光电技术原理实验指导书V10.doc

1 内容简介内容简介 光电信息技术以其极快的响应速度 极宽的频宽 极大的信息容量以及极高的信息效率 和分辩率推动着现代信息技术的发展 从而使光电信息产业在市场的份额逐年增加 在技术 发达国家 与光电信息技术相关产业的产值已占国民经济总产值的一半以上 从业人员逐年 增多 竞争也越来越强烈 为适应形势的发展需求 不少高等学校相继增开设了光电信息类 专业或院系 以改变光电信息类人才短缺的现实 基于这样的形势 我司为满足所有学校新 增光电信息专业的教学需求 在参考了 光电技术与实验 北京理工大学出版 光电 技术 浙江大学出版 等教材后开发出本套适用于 光电技术 课程的实验仪器设备 来 提高我国光电信息人才的实际应用能力 本实验系统与理论紧密结合 注重实用 可作为测控技术与仪器 物理电子技术 仪器 仪表 自动控制 精密仪器及办公自动化等专业本科生 研究生和有关科技人员课堂实验和 研究 因时间仓促 书中有不当之处 殷切希望广大老师给予批评指正 2 目目 录录 实验一实验一 LD LED 的的 P I V 特性曲线测试特性曲线测试 4 实验二实验二 光电探测原理实验光电探测原理实验 13 光电探测原理实验仪说明 13 实验指南 15 实验 一 光照度测试实验 15 实验 二 光敏电阻特性测试实验单元 18 实验 三 光电二极管特性测试实验单元 24 实验 四 光电三极管特性测试实验单元 32 实验 五 光电池特性测试实验单元 37 实验三实验三 光电探测器直流特性测试光电探测器直流特性测试 44 实验四实验四 光纤端面处理 耦合及熔接光纤端面处理 耦合及熔接 48 实验五实验五 光纤衰减光纤衰减系系数的测试数的测试 54 实验六实验六 光电倍增管特性参数的测试光电倍增管特性参数的测试 58 实验七实验七 CCD 原理及应用实验原理及应用实验 63 实验 一 CCD 驱动测试实验 64 实验 二 CCD 特性测试实验 70 实验 三 CCD 输出信号的二值化处理实验 72 实验 四 线阵 CCD 的 AD 数据采集 73 实验 五 线阵 CCD 软件二值化及物体宽度的测量 75 实验八实验八 电光调制电光调制 78 实验九实验九 红外光电检测创新实验平台红外光电检测创新实验平台 84 实验 一 主动式光电报警系统实验 85 实验 二 被动式光电报警系统实验 91 实验 三 锁相环实验 93 实验 四 主动式光电报警系统电路搭建实验 96 3 实验 五 被动式光电报警系统电路搭建实验 102 实验 六 锁相环电路搭建实验 105 实验十实验十 光电定向实验光电定向实验 108 实验十一实验十一 偏振光原理及应用实验偏振光原理及应用实验 119 实验 一 偏振光的产生与鉴别 120 实验 二 椭圆偏振光和圆偏振光 123 实验 三 测量布儒斯特角 128 光光 电电 技技 术术 原原 理理 130 ZY YSLD3125 型 LD 激光二极管 131 ZY YSLED3215 型 LED 发光二极管 133 ZY LDT 5412 型 LD LED 温控器 135 ZY GY 7A 型亮度可调卤素灯 136 ZY WDX 型棱镜单色仪 137 ZY WGD 3 型组合式多功能光栅光谱仪 147 ZY CJQ 型积分球 148 ZY AV33012 型光纤切割刀 150 ZY AV6491E 型光纤熔接机 153 ZY CFS 2 型光纤剥皮钳 157 ZY AD B FC 型裸纤转接器 158 ZY GT111 112 型四象限光电探测器 159 ZY606 型 LD LED 电流源 160 ZY 931A 型光电倍增管 163 ZY12208C 型电光调制器 165 4 实验一实验一 LD LED 的的 P I V 特性曲线测试特性曲线测试 一 实验目的一 实验目的 1 通过测量 LD 半导体激光器阈值电流 LED 发光二极管和 LD 半导体激光器的输出 功率 电流 P I 特性曲线和电压 电流 V I 特性曲线 计算阈值电流 Ith 和外微分 量子效率 从而对 LED 发光二极管和 LD 半导体激光器工作特性有个基本了解 2 了解温度 T 对阈值电流 Ith 和光功率 P 的影响 二 实验内容二 实验内容 1 测试 YSLED3215 型 LED 发光二极管的电压 电流 V I 特性曲线 2 测试 YSLED3215 型 LED 发光二极管的输出功率与电流 P I 特性曲线 3 测试 YSLD3125 型半导体激光器电压 电流 V I 特性曲线 4 测试 YSLD3125 型半导体激光器输出功率与电流 P I 特性曲线 5 测试 YSLD3125 型半导体激光器工作阈值电流 6 测试 LD 温度特性 三 实验仪器三 实验仪器 1 YSLD3125 型半导体激光二极管 带尾纤输出 FC 型接口 1 只 2 YSLED3215 型发光二极管 1 只 3 ZY606 LD LED 电流源 1 台 4 温控器 可选 1 台 5 光功率计 1 台 6 万用表 1 台 四 实验原理四 实验原理 1 激光器一般知识 激光器一般知识 激光器是使工作物质实现粒子数反转分布产生受激辐射 再利用谐振腔的正反馈 实现 光放大而产生激光振荡的 激光 其英文 LASER 就是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 受激辐射的光放大 的缩写 激光的本质是相干辐射与工作物质的原子相互作用的结果 尽管实际原子的能级是非常 复杂的 但与产生激光直接相关的主要是两个能级 设 Eu表示较高能级 El表示较低能级 原子能在高低能级间跃迁 在没有外界影响时 原子可自发的从高能级跃迁到低能级 并伴 随辐射一个频率为 hEE lu 的光子 这过程称自发辐射 若有能量为的光子作用于原子 会产生两个过程 一是原子吸收光子能量 lu EEh 从低能级跃迁到高能级 同时在低能级产生一个空穴 称为受激跃迁或受激吸收 此激发光 子消失 二是原子在激发光子的刺激下 从高能级跃迁到低能级 并伴随辐射一个频率 5 hEE lu 的光子 这过程称受激辐射 受激辐射激发光子不消失 而产生新光子 光子增加 而且产生的新光子与激发光子具 有相同的频率 相位和偏振态 并沿相同的方向传播 具有很好的相干性 这正是我们所需 要的 受激辐射和受激吸收总是同时存在的 如果受激吸收超过受激辐射 则光子数的减少多 于增加 总的效果是入射光被衰减 反之 如果受激辐射超过受激吸收 则入射光被放大 实现受激辐射超过受激吸收的关键是维持工作物质的原子粒子数反转分布 所谓粒子数反转 分布就是工作物质中处于高能级的原子多于处于低能级的原子 所以原子的粒子数反转分布 是产生激光的必要条件 实现粒子数反转可以使受激辐射超过受激吸收 光在工作介质中得到放大 产生激光 但工作介质的增益都不足够大 若使光单次通过工作介质而要产生较强度的光 就需要很长 的工作物质 实际上这是十分困难 甚至是不可能的 于是就想到了用光学谐振腔进行光放 大 所谓光学谐振腔 实际上是在激光器两端 面对面地装两块反射镜 如下图所示 图 1 光学谐振腔结构图 一块几乎全反射 一块为部分反射 激光可透过部分反射镜射出 被反射回到工作介质 的光 可在工作介质中多次往返 设往返次数为 m 则有效长度为 m 1 2 3 4 mLLeff2 L 为工作介质的的实际长度 由于谐振腔内工作介质存在吸收 反射镜存在透射和散射 而且只有沿轴线方向的光才 被放大 因此光受到一定损耗 当增益和损耗相当时 在谐振腔内建立起稳定的激光振荡 即一个激光器 m 有一个确定的值 谐振腔的另一个作用是选模 光在谐振腔内反射时 反射波将和入射波发生干涉 为了 能在腔内形成稳定的振荡 必须满足相干相长的条件 也就是沿腔的纵向 轴线方向 形成 驻波的条件 这条件是 或 n qL 2 q nL2 式中 为波长 n 是工作介质的折射率 q 1 2 3 4 为某一整数 为驻波波 幅的个数 它表征了腔内纵向光场的分布 称为激光的纵模 q 1 称单纵模激光器 q 2 称 多纵模激光器 每个驻波的频率是不一样的 第 q 个驻波的频率由 6 L c q q 2 为光速 smC 103 8 以上两式都说明 虽然由于导带和价带是由许多连续能级组成的有一定宽度的能带 两 个能带中不同能级之间电子的跃迁会产生许多不同波长的光波 但只有符合激光振荡的相位 条件的那些波长存在 不符合激光振荡的相位条件的那些波长的光将衰减掉 这些波长取决 于激光器工作物质的纵向长度 L 多纵模激光器输出 q 个波长的光 但幅度不一样 幅度最大的称为主模 其余的称为边 模 2 半导体激光器的结构 半导体激光器的结构 半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体 由于邻近原子的作用 电子所处 的能态扩展成能级连续分布的能带 如下图 a 所示 能量低的能带称为价带 能量高的 能带称为导带 导带底的能量 Eu 和价带顶的能量 El之间的能量差称为禁带 glu EEE 宽度或带隙 不同的半导体材料有不同的带隙 本征半导体中导带和价带被电子和空穴占据 的几率是相同的 N 型半导体导带被电子占据的几率大 P 型半导体价带被空穴占据的几率 大 如下图 b c 所示 图 2 半导体激光器的电子和空穴分布 半导体激光器的结构多种多样 基本结构是下图所示的双异质结平面条形结构 这种结 构由三层不同类型半导体材料构成 中间层通常为厚度为 0 1 0 3 m 的窄带隙 P 型半导体 称为有源层 作为工作介质 两侧分别为具有较宽带隙的 N 型和 P 型半导体 称为限制层 具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结 有源层与右侧的 N 层之间形成 的是 P N 异质结 而与左侧的 P 层之间形成的是 P P 异质结 故这种结构又称 N P P 双异 质结构 简称 DH 结构 图 3 半导体激光器的基本结构 7 施加正向偏压后 就能使右侧的 N 层向有源层注入电子 左侧的 P 层向有源层注入空穴 但由于左侧的 P 层带隙宽 导带的能态比有源层高 对注入电子形成了势垒 注入到有源层 的电子不可能扩散到 P 层 同理 注入到有源层的空穴也不可能扩散到 N 层 这样 注入 到有源层的电子和空穴被限制在 0 1 0 3 m 的有源层内 形成了粒子数的反转分布 前后两个晶体解理面作为反射镜构成谐振腔 给半导体激光器施加正向偏压 即注入电流是维持有源层介质的原子永远保持粒子数的 反转分布 自发辐射产生的光子作为激发光子诱发受激辐射 受激辐射产生的更多新光子作 为新的激发光子诱发更强的受激辐射 3 半导体激光器的主要特性 半导体激光器的主要特性 1 输出电压特性 LD 和 LED 都是半导体光电子器件 其核心部分都是 P N 结 因此其具有与普通二极管 相类似的 V I 特性曲线 如下图所示 V VT I 图 4 激光器输出 V I 特性曲线 由 V I 曲线我们可以计算出 LD LED 总的串联电阻 R 和开门电压 VT 2 输出光功率特性 激光器光功率特性通常用输出光功率与激励电流 I 的关系曲线 既 P I 曲线表示 Ith I Pth P LD LED 图 5 LD LED 的 P I 特性曲线 在结构上 由于 LED 与 LD 相比没有光学谐振腔 因此 LD 和 LED 的功率 电流的 P I 关系特性曲线则有很大的差别 LED 的 P I 曲线基本上是一条近似的直线 从图 5 中可 以看出 LD 的 P I 曲线有一阈值电流 Ith 只有在工作电流 If Ith部分 P I 曲线才近似一根直 线 而在 IfT1 9 图 7 LD 激光器的四种形式 图中 LD 为激光器 PD 为背景光探测器 PD N side dwon 的管是探测器 PD 的负 N 与激光器 LD 的负 N 或正 P 相连 PD P side dwon 的管是探测器 PD 的正负 P 与激光器 LD 的负 N 或正 P 相连 与激光器 LD 的负 N 相连的称为 DVD 型管 与激光器 LD 的正 P 相连的称为 POINT 型管 所用 ZY YSLD3125 型激光器为 PD N side dwon 的 POINT 型管 单模光纤同轴封装 带尾纤 FC 连接 性能指标如下表所示 参数参数 符符 号号 测试条件测试条件 最小最小 值值 典型值典型值最大值最大值单位单位 额定功率PoutIop Ith 200 2 1mW 中心波长 CW129013101330nm 光谱宽度 CW 25nm 阈值电流IthCW 1015mA 工作电流IopCW Ith 20 mA 探测器电流ImCW100 A 探测器暗电流IdCW 0 1nA 表中 CW 表示连续 管脚图如下 图8 LD引脚说明 1 激光器正 2 从多模突变型 SIF 多模渐变型 GIF 光纤到单模 SMF 光纤 损耗依次减小 在 0 8 m 1 55 m 波段内 除吸收峰外 光纤损耗随波长增加而迅速减小 3 GIF 光纤和 SMF 光纤 在 1 39 m 吸收峰两側 1 31 m 和 1 55 m 处存在两个损耗极 小的波长 窗口 由于引起光纤损耗的原因较多 较复杂 至今尚没有一个适宜的公式指导分析和 计算 通常均采用实验测量 方法有截断法和反向散射法 这里采用截断法 1 截断法测光纤损耗截断法测光纤损耗 平均损耗系数和稳态损耗系数 我们已知 只要光源激励的数值孔径足够大 w 则在光纤输入端即可激励起所有导波模 在离开输入端相当长的一段光纤内 被传输的各导 波模之间的功率分布是不稳定 或者说是不平衡的 而且各导波模经受的功率损耗也不同 高次模衰减大 低次模衰减小 因此可以断定 在这段距离内 单位长度的光功率损耗系数 不是常数 它应是传输长度 L 和光波波长 的函数 即 L 这时距输入端 L 处的光 功率可表示为 1 L dll ePLp 0 0 两边取对数得 Log 2 L dll 0 10 0 P Lp 则损耗系数平均值为 3 L dll L L 0 1 0 10 P Lp Log L kmdB 传播过程中 由于各导波模间的频繁耦合或功率交换以及高次模的不断衰减 经过 一段较长的传输距离后 模功率分布将趋于统计平衡 这时 我们说达到了平衡模分布 或稳态模分布 只有稳态模分布时 单位长度的光功率损耗系数不在随光纤长度变化 光电技术原理实验指导书光电技术原理实验指导书 57 仅仅是波长 的函数 对于确定的波长 光损耗系数为一常数 称稳态损耗系数 它才 代表光纤的本征特性 稳态时 任意两点间光功率的关系可表示为 4 dl L L w eLPLp 1 1 因此有 og 5 L LL 1 10 1 LP Lp kmdB 稳态损耗系数的测量 通常 都是测量光纤的稳态损耗系数 令光纤达到稳态模功 率分布的长度为 LC 则式 4 为 6 gL LL C W 10 C LP Lp kmdB 可见 要测量光纤的稳态损耗系数 需要测两组数据 一是被测光纤输出端的光 W 功率及相应的长度 L 一是达到稳态分布时的光功率以及相应的长度 LC Lp C Lp 因此 首先要测出及 L 然后再测 LC 并在 LC处将光纤截断 测出此处输出的 Lp 这正是截断法名称的由来 显然 在这种测量中 需确知 LC值的大小 由于现 C Lp 代光纤拉制技术的提高 光纤芯子与包层界面均匀度已达到相当高的程度 因此 LC很长 可达 25Km 测量很不方便 在实际测量装置中可置入扰模器 可使 LC的长度缩短为 2m 左 右 扰模器如图所示 采用弯曲法 即沿一排等距离插销穿插光纤 使其产生正弦型弯曲 只要传播相当短的距离 就能达到稳态分布 下图所示为剪断法测量光纤稳态损耗系数的框图 光源一般采用谱线宽度足够窄的单色 光源 波长最好选择光纤的窗口波长 在整个测量过程中 光源位置 强度和波长应保持稳 定 光电技术原理实验指导书光电技术原理实验指导书 58 五 实验步骤五 实验步骤 一 稳态模分布的获得 取一根与待测光纤性能相同的短光纤 长约 5 米 按下列步骤处理好光纤两端面 1 用光纤剥皮钳 或刀片将两端的涂敷层除掉 保证除掉涂敷层的光纤长约 3cm 2 用脱脂棉蘸乙醇 乙醚混合溶液清洗光纤头 3 用光纤切割刀切割光纤头 要保证除掉涂敷层的光纤长为 11m m 4 在显微镜下检查光纤两端面 要保证没有裂痕 5 将光纤头插入 FC 型裸纤适配器 将光线拉至与适配器插针端面平齐 最多伸出量不 得超过 0 2mm 6 将两个 FC 型裸纤适配器分别接入光源的 1310nm 输出端和光功率计的输入端 7 将光源和光功率计均调至 1310nm 微调光纤头插入适配器的深度 使输出功率最大 8 在距离光源输出端约 1m 处将光纤盘绕在扰模器上 观察光功率的变化 当光功率 变化缓慢时 表示已趋于稳态模分布 记录下此时的光纤在扰模器上盘绕的匝数 N 和光功率 则短光纤的长度即为 LC C Lp 二 光纤衰减系数的测试 1 将待测光纤两端面进行处理 并插入 FC 型裸纤适配器 处理方法与短光纤一样 因 为时间关系 此步实验前已做好 2 将短光纤换成待测光纤 在距离光源输出端约 1m 处在扰模器上绕 N 匝 以获得稳 态分布 3 测量此时光纤输出的光功率 LP 4 将 代入公式 6 计算出光纤在此波长下的衰减系数 C Lp LP 5 改变光源的波长重复上述测量 比较两波长下的衰减系数 六 实验要求六 实验要求 1 实验报告中给出测量原理 详细的测量系统框图和测量步骤 2 实验报告中给出测量结果 并分析本实验的测试精度受到哪些因素的影响 光电技术原理实验指导书光电技术原理实验指导书 59 实验六实验六 光电倍增管特性参数的测试光电倍增管特性参数的测试 一 实验目的一 实验目的 1 了解光电倍增管的基本特性 2 学习光电倍增管基本参数的测量方法 3 学会正确使用光电倍增管 二 实验内容二 实验内容 1 暗电流的测量 2 阴极灵敏度的测量 3 阳极灵敏度的测量 4 光电倍增管放大倍数的测量 5 光电倍增管光电特性 光电技术原理实验指导书光电技术原理实验指导书 60 6 光电倍增管时间特性 三 实验仪器三 实验仪器 1 光电倍增管实验仪 1 台 2 双踪示波器 1 台 四 实验原理四 实验原理 1 工作原理 工作原理 光电倍增管是一种真空光电器件 它主要由光入射窗 光电阴极 电子光学系统 倍增 极和阳极组成 其工作原理为 当光照射光电倍增管的阴极 k 时 阴极向真空中激发出光电 子 一次激发 这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统 由倍增电极激发的电子 二次激 发 被下一倍增极的电场加速 飞向该极并撞击在该极上再次激发出更多的电子 这样通过 逐级的二次电子发射得到倍增放大 放大后的电子被阳极收集作为信号输出 2 供电分压器 供电分压器 从光电阴极到阳极的所有电极用串联的电阻分压供电 使管内各极间能形成所需的电场 光电倍增管的极间电压的分配一般由图 2 所示的串联电阻分压器执行的 最佳的极间电压分 配取决于三个因素 阳极峰值电流 允许的电压波动以及允许的非线性偏离 光电倍增管的极间电压可按前极区 中间区和末极区加以考虑 前极区的收集电压必须 足够高 以使第一倍增极有高的收集率和大的次极发射系数 中间级区的各级间通常具有均 匀分布的极间电压 以使管子获得最佳的增益 由于末极区各极 特别是末极区取较大的电 流 所以末极区各极间电压不能过低 以免形成空间电荷效应而使管子失去应有的直线性 当阳极电流增大到能与分压器电流相比拟时 将会导致末极区间电压的大幅度下降 从 而使光电倍增管出现严重的非线性 为防止极间电压的再分配以保证增益稳定 分压器电流 至少为最大阳极电流的 10 倍 对于线性要求很高的应用场合 分压器电流至少为最大阳极 平均电流的 100 倍 确定了分压器的电流 就可以根据光电倍增管的最大阳极电压算出分压 器的总电阻 再按适当的极电压分配 由总电阻计算出分压电阻的阻值 3 电倍增管的特性和参数 电倍增管的特性和参数 光电倍增管的特性参数包括灵敏度 电流增益 光电特性 阳极特性 暗电流等 下面 介绍本实验涉及到的特性和参数 1 灵敏度 灵敏度 灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数 一般是指积分灵敏度 其单 位为 uA Lm 光电倍增管的灵敏度一般包括阴极灵敏度 阳极灵敏度 2 阴极光照灵敏度 阴极光照灵敏度 SK 阴极光照灵敏度 SK是指光电阴极本身的积分灵敏度 定义为光电阴极的光电流 Ik除以入 射光通量 所得的商 光照度 E 阴极 K 面积为 A G VH 图 1 光电倍增管阴极灵敏度测量 光电技术原理实验指导书光电技术原理实验指导书 61 1 LmA I S K k 光电倍增管阴极灵敏度的测量原理如图所示 入射到阴极 K 的光照度为 E 光电阴极的 面积为 A 则光电倍增管接受到的光通量为 2 AE 由式 1 2 可以计算出阴极灵敏度 入射到光电阴极的光通量不能太大 否则由于光电阴极层的电阻损耗会引起测量误差 光通量也不能太小 否则由于欧姆漏电流影响光电流的测量精度 通常采用的光通量的范围 为 10 5 10 2Lm 3 阳极光照灵敏度阳极光照灵敏度 Sp 阳极光照灵敏度 Sp是指光电倍增管在一定工作电压下阳级输出电流与照射阴极上光通 量的比值 3 LmA I S p p 4 放大倍数放大倍数 电流增益电流增益 G 放大倍数 G 电流增益 定义为在一定的入射光通量和阳极电压下 阳极电流 Ip与阴极电 流 IK间的比值 4 K p I I G 由于阳级灵敏度包含了放大倍数的贡献 于是放大倍数也可以由在一定工作电压下阳极 灵敏度和阴极灵敏度的比值来确定 即 5 K p S S G 放大倍数 G 取决于系统的倍增能力 因此它是工作电压的函数 5 暗电流暗电流 d I 当光电倍增管在完全黑暗的情况下工作时 在阳极电路里仍然会出现输出电流 我们称 之为暗电流 暗电流与阳极电压有关 通常是在与指定阳极光照灵敏度相应的阳极电压下测 定的 引起暗电流的因素有 热电子发射 场致发射 放射性同位素的核辐射 光反馈 离 子反馈 极间漏电等 6 光电特性 光电特性 光电倍增管的光电特性定义为在一定的工作电压下 阳极输出电流 Ip与光通量之间的曲 线关系 7 时间特性 时间特性 由于电子在倍增过程中的统计性质以及电子的初速效应和轨道效应 从阴极同时发出的 电子到达阳极的时间是不同的 因此 输出信号相对于输入信号会出现展宽和延迟现象 这 就是光电倍增管的时间特性 3 高压供电与信号输出高压供电与信号输出 为了使光电倍增管能正常工作 通常在阴极和阳级间加上近千伏的高压 同时 还 光电技术原理实验指导书光电技术原理实验指导书 62 需在阴极 倍增极和阳极间分配一定的电压 保证光电子能被有效地收集 光电流通过倍增 系统得到增大 光电倍增管的供电方式有两种 即负高压接法 阴极接电源负高压 电源正端接地 和正 高压接法 阳极接电源正高压 而电源负端接地 正高压接法的特点是可使屏蔽光 磁 电的屏蔽罩直接与管子外壳相连 甚至可以制成 一体 因而屏蔽效果好 暗电流小 噪声水平低 但这时阳极处于正高压 会导致寄生电容 增大 如果是直流输出 则不仅要求传输电缆能耐高压 而且后级的直流放大器也处于高电 压 会产生一系列的不便 如果是交流输出 则通过耐高压 噪声小的隔直电容 负高压的优点是便于与后面的放大器连接 既可直流输出 又可交流输出 操作安全方 便 缺点是玻壳的电位与阴极电位接近 屏蔽罩应至少离开玻壳 1 2cm 否则 由于静电 屏蔽的寄生影响 暗电流与噪声都会增大 五 注意事项五 注意事项 1 光电倍增管对光的响应极为灵敏 因此 在没有完全隔绝外界干扰光的情况下 切 勿对管施加工作电压 否则会导致管内倍增极的损坏 2 测量阴极电流时 加在阴极与第一倍增级之间的电压不可超过 200V 否则容易损坏 光电倍增管 3 不要用手触摸光电倍增管的阴极面 以免造成光电倍增管透光率下降 4 阴极和阳极之间在切换时 首先必须把电压调节到零 5 将光源从暗箱上拆下时 首先必须把电压调节到零 六 实验内容六 实验内容 准备步骤 用同轴电缆线将光电倍增管暗箱的 PMT 输出 接口与光电倍增管实验仪实 验箱上的 PMT 输入 接口相连 用同轴电缆线将光电倍增管暗箱上的 高压输入 接口与实 验箱上的 高压输出 接口相连 用同轴电缆线将照度计探头与实验箱上的 照度计输入 接 口相连 将所有旋钮逆时针调节到最小 注 本实验采用的光电倍增管的受光面面积为 24mm 8mm 1 暗电流测量 暗电流测量 1 将光源旋接在光电倍增管暗箱上 2 将暗箱上的 阴极电流 阳极电流 开关 以下简称 阴极 阳极 开关 打到 阳极电 流 档 3 将实验箱上的 HV LV 开关打到 HV 档 将 静态特性测试 时间特性测试 开关 以下简称 静态 时间 开关 打到 静态特性测试 档 4 缓慢调节电压调节旋钮至电压表显示为 1000V 记下此时电流表的显示值 该值即 为光电倍增管在 1000V 时的暗电流 Ip Rf VH V Ip 图 2 光电倍增管分压与信号输出电路 光电技术原理实验指导书光电技术原理实验指导书 63 5 将高压调节旋钮逆时针调节到零 2 阳极灵敏度测量 阳极灵敏度测量 1 将光电倍增管暗箱上的 阴极 阳极 开关打到 阳极电流 档 2 将实验箱上的 HV LV 开关打到 HV 档 将 静态 时间 开关打到 静态特性测试 档 将光源与照度计探头旋接 并与实验箱上的 LED2 相连 连接完毕后 将光照度调节 旋钮逆时针调节到零 按下照度表的换档开关将照度表的量程调节到 20lx 档 调节调零旋钮 将照度值调节到 0 00 3 缓慢调节光照度调节旋钮 将照度值调节到 0 1lx 保持光照度调节旋钮不变 将光 源与照度计探头分开 4 将衰减器旋接在暗箱上 再将光源旋接在衰减器上 此衰减器将光衰减为原来的 1 00 倍左右 若要得到精确的衰减倍数 可以采用如下方法进行 首先将光源调节到 100lx 再将衰减片加入 然后测量此时的光照度 两者的比值即为衰减倍数 A 缓慢调节高压调 节旋钮 分别记下电压为 100V 200V 300V 400V 500V 600V 700V 800V 900V 和 1000V 时的 阳极电流值 5 将高压调节旋钮逆时针调节到零 将光照度调节旋钮逆时针调节到零 6 绘出在该光照度下的 V 关系曲线 A I 3 阴极灵敏度测量 阴极灵敏度测量 1 将实验箱上的 HV LV 开关打到 LV 档 2 将实验箱上的 静态 时间 开关打到 静态特性测试 档 3 将暗箱上的 阴极 阳极 开关打到 阴极电流 档 4 将光源与照度计探头旋接 并与实验箱上的 LED2 相连 连接完毕后 将光照度 调节旋钮逆时针调节到零 按下照度表的换档开关将照度表的量程调节到 20lx 档 调节调零 旋钮将照度值调节到 0 00 5 调节光照度调节旋钮使照度表显示为 10lx 6 保持光照度调节旋钮不变 将光源与照度计探头分开 将衰减器取下 再将光源旋 接在光电倍增管暗箱上 缓慢从零增加电压 每隔 0 1V 记录对应的电流值 绘出电压与电 流之间的关系 并找到曲线趋于饱和的电流值 IK 7 将高压调节旋钮逆时针调节到零 将光照度调节旋钮逆时针调节到零 8 按照公式计算阴极灵敏度 LmA I S K k 4 光电倍增管增益 光电倍增管增益 放大倍数放大倍数 的计算的计算 1 计算当光照度为 0 1 A lx 时 阳级电压分别为 500V 600V 700V 800V 900V 和 1000V 时的放大倍数 2 绘出该光强下的 G V 曲线 并对曲线进行分析 5 光电倍增管光电特性测量 光电倍增管光电特性测量 1 将实验箱上的 静态 时间 开关打到 静态特性测试 档 2 将光电倍增管暗箱上的 阴极 阳极 开关打到 阳极电流 档 3 将实验箱上的 HV LV 开关打到 HV 档 4 将光源与光照度探头连接 调节光照度调节旋钮使照度表显示为 0 2lx 5 将衰减器旋接在暗箱上 再将光源旋接在衰减器上 缓慢增加电压为 1000V 记下 光电技术原理实验指导书光电技术原理实验指导书 64 此时的电流值 6 重复步骤 4 和 5 依次记下光照度为 0 2lx 0 3lx 0 4lx 0 5lx 0 6lx 时的电流 值 7 绘出 E 曲线 A I 8 将光照度调节旋钮和高压调节旋钮逆时针调节到零 6 光电倍增管的时间特性 光电倍增管的时间特性 1 将实验箱上的 静态 时间 开关打到 时间特性测试 档 将 HV LV 开关打到 HV 档 2 将光电倍增管暗箱上的 阴极 阳极 开关打到 阳极电流 档 3 将光源旋接在光电倍增管暗箱上 并与实验箱上的 LED1 相连 4 用示波器探头分别连接到时间特性测试区中的 PMT 输出 和 光脉冲 测试钩上 缓 慢增加电压 观察两路信号在示波器中的显示 5 使电压稳定在 1000V 左右 调节 脉冲宽度调节 旋钮 观察实验现象 6 将高压调节旋钮逆时针调节到零 7 记录实验现象 并对实验现象进行解释 实验七实验七 CCD 原理及应用实验原理及应用实验 实验规则及注意事项实验规则及注意事项 为了确保线阵 CCD 原理及应用技术实验的顺利进行 保障人身安全 避免损坏设备 并且达到实验目的 要求实验人员必须严格遵守以下实验规则及注意事项 1 在实验之前 实验人员必须阅读本实验指导书中所要求的实验准备内容 并阅读必 要的参考资料 明确实验目的 了解实验内容的详细步骤 达到要求后方能进行实验 2 实验进行过程中 必须严格按照指导老师制定的步骤进行实验 不得自行随意进行 否则可能损坏实验仪 造成不必要的严重后果 3 要爱护实验仪器和示波器等实验设备 不允许将其它不相关的仪器在未经许可的情 况下与本实验仪进行连接 4 所有与本实验仪相关的线缆必须在断电的情况下正确连接好 严禁带电插拔所有电 缆线 5 实验要集中精力 认真实验 遇到问题时应找指导老师解决 不得自作主张 光电技术原理实验指导书光电技术原理实验指导书 65 6 一旦发生意外事故或者实验现象出现异常时 应立即切断电源 并如实向指导老师 汇报情况 待故障排除之后方可继续进行实验 7 在进行 CCD 实验过程中 不允许带电插拔 CCD 器件 否则会造成 CCD 器件损坏 8 不允许用带电的烙铁焊接任何与 CCD 有电气连接的导线 元器件 必须焊接时 应将烙铁的电源拔下来 利用烙铁的余热焊接 或者将 CCD 芯片拔下来后再焊接 实验 一 实验 一 CCD 驱动测试实验驱动测试实验 一 实验目的一 实验目的 1 掌握用双踪迹示波器观测二相线阵 CCD 驱动器各路脉冲的频率 幅度 周期和相 位关系的测量方法 2 通过测量 CCD 驱动脉冲之间的相位关系 掌握二相线阵 CCD 的基本工作原理 3 通过测量典型线阵 CCD 的输出脉冲信号与驱动脉冲的相位关系 掌握 CCD 的基本 特征 二 实验内容二 实验内容 1 学习掌握线阵 CCD 的基本工作原理 参考相关教科书 2 学习掌握 TCD1200D 线阵 CCD 的基本工作原理 3 掌握双综示波器的基本操作 三 实验仪器实验仪器 光电技术原理实验指导书光电技术原理实验指导书 66 1 双踪同步示波器 20MHz 以上 1 台 2 CCD 原理应用实验箱 1 台 四 实验原理四 实验原理 CCD 是电荷耦合器件 Charge Coupled Device 的简称 它是由金属 氧化物 半导体 Charge Coupled Device 简称 MOS 构成的密排器件 主要用于两个领域 一是信息存 储和信息处理 二是用于摄像装置 这里介绍摄像用的黑白两相线阵 CCD 1 黑白两相线阵黑白两相线阵 CCD 结构简述结构简述 黑白两相线阵 CCD 有多种规格 实际上大同小异 这里以实验所用 TCD1200D 型 2160 像素的 CCD 为例进行简述 结构示意图如图 1 1 所示 图 1 1 CCD 结构示意图 它包括摄像机构 两个 CCD 模拟移位寄存器 输出机构和采样保持电路四部分 摄像机构也称摄像区 它具有 2160 个光敏元和电荷转移电极组成 实际上为 2160 个 MOS 电容 电荷转移电极为 MOS 电容的栅极 通过电荷转移电极给栅极加脉冲电压 光敏 元起光电转换作用 MOS 电容起暂存转换的电荷和向 CCD 模拟移位寄存器转移电荷包的作 用 将 2160 个 MOS 电容的奇数位分别与 CCD 转移寄存器 1 相连 偶数位分别与寄存器 2 相连 CCD 模拟移位寄存器也是由一系列 MOS 电容组成 移位寄存器 1 和 2 各密排 1080 个 他们对光不敏感 1 2为 MOS 电容的栅极 通过 1 2外加脉冲电压 电荷转移电极 SH 为摄像区 MOS 电容的控制电极 外加周期性脉冲电压 在脉冲电压 低电平期间 摄像机构中的 MOS 电容形成势井暂存光敏元转换的电荷 建立起一个与图像 明暗成比例的电荷图像 高电平期间 摄像区的 MOS 电容中的电荷同时读出到 CCD 模拟移 位寄存器的 MOS 电容中 奇数位信号转移到移位寄存器 1 偶数位信号转移到移位寄存器 2 在下一个周期的低电平期间 摄像区的 MOS 电容摄取第二幀图像 与此同时 CCD 转 移寄存器的 MOS 电容中的电荷 在 1 2 脉冲电压的作用下 两个移位寄存器中的电荷 包以奇 偶序号交替的方式逐个移位到输出机构中 恢复了摄像时的次序 由场效应管 Q1 Q2构成的两个源极跟随器构成输出机构 将来自 CCD 移为寄存器携带 图像信息的电荷包以电压的形式送到器件外 OS 是输出电极 输出机构接有复位电极 RS 接到 Q1的栅极 每当前一个电荷包输出完毕 下一个电荷 光电技术原理实验指导书光电技术原理实验指导书 67 包尚未输出之前 RS 上应出现复位脉冲 将前一个电荷包抽走 使 Q1栅极复原 准备接收 下一个电荷包 DOS 为采样保持电路的控制端 当 DOS 加适当脉冲电压时 CCD 输出信号得到了采样 保持 OS 端输出连续信号 DOS 加直流电压时 采样保持电路不起作用 OS 端输出信号 与光强成正比 通常均用此种情况 2 驱动脉冲及时序要求驱动脉冲及时序要求 要使 CCD 器件正常工作 至少要在 SH 1 2 RS 电极上加四路脉冲电压 这四路 脉冲的周期和时序要满足图 1 2 所示要求 图中 UO为 CCD 输出信号 图 1 2 CCD 驱动时序示意图 SH 为电荷转移电极控制脉冲 SH 为低电平时处于 采光期 进行摄像 摄像区的 MOS 电容对光生电子进行积累 SH 为高电平时 摄像区积累的光生电子按奇偶顺序移向两 侧的移位寄存器中 时间很短 所以 SH 脉冲的周期决定了器件采光时间的长短 SH 脉冲 的周期称为积分时间 1 2为加在移位寄存器 MOS 电容上的脉冲 称为驱动频率 在 SH 脉冲的一个周期 里 两侧的移位寄存器在 1 2驱动脉冲的作用下 把上一周期转移来的电荷包逐个依次 输出到器件外 每当 1或 2高电平时就输出一个电荷包 按奇偶顺序移 1移奇数位 2 移偶数位 因此 1 2的位相必须相反 关于电荷传输的原理请参见下一实验 驱动频率的大小要适当 因为电荷的传输是从一个势井依次传到下一势井 需要一定的 时间 1 2的周期若小于这一时间 势井的电荷不能全部输出 则影响输出信号幅度和精 度 太大会使噪声增大 SH 和 1 2必须满足 SH 的周期等于或稍大于 2160 2 个 1 2脉冲周期 小于时则 电荷包不能全部输出 会影响下个周期输出信号的精确度 太大会影响器件的速率 RS 脉冲为复位脉冲 其频率为 1 2脉冲频率的两倍 以上四个脉冲除频率要满足以上要求外 脉冲波形也有一定要求 尤其是 SH 1 2 脉冲之间的关系 当 SH 为高电平时 1必须同时为高电平 且 1必须比 SH 提前上升 当 SH 为低电平时 1必须同时为低电平 且 1必须比 SH 迟后下降 如图 1 3 所示 光电技术原理实验指导书光电技术原理实验指导书 68 图 1 3 SH 与 1信号时序要求示意图 用模拟示波器是很难测出这些时间的 五 实验仪器简介五 实验仪器简介 1 TCD1200D 线阵线阵 CCD 图象传感器图象传感器 特性 特性 像敏单元数目 2160 像元 像敏单元大小 14 14 14 相邻像元中心距 14 m m m m 光敏区域 采用高灵敏度 PN 结作为光敏单元 时钟 二相 5V 内部电路 包含采样保持电路 输出预放大电路 封装形式 22 脚 DIP 封装 管脚定义管脚定义 1时钟 1OS信号输出 2时钟 2DOS补偿输出 SH转移控制栅OD电源 RS复位栅SS地 NC空脚 工作条件 工作条件 特性符号最小值典型值最大值单位 高电平4 555 5时钟脉冲电压 低电平 V 00 20 5 V 高电平4 555 5转移脉冲电压 低电平 VSH 00 20 5 V 高电平4 555 5复位脉冲电压 低电平 VRS 00 20 5 V 电源电压VOD11 41213V 时钟脉冲频率f 0 10 51 0MHZ 光电技术原理实验指导书光电技术原理实验指导书 69 复位脉冲频率fRS0 21 02 0MHZ 2 CCD 原理及应用实验箱原理及应用实验箱 板面布置如图 1 4 所示 CCD驱动产生及调节 电路 USB数据采集电路 USB 信号处理电路 LED驱动电路 时序信号测试区 W1 图 1 4 CCD 实验箱布局图 仪器由六部分组成 CCD 驱动电路 驱动电路 产生 CCD 驱动所需的各种驱动时序脉冲 提供 积分时间 及 驱动频率 的信号调节 1 调整 SH 脉冲的周期 按 积分时间 DSI 轮番显示 0 1 2 3 4 5 对应不同的 SH 脉冲周期 0 对应最小周期 5 对应最大周期 2 调整时钟脉冲频率和复位脉冲频率 按 驱动频率 DS2 轮番显示 0 1 2 3 对 应不同的时钟频率 0 对应最大频率 3 对应最小频率 为保证 SH 脉冲的周期等于或稍大于 2160 2 个 1 2脉冲周期 调整时钟脉冲频率时 SH 脉冲的周期随之变化 而调整 SH 脉冲的周期时 时钟脉冲周期不变 信号处理电路 信号处理电路 提供对 CCD 输出信号进行二值化处理的硬件电路 W1 电位器可调整阈 值电平 LED 恒流驱动电路 恒流驱动电路 提供对 LED 面光源的恒流驱动 测试区 测试区 为转移脉冲 SH 时钟脉冲 1 2 复位脉冲 RS CCD 输出 U0 二值化处理 后信号 U1的输出引出端 USB 数据采集电路 数据采集电路 为 CCD 输出与计算机接口电路 目的是通过软件对 CCD 输出信号 进行二值化处理 附件 附件 包括 CCD 组件及信号电缆 实验时用信号电缆线连接 CCD 组件的航空插座及箱 体的 CCD 插座 六 实验步骤六 实验步骤 注意 使用多踪示波器检测信号时 示波器与注意 使用多踪示波器检测信号时 示波器与 CCD 原理应用实验箱应共地原理应用实验箱应共地 1 实验准备 光电技术原理实验指导书光电技术原理实验指导书 70 本次实验不需要使用结构件 只需用单相三极电源线给实验箱供电 打开 CCD 原理与 应用实验箱的电源开关即可 用 积分时间 按钮调整转移脉冲 SH 周期档为 0 档 用 驱动频 率 按钮调整时钟脉冲频率为 0 档 观察积分时间显示窗口和驱动频率显示窗口的显示数据 并用积分时间设置按钮调整积分时间档为 0 档 按黑色按钮依次由 0 1 2 3 4 5 0 用频率设置按钮调整频率为 0 档 按黑色按钮依次由 0 1 2 3 0 然后打开示波器的电 源开关 用双踪示波器检查 CCD 驱动器的各路脉冲波形是否正确 参考实验箱面板上时序 图 如符合 则继续进行以下实验 否则 应请指导教师进行检查 2 驱动时序和相位的测量 1 用 CH1 探头测试转移脉冲 SH 用 CH1 做触发信号 调节扫描速度和同步使之同步 使 SH 脉冲至少出现一个周期 2 用 CH2 探头测试 1 调节示波器扫描速度展开 SH 观察 1和 SH 的时序和相位是否 符合要求 3 用 CH1 探头测试 1 用 CH2 分别测试 2 RS 观察时序和相位是否符合要求 3 驱动频率的测量 分别测出各频率挡 1 2 RS 的周期 频率 幅度 填入下表中 驱动频率项目 1 2RS 周期 ms 频率 Hz 0 档 幅度 V 周期 ms 频率 Hz 1 档 幅度 V 周期 ms 频率 Hz 2 档 幅度 V 周期 ms 频率 Hz 3 档 幅度 V 周期 ms 4 档 频率 Hz 光电技术原理实验指导书光电技术原理实验指导书 71 幅度 V 周期 ms 频率 Hz 5 档 幅度 V 4 积分时间的测量 1 将频率设为 0 档 用 CH1 观测 SH 脉冲周期 分别测出各积分时间档位的积分时 间 填入下表中 2 再改变驱动频率 测出不同档位的积分时间 驱动频率 0 档驱动频率 1 档驱动频率 2 档驱动频率 3 档 积分时间 档 SH 周期 ms 积分时间 档 SH 周期 ms 积分时间 档 SH 周 期 ms 积分时间 档 SH 周期 ms 0000 1111 2222 3333 驱动频率 4 档驱动频率 5 档 积分时间 档 SH 周期 ms 积分时间 档 SH 周期 ms 00 11 22 33 5 关机结束 关闭 CCD 原理应用实验箱电源 关闭示波器电源 七 实验思考题七 实验思考题 1 综合测量结果 画出 HS 1 2 RS 的波形 说明时序和相位关系 进而说明 TCD1200D 的基本工作原理 光电技术原理实验指导书光电技术原理实验指导书 72 实验 二 实验 二 CCD 特性测试实验特性测试实验 一 实验目的一 实验目的 通过对典型线阵 CCD 在不同驱动频率和不同积分情况下输出信号的测量 进一步掌握 CCD 的有关特性 掌握积分时间的意义 以及驱动频率与积分时间对 CCD 输出信号的影响 二 实验原理二 实验原理 两相线阵 CCD 电荷传输原理示意图如图 2 1 所示 图 2 1 两相线阵 CCD 电荷传输原理示意图 每一相有两个电极 即原理中的一个 CCD 转移寄存器的 MOS 电容实际中用两个 这 两个电极与半导体衬底间的绝缘体厚度不同 在同一外加电压下产生两个不同深度的势井 绝缘体薄的那个 MOS 电容比绝缘体厚的那个 MOS 电容势井深 只要不是过多的电荷引入 电荷总是存于右边那个势井 图 b 显示了相位相差 180O的驱动脉冲 1为高电位 2为低电 位时 MOS 电容的势井深度及电荷存储情况 图 c 表示 1和 2电位相等时的情况 这时电 荷还不能移动 图 d 显示了 1为低电位 2为高电位时的情况 这时电荷流入 2相的势井 当 1和 2电位再相等时停止流动 电荷传输机理证明 电荷从一个势井传输到下一个势井需要一定的时间 且电荷传输随 时间的变化遵循指数衰减规律 只有由 1和 2的频率所确定的电荷传输时间大于或等于电 荷传输所需要的时间 电荷才能全部传输 但在实际应用中 从工作速率考虑 由频率所确 定的电荷传输时间往往小于电荷本身传输所需要的时间