光电子技术实验指导书

1、光电子技术实验指导书O率处区学悅匚HANGZHOU IN5TTTUTF OF TECHNOLOGY光电子技术实验指导书CSY2000G光电传感器实验仪说明CSY2000G光电传感器实验仪主要有主机箱、传感器装置、实验模板、实验桌四大 部分组成（一）主机箱：供电电源AC220V，50H乙额定功率200W。1、有实验所需的电源、压力源0-12V连续可调直流稳压电源。0-5V连续可调直流稳压电源。±5V、+12V、+5V 稳压电源。2、显示压力源：气压量程4-20KPa（通过调节玻璃转子流量计、旋钮、气压输出大小 可调）电流表：DC20吩-20mA（量程三档切换）电压表：DC200mV-2

2、0V （量程三档切换）光功率计：1999mW光照度计：1999LX频率/转速表：f:0-9999Hz n： 0-9999 r/min计时器（秒表）：9999S气压表：4-40 KPa3、温控仪:PID位式调节仪：0-200C（二）传感器装置光学传感器由底座，升降支架、遮光筒、滑轨等组成，可卸式活动安装各种光电器 件探头，光源等。1、光敏器件及传感器光敏电阻光敏二极管光敏三极管红外光敏二极管（光接受）硅光电池反射式光耦（红外发射与红外光敏三极管组合）红外线热释电探头光照度计探头光功率计探头2、传感器光纤传感器、（位移、压力、温度）PSD位置传感器线阵CCD测径系统（可选）光栅位移传感器（可选）3

3、、光源普通白炽灯、普通发光二极管、红外发射管、半导体激光管、各种滤色镜（三）实验模板光电器件实验（一）模板光电器件实验（二）模板光电器件实验（光开关）模板光电器件实验（光调制）模板光电传感器转速测量实验模板光纤传感器实验模板PSD传感器实验模板温度传感器（四）实验桌放置主机箱、实验模板、各种实验器件实验台尺寸为：1600800）740 （mm）实验指南实验一光电基础知识实验实验目的通过实验使学生对光源分光原理，辐射量与光度量、光的不同波长等基本概念有具体 的认识。第一部分光源和光波长实验一、实验原理：以电磁波形式或粒子（光子）形成传输的能量，它们可以用光学条件反射、成像或色 散，这样能量传输及

4、其传播过程称为光辐射。为了对光辐射进行定量描述，存在着辐射单位和光度单位两套不同的体系，下表是常用 的辐射度量和光度量之间的对应关系。表（一）、常用辐射度量和光度量之间的对应关系辐射度量物理量光度量物理量名称符号定义成定义式单位物理量名称符号定义成定义式单位辐射能QeJ光量QvQv= / Qlt1m s辐射通量e e=d e/dtW光通量vv y vq1m辐射出射度MeMe=d e/dS2W/m光出射度MvMvd vds1m/ m辐射强度2?=d e/dsw/sr发光强度I v基本量cd辐射亮度LeLe=d?/(ds co?)w/(m sr)（光）亮度LvI 尸dl vds co?cd/m2辐

5、射照度EeEe=dO e/dA2w/ m（光）照度EvEvd vdALX在光度单位中，发光强度是基本单位，定义为一个光源发出频率为540X 1012 HZ的 单色辐射。若在一给定方向上的辐射光度为1/683 （W/S?,则该光源在该方向上的的发 光强度为1 cd （坎德拉）。本实验中备有普通光源和激光光源两种，普通光源（探炽灯）的光谱为连续光谱。利用滤色片或色片或通过分光镜后，可以提供红橙黄绿青蓝紫多种波长的光辐射。激光光源 是半导体激光器，发射的激光波长630-680纳米。激光颜色为红色。三棱镜的分光原理：三棱镜的分光作用原理基于以下几点：(1) 、三棱镜表面对光线的折射作用。三棱镜对不同波

6、长的各色光具有不同的折射率。因此当三棱镜中入射的光(白光为各 种不同波长的复合光，从波长为400纳米(mm)紫光至760纳米的红光)则三棱镜对不 同色光具有不同折射率。各色光经折射后的折射角将不同。因此通过三棱镜 出射时，各色光的偏角也随之不同。所以，白光经过三棱镜折射以后将分解成各种色光并 呈现出一片按序排列的颜色。这种现象称为光的色散a6-is*才A入射光B出射光S1-1三棱競苴表面对光线的折射作用(2) 、图1-1画出了三棱镜表面产生折射的情况。如入射光(某一单色光)经三棱 镜AB进入玻璃介质后，光线产生一 偏角Si该光束在B面出射时，又产生 一偏角S2光线经二次折射后入射光与 出射光产

7、生的偏角S 0 =S汁S2对三棱镜两个折射面AB导出折射定律为:SinI1=nSinI1'Sinl2 '=nSinl2利用两式相减，并根据 a = I 1' -I 2, S = S 1+ S 2= I 1-I 2' + I 2- I 2'经过具体运算得Sin1/2(a +S )=n-Sin a /2*Cos(l 1' +12)/Cos1/2(l 1+I2')由式可见，光线经棱镜折射后，产生的偏角是光线入射角I1。棱镜折射角a和折射 率n的函数，对于给定的三棱镜a和n为定值，因此 随I1而变。图1-2表示的光通过三棱镜时的 色散现象，由于介

8、质的折射率随波 长的的变短而增大，尤其是短波部 分，折射率增加的更快。由图1-2可知红色的波长长，折 射率小，产生较小的偏角，而紫色 的波长短，折射率大，产生的偏角 也大，这样的光经三棱镜折射后，形成一条按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺序的连续光 谱，本实验用于演示这一现象。利用滤色片也可以从白光中获取单色光，常用滤色片有二类，一类是塑料片，它只能透 射某一波长的光，而对其它波长具有吸收作用，对玻璃滤光片，玻璃片上镀某种颜色（例 如红色）的薄膜，它利用光的频率效应。则它对红色的光是干涉相长。对其它颜色的光则 干涉相消。衡量滤色质量优劣的是色纯度2、实验器材：CSY2000G主机箱、普通光源、分光

9、装置（三棱镜）、半导体激光器、滤色片、光照度计及探头。3、实验步骤：（1）根据图1-3将普通光源插进安装架上，把光源的两个插孔分别连接到主机 箱的“012V可调电压源上，调节“012V的可调旋钮，可改变光源的亮度（调 节电源012V必须从最低电压起始慢慢调到12V，否则冲击电流大，电源自动截止 保护，要正常工作必须重新开机）。（2）将光源升降杆的固定螺钉旋松，旋转光源180°后拧紧固定螺钉。在光源的前方适当的位置安放分光三棱镜，旋转棱镜，观察投射出的连续的带状分光光谱（红紫七色，如图1-3）。（3） 关闭电源，旋下光源前盖，装上不同颜色的滤色片，观察不同波长（颜色） 的光。（4）把普

10、通光源取下，换上半导体激光光源，连接5v电源（注意1二极管保护;2光源注意极性），重复（2）。（5）把分光装置对太阳观察太阳光，用一白纸作受光面。从出射的受光面上观测带状光谱（如图1-4）。图1-4太阳光的光色散第二部分辐射度与光度学1、基本原理：光辐射的探测和计量，在辐射度单位和光度单位两套不同的体系。辐射度单位适用于 整个电磁波段。光度学只适用于可见光波段。本实验帮助学生理解两种概念体系的区别和 联系。2、实验器材：CSY2000G主机箱、普通光源（含遮光筒）、半导体激光光源、各种滤色片，光照度 计探头3、实验步骤：（1）根据图1-5装置图将照度计探头代替光敏探头，把照度计探头的两个插孔与

11、主 机箱的光照度计两个插孔正负对应相连，再按下主机箱照度计的按纽（XI）。打开主 控箱电源，测量当前环境下的照度。（2）关闭主控箱电源,把普通光源的两个插孔与主控箱的012V的可调电源的两个 插孔相连，逆时针调节可调电源旋钮到底。把主机箱的电压表输入端（+、-）分别 与012V的可调电源的+、-相连，监测可调电源的输出大小。按表1-1慢慢旋转可调电源旋钮，按表1-1记录数据。表11输入电压（v）234567光照度（Lx）（3）关闭主机箱电源，取下实验装置的遮光筒，旋下普通光源的前盖，分别旋上不同颜 色的滤光片，装上遮光筒，按上面的方法分别测量不同滤色片下的照度。并作记录，把数 据填入表1-2。

12、表12波 照 一-电660nm600nm560nm510 nm470nm400nm2V3V4V5V6V7V（4）在（3）中，用眼睛观察不同颜色光的亮度情况，感觉同一照度下不同颜色的光， 感受一下眼睛对光颜色的敏感度。（5）关闭主机箱电源，将普通光源撤下换上半导体激光器，将半导体激光器的两个插孔（+、-）分别与主机箱05V的可调电源的+、-相连。开主机箱电源，同上面方法用照 度计测量激光器发出的光的照度，作记录把数据填入表1-3。表13输入电压（v）2.5V3V3.5V4V4.5V5V光照度（Lx）（6）关闭主机箱电源，用光功率探头代替照度计探头，将光功率探头的两个插孔（+、-）分别与主机箱的光

13、功率计输入端的+、-相连，打开主机箱电源，方法同上用光功率计测量激光器的光功率，并作记录，把数据填入表1-4。表1 4输入电压（v）33.544.55光功率（mw）五、思考题白光与其他色彩光有何区别？人的视觉对什么颜色（波长）的光最敏感？为什么灯泡在相同工作电压下发出各种波长光的照度、光功率大小不同？23实验二 光敏电阻实验实验目的:了解光敏电阻的光谱响应特征、光照特性和伏安特性等基本特性基本原理:在光线的作用下，电子吸收光子的能量从键合状态过渡到自由状态。引起电导率的变 化，这种现象称为光电导效应。光电导效应是半导体材料的一种体效应。光照愈强，器件 自身的电阻愈小。基于这种效应的光电器件称光

14、敏电阻。光敏电阻无极性，其工作特性与入射光光强、波长和外加电压有关。三、需用器件与单元：光电器件实验（一）模板、cds光敏电阻、光。旳光敏电阻（MT552S）图2-1光敏电阻实验原理图CS2000G主机箱、光源、滤色片、照度探头。四、实验步骤：1、亮电阻和暗电阻测量（1）图2-1是光敏电阻实验原理图（2）按图2-1的光学系统装置图，安装好普通光源和光照度计探头及遮光筒，将主机箱的012V的可调电源与普通光源的两个 插孔相连，将可调电源的调节旋钮逆时针方向慢慢调到底。将照度计探头的两个插 孔与主机箱照度计输入端“+”、“相应连接。打开主机箱电源，顺时针方向慢慢增加012V可调电源，使主机箱照度计

15、显示100L （按下按钮X1）图2-2光敏电阻实验接线图(3) 撤下照度计连线及探头，换上光敏电阻。将光敏电阻的一个插孔连到主机箱固定 稳压电源+5V的“+”插孔上。光敏电阻的另一个插孔连到主机箱电流表输入端的“+”插孔上，电流表输入端“插孔与+5V稳压电源的“丄相连。(4) 在光敏电阻与光源之间用遮光筒连接后，10秒钟左右(可观察主机箱上的定时器) 读取电流表（可选择电流表合适的档位20mA档）的值为亮电流I亮。（5）将012V可调电源的调节旋钮逆时针方向慢慢旋到底后，10秒钟左右读取电流表 （20吩档）的值为暗电流I暗。（6）根据以下公式，计算亮阻和暗阻（照度100Lx、U测5V）R亮二U

16、测/ I亮；R暗=U测/ I暗（7）光敏电阻在不同的照度下有不同的亮阻和暗阻；在不同的测量电压（U测）下有不 同的亮阻和暗阻。如有兴趣可重复以上实验步骤做实验。2、光照特性测量光敏电阻的测量电压（U测）为+5V时，光敏电阻的光电流随光照强度变化而变化， 它们之间的关系是非线性的。调节光源012V电压得到不同的光照度（测量方法同以上实 验），测得数据填入表21,并作曲线图。表21强度（Lx）100300500700900110013001500电流mA光照度（LX）图23光敏电阻光照特性实验曲线3、伏安特性测量在一定的光照强度下，光电流随外加电压的变化而变化，测量时，在给定光照强度100Lx时，

17、光敏电阻输入0-5V可调电压，调节0-5V电压（由电压表监测），测得流过光敏 电阻的电流，测得数据填入表2-2，并作不同照度的三条伏安特性曲线。表2-2型号：MT5528电压（U1.252345昭八、度Lx100电流（mA300电流（mA500电流（mA*光电流J VCC图2 4光敏电阻伏安特性4、光谱特性测量（1）光敏电阻对不同波长的光，接收的光灵敏度是不一样的，这就是光敏电阻的光谱 特性。实验时线路接法同图2-2，在光路装置中先用照度计窗口对准遮光筒，然后撤下 光源前盖，更换不同的滤光片，得到对应各种颜色的光。作光谱特性时，需调节光源强度（调012V电压），得到相同的照度。光敏电阻在某一固

18、定工作电压下（+5V,在同一 照度下（例如100Lx），在不同波长（颜色）时测量流过光敏电阻的电流值，就可作出其 光源特性曲线。实验数据如下表所示：表2-3颜色波长(nm)型号MT5528100&照度下的电流红660橙600黄560绿510蓝470紫400实验三光电池实验一实验目的了解光电池的光照、光谱特性，熟悉其应用。二基本原理当光照射到光电池P-N结上时，便在P-N结两端产生电动势。这种现象叫“光生伏特 效应”将光能转化为电能。该效应与材料、光的强度、波长等有关。三需用器件与单元光电器件实验（一）模板、主机箱、滤色片、普通光源、照度计、硅光电池、光照度 计探头四、内容1光照特性光电

19、池在不同的照度下，产生不同的光电流和光生电动势。它们之间的关系就是光照 特性。（1）按图3-1接线:将光源两个插孔接入主机箱012V可调电源的相应插孔上（逆时针方向调节可调电源的旋钮到底）将光电池的两个插孔接到实验模板的硅 光电池上（注意极性）。(2)将照度计探头两个插孔接到主机箱的照度计输入端的相应插孔上，打开主机箱电源，将照度计探头用遮光筒与光源连接起来，调节接入光源的012V可调电源,使照度计显示100&。拿去照度计探头，把硅光电池连到遮光筒上，将主机箱的电压表接到光电实验器件模板的硅光电池的电压表接口上，测出100Lx照度下的开路电压。把电压表的引线断开后，将主机箱的电流表串接

20、到 实验模板上、硅光电池的电流表接口上，测出100Lx照度下的短路电流。重复 以上方法，测出照度为2002.600Lx时的硅光电池的开路电压和短路电 流，将数据填入表3-1，并作出曲线图。表31强度（IX）100140180220260300电流（mA电压（mVf电流电压d L光强度图3-2硅光电池开路电压 短路电流实验特性2 光谱特性光电池在不同波长的光照下，产生不同的光电流和光生电动势。用不同颜色的滤色片 得到不同波长的光。滤色片更换：拧下光源前盖，分别拧上红、橙、黄、绿、青、蓝、紫 七种滤色片。在相同的照度之下，将测量结果填入表3-2，并在图3-3作出曲线图。表3-2波长（nn）660600560510470400电动势（mV电流（mA八电动势入波长 实验四光源及光调制解调实验一、实验目的：了解光调制解调的原理二、基本原理：光束是一种电磁波