈沖調(diào)制將光電調(diào)制解調(diào)實驗?zāi)K中脈沖輸出和信號輸入用導線相連，發(fā)射LD、接收Rm分別與光電器件/光開關(guān)實驗?zāi)K上的發(fā)光二極管和光敏電阻相連，從實驗臺引入各直流電源。打開電源，脈沖輸出LED燈亮。按動按鈕觸發(fā)脈沖，

39、脈沖輸出LED燈閃，接收端揚聲器發(fā)聲。調(diào)節(jié)電位器RW1、RW2觀察揚聲器發(fā)聲的變化情況。2音頻調(diào)制將光電調(diào)制解調(diào)實驗?zāi)K中信號輸入與實驗臺上的正弦函數(shù)信號發(fā)生器相連，模擬聲音信號，發(fā)射LD、接收Rm分別與光電器件/光開關(guān)實驗?zāi)K上的發(fā)光二極管和光敏電阻相連，從實驗臺引入各直流電源。打開電源，調(diào)節(jié)正弦函數(shù)信號發(fā)生器的信號頻率和幅度，接收端揚聲器會發(fā)出不同頻率、不同大小的聲音。調(diào)節(jié)電位器RW1、RW2觀察揚聲器發(fā)聲的變化情況。五、實驗報告描述脈沖電光調(diào)制和聲光調(diào)制解調(diào)現(xiàn)象并分析。實驗十三 熱釋電紅外傳感器檢測實驗一、實驗?zāi)康?了解熱釋電式紅外傳感器的基本原理。2理解熱釋電式紅外傳感器的應(yīng)用電路。二

40、、實驗儀器直流穩(wěn)壓電源、紅外傳感器實驗?zāi)K三、實驗原理當已極化的熱電晶體薄片受到輻射熱時，薄片溫度升高，極化強度下降，表面電荷減少，相當于“釋放”一部分電荷，故名熱釋電。釋放的電荷通過一系列的放大，轉(zhuǎn)化成輸出電壓。如果繼續(xù)照射，晶體薄片的溫度升高到(居里溫度)時，自發(fā)極化突然消失。不再釋放電荷，輸出信號為零,見圖13-1。圖13-1 熱釋電效應(yīng)因此，熱釋電傳感器只能探測交流的斬波式的輻射（紅外光輻射要有變化量）。當面積為A的熱釋電晶體受到調(diào)制加熱，而使其溫度T發(fā)生微小變化時，就有熱釋電電流i。其中A為面積，P為熱電體材料熱釋電系數(shù)，是溫度的變化率。特點：當入射輻射為恒定輻射時，熱釋電傳感器不響

41、應(yīng)，只能脈沖輻射工作。四、實驗內(nèi)容與步驟1將紅外線傳感器實驗?zāi)K中比較器輸出和報警電路輸入相連，接上5V、GND；2打開實驗臺電源，手在紅外熱釋電傳感器附近晃動時，傳感器有微弱的電壓變化信號輸出，經(jīng)電壓放大后，可以檢測出較大的電壓變化，再經(jīng)電壓比較器控制報警電路，指示燈點亮，蜂鳴器響。觀察這個現(xiàn)象過程。五、實驗報告1介紹熱釋電紅外傳感器的原理。2分析信號放大電路、比較器電路、報警電路。實驗十四 PSD位置測量實驗一、實驗?zāi)康?了解PSD位置傳感器的基本原理和特性。二、實驗儀器 PSD傳感器模塊,15V直流穩(wěn)壓電源三、實驗原理PSD（Position Sensitive Detector）傳感器

42、是一種能檢測起表面光點位置的位置傳感器。由一個具有均勻表面阻抗的PIN光電二極管構(gòu)成，其剖面結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖14-1 PSD位置傳感器原理結(jié)構(gòu)圖由圖可看出，PSD位置傳感器分三層：P層、I層和N層。當有如射光照射到P層表面，在入射點產(chǎn)生與光的入射強度成正比的光電流。因為P層的阻抗系數(shù)一定，輸出光電流的大小與入射點和輸出電極之間的距離成反比。光電流i1與i2之間有如下關(guān)系：其中，Xa為入射點到起始點的距離，Xb為入射點到PSD中心點的距離。四、實驗內(nèi)容與步驟1將點光源驅(qū)動輸出接PSD位移傳感器上的點光源，調(diào)節(jié)電位器Rw1使電光源驅(qū)動最大，接入15V直流穩(wěn)壓電源。2打開實驗臺電源，調(diào)節(jié)測微頭，

43、使減法器的輸出為零，調(diào)節(jié)電位器Rw3，使PSD位移傳感器的輸出Uo為零。3逆時針旋轉(zhuǎn)螺旋測微頭，每隔0.25mm記錄一次PSD位移傳感器模塊的輸出Uo，直到Uo輸出無明顯變化。順時針旋轉(zhuǎn)螺旋測微頭，每隔0.25mm記錄一次PSD位移傳感器模塊的輸出Uo，直到Uo輸出無明顯變化。表14-1 PSD位置測量實驗記錄表S(mm) Uo（V）五、實驗報告根據(jù)實驗測得的數(shù)據(jù)，計算PSD位置傳感器測量位移的非線性誤差。六、注意事項PSD傳感器的有效量程8mm，超過量程測量的數(shù)據(jù)是沒有意義的實驗十五 光纖溫度傳感器系統(tǒng)實驗一、實驗?zāi)康?.了解光纖溫度傳感器的基本原理和特性。2.理解半導體的光透射率特性。3.

44、了解用Pt100測溫度。二、實驗儀器光纖溫度傳感器實驗?zāi)K、15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表、萬用表三、實驗原理1、測溫原理光纖溫度傳感器是目前僅次于加速度、壓力傳感器而被廣泛使用的光纖傳感器。根據(jù)它的工作原理可以分為相位調(diào)制型、光強調(diào)制型和偏振光型等。我們介紹一種光強調(diào)制型的半導體光吸收型光纖傳感器。當一定波長的光通過半導體材料時，主要引起的吸收是本征吸收，即電子從價帶激發(fā)到導帶引起的吸收。對直接躍遷型材料，能夠引起這種吸收的光子能量hv必須大于或等于材料的禁帶寬度Eg。式中，h為普朗克常數(shù)，v是頻率。從式中可看出，本征吸收光譜在低頻方向必然存在一個頻率界限，當頻率低于時不可能產(chǎn)生本征吸收。一定的

45、頻率對應(yīng)一個特定的波長，g=c，稱為本征吸收波長。根據(jù)固體物理理論，直接躍遷型半導體材料GaAs的吸收波長是隨著溫度的變化而變化的。圖15-1所示是GaAs的透射率隨溫度變化的示意圖。當溫度升高時，本征吸收波長變大，透射率曲線向長波長方向移動，但形狀不變；反之，當溫度降低時，本征吸收波長變小，透射率曲線保持形狀不變而向短波長方向移動。當光源的光譜輻射強度不變時，GaAs總透射率就隨其溫度發(fā)生變化，溫度越高，總透射率越低。通過測量透過GaAs的光的強弱即可達到測溫的目的。通過研磨拋光將GaAs加工成很薄的薄片，其入射光和出射光用光纖耦合，這就是半導體吸收式光纖溫度傳感器的基本原理。1光源光譜光分

46、布2吸收邊沿透射率f(,T)圖15-1 GaAs的透射率隨溫度變化的示意圖2、光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖15-2為光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。傳感器有有半導體光吸收器GaAs、光纖、加熱絲、Pt100、發(fā)射端、接收端和信號處理系統(tǒng)等組成的。在實驗時我們用加熱絲對加熱塊進行加熱，加熱到一定溫度時停止加熱。在降溫過程中，測量Pt100的阻值，通過用熱電偶熱電阻分度表來得到加熱塊不同時刻溫度T，測得對應(yīng)輸出電壓Uo，通過做Uo-T曲線，來實現(xiàn)對光纖溫度傳感器的標定1光源光譜光分布2吸收邊沿透射率。圖15-2光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖四、實驗內(nèi)容與步驟1將加熱電源接到+15V，GND上，萬用表的200歐姆檔

47、接Pt100的紅綠兩端；2.打開實驗臺電源，當加熱到一定溫度，即Pt100的阻值上升到一定值(如134.71)時去掉加熱電源線，停止加熱（說明：Pt100的電阻值溫度在0時為100，阻值隨溫度變化增大，增加大約為3.9/10）；3模塊的+15，-15，GND接上面板的電源，輸出接電壓表，調(diào)節(jié)電位器Rw使電壓表輸出顯示為零。用萬用表的歐姆檔測量Pt100的阻值，通過分度表查出對應(yīng)溫度，記錄下對應(yīng)的Uo，填入表15-1。表15-1 R、Uo及對應(yīng)溫度記錄表Pt100電阻（）134.71132.80130.90128.99127.08對應(yīng)溫度（）9085807570輸出電壓UoPt100電阻（）125.16123.24121.32119.40117.47對應(yīng)溫度（）6560555045輸出電壓Uo五、實驗報告1.根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，作輸出電壓Uo-對應(yīng)溫度T曲線。2.對所得的曲線作出分析，說明輸出電壓與對應(yīng)溫度的關(guān)系。3.對光纖溫