华中科技大学光探实验一.docx

实验一、光源与光度辐射度参数的测量 1. 实验目的 （1）掌握实验中所用光源 （白色，红色，蓝色，绿色的LED灯）的发光特性；（2）掌握光电综合实验台的用法，为以后的实验做准备；（2）对光源照度和相应的电流强度的调节与测量，熟悉并总结各种LED灯光源照度和相应的电流强度的关系； (3) 测量LED灯与探测器不同距离时的电流强度和光源照度的相关关系。（4）测量相同电流下，LED光照度Ev与距离L的关系。2. 实验仪器 光电综合实验平台主机系统 1 台； 发白光的 LED 平行光源（远心照明光源）及其夹持装置各 1 个； 3. 实验原理 （2）LED的发光原理 光电技术中的光源已经逐渐被 LED 发光二极管光源所替代。 LED发光二极管为 PN 结在正向偏置下发光的特性。有些材料构成的 PN 结在正向电场的作用下，电子与空穴在扩散过程中要产生复合。复合过程中电子从高能级的“导带”跌落至低能级的“价带”， 电子在跌落过程中若以辐射的形式释放出多余的能量，则将产生发光或发辐射的现象。如图1所示，为注入式LED能带结构，扩散运动中的电子从导带跌入到价带时以辐射的方式释放出多余的能量。它将发出峰值波长m的辐射式中，Eg 为半导体材料的禁带宽度。 （1） 图 1 注入式 LED 能代结构 目前，已有发各种“单色”光谱的发光二极管（LED）。若在发蓝光的发光二极管上涂荧光物质，由于蓝光 LED 的光谱能量很强，荧光物质将其转换成含有各种光谱成分的光谱集合，表现为发出复合波长的“白光”。常称其为白光发光二极管。 如图2所示，LED 发光二极管发出的光亮度 L 与流过 LED 的电流强度 I 成正比。因此，可以通过控制电流来控制（或调整）发光二极管的亮度，即可以通过改变发光管的电流改变投射到探测器表面上的照度，这就是 LED 光源具有的易调整性。利用它的易调特性很容易设计出电光调制器，光纤通讯技术中常用 LED 的这个特性实现长距离的通讯。 图2 亮度与电流密度的关系 另外，发光二极管属于半导体发光光源，它具有体积 小、发光效率高、寿命长、发光强度易于调节等特点，被广泛应用于测量仪器与照明灯的光源。也被我们选为光电实验平台的光源。 （3） 光度参数与辐射度参数 光源发出的光或物体反射光的能量计算通常是用“通量”、“强度”、“出射度”和“亮度”等参数，而对于探测器 而言，常用“照度”参数。测量探测器表面的照度是十分重要的问题，许多实际问题常需要通过对照度的测量来分析或计算其他参数。为此主要讨论照度参数。 辐照度或光照度均为单位探测器表面所接收的辐射通量或光通量。即 式中 S 为探测器的面积。上式也是通过测量照度来测量光源功率的公式。 （4） 点光源照度与发光强度的关系实验 从所周知，各向同性的点光源发出的光所产生的照度与发光强度 Iv 成正比，与方向角的 余弦（COS）成正比，与距离光源的距离平方(l2 )成反比。既可由下式表示 4. 实验步聚 从实验平台备件箱中取出各种单色的 LED 发光管与通用实验装置，把 LED 发光二极管插入通用实验装置，构成如图 3 所示的 LED 光源和照度计探测头与 LED 光源相对安装在一起，在光学平台上构成实验测量装置，可以用照度对 LED 的发光特性进行实验。但是必须注意，照度的概念是探测表面光照特性的描述，它与距离 LED 光源的距离有关，因此，必须注意这一特性。将 LED 的引线和电流表按着如图 4 所示的发光管发光特性实验电路。在测量电路中用 50固定阻值电阻与 1k电位器相连接，便于调整流过 LED 发光管的电流 ILED。在发光二极管的供电电路中串入数字，电流表测量流过 LED 的电流 ILED。平台上提供了自动切换量程的数字照度计，可以直读出不同工作电流下 LED 发出的光照度。 图3 LED光源和照度计探头 打开实验平台的电源开关，在发光管未点亮时测出暗背景照度E vb；然后，通过串入发光二极管的1 k 电 位器调节发光电流 ILED，记录不同发光电流 ILED 下的光照度E v，将其填入表 1；改变LED 与光电探测头间的距离，再重复进行上述实验，分析数据变化的原因。 将LED 与光电探测头间的距离L 锁定，找出电流I LED 与照度间 Ev 的关系。 图4 LED实验电路 6）光照特性（发光强度测量）实验步骤 将如图 3 所示的 LED 实验装置安装在 GDS-型光电综合实验平台的导轨的一端 （左端），并将其连线插入到左侧电源插孔中，使其发出稳定的光强； 将平台提供的照度计探头安装在右侧导轨上，将其连线插头插入中部插座内，与照度计连接，测量 LED 发出的照度； 测量出照度计探头与 LED 光源之间的距离 l，然后将遮光罩扣在平台导轨上方，使外接环境光不能影响测量结果，测出此时的照度； 重复实验步骤 测量 3 个位置（l1、l2、l3）所对应的照度（E1、E2、E3）值，由于照度计探头垂直于 LED 的主光线，既 COS=1，测量出 3 个已知距离下的照度值不难依据 式（2.1-7）计算出光源的发光强度 IV 值。 5. 关机与结束 所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合 理，则应重新补作上述实验；若合理，可以进行关机； 将实验平台的电源关掉，再将所用的配件放回配件箱； 将实验所用仪器收拾好，再请指导教师检查，批准后离开实验室。 6. 数据记录蓝光I（mA）00.1640.1810.1890.2000.2100.237Ev(lx)018.0519.6020.822.023.626.1L（cm）102030Ev(lx)7.091.2770.166红光I（mA）00.1810.1960.2070.2250.2410.261Ev(lx)00.3910.4550.4910.5700.6420.711L（cm）102030Ev(lx)0.0460.0230.017绿光I（mA）00.1690.1800.1890.2000.2130.235Ev(lx)015.5616.6417.4218.6719.9121.40L（cm）102030Ev（lx）2.150.2680.1207.实验图像根据分析电流 ILED 与照度 Ev 成正比。由计算出发光强度IV 。并画出电流 ILED 与发光强度EV 的曲线图像8.实验小结本次实验中，我们组的照度计线头有问题，很大可能是电线接触不良，在老师帮忙重新焊