光電子技術實驗指導書

1、光電子技術實驗指導書 /H x #CHANGZHOU W5TTT5 OF TECHKJOLOGYCSY2000G光電傳感器實驗儀說明CSY2000G光電傳感器實驗儀主要有主機箱、傳感器裝置、實驗模板、實驗桌四大 局部組成一主機箱：供電電源AC220V, 50H乙 額定功率200W。1、有實驗所需的電源、壓力源0-12V連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。0-5V連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。5V、+12V、+5V 穩(wěn)壓電源。2、顯示壓力源：氣壓量程4-20KPa通過調(diào)節(jié)玻璃轉(zhuǎn)子流量計、旋鈕、氣壓輸出大小 可調(diào)電流表：DC20吩-20mA量程三檔切換電壓表：DC200mV-20V量程三檔切換光功率計： 1999mW光

2、照度計： 1999Lx 頻率/轉(zhuǎn)速表： f： 0-9999Hz、 n： 0-9999 r/min計時器秒表： 9999S氣壓表:4-40 KPa3、溫控儀：PID 位式調(diào)節(jié)儀： 0-2000C二傳感器裝置 光學傳感器由底座，升降支架、遮光筒、滑軌等組成，可卸式活動安裝各種光電器 件探頭，光源等。1 、 光敏器件及傳感器光敏電阻光敏二極管光敏三極管紅外光敏二極管光接受硅光電池反射式光耦紅外發(fā)射與紅外光敏三極管組合 紅外線熱釋電探頭光照度計探頭光功率計探頭2、傳感器光纖傳感器、位移、壓力、溫度PSD位置傳感器線陣CCD測徑系統(tǒng)可選光柵位移傳感器可選3、光源 普通白熾燈、普通發(fā)光二極管、紅外發(fā)射管、

3、半導體激光管、各種濾色鏡 三實驗模板光電器件實驗一模板光電器件實驗二模板 光電器件實驗光開關模板 光電器件實驗光調(diào)制模板 光電傳感器轉(zhuǎn)速測量實驗模板 光纖傳感器實驗模板PSD傳感器實驗模板溫度傳感器四實驗桌放置主機箱、實驗模板、各種實驗器件實驗臺尺寸為：1600800)740mm實驗指南實驗一光電根底知識實驗實驗目的通過實驗使學生對光源分光原理，輻射量與光度量、光的不同波長等根本概念有具體 的認識。第一局部 光源和光波長實驗一、實驗原理：以電磁波形式或粒子光子形成傳輸?shù)哪芰?，它們可以用光學條件反射、成像或色 散，這樣能量傳輸及其傳播過程稱為光輻射。為了對光輻射進行定量描述，存在著輻射單位和光度

4、單位兩套不同的體系，下表是常用 的輻射度量和光度量之間的對應關系。表一、常用輻射度量和光度量之間的對應關系輻射度量物理量光度量物理量名稱符號定義成定義式單位物理量名稱符號定義成定義式單位輻射能QeJ光量QvQ 尸 / Qv1m s輻射通量e e=d e/dtW光通量vv y vq1m輻射出射度MeMe=dQ e/ds2W/m光出射度MvMvd vds1m/ m輻射強度2?=d e/dsw/sr發(fā)光強度I v根本量cd輻射亮度LeLe=d?/(ds co?)w/(m sr)光亮度LvI 尸dl vds co?cd/m2輻射照度EeEe=dQ e/dA2w/ m光照度EvEvd vdALX在光度單

5、位中，發(fā)光強度是根本單位，定義為一個光源發(fā)出頻率為540X 1012 HZ的 單色輻射。假設在一給定方向上的輻射光度為1/683W/S?,那么該光源在該方向上的的 發(fā)光強度為1 cd坎德拉。本實驗中備有普通光源和激光光源兩種，普通光源探熾燈的光譜為連續(xù)光譜。利用濾色片或色片或通過分光鏡后，可以提供紅橙黃綠青藍紫多種波長的光輻射。激光光源 是半導體激光器，發(fā)射的激光波長630-680納米。激光顏色為紅色。三棱鏡的分光原理：三棱鏡的分光作用原理基于以下幾點：1、三棱鏡外表對光線的折射作用。三棱鏡對不同波長的各色光具有不同的折射率。因此當三棱鏡中入射的光白光為各 種不同波長的復合光，從波長為400納

6、米mm紫光至760納米的紅光那么三棱鏡對不 同色光具有不同折射率。各色光經(jīng)折射后的折射角將不同。因此通過三棱鏡 出射時，各色光的偏角也隨之不同。所以，白光經(jīng)過三棱鏡折射以后將分解成各種色光并 呈現(xiàn)出一片按序排列的顏色。這種現(xiàn)象稱為光的色散。入討光岀瞅1-1三綾読苴外表對光錢樹射作用2、圖1-1畫出了三棱鏡外表產(chǎn)生折射的情況。如入射光某一單色光經(jīng)三棱 鏡AB進入玻璃介質(zhì)后，光線產(chǎn)生一 偏角Si該光束在B面出射時，又產(chǎn)生 一偏角3 2光線經(jīng)二次折射后入射光與 出射光產(chǎn)生的偏角3 0 =S汁S2 對三棱鏡兩個折射面AB導出折射定律為:SinIi=nSinIiSinI2 =nSinI2利用兩式相減，并

7、根據(jù) a = I i -I 2,3 =3 i+ 3 2= I i-l 2 + I 2- I 2經(jīng)過具體運算得Sini/2(a +3 )=n-Sin a /2*Cos(l i +12)/Cosi/2(l i+L)由式可見，光線經(jīng)棱鏡折射后，產(chǎn)生的偏角是光線入射角Ii。棱鏡折射角a和折射 率n的函數(shù)，對于給定的三棱鏡a和n為定值，因此 隨Ii而變。圖1-2表示的光通過三棱鏡時的色散現(xiàn)象，由于介質(zhì)的折射率隨波 長的的變短而增大，尤其是短波部 分，折射率增加的更快。由圖1-2可知紅色的波長長，折射率小，產(chǎn)生較小的偏角，而紫色的波長短，折射率大，產(chǎn)生的偏角也大，這樣的光經(jīng)三棱鏡折射后，形成一條按紅、橙、

8、黃、綠、青、藍、紫順序的連續(xù)光 譜，本實驗用于演示這一現(xiàn)象。利用濾色片也可以從白光中獲取單色光，常用濾色片有二類，一類是塑料片，它只能透 射某一波長的光，而對其它波長具有吸收作用，對玻璃濾光片，玻璃片上鍍某種顏色例 如紅色的薄膜，它利用光的頻率效應。那么它對紅色的光是干預相長。對其它顏色的光那么 干預相消。衡量濾色質(zhì)量優(yōu)劣的是色純度。2、實驗器材：CSY2000G主機箱、普通光源、分光裝置三棱鏡、半導體激光器、濾色片、光 照度計及探頭。3、實驗步驟：1 根據(jù)圖1-3將普通光源插進安裝架上，把光源的兩個插孔分別連接到主機 箱的“012V可調(diào)電壓源上，調(diào)節(jié)“012V的可調(diào)旋鈕，可改變光源的亮度調(diào)

9、節(jié)電源012V必須從最低電壓起始慢慢調(diào)到12V，否那么沖擊電流大，電源自動截止 保護，要正常工作必須重新開機。2將光源升降桿的固定螺釘旋松，旋轉(zhuǎn)光源180后擰緊固定螺釘。在光源的前方適當?shù)奈恢冒卜欧止馊忡R，旋轉(zhuǎn)棱鏡，觀察投射出的連續(xù)的帶狀分光光譜(4)把普通光源取下，換上半導體激光光源，連接5v電源注意1二極管保護;2光源注意極性重復2(5) 把分光裝置對太陽觀察太陽光，用一白紙作受光面。從出射的受光面上觀測帶狀光譜如圖1-4圖1-4太陽光的光色散第二局部輻射度與光度學1、根本原理：光輻射的探測和計量，在輻射度單位和光度單位兩套不同的體系。輻射度單位適用于 整個電磁波段。光度學只適用于可見光

10、波段。本實驗幫助學生理解兩種概念體系的區(qū)別和 聯(lián)系。2、實驗器材：CSY2000G主機箱、普通光源含遮光筒半導體激光光源、各種濾色片，光照度 計探頭3、實驗步驟：(1) 根據(jù)圖1-5裝置圖將照度計探頭代替光敏探頭，把照度計探頭的兩個插孔與主 機箱的光照度計兩個插孔正負對應相連，再按下主機箱照度計的按紐XI。翻開主 控箱電源，測量當前環(huán)境下的照度。(2) 關閉主控箱電源,把普通光源的兩個插孔與主控箱的012V的可調(diào)電源的兩個 插孔相連，逆時針調(diào)節(jié)可調(diào)電源旋鈕到底。把主機箱的電壓表輸入端+、-丨分別 與012V的可調(diào)電源的+、-相連，監(jiān)測可調(diào)電源的輸出大小。按表1-1慢慢旋轉(zhuǎn)可調(diào)電源旋鈕，按表1-

11、1記錄數(shù)據(jù)。表11輸入電壓V234567光照度Lx3關閉主機箱電源，取下實驗裝置的遮光筒，旋下普通光源的前蓋，分別旋上不同顏 色的濾光片，裝上遮光筒，按上面的方法分別測量不同濾色片下的照度。并作記錄，把數(shù) 據(jù)填入表1-2。表12照、波660nm600nm560nm510 nm470nm400nm2V3V4V5V6V7V4在3中，用眼睛觀察不同顏色光的亮度情況，感覺同一照度下不同顏色的光， 感受一下眼睛對光顏色的敏感度。5關閉主機箱電源，將普通光源撤下?lián)Q上半導體激光器，將半導體激光器的兩個插孔+、-分別與主機箱05V的可調(diào)電源的+、-相連。開主機箱電源，同上面方法用照 度計測量激光器發(fā)出的光的照

12、度，作記錄把數(shù)據(jù)填入表1-3。表13輸入電壓V3V4V5V光照度Lx(6) 關閉主機箱電源，用光功率探頭代替照度計探頭，將光功率探頭的兩個插孔+、-分別與主機箱的光功率計輸入端的+、-相連，翻開主機箱電源，方法同上用光功率計測量激光器的光功率，并作記錄，把數(shù)據(jù)填入表1-4。表1 4輸入電壓V345光功率(mw)五、思考題白光與其他色彩光有何區(qū)別？人的視覺對什么顏色波長的光最敏感？為什么燈泡在相同工作電壓下發(fā)出各種波長光的照度、光功率大小不同？實驗二 光敏電阻實驗一、實驗目的：了解光敏電阻的光譜響應特征、光照特性和伏安特性等根本特性二、根本原理：在光線的作用下，電子吸收光子的能量從鍵合狀態(tài)過渡到

13、自由狀態(tài)。引起電導率的變 化，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。光電導效應是半導體材料的一種體效應。光照愈強，器件 自身的電阻愈小?；谶@種效應的光電器件稱光敏電阻。光敏電阻無極性，其工作特性與入射光光強、波長和外加電壓有關。三、需用器件與單元：CS2000G主機箱、光源、濾色片、 照度探頭。四、實驗步驟：1、亮電阻和暗電阻測量(1)圖2-1是光敏電阻實驗原理圖(2)按圖2-1的光學系統(tǒng)裝置圖，安裝好通光源和光照度計探頭及遮光筒，將主機箱的012V的可調(diào)電源與普通光源的兩個 插孔相連，將可調(diào)電源的調(diào)節(jié)旋鈕逆時針方向慢慢調(diào)到底。將照度計探頭的兩個插 孔與主機箱照度計輸入端“+、“相應連接。翻開主機箱電源，

14、順時針方向慢慢 增加012V可調(diào)電源，使主機箱照度計顯示100L按下按鈕X1(3) 撤下照度計連線及探頭，換上光敏電阻。將光敏電阻的一個插孔連到主機箱固定 穩(wěn)壓電源+5V的“+插孔上。光敏電阻的另一個插孔連到主機箱電流表輸入端的“+插孔上，電流表輸入端“插孔與+5V穩(wěn)壓電源的“丄相連。(4) 在光敏電阻與光源之間用遮光筒連接后，10秒鐘左右可觀察主機箱上的定時器 讀取電流表可選擇電流表適宜的檔位20mA檔的值為亮電流I亮。5將012V可調(diào)電源的調(diào)節(jié)旋鈕逆時針方向慢慢旋到底后，10秒鐘左右讀取電流表20吩檔的值為暗電流I暗。6根據(jù)以下公式，計算亮阻和暗阻照度100Lx、U測5VR亮二U測/ I亮

15、；R暗=U測/ I暗7光敏電阻在不同的照度下有不同的亮阻和暗阻；在不同的測量電壓U測下有不 同的亮阻和暗阻。如有興趣可重復以上實驗步驟做實驗。2、光照特性測量光敏電阻的測量電壓U測為+5V時，光敏電阻的光電流隨光照強度變化而變化， 它們之間的關系是非線性的。調(diào)節(jié)光源012V電壓得到不同的光照度測量方法同以上實 驗，測得數(shù)據(jù)填入表21,并作曲線圖。表21強度Lx100300500700900110013001500電流mA光照度LX圖23光敏電阻光照特性實驗曲線3、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，在給定光照強度100Lx時，光敏電阻輸入0-5V可調(diào)電壓，調(diào)節(jié)

16、0-5V電壓由電壓表監(jiān)測，測得流過光敏 電阻的電流，測得數(shù)據(jù)填入表2-2，并作不同照度的三條伏安特性曲線。表2-2型號：MT5528電壓U1.252345昭八、度100電流mA300電流mA500電流mA卓光電流 VCC圖2 4光敏電阻伏安特性4、光譜特性測量1光敏電阻對不同波長的光，接收的光靈敏度是不一樣的，這就是光敏電阻的光譜 特性。實驗時線路接法同圖2-2，在光路裝置中先用照度計窗口對準遮光筒，然后撤下 光源前蓋，更換不同的濾光片，得到對應各種顏色的光。作光譜特性時，需調(diào)節(jié)光源強度調(diào)012V電壓，得到相同的照度。光敏電阻在某一固定工作電壓下+5V，在同一 照度下例如100L在不同波長顏色

17、時測量流過光敏電阻的電流值，就可作出其 光源特性曲線。實驗數(shù)據(jù)如下表所示：表2-3顏色波長(nm)型號MT5528100&照度下的電流紅660橙600黃560綠510藍470紫400實驗三 光電池實驗一 實驗目的了解光電池的光照、光譜特性，熟悉其應用。二 根本原理當光照射到光電池P-N結(jié)上時，便在P-N結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢。這種現(xiàn)象叫“光生伏特 效應，將光能轉(zhuǎn)化為電能。該效應與材料、光的強度、波長等有關。三 需用器件與單元光電器件實驗一模板、主機箱、濾色片、普通光源、照度計、硅光電池、光照度 計探頭四、內(nèi)容1 光照特性光電池在不同的照度下，產(chǎn)生不同的光電流和光生電動勢。它們之間的關系就是光照 特性

18、。1 按圖3-1接線:將光源兩個插孔接入主機箱012V可調(diào)電源的相應插孔上逆 時針方向調(diào)節(jié)可調(diào)電源的旋鈕到底，將光電池的兩個插孔接到實驗模板的硅 光電池上注意極性。(2)將照度計探頭兩個插孔接到主機箱的照度計輸入端的相應插孔上，翻開主機箱電源，將照度計探頭用遮光筒與光源連接起來，調(diào)節(jié)接入光源的012V可調(diào)電源,使照度計顯示100&。拿去照度計探頭，把硅光電池連到遮光筒上，將主機箱的電壓表接到光電實驗器件模板的硅光電池的電壓表接口上，測出100Lx照度下的開路電壓。把電壓表的引線斷開后，將主機箱的電流表串接到 實驗模板上、硅光電池的電流表接口上，測出100Lx照度下的短路電流。重復 以上方法，測

19、出照度為2002.600Lx時的硅光電池的開路電壓和短路電 流，將數(shù)據(jù)填入表3-1，并作出曲線圖。表31強度IX100140180220260300電流mA電壓mVf電流電壓d L光強度圖3-2硅光電池開路電壓 短路電流實驗特性2 光譜特性光電池在不同波長的光照下，產(chǎn)生不同的光電流和光生電動勢。用不同顏色的濾色片 得到不同波長的光。濾色片更換：擰下光源前蓋，分別擰上紅、橙、黃、綠、青、藍、紫 七種濾色片。在相同的照度之下，將測量結(jié)果填入表3-2，并在圖3-3作出曲線圖。表3-2波長nn660600560510470400電動勢mV電流mA八電動勢*入波長 實驗四 光源及光調(diào)制解調(diào)實驗一、實驗目的：了解光調(diào)制解調(diào)的原理二、根本原理：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。 如果能夠應用某種物理方法改變光波的這