紅外物理特性及應用實驗

紅外物理特性及應用實驗波長范圍在0.75~1000微米的電磁波稱為紅外波，對紅外頻譜的研究歷來是基礎研究的重要組成部分。對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，旋轉的能級結構，并成為材料分析的重要工具。對紅外材料的性質，如吸收、發(fā)射、反射率、折射率、電光系數(shù)等參數(shù)的研究，為它們在各個領域的應用研究奠定了基礎?！緦嶒災康摹苛私饧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?！緦嶒炘怼?、紅外通信在現(xiàn)代通信技術中，為了避免信號互相干擾，提高通信質量與通信容量，通常用信號對載波進行調制，用載波傳輸信號，在接收端再將需要的信號解調還原出來。不管用什么方式調制，調制后的載波要占用一定的頻帶寬度，如音頻信號要占用幾千赫茲的帶寬，模擬電視信號要占用8兆赫茲的帶寬。載波的頻率間隔若小于信號帶寬，則不同信號間要互相干擾。能夠用作無線電通信的頻率資源非常有限，國際國內都對通信頻率進行統(tǒng)一規(guī)劃和管理，仍難以滿足日益增長的信息需求。通信容量與所用載波頻率成正比，與波長成反比，目前微波波長能做到厘米量級，在開發(fā)應用毫米波和亞毫米波時遇到了困難。紅外波長比微波短得多，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|可以是光纖或空間，本實驗采用空間傳輸。2、紅外材料光在光學介質中傳播時，由于材料的吸收，散射，會使光波在傳播過程中逐漸衰減，對于確定的介質，光的衰減dI與材料的衰減系數(shù)α，光強I，傳播距離dx成正比：（1）對上式積分，可得：（2）上式中L為材料的厚度。材料的衰減系數(shù)是由材料本身的結構及性質決定的，不同的波長衰減系數(shù)不同。普通的光學材料由于在紅外波段衰減較大，通常并不適用于紅外波段。常用的紅外光學材料包括：石英晶體及石英玻璃，半導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表面會反射，入射角為零或入射角很小時反射率：（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，材料在不同波長的折射率不同。折射率與衰減系數(shù)是表征材料光學特性的最基本參數(shù)。由于材料通常有兩個界面，測量到的反射與透射光強是在兩界面間反射的多個光束的疊加效果，如圖1所示。反射光強與入射光強之比為：（4）透射光強與入射光強之比為：（5）原則上，測量出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。對于衰減可忽略不計的紅外光學材料，α=0，e–αL=1，此時，由（4）式可解出：（6）對于衰減較大的非紅外光學材料，可以認為多次反射的光線經(jīng)材料衰減后光強度接近零，對圖1中的反射光線與透射光線都可只取第一項，此時：（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）很多紅外光學材料的折射率較大，在空氣與紅外材料的界面會產(chǎn)生嚴重的反射。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，通常在光學元件表面鍍上一層或多層增透膜來提高光學元件的透過率。3、發(fā)光二極管紅外通信的光源為半導體激光器或發(fā)光二極管，本實驗采用發(fā)光二極管。發(fā)光二極管是由P型和N型半導體組成的二極管。P型半導體中有相當數(shù)量的空穴，幾乎沒有自由電子。N型半導體中有相當數(shù)量的自由電子，幾乎沒有空穴。當兩種半導體結合在一起形成P-N結時，N區(qū)的電子（帶負電）向P區(qū)擴散，P區(qū)的空穴（帶正電）向N區(qū)擴散，在P-N結附近形成空間電荷區(qū)與勢壘電場。勢壘電場會使載流子向擴散的反方向作漂移運動，最終擴散與漂移達到平衡，使流過P-N結的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內，P區(qū)的空穴被來自N區(qū)的電子復合，N 區(qū)的電子被來自P區(qū)的空穴復合，使該區(qū)內幾乎沒有能導電的載流子，又稱為結區(qū)或耗盡區(qū)。當加上與勢壘電場方向相反的正向偏壓時，結區(qū)變窄，在外電場作用下，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子就向對方擴散運動，從而在PN結附近產(chǎn)生電子與空穴的復合，并以熱能或光能的形式釋放能量。采用適當?shù)牟牧?，使復合能量以發(fā)射光子的形式釋放，就構成發(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。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動電流近似呈線性關系。這是因為：驅動電流與注入PN結的電荷數(shù)成正比，在復合發(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)射強度隨發(fā)射方向而異。方向的特性如圖5，圖5的發(fā)射強度是以最大值為基準，當方向角度為零度時，其發(fā)射強度定義為100％。當方向角度增大時，其放射強度相對減口（在所有的實驗進行中，都不取下發(fā)射管和接收管），二者相對放置，通電。連接電壓源輸出到發(fā)射模塊信號輸入端2，向發(fā)射管輸入直流信號。將發(fā)射系統(tǒng)顯示窗口設置為“電壓源”。接收系統(tǒng)顯示窗口設置為“光功率計”。在電壓源輸出為0時，若光功率計顯示不為0，即為背景光干擾或0點誤差，記下此時顯示的背景值，以后的光強測量數(shù)據(jù)應是顯示值減去該背景值。調節(jié)電壓源，使初始光強I0>4mW，微調接收器受光方向，使顯示值最大。按照表1樣品編號安裝樣品（樣品測試鏡厚度都為2㎜），測量透射光強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，微調樣品入射角與接收器方位，使接收到的反射光最強，測量反射光強IR。將測量數(shù)據(jù)記入表1中。表1部分材料的紅外特性測量初始光強I0＝(mW)材料樣品厚度(mm)透射光強IT(mW)反射光強IR(mW)反射率R折射率n衰減系數(shù)α(/mm)測試鏡01測試鏡02測試鏡03 說明：1＃鏡片可見與紅外都透光，衰減可忽略不計（α=0）。2＃鏡片不透可見光，透紅外光，對紅外光的衰減可忽略不計。3＃鏡片對可見光有部分透過率，對紅外光衰減嚴重。對衰減可忽略不計的紅外光學材料，用（6）式計算反射率，（9）式計算折射率。 對衰減嚴重的材料，用（7）式計算反射率，（8）式計算衰減系數(shù)，（9）式計算折射率。發(fā)光二極管的伏安特性與輸出特性測量將紅外發(fā)射器與接收器相對放置，連接電壓源輸出到發(fā)射模塊信號輸入端2，微調接收端受光方向，使顯示值最大。將發(fā)射系統(tǒng)顯示窗口設置為“發(fā)射電流”，接收系統(tǒng)顯示窗口設置為“光功率計”。調節(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)射電流對應的發(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：儀器實際顯示值可能無法精確的調節(jié)到表2中設定值，應按實際調節(jié)的發(fā)射電流數(shù)值為準）表2發(fā)光二極管伏安特性與輸出特性測量正向偏壓(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)光管的角度特性測量將紅外發(fā)射器與接收器相對放置，固定接收器。將發(fā)射系統(tǒng)顯示窗口設置為“電壓源”，將接收系統(tǒng)顯示窗口設置為“光功率計”。連接電壓源輸出到發(fā)射模塊信號輸入端2，微調接收端受光方向，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為0°，記錄此時的光功率，以順時針方向（作為正角度方向）每隔5°（也可以根據(jù)需要調整角度間隔）記錄一次光功率，填入表3中。再以逆時針方向（作為負角度方向）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量轉動角度-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，光強為縱坐標，作紅外發(fā)光二極管發(fā)射光強和角度之間的關系曲線，并得出方向半值角（光強超過最大光強60％以上的角度）。光電二極管伏安特性的測量連接方式同實驗2。調節(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。調節(jié)接收裝置的反向偏壓調節(jié)，在不同輸入光功率時，切換顯示狀態(tài)，分別測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。音頻信號傳輸實驗將發(fā)射裝置“音頻信號輸出”接入發(fā)射模塊信號輸入端；將接收裝置“接收信號輸出”端接入音頻模塊音頻信號輸入端。傾聽音頻模塊播放出來的音樂。定性觀察位置沒對正，衰減，遮擋等外界因素對傳輸?shù)挠绊憽?shù)字信號傳輸實驗若需傳輸?shù)男盘柋旧硎菙?shù)字形式，或將模擬信號數(shù)字化（模數(shù)轉換）后進行傳輸，稱為數(shù)字信號傳輸，數(shù)字傳輸具有抗干擾能力強，傳輸質量高；易于進行加密和解密，保密性強；可以通過時分復用提高信道利用率；便于建立綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)等優(yōu)點，是今后通信業(yè)務的發(fā)展方向。本實驗用編碼器發(fā)送二進制數(shù)字信號（地址和數(shù)據(jù)），并用數(shù)碼管