紅外物理特性及應(yīng)用實驗講義

1、紅外物理特性及應(yīng)用實驗波長范圍在0.751000微米的電磁波稱為紅外波，對紅外頻譜的研究歷來是基礎(chǔ)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(zhuǎn)的能級結(jié)構(gòu)，并成為材料分析的重要工具。對紅外材料的性質(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，為它們在各個領(lǐng)域的應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)?！緦嶒?zāi)康摹?、 了解紅外通信的原理及基本特性。2、 了解部分材料的紅外特性。3、 了解紅外發(fā)射管的伏安特性，電光轉(zhuǎn)換特性。4、 了解紅外發(fā)射管的角度特性。5、 了解紅外接收管的伏安特性。【實驗原理】1、紅外通信在現(xiàn)代通信技術(shù)中，為了避免信號互相干擾，提高通信質(zhì)量與通信容量

2、，通常用信號對載波進行調(diào)制，用載波傳輸信號，在接收端再將需要的信號解調(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(nèi)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(yīng)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?/p>

3、質(zhì)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(xué)介質(zhì)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(zhì)，光的衰減dI與材料的衰減系數(shù) ，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(jié)構(gòu)及性質(zhì)決定的，不同的波長衰減系數(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)表面會反射

4、，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(xué)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。下面討論兩種特殊情況下求R與 。對于衰減可忽略不計的紅外光學(xué)材料， =0，e L =1，此時，由（4）式可解出： （6）對于衰減較大的非紅外光學(xué)材料，可以認為多次反射的光線經(jīng)材料衰減后光強

5、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(xué)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(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，本實驗采用發(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

6、半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成P-N結(jié)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(jié)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(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)加上與勢壘電場方向相反的正向偏壓時，結(jié)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?qū)Ψ綌U散運動，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

7、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(qū)動電流近似呈線性關(guān)系。這是因為：驅(qū)動電流與注入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(zhǔn)，當(dāng)方向角度為零度時，其發(fā)射強度定義為100。當(dāng)方向角度增大時，其放射強度相對減少，發(fā)射強度如由光軸取其方向角度一半時，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

8、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4、光電二極管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)，反向偏壓電場方向與勢壘電場方向一致，使結(jié)區(qū)變寬，無光照時只有很小的暗電流。當(dāng)PN結(jié)受光照射時，價電子吸收光能后掙脫價

9、鍵的束縛成為自由電子，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子空穴對，在電場作用下，電子向N區(qū)運動，空穴向P區(qū)運動，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，在較低反向電壓下光電流隨反向電壓的增加有一定升高，這是因為反向偏壓增加使結(jié)區(qū)變寬，結(jié)電場增強，提高了光生載流子的收集效率。當(dāng)反向偏壓進一步增加時，光生載流子的收集接近極限，

10、光電流趨于飽和，此時，光電流僅取決于入射光功率。在適當(dāng)?shù)姆聪蚱秒妷合拢肷涔夤β逝c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。5、光源的調(diào)制對光源的調(diào)制可以采用內(nèi)調(diào)制或外調(diào)制。內(nèi)調(diào)制用信號直接控制光源的電流，使光源的發(fā)光強度隨外加信號變化，內(nèi)調(diào)制易于實現(xiàn)，一般用于中低速傳輸系統(tǒng)。外調(diào)制時光源輸出功率恒定，利用光通過介質(zhì)時的電光效應(yīng)，聲光效應(yīng)或磁光效應(yīng)實現(xiàn)信號對光強的調(diào)制，一般用于高速傳輸系統(tǒng)。本實驗采用內(nèi)調(diào)制。圖8是簡單的調(diào)制電路。調(diào)制信號耦合

11、到晶體管基極，晶體管作共發(fā)射極連接，流過發(fā)光二極管的集電極電流由基極電流控制，R1，R2提供直流偏置電流。圖9是調(diào)制原理圖，由圖9可見，由于光源的輸出光功率與驅(qū)動電流是線性關(guān)系，在適當(dāng)?shù)闹绷髌孟拢S調(diào)制信號變化的電流變化由發(fā)光二極管轉(zhuǎn)換成了相應(yīng)的光輸出功率變化。6、副載波調(diào)制由需要傳輸?shù)男盘栔苯訉庠催M行調(diào)制，稱為基帶調(diào)制。在某些應(yīng)用場合，例如有線電視需要在同一根光纖上同時傳輸多路電視信號，此時可用N個基帶信號對頻率為f1，f2fN的N個副載波頻率進行調(diào)制，將已調(diào)制的N個副載波合成一個頻分復(fù)用信號，驅(qū)動發(fā)光二極管。在接收端，由光電二極管還原頻分復(fù)用信號，再由帶通濾波器分離出副載波，解調(diào)后得到

12、需要的基帶信號。對副載波的調(diào)制可采用調(diào)幅，調(diào)頻等不同方法。調(diào)頻具有抗干擾能力強，信號失真小的優(yōu)點，本實驗采用調(diào)頻法。圖10是副載波調(diào)制傳輸框圖。如果載波的瞬時頻率偏移隨調(diào)制信號m(t)線性變化，即： （10）則稱為調(diào)頻，kf是調(diào)頻系數(shù)，代表頻率調(diào)制的靈敏度，單位為2赫茲/伏。調(diào)頻信號可寫成下列一般形式： （11）式中為載波的角頻率，為調(diào)頻信號的瞬時相位偏移。下面考慮兩種特殊情況：假設(shè)m(t)為電壓為V的直流信號，則（11）式可以寫為： （12）（12）式表明直流信號調(diào)制后的載波仍為余弦波，但角頻率偏移了。假設(shè)m(t)=Ucost，則（11）式可以寫為： （13）可以證明，已調(diào)信號包括載頻分量和

13、若干個邊頻分量±n，邊頻分量的頻率間隔為。任意信號可以分解為直流分量與若干余弦信號的疊加，則（12），（13）兩式可以幫助理解一般情況下調(diào)頻信號的特征。【實驗儀器】圖11 實驗系統(tǒng)組成框圖整套實驗系統(tǒng)由紅外發(fā)射裝置、紅外接收裝置、測試平臺（軌道）以及測試鏡片組成。圖11中，紅外發(fā)射裝置產(chǎn)生的各種信號，通過發(fā)射管發(fā)射出去。發(fā)出的信號通過空氣傳輸或者經(jīng)過測試鏡片后，由接收管將信號傳送到紅外接收裝置。接收裝置將信號處理后，通過儀器面板顯示或者示波器觀察傳輸后的各種信號。測試鏡架的“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。信號發(fā)生器可以根據(jù)實驗需要提供各種信號，示波器用于觀

14、測各種信號波形經(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?！緦嶒瀮?nèi)容和步驟】1、 部分材料的紅外特性測量將紅外發(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（注意按極性連接），向發(fā)射管輸入直流信號。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”。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(yīng)是顯示值減去該背景值。調(diào)節(jié)電壓源，

15、使初始光強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(diào)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3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)(/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（ = 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

16、衰減嚴重。對衰減可忽略不計的紅外光學(xué)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。2、 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（注意按極性連接），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”。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：

17、儀器實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。3、 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(shè)置為“電壓源”，將接收系統(tǒng)顯示窗口設(shè)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(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為0°，記

18、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(diào)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(zhuǎn)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(biāo)，光強為縱坐標(biāo)，作紅外發(fā)光二極管發(fā)射光強和角度之間的關(guān)系曲線，并得出方向半值角（光強超過最大光強6

19、0以上的角度）。4、 光電二極管伏安特性的測量連接方式同實驗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3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，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(A)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。5、 基帶調(diào)制傳輸實驗發(fā)射管和接收管的連接方式不變。將信號發(fā)生器信號輸出接入發(fā)射裝置信號輸入端1，要求信號頻率低于100KHz。將電壓源輸出連接到發(fā)射模塊信號輸入端

20、2（注意按極性連接），調(diào)節(jié)電壓源為2.5V，以提供直流偏置。將發(fā)射裝置信號輸入觀測點接入雙蹤示波器的其中一路，觀測輸入信號波形。將接收裝置信號輸出端的觀測點接入雙蹤示波器的另一路，觀測經(jīng)紅外傳輸后接收模塊輸出的波形。觀測信號經(jīng)紅外傳輸后，波形是否失真，頻率有無變化，記入表5中。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出幅度，當(dāng)幅度超過一定值后，可觀測到接收信號明顯失真（參見圖9），記錄信號不失真對應(yīng)的輸入電壓范圍于表5中。轉(zhuǎn)動接收器角度以改變接收到的光強，或在紅外傳輸光路中插入衰減板，用遮擋物遮擋，觀測對輸出的影響，記入表5中。表5 基帶調(diào)制傳輸實驗發(fā)光二極管調(diào)制電路輸入信號光電二極管光電轉(zhuǎn)換電路輸出信號波形頻率(k

21、Hz)不失真輸入電壓范圍波形頻率(kHz)信號失真度描述衰減對輸出的影響正弦波方波對表5結(jié)果作定性討論。6、 副載波調(diào)制傳輸實驗(1)觀測調(diào)頻電路的電壓頻率關(guān)系將發(fā)射裝置中的電壓源輸出接入V-F變換模塊的V信號輸入，用直流信號作調(diào)制信號。根據(jù)調(diào)頻原理，直流信號調(diào)制后的載波角頻率偏移。將F信號輸出的“頻率測量”接入示波器，觀測輸入電壓與F信號輸出頻率之間的V-F變換關(guān)系。調(diào)節(jié)電壓源，通過在示波器上讀輸出信號的周期來換算成頻率（也可以直接用頻率計讀頻率）。將輸出頻率fV隨電壓的變化記入表6中。表6 調(diào)頻電路的f-V關(guān)系輸入電壓(V)00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0輸出

22、頻率fV(kHz)以輸入電壓作橫坐標(biāo)，輸出角頻率V =2fV為縱坐標(biāo)在坐標(biāo)紙上作圖。直線的斜率為調(diào)頻系數(shù)，求出。(2)副載波調(diào)制傳輸實驗通過信號發(fā)生器，將頻率約為1KHz，幅度Vp-p小于5V的正弦信號接入發(fā)射裝置V-F變換模塊的外信號輸入端，再將V-F變換模塊F信號輸出接入發(fā)射模塊信號輸入端2，用副載波信號作發(fā)光二極管調(diào)制信號。此時接收裝置接收信號輸出端輸出的是經(jīng)光電二極管還原的副載波信號，將接收信號輸出接入F-V變換模塊F信號輸入端，在V信號輸出端輸出經(jīng)解調(diào)后的基帶信號。用示波器觀測基帶信號（將“外信號觀測”接入示波器），以及經(jīng)調(diào)頻，紅外傳輸后解調(diào)的基帶信號波形（F-V變換模塊的“觀測點”），傳輸后的頻率可以從F信號輸入的“頻率測量”處測得。將觀測情況記入表7中。表7