紅外物理特性及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

xxx公司紅外物理特性及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)文件編號(hào)：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度紅外物理特性及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)波長(zhǎng)范圍在0.75~1000微米的電磁波稱為紅外波，對(duì)紅外頻譜的研究歷來是基礎(chǔ)研究的重要組成部分。對(duì)原子與分子的紅外光譜研究，幫助我們洞察它們的電子，振動(dòng)，旋轉(zhuǎn)的能級(jí)結(jié)構(gòu)，并成為材料分析的重要工具。對(duì)紅外材料的性質(zhì)，如吸收、發(fā)射、反射率、折射率、電光系數(shù)等參數(shù)的研究，為它們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私饧t外通信的原理及基本特性。了解部分材料的紅外特性。了解紅外發(fā)射管的伏安特性，電光轉(zhuǎn)換特性。了解紅外發(fā)射管的角度特性。了解紅外接收管的伏安特性?！緦?shí)驗(yàn)原理】1、紅外通信在現(xiàn)代通信技術(shù)中，為了避免信號(hào)互相干擾，提高通信質(zhì)量與通信容量，通常用信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，用載波傳輸信號(hào)，在接收端再將需要的信號(hào)解調(diào)還原出來。不管用什么方式調(diào)制，調(diào)制后的載波要占用一定的頻帶寬度，如音頻信號(hào)要占用幾千赫茲的帶寬，模擬電視信號(hào)要占用8兆赫茲的帶寬。載波的頻率間隔若小于信號(hào)帶寬，則不同信號(hào)間要互相干擾。能夠用作無線電通信的頻率資源非常有限，國(guó)際國(guó)內(nèi)都對(duì)通信頻率進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和管理，仍難以滿足日益增長(zhǎng)的信息需求。通信容量與所用載波頻率成正比，與波長(zhǎng)成反比，目前微波波長(zhǎng)能做到厘米量級(jí)，在開發(fā)應(yīng)用毫米波和亞毫米波時(shí)遇到了困難。紅外波長(zhǎng)比微波短得多，用紅外波作載波，其潛在的通信容量是微波通信無法比擬的，紅外通信就是用紅外波作載波的通信方式。紅外傳輸?shù)慕橘|(zhì)可以是光纖或空間，本實(shí)驗(yàn)采用空間傳輸。2、紅外材料光在光學(xué)介質(zhì)中傳播時(shí)，由于材料的吸收，散射，會(huì)使光波在傳播過程中逐漸衰減，對(duì)于確定的介質(zhì)，光的衰減dI與材料的衰減系數(shù)α，光強(qiáng)I，傳播距離dx成正比：（1）對(duì)上式積分，可得：（2）上式中L為材料的厚度。材料的衰減系數(shù)是由材料本身的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)決定的，不同的波長(zhǎng)衰減系數(shù)不同。普通的光學(xué)材料由于在紅外波段衰減較大，通常并不適用于紅外波段。常用的紅外光學(xué)材料包括：石英晶體及石英玻璃，半導(dǎo)體材料及它們的化合物如鍺，硅，金剛石，氮化硅，碳化硅，砷化鎵，磷化鎵。氟化物晶體、氧化物陶瓷、還有一些硫化物玻璃，鍺硫系玻璃等。光波在不同折射率的介質(zhì)表面會(huì)反射，入射角為零或入射角很小時(shí)反射率：（3）由（3）式可見，反射率取決于界面兩邊材料的折射率。由于色散，材料在不同波長(zhǎng)的折射率不同。折射率與衰減系數(shù)是表征材料光學(xué)特性的最基本參數(shù)。由于材料通常有兩個(gè)界面，測(cè)量到的反射與透射光強(qiáng)是在兩界面間反射的多個(gè)光束的疊加效果，如圖1所示。反射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比為：（4）透射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比為：（5）原則上，測(cè)量出I0、IR、IT，聯(lián)立（4）、（5）兩式，可以求出R與α。下面討論兩種特殊情況下求R與α。對(duì)于衰減可忽略不計(jì)的紅外光學(xué)材料，α=0，e–αL=1，此時(shí)，由（4）式可解出：（6）對(duì)于衰減較大的非紅外光學(xué)材料，可以認(rèn)為多次反射的光線經(jīng)材料衰減后光強(qiáng)度接近零，對(duì)圖1中的反射光線與透射光線都可只取第一項(xiàng)，此時(shí)：（7）（8）由于空氣的折射率為1，求出反射率后，可由（3）式解出材料的折射率：（9）很多紅外光學(xué)材料的折射率較大，在空氣與紅外材料的界面會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的反射。例如硫化鋅的折射率為2.2，反射率為14％，鍺的折射率為4，反射率為36％。為了降低表面反射損失，通常在光學(xué)元件表面鍍上一層或多層增透膜來提高光學(xué)元件的透過率。3、發(fā)光二極管紅外通信的光源為半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管，本實(shí)驗(yàn)采用發(fā)光二極管。發(fā)光二極管是由P型和N型半導(dǎo)體組成的二極管。P型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的空穴，幾乎沒有自由電子。N型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的自由電子，幾乎沒有空穴。當(dāng)兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成P-N結(jié)時(shí)，N區(qū)的電子（帶負(fù)電）向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)的空穴（帶正電）向N區(qū)擴(kuò)散，在P-N結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢(shì)壘電場(chǎng)。勢(shì)壘電場(chǎng)會(huì)使載流子向擴(kuò)散的反方向作漂移運(yùn)動(dòng)，最終擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡，使流過P-N結(jié)的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內(nèi)，P區(qū)的空穴被來自N區(qū)的電子復(fù)合，N 區(qū)的電子被來自P區(qū)的空穴復(fù)合，使該區(qū)內(nèi)幾乎沒有能導(dǎo)電的載流子，又稱為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)。當(dāng)加上與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的正向偏壓時(shí)，結(jié)區(qū)變窄，在外電場(chǎng)作用下，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子就向?qū)Ψ綌U(kuò)散運(yùn)動(dòng)，從而在PN結(jié)附近產(chǎn)生電子與空穴的復(fù)合，并以熱能或光能的形式釋放能量。采用適當(dāng)?shù)牟牧?，使?fù)合能量以發(fā)射光子的形式釋放，就構(gòu)成發(fā)光二極管。采用不同的材料及材料組分，可以控制發(fā)光二極管發(fā)射光譜的中心波長(zhǎng)。圖3，圖4分別為發(fā)光二極管的伏安特性與輸出特性。從圖3可見，發(fā)光二極管的伏安特性與一般的二極管類似。從圖4可見，發(fā)光二極管輸出光功率與驅(qū)動(dòng)電流近似呈線性關(guān)系。這是因?yàn)椋候?qū)動(dòng)電流與注入PN結(jié)的電荷數(shù)成正比，在復(fù)合發(fā)光的量子效率一定的情況下，輸出光功率與注入電荷數(shù)成正比。發(fā)光二極管的發(fā)射強(qiáng)度隨發(fā)射方向而異。方向的特性如圖5，圖5的發(fā)射強(qiáng)度是以最大值為基準(zhǔn)，當(dāng)方向角度為零度時(shí)，其發(fā)射強(qiáng)度定義為100％。當(dāng)方向角度增大時(shí)，其放射強(qiáng)度相對(duì)減少，發(fā)射強(qiáng)度如由光軸取其方向角度一半時(shí)，其值即為峰值的一半，此角度稱為方向半值角，此角度越小即代表元件之指向性越靈敏。一般使用紅外線發(fā)光二極管均附有透鏡，使其指向性更靈敏，而圖5（a）的曲線就是附有透鏡的情況，方向半值角大約在±7°。另外每一種型號(hào)的紅外線發(fā)光二極管其幅射角度亦有所不同，圖5(b)所示之曲線為另一種型號(hào)之元件，方向半值角大約在±50°。（a）A型管（加裝透鏡）（b）B型管圖5兩種紅外發(fā)光二極管的角度特性曲線圖（a）A型管（加裝透鏡）（b）B型管圖5兩種紅外發(fā)光二極管的角度特性曲線圖紅外通信接收端由光電二極管完成光電轉(zhuǎn)換。光電二極管是工作在無偏壓或反向偏置狀態(tài)下的PN結(jié)，反向偏壓電場(chǎng)方向與勢(shì)壘電場(chǎng)方向一致，使結(jié)區(qū)變寬，無光照時(shí)只有很小的暗電流。當(dāng)PN結(jié)受光照射時(shí)，價(jià)電子吸收光能后掙脫價(jià)鍵的束縛成為自由電子，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，在電場(chǎng)作用下，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成光電流。紅外通信常用PIN型光電二極管作光電轉(zhuǎn)換。它與普通光電二極管的區(qū)別在于在P型和N型半導(dǎo)體之間夾有一層沒有滲入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體材料，稱為I型區(qū)。這樣的結(jié)構(gòu)使得結(jié)區(qū)更寬，結(jié)電容更小，可以提高光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率和響應(yīng)速度。圖6是反向偏置電壓下光電二極管的伏安特性。無光照時(shí)的暗電流很小，它是由少數(shù)載流子的漂移形成的。有光照時(shí)，在較低反向電壓下光電流隨反向電壓的增加有一定升高，這是因?yàn)榉聪蚱珘涸黾邮菇Y(jié)區(qū)變寬，結(jié)電場(chǎng)增強(qiáng)，提高了光生載流子的收集效率。當(dāng)反向偏壓進(jìn)一步增加時(shí)，光生載流子的收集接近極限，光電流趨于飽和，此時(shí)，光電流僅取決于入射光功率。在適當(dāng)?shù)姆聪蚱秒妷合?，入射光功率與飽和光電流之間呈較好的線性關(guān)系。圖7是光電轉(zhuǎn)換電路，光電二極管接在晶體管基極，集電極電流與基極電流之間有固定的放大關(guān)系，基極電流與入射光功率成正比，則流過R的電流與R兩端的電壓也與光功率成正比?！緦?shí)驗(yàn)儀器】圖8實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成框圖整套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由紅外發(fā)射裝置、紅外接收裝置、測(cè)試平臺(tái)（軌道）以及測(cè)試鏡片組成。圖8實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成框圖圖8中，紅外發(fā)射裝置產(chǎn)生的各種信號(hào)，通過發(fā)射管發(fā)射出去。發(fā)出的信號(hào)通過空氣傳輸或者經(jīng)過測(cè)試鏡片后，由接收管將信號(hào)傳送到紅外接收裝置。接收裝置將信號(hào)處理后，通過儀器面板顯示或者示波器觀察傳輸后的各種信號(hào)。測(cè)試鏡架的“A”處，可以安裝不同的材料，以研究這些材料的紅外傳輸特性。信號(hào)發(fā)生器可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要提供各種信號(hào)，示波器用于觀測(cè)各種信號(hào)波形經(jīng)紅外傳輸后是否失真等特性（學(xué)校自備）。紅外發(fā)生裝置、紅外接收裝置、軌道部分，三者要保證接地良好?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟】部分材料的紅外特性測(cè)量將紅外發(fā)射器連接到發(fā)射裝置的“發(fā)射管”接口，接收器連接到接收裝置的“接收管”接口（在所有的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，都不取下發(fā)射管和接收管），二者相對(duì)放置，通電。連接電壓源輸出到發(fā)射模塊信號(hào)輸入端2，向發(fā)射管輸入直流信號(hào)。將發(fā)射系統(tǒng)顯示窗口設(shè)置為“電壓源”。接收系統(tǒng)顯示窗口設(shè)置為“光功率計(jì)”。在電壓源輸出為0時(shí)，若光功率計(jì)顯示不為0，即為背景光干擾或0點(diǎn)誤差，記下此時(shí)顯示的背景值，以后的光強(qiáng)測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)是顯示值減去該背景值。調(diào)節(jié)電壓源，使初始光強(qiáng)I0>4mW，微調(diào)接收器受光方向，使顯示值最大。按照表1樣品編號(hào)安裝樣品（樣品測(cè)試鏡厚度都為2㎜），測(cè)量透射光強(qiáng)IT。將接收端紅外接收器取下，移到緊靠發(fā)光二極管處安裝好，微調(diào)樣品入射角與接收器方位，使接收到的反射光最強(qiáng)，測(cè)量反射光強(qiáng)IR。將測(cè)量數(shù)據(jù)記入表1中。表1部分材料的紅外特性測(cè)量初始光強(qiáng)I0＝(mW)材料樣品厚度(mm)透射光強(qiáng)IT(mW)反射光強(qiáng)IR(mW)反射率R折射率n衰減系數(shù)α(/mm)測(cè)試鏡01測(cè)試鏡02測(cè)試鏡03 說明：1＃鏡片可見與紅外都透光，衰減可忽略不計(jì)（α=0）。2＃鏡片不透可見光，透紅外光，對(duì)紅外光的衰減可忽略不計(jì)。3＃鏡片對(duì)可見光有部分透過率，對(duì)紅外光衰減嚴(yán)重。對(duì)衰減可忽略不計(jì)的紅外光學(xué)材料，用（6）式計(jì)算反射率，（9）式計(jì)算折射率。 對(duì)衰減嚴(yán)重的材料，用（7）式計(jì)算反射率，（8）式計(jì)算衰減系數(shù)，（9）式計(jì)算折射率。發(fā)光二極管的伏安特性與輸出特性測(cè)量將紅外發(fā)射器與接收器相對(duì)放置，連接電壓源輸出到發(fā)射模塊信號(hào)輸入端2，微調(diào)接收端受光方向，使顯示值最大。將發(fā)射系統(tǒng)顯示窗口設(shè)置為“發(fā)射電流”，接收系統(tǒng)顯示窗口設(shè)置為“光功率計(jì)”。調(diào)節(jié)電壓源，改變發(fā)射管電流，記錄發(fā)射電流與接收器接收到的光功率（與發(fā)射光功率成正比）。將發(fā)射系統(tǒng)顯示窗口切換倒“正向偏壓”，記錄與發(fā)射電流對(duì)應(yīng)的發(fā)射管兩端電壓。改變發(fā)射電流，將數(shù)據(jù)記錄于表2中。（注：儀器實(shí)際顯示值可能無法精確的調(diào)節(jié)到表2中設(shè)定值，應(yīng)按實(shí)際調(diào)節(jié)的發(fā)射電流數(shù)值為準(zhǔn)）表2發(fā)光二極管伏安特性與輸出特性測(cè)量正向偏壓(V)發(fā)射管電流(mA)051015202530354045光功率(mW)以表2數(shù)據(jù)作所測(cè)發(fā)光二極管的伏安特性曲線和輸出特性曲線。討論所作曲線與圖3，圖4所描述的規(guī)律是否符合。發(fā)光管的角度特性測(cè)量將紅外發(fā)射器與接收器相對(duì)放置，固定接收器。將發(fā)射系統(tǒng)顯示窗口設(shè)置為“電壓源”，將接收系統(tǒng)顯示窗口設(shè)置為“光功率計(jì)”。連接電壓源輸出到發(fā)射模塊信號(hào)輸入端2，微調(diào)接收端受光方向，使顯示值最大。增大電壓源輸出，使接收的光功率大于4mW。然后以最大接收光功率點(diǎn)為0°，記錄此時(shí)的光功率，以順時(shí)針方向（作為正角度方向）每隔5°（也可以根據(jù)需要調(diào)整角度間隔）記錄一次光功率，填入表3中。再以逆時(shí)針方向（作為負(fù)角度方向）每隔5°記錄一次光功率，填入表3中。表3紅外發(fā)光二極管角度特性的測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角度-30°-25°-20°-15°-10°-5°0°5°10°15°20°25°30°光功率(mW)根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，以角度為橫坐標(biāo)，光強(qiáng)為縱坐標(biāo)，作紅外發(fā)光二極管發(fā)射光強(qiáng)和角度之間的關(guān)系曲線，并得出方向半值角（光強(qiáng)超過最大光強(qiáng)60％以上的角度）。光電二極管伏安特性的測(cè)量連接方式同實(shí)驗(yàn)2。調(diào)節(jié)發(fā)射裝置的電壓源，使光電二極管接收到的光功率如表4所示。調(diào)節(jié)接收裝置的反向偏壓調(diào)節(jié)，在不同輸入光功率時(shí)，切換顯示狀態(tài)，分別測(cè)量光電二極管反向偏置電壓與光電流，記錄于表4中。表4光電二極管伏安特性的測(cè)量反向偏置電壓(伏)00.512345P=0光電流(μA)P=1mWP=2mWP=3mW以表4數(shù)據(jù)，作光電二極管的伏安特性曲線。討論所作曲線與圖6所描述的規(guī)律是否符合。音頻信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)將發(fā)射裝置“音頻信號(hào)輸出”接入發(fā)射模塊信號(hào)輸入端；將接收裝置“接收信號(hào)輸出”端接入音頻模塊音頻信號(hào)輸入端。傾聽音頻模塊播放出來的音樂。定性觀察位置沒對(duì)正，衰減，遮擋等外界因素對(duì)傳輸?shù)挠绊憽?shù)字信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)若需傳輸?shù)男盘?hào)本身是數(shù)字形式，或?qū)⒛M信號(hào)數(shù)字化（模數(shù)轉(zhuǎn)換）后進(jìn)行傳輸，稱為數(shù)字信號(hào)傳輸，數(shù)字傳輸具有抗干擾能力強(qiáng)，傳輸質(zhì)量高；易于進(jìn)行加密和解密，保密性強(qiáng)；可以通過時(shí)分復(fù)