光源特性實(shí)驗(yàn)

光源輸出及測量試驗(yàn)?zāi)K介紹1、電源單元供給±5V電源通斷及指示的作用。2、負(fù)載電阻單元主要作為光探測器件的串接電阻用，限制電流的作用。3、LD/LED電流源主要是為LD以及LED供給恒定的電流，驅(qū)動光源發(fā)光。4、脈沖發(fā)生單元供給窄脈沖信號發(fā)生，脈沖寬度12ms—20ms連續(xù)可調(diào)。5、驅(qū)動調(diào)制單元用于脈沖信號或PWM信號的驅(qū)動放大。6、光源掌握單元全數(shù)字光源掌握單元，供給LED照度調(diào)整以及顏色切換掌握。三個掌握按鈕，“顏色切換”、“照度加”、“照度減”?！邦伾袚Q”按鈕，每按一次，切換一次顏色，長按則挨次依次切換顏“照度加”、“照度減”供給各顏色照度調(diào)整，長按“照度加”或者“照度減”按鈕超過兩秒鐘，則供給照度的加速調(diào)整。開機(jī)默認(rèn)顏色為白光。開機(jī)自檢三基色，分別為紅、綠、藍(lán)，對應(yīng)數(shù)碼管顯示“1”、“4”、“6”。LD/LED的工作原理及構(gòu)造認(rèn)知一、LD簡介1、激光器一般學(xué)問及工作原理激光器是使工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布產(chǎn)生受激輻射再利用諧振腔的正反響實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。激光，其英文LASER就是Light Amplification by StimulatedEmission of Radiation〔受激輻射的光放大〕的縮寫。激光的本質(zhì)是相干輻射與工作物質(zhì)的原子相互作用的結(jié)果Eu表示較高能級，El表示較低能級。原子射一個頻率為的光子，這過程稱自發(fā)輻射。

(Eu

E/h 〔式0-1〕l假設(shè)有能量為hv子在激發(fā)光子的刺激下，從高能級躍遷到低能級，并伴隨輻射一個頻率的光子，這過程稱受激輻射。

(Eu

E/h 〔式0-2〕l加，總的效果是入射光被衰減；反之，假設(shè)受激輻射超過受激吸取，則入射光被放大。實(shí)現(xiàn)受激輻射超過受激吸取的關(guān)鍵是維持工作物質(zhì)的原子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布分布就是工作物質(zhì)中處于高能級的原子多于處于低能級的原子是產(chǎn)生激光的必要條件。作物質(zhì)，實(shí)際上這是格外困難，甚至是不行能的。于是就想到了用光學(xué)諧振腔進(jìn)展光放大。所謂光學(xué)諧振腔，實(shí)際上是在激光器兩端，面對面地裝兩塊反射鏡，如以下圖所示：圖0-1光學(xué)諧振腔構(gòu)造圖可在工作介質(zhì)中屢次來回，設(shè)來回次數(shù)為m，則有效長度為：L為工作介質(zhì)的的實(shí)際長度。

Leff

2mL 〔m=1，2，3，4…〕 〔式0-3〕個激光器，m有一個確定的值?！草S線方向形成駐波的條件，這條件是：Lq

l或l2nL 〔式0-4〕2n q式中，為波長，n是工作介質(zhì)的折射率，q=1，2，3，4，…，為某一整數(shù)，為駐波波幅的個數(shù)，它表征了腔內(nèi)縱向光場的分布，稱為激光的縱模，q=1稱單縱模激光器，q≥2稱多縱模激光器。每個駐波的頻率是不一樣的，第q個駐波的頻率由：，C=3*108m/s,為光速。

n qq

c2L 〔式0-5〕帶中不同能級之間電子的躍遷會產(chǎn)生很多不同波長的光波光器工作物質(zhì)的縱向長度L。多縱模激光器輸出q個波長的光，但幅度不一樣，幅度最大的稱為主模，其余的稱為邊模。2、半導(dǎo)體激光器的構(gòu)造激光器通常由激活介質(zhì)〔工作物質(zhì)〕、泵浦〔鼓勵源〕和諧振腔三局部構(gòu)成。態(tài)擴(kuò)展成能級連續(xù)分布的能帶，如以下圖〔a〕所示，能量低的能帶稱為價帶，能量高的能帶Eu和價帶頂?shù)哪芰縀l導(dǎo)體材料有不同的帶隙。本征半導(dǎo)體中導(dǎo)帶和價帶被電子和空穴占據(jù)的幾率是一樣的，N型半導(dǎo)體導(dǎo)帶被電子占據(jù)的幾率大，P型半導(dǎo)體價帶被空穴占據(jù)的幾率大。如以下圖〔b〕〔c〕所示。圖0-2半導(dǎo)體激光器的電子和空穴分布三層不同類型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，中間層通常為厚度為0.1～0.3μm的窄帶隙P型半導(dǎo)體，稱為N型和P型半導(dǎo)體，稱為限制層。具有不同帶隙寬度的兩種半導(dǎo)體單晶之間的構(gòu)造稱為異質(zhì)結(jié)N層之間形成的是P-N異質(zhì)結(jié)，而與左側(cè)的P層之間形成的是P-P異質(zhì)結(jié)，故這種構(gòu)造又稱N-P-P雙異質(zhì)構(gòu)造，簡稱DH構(gòu)造。圖0-3半導(dǎo)體激光器的根本構(gòu)造NP于左側(cè)的P層帶隙寬，導(dǎo)帶的能態(tài)比有源層高，對注入電子形成了勢壘，注入到有源層的電子不行能集中到PN的電子和空穴被限制在0.1～0.3μm的有源層內(nèi)，形成了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。前后兩個晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成諧振腔。的激發(fā)光子誘發(fā)更強(qiáng)的受激輻射。二、LED簡介1、發(fā)光二極管的構(gòu)造發(fā)光二極管〔lightemissiondiode LED〕，它的根本構(gòu)造是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個有引線的架子上然后四周用環(huán)氧樹脂密封即固體封裝能起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。發(fā)光二極管的核心局部是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為P-N結(jié)。圖0-4邊放射LED構(gòu)造截面圖0-4顯示了LED的構(gòu)造截面圖。要使LED發(fā)光，有源層的半導(dǎo)體材料必需是直接帶隙材料，承受雙異質(zhì)結(jié)〔DH〕構(gòu)造。2、半導(dǎo)體發(fā)光二極管工作原理一般的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，多以Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體為材料。這些材料的發(fā)光范圍由紅光到紫外線，目前紅光的材料主要有AlGaInP，而藍(lán)綠光及紫外線的主要材料則有AlGaInN。雖然Ⅱ-Ⅵ族材料也可以得到紅光和綠光，但是這族材料極為不穩(wěn)定，所以目前使用的發(fā)光材料大局部是Ⅲ-Ⅴ族。半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)是在半導(dǎo)體P-N表的指示器、光電耦合器和光學(xué)儀器的光源等領(lǐng)域。2.1發(fā)光二極管的發(fā)光機(jī)理2.2.1P-N結(jié)電子注入發(fā)光0-50-6表示P-N結(jié)兩端加未知電壓，構(gòu)成肯定的勢壘；當(dāng)加正向偏置時勢壘下降，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ郊?。由于電子遷移率μ比空穴遷移率大得多，消滅大量電子向P區(qū)集中，構(gòu)成對P區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價帶上的空穴復(fù)合，復(fù)合時得到的能量以光能的形式釋放。這就是P-N結(jié)發(fā)光的原理。圖0-5發(fā)光二極管電子空穴分布圖 0-6發(fā)光二極管PN結(jié)正向偏置發(fā)光的波長或頻率取決于選用的半導(dǎo)體材料的能隙Eg。Eg的單位為電子伏〔eV〕，g

hc/g

〔式0-6〕 1240/E 〔式0-7〕g g發(fā)光二極管便是這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管向工作狀態(tài)時〔即兩端加上正向電壓〕，LED陽極流向陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。假設(shè)能產(chǎn)生可見光〔波長在380nm紫光～780nm紅光〕，半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26～1.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光發(fā)光二極管，但其中藍(lán)光二極管本錢、價格很高，使用不普遍。率就低一些。下表列舉了常用半導(dǎo)體材料及其放射的光波波長等參數(shù)。0-1常用半導(dǎo)體材料及其放射的光波波長等參數(shù)2.1.2異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光為了提高載流子注入效率，可以承受異質(zhì)結(jié)。圖0-7表示未加偏置時的異質(zhì)結(jié)能級圖，對電子和空穴具有不同高度的勢壘。圖0-8表示加正向偏置后，這兩個勢壘均減小。但空壘的勢壘小得多，而且空穴不斷從P區(qū)向NN區(qū)的電子注入PNN型半導(dǎo)體能隙所打算的輻射。由于P區(qū)的能隙大，光輻射無法把點(diǎn)自己發(fā)到導(dǎo)帶，因此不發(fā)生光的吸取，從而可直接透射動身光二極管外，削減了光能的損失。圖0-7發(fā)光二極管異質(zhì)結(jié)能級圖 圖0-8發(fā)光二極管異質(zhì)結(jié)正向偏置成光子，輻射出光。一般半導(dǎo)體二極管注入的載流子構(gòu)成正向電流，應(yīng)嚴(yán)格加以區(qū)分。三、試驗(yàn)原理LD和一般二極管一樣都是半導(dǎo)體光電子器件，其核心局部都是PNLD也具有與一般二極管相類似的V-I1-11-2V-I曲線我們可以計(jì)算出LD總的串聯(lián)電阻R和開門電壓VT。圖1-1LD輸出V-I特性曲線 圖1-2 V-I特性測量原理LED是一個由半導(dǎo)體無機(jī)材料構(gòu)成的單極性PNPN結(jié)二極管中的一-LED電特性參數(shù)包括正向電流IfVf、反向電流Ir和反向電壓Vr，LEDLED電特性的測試可以獲得LED的最大允許正向電壓、正向電流及反向電壓、電流，此外也可以LED的最正確工作電功率。LED電特性的測試一般利用相應(yīng)的恒流恒壓源供電下利用電2-2LEDV-I特性曲線。圖2-1 LED輸出V-I特性曲線 圖2-2 V-I特性測量原理LED的正向壓降較大，并在正向壓Vf降到達(dá)肯定值時發(fā)光，由V-I曲線我們可以計(jì)算出LD/LED的串聯(lián)電阻R和開門電壓VT。發(fā)光顏色和構(gòu)成PN向飽和。另外，隨結(jié)溫的上升，LED的發(fā)光亮度將會減弱。試驗(yàn)一LD的V-I特性曲線測試一、試驗(yàn)?zāi)康?、了解半導(dǎo)體激光器的根本工作原理，把握其使用方法；2、學(xué)習(xí)測量LD半導(dǎo)體激光器電壓－電流〔V-I〕特性曲線的方法。二、試驗(yàn)內(nèi)容測試LD半導(dǎo)體激光器電壓－電流〔V-I〕特性曲線三、試驗(yàn)儀器光電技術(shù)創(chuàng)綜合試驗(yàn)系統(tǒng)一臺光源輸出及測量試驗(yàn)?zāi)K一塊萬用表一塊連接導(dǎo)線假設(shè)干四、試驗(yàn)留意事項(xiàng)1〕靜電很簡潔導(dǎo)致激光器和發(fā)光二極管老化，試驗(yàn)時請佩戴防靜電手腕帶，不要用手直接接觸發(fā)光二極管引腳以及與發(fā)光二極管連接的任何固定件、測試點(diǎn)和線路，以免損壞器件。2〕嚴(yán)禁將任何電源對地短路。通電之前，確保W1〔電壓調(diào)整〕旋鈕在最小值位置，這樣可防止沖擊電流損壞LD。嚴(yán)格依據(jù)指導(dǎo)書操作試驗(yàn)，消滅任何特別狀況，請馬上關(guān)機(jī)斷電，并請相關(guān)教師加以指導(dǎo)五、試驗(yàn)裝置及步驟1“LD+”，將其黑色插孔連接至模塊的“LD-”。將萬〔V檔LDLD〔m1m”等效“1mA”〕的紅表筆連接至J11〔MT+〕，黑表筆連接至J14〔MT-〕。2、將電流源的“電流調(diào)整”逆時針旋轉(zhuǎn)到最小。開啟電源，順時針緩慢調(diào)整“電流調(diào)整”，使工作電流由0mA2mA記錄LD〔萬用表〔萬用表LD的V-I曲線。表1-1 LD的V-I特性曲線數(shù)據(jù)記錄表3、試驗(yàn)完畢，將“電流調(diào)整”逆時針旋轉(zhuǎn)到最小，關(guān)閉電源開關(guān)。六、試驗(yàn)報(bào)告要求依據(jù)你的測量結(jié)果作出LD半導(dǎo)體激光器的V-I曲線，與圖1-1比照。試驗(yàn)二LED的V-I特性曲線測試一、試驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)測量LED發(fā)光二極管的電壓－電流〔V-I〕特性曲線的方法；2、了解LED發(fā)光二極管的根本工作特性。二、試驗(yàn)內(nèi)容測試LED發(fā)光二極管的電壓－電流〔V-I〕特性曲線三、試驗(yàn)儀器光電技術(shù)創(chuàng)綜合試驗(yàn)系統(tǒng)一臺光源輸出及測量試驗(yàn)?zāi)K一塊萬用表一塊連接導(dǎo)線假設(shè)干四、試驗(yàn)留意事項(xiàng)1〕靜電很簡潔導(dǎo)致激光器和發(fā)光二極管老化，試驗(yàn)時請佩戴防靜電手腕帶，不要用手直接接觸發(fā)光二極管引腳以及與發(fā)光二極管連接的任何固定件、測試點(diǎn)和線路，以免損壞器件。2〕嚴(yán)禁將任何電源對地短路。通電之前，確保W1〔電壓調(diào)整〕旋鈕在最小值位置，這樣可防止沖擊電流損壞LED。嚴(yán)格依據(jù)指導(dǎo)書操作試驗(yàn)，消滅任何特別狀況，請馬上關(guān)機(jī)斷電，并請相關(guān)教師加以指導(dǎo)五、試驗(yàn)裝置及步驟1、將紅外發(fā)光二極管套筒的紅色插孔連接至模塊的“LED+”，將其黑色插孔連接至模塊的“LED-”。將萬用表1〔“V檔”〕的紅表筆連接至“LED+”，黑表筆連接至“