光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)

光電技術(shù)

湖北汽車工業(yè)學(xué)院

目錄

實(shí)驗(yàn)1TWYMAN-GREEN干涉系統(tǒng)實(shí)驗(yàn).........................1

實(shí)驗(yàn)2PSD位置傳感器實(shí)驗(yàn).....................................9

實(shí)驗(yàn)3熱釋電遠(yuǎn)紅外傳感器輻射特性實(shí)驗(yàn).........................11

實(shí)驗(yàn)4電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)...........................................12

實(shí)驗(yàn)5磁光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)...........................................17

實(shí)驗(yàn)6相關(guān)器研究及重要參數(shù)測量...............................23

實(shí)驗(yàn)7同步積分器的研究及其主要參數(shù)測量.......................31

實(shí)驗(yàn)8CCD微機(jī)測徑..........................................40

實(shí)驗(yàn)9CCD驅(qū)動電路和特性測試................................46

實(shí)驗(yàn)10光電倍增管參數(shù)測量....................................55

實(shí)驗(yàn)11光電器件特性實(shí)驗(yàn)......................................59

實(shí)驗(yàn)12光電透過率測量系統(tǒng)設(shè)計實(shí)驗(yàn)............................69

實(shí)驗(yàn)13太陽能電池實(shí)驗(yàn)........................................74

實(shí)驗(yàn)14液晶的電光特性實(shí)驗(yàn)....................................81

實(shí)驗(yàn)1Twyman-Green干涉系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用CSY—10L激光多功能光電測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀（LaserUniversalOpto-EletroTesting

Systems）,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光學(xué)原理如圖所示：

|o

2735

計<—>

燈與月手￡“膏祖卜一。~屈-平國—0

機(jī)

n

?樂電網(wǎng)HE

圖1T實(shí)驗(yàn)儀光學(xué)系統(tǒng)

1一激光器2,17一衰減器3,5,11一定向孔4,13—移動反射鏡6,7,9,12—反射鏡8,29—物鏡10—準(zhǔn)直透鏡14一分光

棱鏡15一共焦顯微鏡16—多功能試件夾及組合工作臺18一帶壓電陶瓷的組合工作臺19,27—衍射試件夾20一成像透

鏡21一目鏡22—可調(diào)光闌23—光電接收器24-導(dǎo)軌25,28一直角棱鏡26—傅氏透鏡30一五維調(diào)節(jié)架31一光纖分束

器32-光纖33a—外置式光纖傳感器33b—內(nèi)置式光纖傳感器34—光纖夾持器35—備用試件

各種光學(xué)元件的切換與配置，組合成一種光學(xué)物理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定性觀察與定量測試，最終由光電接

收器23接收，并將信號送入計算機(jī)，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的顯示與計算。

Twyman-Green干涉系統(tǒng)光路：激光1經(jīng)衰減器2調(diào)節(jié)光強(qiáng)，小孔3,5定向，擴(kuò)束鏡8,10擴(kuò)束，

分光棱鏡14分光后，一路由工作臺16上試件返回，形成參考光（參考臂），?路由工作臺18上試件返回

形成物光（測量臂），再返回分光鏡14形成干涉場，經(jīng)透鏡20成像（透鏡21選裝），光闌22濾波（選

裝）后，在CMOS23上形成穩(wěn)定干涉圖樣，由計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)顯示與定量。

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1.了解激光干涉測量的原理，了解激光干涉測量方法的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用場合，掌握微米及亞微米量級位

移量的激光干涉測量方法；

2.了解激光干涉的近代方法——數(shù)字干涉技術(shù)的原理和方法，了解數(shù)字干涉方法的特點(diǎn)及應(yīng)用場合,

掌握干涉的實(shí)時檢測技術(shù)；

3.了解表面三維形貌的高精度實(shí)時測量原理，對評價指標(biāo)PV,RMS的定義有所掌握，實(shí)測一個平

面光學(xué)零件的表面形貌;

1

4.了解光學(xué)系統(tǒng)波差的基本物理概念，掌握光學(xué)系統(tǒng)波差的激光干涉測量方法。

【實(shí)驗(yàn)儀器】

CSY-10L激光多功能光電測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀(一臺)，計算機(jī)(一臺)。

【實(shí)驗(yàn)原理與內(nèi)容】

一、精密位移量的激光干涉測量

(一)原理

實(shí)驗(yàn)采用泰曼―格林(Twyman-Green)干涉系統(tǒng)，T-G干涉系統(tǒng)是著名的邁克爾遜白光干涉儀的簡

化。用激光為光源，可獲得清晰、明亮的干涉條紋，其原理如圖1-2所示。

干涉條紋

圖1-2T-G干涉系統(tǒng)

激光通過擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)4提供入射的平面波(平行光束)。設(shè)光軸方向?yàn)閆軸，則此平面波可用

下式表示：

U(Z)=4*(1-1)

式中A——平面波的振幅，上=2萬/丸為波數(shù)，A——激光波長。

此平面波經(jīng)半反射鏡BS分為二束，一束經(jīng)參考鏡反射后成為參考光束，其復(fù)振幅用下式

表示：

ihw

UR=AR-e(1-2)

式中4——參考光束的振幅，媒(ZJ——參考光束的位相，它由參考光程ZR決定。

另一束為透射光，經(jīng)測量鏡“2反射，其復(fù)振幅用下式表示：

U,=4(1-3)

式中4——測量光束的振幅，4(4)——測量光束的位相，它由測量光程z,決定。

此二束光在BS上相遇，由于激光的相干性，因而產(chǎn)生干涉條紋。干涉條紋的光強(qiáng)/(x,y)由下式?jīng)Q

定：

I(x,y)=U-U*(1-4)

式中。=4+4，U*=U*R+U；,而U*,U*R,U；為U,UR,U,的共鈍波。

當(dāng)反射鏡與"2彼此間有一交角2。，并將式(1-2),式(1-3)代入式(14),且當(dāng)。較小，即

smO=O時、經(jīng)簡化可求得干涉條紋的光強(qiáng)為：

/(%/)=2/()(1+cosk/28)(1-5)

2

式中——激光光強(qiáng)，I——光程差，/=ZR—Z,。

式（1-5）說明干涉條紋由光程差/及。來調(diào)制。當(dāng)0為一常數(shù)時，干涉條紋的光強(qiáng)如圖1-3所示。當(dāng)

測量在空氣中進(jìn)行，且干涉臂光程不大，略去大氣的影響，則

../I

I=N（1-6）

因此，記錄干涉條紋移動數(shù)，己知激光波長，由式（1-6）即可測量反射鏡的位移量，或反射鏡的軸向

變動量AL。干涉條紋的計數(shù)，從圖1-2中知道，定位在BS面上或無窮遠(yuǎn)上的干涉條紋山成像物鏡L2將

條紋成在探測器上，實(shí)現(xiàn)計數(shù)。

圖1-3干涉條紋

測量靈敏度為：當(dāng)N=l,則△/=〃2,4=0.63〃加（He-Ne激光），貝必/=0.3〃〃?。

如果細(xì)分N,?般以1/10細(xì)分為例，則干涉測量的最高靈敏度為△/=0.03〃機(jī)。

（二）內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)光路：

12356

圖1-4實(shí)驗(yàn)光路圖

激光器1發(fā)出的激光經(jīng)衰減器2（用于調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度）后由二個定向小孔3,5引導(dǎo)，經(jīng)反射鏡6,7進(jìn)入擴(kuò)束準(zhǔn)直物

鏡8,10（即圖1-2中的L1）,由分光鏡14（即圖1-2中BS）分成二束光,分別由反射鏡16（即圖1-2中的Ml）,18（M2）反

射形成干涉條紋并經(jīng)成像物鏡20（即圖1-2中L2）籽條紋成于CMOS23上（即D）,這樣在計算機(jī)屏上就可看到干涉條紋

移動，調(diào)整PZT的電壓，就可得到M2的個微小位移，實(shí)現(xiàn)微位移的測量。

公共部分

1.開機(jī)，激光器1迅速起輝，待光強(qiáng)穩(wěn)定；

3

2.打開驅(qū)動電源開關(guān)；

3.檢查CMOS23上電信號燈亮否；

4.調(diào)整光路時若移開反射鏡4,13,擴(kuò)束激光；移入反射鏡4,13,不擴(kuò)束激光。

注：以下所有實(shí)驗(yàn)的開始部分均同公共部分

本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

1.擴(kuò)束；

2.在組合工作臺16,18上分別裝平面反射鏡，調(diào)節(jié)工作臺16,18上調(diào)平調(diào)向測微器，使二路反

射光較好重合(在成像物鏡20后焦面上，兩反射光會聚的焦斑重合)；

3.打開計算機(jī)，然后微調(diào)工作臺上測微器，在顯示屏上看見干涉條紋；

4.調(diào)整CMOS在軌道上的位置，使干涉條紋清晰，鎖定23,再調(diào)節(jié)可調(diào)光闌22孔徑位置，濾除

分光鏡寄生干涉光；

5.測量程序操作參見軟件操作說明書。

二、數(shù)字干涉測量

(-)原理

電子技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的干涉檢測方法相結(jié)合，就產(chǎn)生了一種新的位相檢測技術(shù)——數(shù)字干

涉技術(shù)，這是一-種位相的實(shí)時檢測技術(shù)。該方法不僅能實(shí)現(xiàn)干涉條紋的實(shí)時提取，而且可以利用波面數(shù)

據(jù)的存儲功能消除干涉儀系統(tǒng)誤差，消除或降低大氣擾動及隨機(jī)噪聲，使干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)九”00的精度，

是目前干涉儀精度最高的近代方法。其原理如下圖所示。

圖1-5數(shù)字干涉系統(tǒng)

L1-準(zhǔn)直物鏡，L2-成像物鏡，1-被測件，2-參考鏡，3-壓電器件(PZT),4-成像光電器件(CMOS)

圖中的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仍采用T-G干涉儀，但參考鏡2由壓電陶瓷PZT驅(qū)動，產(chǎn)生位移。此位移的頻率與

移動量由計算機(jī)控制。設(shè)參考鏡的瞬時位移為小被測表面的形貌(面形)為攻(x,y),則參考光路和

測試光路可分別用下式表示：

UR=a-exp[i21(s+/,)](1-7)

Ut=b-exp{i2k[s+w(x,y)]}(1-8)

式中a,b為光振幅常數(shù)。

4

參考光與測試光相干產(chǎn)生干涉條紋，其瞬時光強(qiáng)由式(1-7)與式(1-8),可得:

I(x,y,li)=1+rcos2左[vv(x,y)-/J(1-9)

式中尸=2ab/(a2+b2)是干涉條紋的對比度。

式(1-9)說明，干涉場中任意一點(diǎn)的光強(qiáng)都是的余弦函數(shù)。由于隨時間變化，因此式(1-9)的光

強(qiáng)是一個時間周期函數(shù)，可用傅里葉級數(shù)展開。設(shè)『1,則

I(x,y,lj)=a0+%cos2kli+4sin2kli(1-10)

22

式中：a0=a+b,6=2ahcos2kw(x,y),b]=2absin2/w(x,y)

由三角函數(shù)的正交性，可求出Fourier級數(shù)的各個系數(shù)，即

2e、

旬=-2/(兀84)

777Z1

2n

at=—^iI(x,y,li)cos2k/i?(1-11)

2"

b]=-^/(x,y,/,)sin2W；

n

而求得被測波面，由下式給出:

2〃

一￡/(x，M)sin2kli

/、1-[b、1_]

(1-12)

2?

—cos2kli

〃i=i

式中/,=i,〃(2〃)，z=0,1,2,3...

為降低噪聲，提高測量精度，可用P個周期進(jìn)行驅(qū)動掃描，測量數(shù)據(jù)作累加平均，即

1>y>

一Z/(x,y,/Jsin2M

w(xj)=《/gT及----------------(M3)

—￡l(x,yj)cos2kL

式(1-13)說明孔徑內(nèi)任意一點(diǎn)的位相可由該點(diǎn)上的〃xp個光強(qiáng)的采樣值計算出來，因此，可獲得整

個孔徑上的位相。除實(shí)現(xiàn)自動檢測外，還可以測定被測件的三維形貌。

(二)內(nèi)容

1.擴(kuò)束；

2.調(diào)節(jié)工作臺18上的測微螺桿并啟動壓電晶體工作電源，使反射鏡產(chǎn)生軸向位移，在計算機(jī)上看

到條紋平移；

3.調(diào)整CMOS23在軌道上的位置，使干涉條紋清晰，鎖定23；

4.調(diào)節(jié)可調(diào)光闌22孔徑位置，濾除寄生干涉光；

5.測量程序操作參見軟件操作說明書。

5

三、面形的三維干涉測量及評價(PV值與RMS值)

(-)原理

本實(shí)驗(yàn)采用數(shù)字干涉測量原理進(jìn)行，本實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)二的不同是測量中采用了掃描技術(shù)，

因而可以實(shí)現(xiàn)面形的三維測量。高精度光學(xué)平面零件的面形精度可用下列二個評價指標(biāo)，如下圖所

示。

1.PV值——是表面形貌的最大峰谷值

2.RMS值——是表面形貌的均方根值，RMS的定義是：

/Yv2

RMS=±』^—

VN-l

玉為單次測量值，7=節(jié)，N為重復(fù)測定次數(shù)。

式中丫=%一7,

圖1-6面形精度的評價

(二)內(nèi)容

1.擴(kuò)束；

2.調(diào)整CMOS23在軌道上的位置，使干涉條紋清晰，鎖定23；

3.調(diào)節(jié)可調(diào)光闌22孔徑位置，濾除寄生干涉光；

4.測量程序操作見軟件操作說明書；

四、光學(xué)系統(tǒng)的波差測量。

(-)原理

如果光學(xué)系統(tǒng)存在像差，其出瞳平面上的光振動的位相分布與理想球曲波所對應(yīng)的位相分布將存在

差異，用函數(shù)歹)來表示，并且可以寫成

">/)=攵%(X/)(1-14)

式中，k是波數(shù)(k=2jd九,Z為光波長)，lV(x,y)即代表實(shí)際波面和理想球面波波面

之間的偏差，稱為波差。波差是光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的主要評價指標(biāo)，測量出光學(xué)系統(tǒng)的波差就知道光學(xué)

系統(tǒng)的成像好壞。

光學(xué)系統(tǒng)波差可利用激光干涉方法進(jìn)行測量。本實(shí)驗(yàn)以泰曼―格林(Twyman-Green)干涉系統(tǒng)為基

礎(chǔ)，使經(jīng)過被測光學(xué)系統(tǒng)后的實(shí)際波血和干涉儀給出的標(biāo)準(zhǔn)波面(參考波面)干涉，對干涉圖進(jìn)行數(shù)字

處理，就能確定實(shí)際波面的形狀和波差的大小。

6

光路原理如圖1-7所示，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后的平面波通過半反射鏡BS分為兩束，一束經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)參考鏡

反射后成為參考光束，另一束經(jīng)被測光學(xué)系統(tǒng)會聚其焦點(diǎn)處，當(dāng)該焦點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)平面鏡完全重合時，

所會聚的光束將原路返回，再次經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后成為被檢光束。若不考慮標(biāo)準(zhǔn)參考鏡和標(biāo)準(zhǔn)平面鏡等系

統(tǒng)誤差，參考波面和被檢波面可分別表示為

UR=aexp[i2M(1-15)

Ut=Z>exp[z2A:FF(x,^)](1-16)

式中，a和6分別表示兩個波面的振幅；k為波數(shù)；/為參考光程；JV（x,y）為光學(xué)系統(tǒng)的波差。

兩光束所形成的干涉圖可通過透鏡L2會聚由CCD接收，利用數(shù)字干涉測量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)波差的數(shù)字

求解，具體方法是：通過壓電晶體驅(qū)動參考鏡實(shí)現(xiàn)位相調(diào)制，當(dāng)參考鏡移動〃步，每步移動量為4/2〃

時，根據(jù)每一步所對應(yīng)的干涉圖分布：z=l,2,可求得被測光學(xué)系統(tǒng)的

波差

(1-17)

與面形處理一樣，結(jié)果以三維立體圖，等高圖顯示，數(shù)據(jù)有波峰一波谷值（PV），均方根值（RMS）

和最大面形誤差（Em）。

（二）內(nèi)容

1.調(diào)整擴(kuò)束系統(tǒng)的物鏡和透鏡，使激光平行入射到分光棱鏡14；并調(diào)整分光棱鏡14的位置，使參考

光束嚴(yán)格偏轉(zhuǎn)90度。

2.調(diào)整參考鏡的傾斜量，使參考光束進(jìn)入到CMOS的靶血內(nèi)。

3.將被測光學(xué)系統(tǒng)（10倍物鏡）放入到測量臂中，調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)平面鏡之間的位置，使10倍

物鏡的焦點(diǎn)落在平面鏡表面。在實(shí)驗(yàn)中可用一張開一個小孔的繪圖紙，將該繪圖紙放在光學(xué)系統(tǒng)的焦平

面上，并使小孔與焦點(diǎn)重合。然后尋找焦點(diǎn)經(jīng)平面鏡反射后所形成的光點(diǎn)，調(diào)整平面鏡的傾斜和軸向距

離，使反射光點(diǎn)落入到小孔內(nèi)。

4.微調(diào)平面鏡的傾斜量，使被測光束進(jìn)入CMOS的靶面內(nèi)并于參考光束重合，形成干涉條紋。

7

5.運(yùn)行干涉圖的干涉處理軟件，進(jìn)入【實(shí)時采樣】對話框，按【采樣】按鈕可使計算機(jī)自動驅(qū)動壓

電晶體（PZT）進(jìn)行條紋掃描和圖象采集工作，并完成波差計算。通過波面顯示（三維立體顯示、等高

圖）觀察波面形狀及數(shù)據(jù)。

【數(shù)據(jù)處理】

表1：（其中；1=632.8〃加）

（NN/2）測量位移量

序號驅(qū)動位移量（L）條紋數(shù)（N）備注

（L）

表2:（被測工件：平面鏡）

序號PVRMSEM等高圖（凹或凸）

1

2

3

4

表3：被測透鏡摘要：________________________________________

序號RMSPV

1

2

3

平均

【思考題】

1.干涉測量的優(yōu)點(diǎn)是什么？寫出幾個你了解的應(yīng)用場合。

2.在數(shù)字干涉測量中，采用下列方法可以提高測量精度嗎？

a.增加?個周期內(nèi)的臺階數(shù)（n）

b.增加掃描的周期數(shù)（p）

3.為什么說數(shù)字干涉測量可以消除干涉儀自身的系統(tǒng)誤差，而普通干涉儀則不可能，只能靠加工水

平來保證？

4.光圈數(shù)N,局部光圈數(shù)AN,最大面形誤差EM的物理意義以及與PV,RMS的大致關(guān)系。

5.波差代表什么？測量波差有什么意義？

（陳偉編）

8

實(shí)驗(yàn)2PSD位置傳感器實(shí)驗(yàn)

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1.了解PSD器件工作原理。

2.了解PSD器件對入射光強(qiáng)度改變的反應(yīng)及光點(diǎn)大小對光生電流的影響。

【實(shí)驗(yàn)儀器】

PSD基座（器件已裝在基座上）、固體激光器、反射體、PSD處理電路單元、電壓表、示波器

【實(shí)驗(yàn)原理】

PSD（positionsensitivedetector）是一種新型的橫向光

電效應(yīng)器件,當(dāng)入射光點(diǎn)照在器件光敏面上時,激發(fā)光生

載流子而產(chǎn)生電流/,光生電流的大小與光點(diǎn)的大小無關(guān)

只和光點(diǎn)在器件上的位置有關(guān)系。當(dāng)光點(diǎn)位于器件中點(diǎn)

（原點(diǎn)）時,光生電流《=12,根據(jù)這一原理,將PSD器件兩

極電流，、右變換成電壓信號后再進(jìn)行差分運(yùn)算即可知道

光點(diǎn)的位置。PSD器件工作原理見圖（2-1）。

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】圖27PSD光電位置敏感

器件原理圖

1.通過基座上端圓形觀察孔觀察PSD器件及在基

座上的安裝位置,連接好PSD器件與處理電路，開啟儀器電源,輸出端Vo接電壓表,此時因無光源照射,PSD

前聚焦透鏡也無因光照射而形成的光點(diǎn)照射在PSD器件上,輸出的為環(huán)境光的噪聲電壓，試用一塊遮光

片將觀察圓孔蓋上，觀察光噪聲對輸出電壓的變化。

2.將激光器插頭插入“激光電源”插口，激光器安裝在基座圓孔中并固定。注意激光束照射到反射

面上時的情況，光束應(yīng)與反射面垂直。旋轉(zhuǎn)激光器角度，調(diào)節(jié)激光光點(diǎn)，（必要時也可調(diào)節(jié)PSD前的透

鏡）使光點(diǎn)盡可能集中在器件上。

3.仔細(xì)調(diào)節(jié)位移平臺，用電壓表觀察輸出電壓V。的變化，當(dāng)輸出為零時，再分別測兩路信號電

壓輸出端Voi、V02的電壓值，此時兩個信號電壓應(yīng)是基本一致的。

4.從原點(diǎn)開始，位移平臺分別向前和向后位移，因?yàn)镻SD器件對光點(diǎn)位置的變化非常敏感，故每次

螺旋測微儀旋轉(zhuǎn)5格（l/10mm），并將位移值（mm）與輸出電壓值（Vo）記錄列表，作出V/X曲線，求

出靈敏度S,S=AV/AX?根據(jù)曲線分析其線性。

5.在前幾步的基礎(chǔ)上調(diào)整位移平臺前后位置，使光點(diǎn)在平臺位移時均能照在PSD器件的光敏面上,

如位移范圍不夠則可將激光器在激光器座中的位置前后作些調(diào)整。

6.開啟激光電源，記錄下光點(diǎn)位移時Vo端的最大輸出值。

7.保持單元電路增益不變，將光源更換成激光教鞭或聚光小燈泡，記錄下不同光源照射時輸出端

的最大Vo值。

8.調(diào)節(jié)PSD入射光聚焦透鏡（或激光器調(diào)焦透鏡），使光斑放大，依次重復(fù)步驟5、6,觀察輸出

電壓的變化。

9.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出PSD器件光電特性的定性結(jié)論。

9

【數(shù)據(jù)處理】

位移

電壓

【注意事項(xiàng)】

實(shí)驗(yàn)中所用的固體激光器光點(diǎn)可調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)時請注意光束不要直接照射眼睛，否則有可能對視力造

成不可恢復(fù)的損傷。每一支激光器的光點(diǎn)和光強(qiáng)都略有差異，所以對同一PSD器件，光源不同時光生電

流的大小也是不一樣的。實(shí)驗(yàn)時背景光的影響也不可忽視，尤其是采用「I光燈照明時;或是儀器周圍有

物體移動造成光線反射發(fā)生變化時，都會造成PSD光生電流改變，致使單元V0輸出端電壓產(chǎn)生跳變，

這不是儀器的毛病。如實(shí)驗(yàn)時電壓信號輸出較小，則可調(diào)節(jié)一下激光器照射角度，使輸達(dá)到最大。

（陳偉編）

10

實(shí)驗(yàn)3熱釋電遠(yuǎn)紅外傳感器輻射特性實(shí)驗(yàn)

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1.掌握熱釋電紅外傳感器的工作原理。

2.掌握熱釋電紅外傳感器的輻射特性。

【實(shí)驗(yàn)儀器】

熱釋電紅外傳感器、慢速電機(jī)、熱釋電紅外探測電路單元、電加熱、菲涅爾透鏡、電壓表

【實(shí)驗(yàn)原理】

熱釋電紅外傳感器的具體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電路如圖（3-1）所示，主要由濾

光片、PZT熱電元件、結(jié)型場效應(yīng)管FET及電阻、二極管組成。其中濾

光片的光譜特性決定了熱釋電傳感器的工作范圍。本儀器所用的濾光片

對5〃機(jī)以下的光具有高反射率，而對于從人體發(fā)出的紅外熱源則有高

穿透性，傳感器接收到紅外能量信號后實(shí)現(xiàn)了“熱-電”的轉(zhuǎn)變，就有電

壓信號輸出。

圖37熱釋電紅外傳

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】感器結(jié)構(gòu)原理圖

1.將菲涅爾透鏡裝在熱釋電紅外傳感器探頭上，探頭方向?qū)?zhǔn)慢

速電機(jī)支座下透孔前的熱源方向，按圖標(biāo)符號將傳感器接入處理電路，接好發(fā)光二極管（顯示實(shí)驗(yàn)單元工

作狀態(tài)）。開啟電源，待電路輸出穩(wěn)定后開啟熱源，同時將慢速電機(jī)葉片撥開不使其擋住熱源透射孔。

2.隨著熱源溫度緩慢上升，觀察熱釋電紅外傳感器的Vo端輸出電壓變化情況?？梢钥闯鰝鞲衅鞑?/p>

不因?yàn)闊嵩礈囟壬仙兴磻?yīng)。

3.開啟慢速電機(jī)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速旋鈕，使電機(jī)葉片轉(zhuǎn)速盡量慢,不斷地將透熱孔開啟——遮擋。此時用電

壓表或示波器觀察輸出電壓端Vo就會發(fā)現(xiàn)輸出電壓也隨之變化。當(dāng)達(dá)到告警電壓時，則發(fā)光管閃亮。

4.將傳感器的安裝方向調(diào)整180°面對儀器前實(shí)驗(yàn)者，連接傳感器探頭與處理電路，輸出端Vo接

電壓表。

5.開啟電源，待電路穩(wěn)定后,實(shí)驗(yàn)者從探頭前經(jīng)過，移動速度從慢到快，距離從近到遠(yuǎn),觀察傳感器的

反應(yīng)，記錄下傳感器最大探測距離。

6.在探頭前裝上菲涅爾透鏡，重復(fù)步驟5,并嘗試在探頭的不同視場范圍進(jìn)入，記錄下裝透鏡后最大

的探測距離和探測角度。加深對菲涅爾透鏡作用的了解（實(shí)際應(yīng)用中，菲涅爾透鏡是必需的）。

【思考題】

逐步提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，葉片斷續(xù)熱源的頻率增高到一定程度時，傳感器又會出現(xiàn)無反應(yīng)

的情況，請分析這是什么原因造成的？（可結(jié)合熱釋電紅外傳感器工作電路原理分析）。

（陳偉編）

11

實(shí)驗(yàn)4電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1.了解電光效應(yīng)的原理；

2.掌握電光調(diào)制的方法；

3.了解電光調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。

【實(shí)驗(yàn)儀器】

DGT-1型電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀

【實(shí)驗(yàn)原理】

某些晶體在外加電場的作用下，其折射率隨外加電場的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)，利用

這一效應(yīng)可以對透過介質(zhì)的光束進(jìn)行幅度、相位或頻率的調(diào)制，構(gòu)成電光調(diào)制器。電光效應(yīng)分為兩種類

型：

1.一級電光（泡克爾斯Pockels）效應(yīng)，介質(zhì)折射率變化正比于電場強(qiáng)度。

2.二級電光（克爾—Kerr）效應(yīng)，介質(zhì)折射率變化與電場強(qiáng)度的平方成正比。

本實(shí)驗(yàn)使用鋸酸鋰（LiNbO、）晶體作電光介質(zhì)，組成橫向調(diào)制（外加電場與光傳播方向垂直）的

一級電光效應(yīng)。

圖4-1橫向電光效應(yīng)示意圖

如圖4-1所示，入射光方向平行于晶體光軸（Z軸方向），在平行于X軸的外加電場（E）作用下，晶

體的主軸X軸和Y軸繞Z軸旋轉(zhuǎn)45。，形成新的主軸X'軸——Y軸（Z軸不變），它們的感生折射率差為Aw,

它正比于所施加的電場強(qiáng)度E：

式中r為與晶體結(jié)構(gòu)及溫度有關(guān)的參量，稱為電光系數(shù)。由為晶體對尋常光的折射率。

當(dāng)一束線偏振光從長度/、厚度為d的晶體中出射時，由于晶體折射率的差異而使光波經(jīng)晶體后出

射光的兩振動分量會產(chǎn)生附加的相位差6,它是外加電場E的函數(shù)：

式中4為入射光波的波長。

同時為測量方便起見，電場強(qiáng)度用晶體兩面極間的電壓來表示，即。=￡4。

12

當(dāng)相差b=萬時，所加電壓

U=U=-^-(4-2)

"2H0Vd

。.稱為半波電壓，它是一個用以表征電光調(diào)制電壓對相差影響的重要物理量。由(4-2)式可見,

半波電壓決定于入射光的波長X、晶體材料和它的幾何尺寸。由(4-1)、(4-2)式可得：

—+(4-3)

式中心為。=0時的相差值，它與晶體材料和切割的方式有關(guān)，對加工良好的純凈晶體而言心=0。

圖4-2電光調(diào)制器工作原理

由激光器發(fā)出的激光經(jīng)起偏器P后只透射光波中平行其透振方向的振動分量，當(dāng)該偏振光。垂直于

電光晶體的通光表面入射時，如將光束分解成兩個線偏振光，經(jīng)過晶體后其X分量與Y分量的相差為

S(U),然后光束再經(jīng)檢偏器A,產(chǎn)生光強(qiáng)為/4的出射光。當(dāng)起偏器與檢偏器的光軸正交(ALP)時，

根據(jù)偏振原理可求得輸出光強(qiáng)為：

/L/,sin2(2a)si響華](4-4)

式中a=%-&.,為P與X兩光軸間的夾角。

若取a=±45°,這時U對/，的調(diào)制作用最大，并且

.=.sin2y](4-5)

再由(4-3)式可得

/d=/pSin2[(g(*)](4-6)

于是可畫出輸出光強(qiáng)乙與相差b(或外加電壓U)的關(guān)系曲線，即b(U)或乙U如下：

13

圖4-3光強(qiáng)與相差（或電壓）間的關(guān)系

由此可見：當(dāng)6（。）=2左左（或。=2H/“）（左=0,±1,±2,...）時，//=（）；當(dāng)6（。）=2左左+1（或

。=（2左+1）力）時，（=/戶；當(dāng)3（。）為其它值時,乙在0。之間變化。

由于晶體受材料的缺陷和加工工藝的限制，光束通過晶體時還會受晶體的吸收和散射，使兩振動分

量傳播方向不完全重合，出射光截面也就不能重疊起來。

于是，即使在兩偏振光處于正交狀態(tài)，且在a=%-4.=±45°的條件下，當(dāng)外加電壓U=0時，

透射光強(qiáng)卻不為0,即乙二乙皿，。；當(dāng)。=。.時，透射光強(qiáng)也不為即乙=/maxH。。

由此需要引入另外兩個特征參量：消光比“=/max〃min及透射率7=/峰//0,其中A）為移去電光

晶體后轉(zhuǎn)動檢偏器A得到的輸出光強(qiáng)最大值。M愈大，T愈接近于1,表示晶體的電光性能愈佳。半波電

壓U.、消光比M,透光率T是表征電光介質(zhì)品質(zhì)的三個特征參量。

從圖4-3可見，相差在5=2萬（或U=U"2）附近時，光強(qiáng)（與相差b（或電壓U）呈線性關(guān)系，

故從調(diào)制的實(shí)際意義上來說，電光調(diào)制器的工作點(diǎn)通常就選在該處附近。圖4-4為外加偏置直流電壓與交

變電信號時光強(qiáng)調(diào)制的輸出波形圖。

圖4-4選擇不同工作點(diǎn)時的輸出波形

由圖14-4可見：選擇工作點(diǎn)②（U=UJ2）,輸出波形最大且不失真；選擇工作點(diǎn)①（U=0）或③

（U=U輸出波形小且嚴(yán)重失真，同時輸出信號的頻率為調(diào)制頻率的兩倍。

工作點(diǎn)的偏置可通過在光路中插入一個“4波片其透光軸平行于電光晶體X軸（相當(dāng)于附加一個固

定相差5=萬/2）作為“光偏置”。但也可以加直流電壓來實(shí)現(xiàn)。

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】

14

（一）實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備

電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4-5所示:

圖4-5電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.按圖4-5的結(jié)構(gòu)圖先在光具座上垂直放置好激光器和光電接收器。

2.按系統(tǒng)連接方法將激光器、電光調(diào)制器、光電接收器等器件連接到位。（預(yù)先將光敏接收孔蓋上）

3.光路準(zhǔn)直：打開激光電源，調(diào)節(jié)激光電位器使激光束足夠強(qiáng)。準(zhǔn)直調(diào)整時先將激光器沿導(dǎo)軌推近

接收器，調(diào)節(jié)激光器架上的三只夾持螺釘使激光束基本保持水平，并使激光束的光點(diǎn)落在接收器的塑蓋

中心點(diǎn)上，然后將激光器遠(yuǎn)離接收器（移至導(dǎo)軌的另一端）；再次調(diào)節(jié)后面的夾持螺釘，使光點(diǎn)仍保持在

塑蓋中心點(diǎn)上，此后激光器與接收器的位置不宜再動。

4.插入起偏器（P）,調(diào)節(jié)起偏器的鏡片架轉(zhuǎn)角，使其透光軸與垂直方向成％=45°角（&=0。）。

5.將調(diào)制監(jiān)視與解調(diào)監(jiān)視輸出分別與雙蹤示波器的Yi、Y”輸入相連，打開主控單元的電源，此時

在接收器塑蓋中心點(diǎn)應(yīng)出現(xiàn)光點(diǎn)（去除蓋子則光強(qiáng)指示表應(yīng)有讀數(shù)）。插入檢偏器（A）轉(zhuǎn)動檢偏器，

使激光點(diǎn)消失，光強(qiáng)指示近于0,表示此時檢偏器與起偏器的光軸已處于正交狀態(tài)（P_LN）,即2=45°。

6.使電光晶體按標(biāo)記線向上插入鏡片架中，并用兩螺絲釘將定位壓環(huán)予以固定，然后將鏡片架插入

光具座，旋轉(zhuǎn)鏡片架至0刻度線即可使晶體的X軸處在鉛直方向，再適當(dāng)調(diào)節(jié)光源位置，務(wù)使激光束正射

透過，這時%-。=45。，此時光強(qiáng)應(yīng)近于0（或最?。?。如不為0,可調(diào)節(jié)激光電位器使其近于0。

7.去除接收孔塑蓋，打開主控單元的晶體偏壓電源開關(guān)，稍加偏壓，偏壓指示表與光強(qiáng)指示表均呈

現(xiàn)一定值。

8.必要時插入調(diào)節(jié)光強(qiáng)大小用的減光器P1和作為光偏置的2/4波片構(gòu)成完整的光路系統(tǒng)。

（二）觀察電光調(diào)制現(xiàn)象

1.改變晶體偏壓，觀察輸出光強(qiáng)指示的變化。

2.改變晶體極性，觀察輸出光強(qiáng)指示的變化。

3.打開調(diào)制加載開關(guān)，適當(dāng)調(diào)節(jié)調(diào)制幅度，使雙蹤示波器上呈現(xiàn)調(diào)制信號（YQ與解調(diào)輸出波形

（Yu）o

4.插入〃4波片并使其光軸平行于晶體X軸（相當(dāng)于加有“光偏置”）觀察光電調(diào)制現(xiàn)象。

（三）測量電光調(diào)制特性

1.作特性曲線

15

將直流偏壓加載到晶體上，從0到允許的最大正（負(fù)）偏壓值逐漸改變電壓（U）,測出對應(yīng)于每一

偏壓指示值的相對光強(qiáng)指示值，作右U曲線，得調(diào)制器靜態(tài)特性。其中光電流有極大值/max和極小值

1min°

2.測半波電壓

與7max對應(yīng)的偏壓U即為被測的半波電壓U.值。

3.計算電光晶體的消光比和透光率

由光電流的極大值、極小值得：

消光比A/=7max//min

將電光晶體從光路中取出，旋轉(zhuǎn)檢偏器A,測出最大光強(qiáng)值可計算：

透射率T='ax//。

4.電光調(diào)制與光通訊實(shí)驗(yàn)演示

將音頻信號（來自廣播收音機(jī)、錄音機(jī)、CD機(jī)等音源）輸入到本機(jī)的“外調(diào)輸入”插座，將揚(yáng)聲器

插入“調(diào)制輸出”插座，加晶體偏壓至調(diào)制特性曲線的線性區(qū)域，適當(dāng)調(diào)節(jié)調(diào)制幅度與解調(diào)幅度，即可

使揚(yáng)聲器播放出音響節(jié)目（示波器也可同時監(jiān)視）。改變偏壓試聽揚(yáng)聲器音量與音質(zhì)的變化。

【注意事項(xiàng)】

1.為防止強(qiáng)激光束長時間照射而導(dǎo)致光敏管疲勞或損壞，調(diào)節(jié)或使用好后應(yīng)隨即用塑蓋將光電接

收孔蓋好。

2.本實(shí)驗(yàn)使用的晶體根據(jù)其絕緣性能最大安全電壓約為510V左右，超值易損壞晶體。

3.加偏壓時應(yīng)從0V起逐漸緩慢增加至最大值，反極性時也應(yīng)先退回到0值后再升壓。

4.調(diào)節(jié)過程中應(yīng)避免激光直射人眼，以免對眼睛造成危害。

（陳偉編）

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實(shí)驗(yàn)5磁光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1.了解磁光效應(yīng)（磁旋轉(zhuǎn)法拉第效應(yīng)）；

2.掌握磁旋轉(zhuǎn)規(guī)律及應(yīng)用。

【實(shí)驗(yàn)儀器】

CGT—1型磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀

【實(shí)驗(yàn)原理】

1、磁光效應(yīng)

當(dāng)平面偏振光穿透某種介質(zhì)時，若在沿平行于光的傳播方向施加一磁場，光波的偏振面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，

實(shí)驗(yàn)表明其旋轉(zhuǎn)角。正比于外加的磁場強(qiáng)度8,這種現(xiàn)象稱為法拉第（Faraday）效應(yīng)，也稱磁致旋光效

應(yīng)，簡稱磁光效應(yīng)，即：

B=vlB（5-1）

式中/為光波在介質(zhì)中的路徑，丫為表征磁致旋光效應(yīng)特征的比例系數(shù)，稱為維爾德（Verdet）常數(shù)。

由于磁致旋光的偏振方向會使反射光引起的旋角加倍，而與光的傳播方向無關(guān)，利用這一特性在激

光技術(shù)中可制成具有光調(diào)制、光開關(guān)、光隔離、光偏轉(zhuǎn)等功能性磁光器件，其中磁光調(diào)制為其最典型的

一種。

如圖5-1所示，在磁光介質(zhì)的外圍加一個勵磁線圈就構(gòu)成基本的磁光調(diào)制器件。

激光光源起偏器P勵磁線圈檢偏器A

圖5-1磁光效應(yīng)示意圖

2、直流磁光調(diào)制

當(dāng)線偏振光平行于外磁場入射磁光介質(zhì)的表面時，偏振光的光強(qiáng)I可以分解成如圖5-2所示的左旋

圓偏振光〃和右旋圓偏振光/R（兩者旋轉(zhuǎn)方向相反）。由于介質(zhì)對兩者具有不同的折射率邊和阪，當(dāng)它

們穿過厚度為/的介質(zhì)后分別產(chǎn)生不同的相位差，體現(xiàn)在角位移上有：

八2萬,

八2兀,

OR=

式中X為光波波長。

因?yàn)楱D。=4+。，所以:

17

3=-（dL=—（5-2）

如折射率差（肛-〃J正比于磁場強(qiáng)度以即可得（1）式，并由e值與測得的8與/求出維爾德常數(shù)

VO

圖5-2入射光偏振面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動

1、交流磁光調(diào)制

用一交流電信號對勵磁線圈進(jìn)行激勵，使其對介質(zhì)產(chǎn)生一交變磁場，就組成了交流（信號）磁光調(diào)

制器（此時的勵磁線圖稱為調(diào)制線圈），在線圈未通電流并且不計光損耗的情況下，設(shè)起偏器P的線偏

振光振幅為4,則4可分解為4cosa及4sina兩垂直分量，其中只有平行于「平面的4cosa分

量才能通過檢偏器，故有輸出光強(qiáng)

22

I=（Aocosa）=Iocosa（馬呂斯定律）

其中為其振幅，。為起偏器P與檢偏器N主截面之間的夾角。

當(dāng)線圈通以交流電信號i=j°sin3時，設(shè)調(diào)制線圈產(chǎn)生的磁場為Bresin",則介質(zhì)相應(yīng)地會產(chǎn)

生旋轉(zhuǎn)角0=30sincot,則從檢偏器輸出的光強(qiáng)為：

2

/=/0cos（a+。）=g[1+cos2（a+。）]=g[1+cos2（a+縱sin（5-3）

由此可知光輸出可以是調(diào)制波的倍頻信號。

以上就是電信號致使入射光旋光角變化從而完成對輸出光強(qiáng)調(diào)制的基本原理。

4、磁光調(diào)制的基本參量

磁光調(diào)制的性能主要由以下兩個基本參量來描述。

（1）調(diào)制深度〃

I-I

n-max--------mm.（5-4）

/max+4i?

式中/，皿和/加"分別為調(diào)制輸出光強(qiáng)的最大值和最小值，在OWa+ew萬/2的條件下，參照圖5-3

應(yīng)用倍角公式，由（5-3）式得到在彳。時的輸出光強(qiáng)分別為：

/max=g[l+COS2（a—。）]

18