华中科技大学光电技术实验报告Word下载.docx

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检查接线无误后打开主机箱左侧面电源开关。

2、检查三棱镜表面，使其清洁，调节三棱镜的升降杆使光束对准三棱镜，转动三棱镜座使三棱镜毛面在下面，二个工作面（光面）的棱镜在前、后面，在实验架右侧放一张白纸，然后调节转角手轮使折射的辐射面上出现清晰的光谱。

如果光谱不清晰可轻微旋动光源罩和

图1—3光源分光色散实验安装、接线示意图

松开升降杆紧固螺钉转动一个角度使光束对准三棱镜的工作面﹙要点:

光束对准棱镜工作面﹑灯角度﹑棱镜角度和白纸角度﹚。

（注意：

光源长时间点燃时光源罩会有一定温度，注意避免烫着！

）

3、关闭主机箱左侧电源开关，待光源熄灭冷却后旋下光源筒前端盖，旋下内面的挡环，、将400nm滤光镜放入再轻轻旋上挡环（不必要旋紧，以免滤光镜破损）。

开启主机箱左侧电源开关，观察棱镜折射现象。

按相同步骤更换不同波长的滤光镜重复实验，观察折射现象。

4﹑关闭主机箱左侧电源开关，将小稳压源拔下。

将图1－3中的白炽灯光源取下，换上

导体激光源。

5、将（电机转速）旋钮逆时针旋到最小，用一根线将2~24V电压输出端口接电压表的输入端Vi（调节时以便观察电压大小），检查接线，无误后打开主机箱左侧电源和正面主电源，平滑地顺时针调节2～24V旋钮使电压在4.5V左右，如图1－4示意安装、接线。

6、按步骤2操作调节，观察现象。

图1—4激光的单色性实验接线图

五、思考题

1.解释实验现象

答：

实验现象记录如下

如图所示，正常光通过三棱镜后发生色散现象，由于频率大的单色光折射率更大，则映射在纸上的位置更接近棱镜，故出现图中所示七色光从紫到红由近到远分散分布的情况；

当加滤光片之后，就只剩下单色光集中在纸上同一片区域。

2.半导体激光器的特性有哪些？

半导体激光器的特性包括伏安特性、P-I特性、效率特性、温度特性、光谱特性、频率特性、激光束空间分布特性等。

实验二发光二极管（光源）的照度标定实验

一、实验目的

了解发光二极管的工作原理、光伏效应及工作电流与光照度的对应关系。

二、基本原理

光伏效应：

当入射光子在本征半导体的PN结及其附近产生电子—空穴对时，光生载流

子受耗尽层内建电场作用，电子漂移到n区，空穴漂移到p区。

电子和空穴分别在n区和p

区积累，两端便产生电动势，这称为光生伏特效应。

光电二极管基于这一原理。

如果在外电

路中把p-n短接，就产生反向的短路电流，光照时反向电流会增加，并且光电流和照度基

本成线性关系。

半导体发光二极管（LightEmittingDiode,简称LED）是由Ⅲ－Ⅳ族化合物，如GaAs

（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体化合物制成的，其核心是PN结，

因此它具有一般二极管的正向导通以及反向截止、击穿特性。

此外，在一定条件下，LED

还具有发光特性，发光原理如图2－1所示，当加上正向激励电压或电流时，在外电场作用

下，在P－N结附近产生导带电子和价带空穴，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N

区，进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。

假设发

光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕

获后，再与空穴复合发光。

除了上述发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于

导带、价带之间）捕获，再与空穴复合，每次释放的能量不大，以热能的形式辐射出来。

发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。

由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在距离PN结数µ

m以内产生。

发光二极管的发光颜色由制作二极管的半导体化合物决定。

本实验使用纯白高亮发光二极管。

图2—1发光二极管的工作原理

三、需用器件与单元

主控箱、电流源模板、发光二极管；

照度计模板、照度计探头、遮光筒。

四、实验步骤

1、按图2－2配置接线，接线注意＋、－极性。

图2—2发光二极管照度标定实验接线图

2、合上主控箱电源，平滑缓慢调节电流源模板上的电位器，调节电流源电流大小即发光二极管的工作电流大小就可改变光源的光照度值。

拔去发光二极管的其中一根连线头，则光照度为0（因恒流源的起始电流不为0，要得到0照度只能断开光源的一根线）。

按表2－1进行标定实验（调节电流源），得到照度－电流对应值。

表2－1

照度（Lx）

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

电流（mA）

0.52

1.04

1.56

2.06

2.55

3.09

3.60

4.10

4.61

5.13

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

5.66

6.17

6.72

7.25

7.82

8.38

8.92

9.33

9.87

10.45

10.99

220

230

240

250

260

270

280

290

300

11.56

12.12

12.67

13.25

13.80

14.36

14.96

15.55

16.11

（注：

由于发光二极管（光源）离散性较大，每个光源的照度与电流对应值是不同的。

实验者必须保存照度－电流对应值表，为以后做光电实验服务。

实验者只能在相应的实验台完成以后的光电实验。

3、根据表2－1画出发光二极管的照度－电流特性曲线，可以得到灵敏度（曲线斜率）

和线性关系。

可见发光二极管电流与照度线性度很好，经计算二者相关系数为0.9998，故两者线性关系很好，表达式为：

，灵敏度为0.0535。

实验三光敏电阻特性实验

一、实验目的

了解光敏电阻的光照特性、伏安特性以及光谱特性等。

二、基本原理

在光辐射的作用下，光子在外加电压的半导体中激发出光生载流子（电子和空穴），引起半导体电导率的变化，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，半导体材料的电阻愈小。

基于这种效应的光电器件称光敏电阻。

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

主控箱、电流源模板、发光二极管、光电器件实验

（一）模板、光敏电阻、20μA~200mA

量程可调电流表。

四、实验步骤

1、亮电阻和暗电阻测量

图3－1光敏电阻实验原理图

（1）按图3－2安装接线。

将电流源模板调节旋钮和主控箱电机转速调节旋钮逆时针平滑

旋到最小。

打开主控箱电源，缓慢调节主控箱的转速调节（2－24V）电源，使主控电压表显示

5V。

（2）根据实验二中的标定结果即照度与电流的对应关系，调节电流源电流光照度为100Lx

时的电流值（若不是同一实验台，则首先需测得对应光照度为100Lx时的电流值），10秒钟

左右后马上读取光电器件实验

（一）模板中所接的电流表（可选择电流表合适的档位20mA档）

的值（亮电流I亮）和电压表的值。

（说明：

或参照实验二操作，使发光二极管的光照度为100LX。

亮电流：

1.71mA，电压：

4.92V

（3）拆去图3－2发光二极管中的其中任意一根引线，10秒钟左右后马上读取光电器件

实验

（一）模板中所接的电流表（可选择电流表合适的档位20μA档）的值（暗电流I暗）和电压表的值。

暗电流：

0.05uA，电压：

5.02V

（4）根据以下公式，计算亮阻和暗阻：

R亮=U测/I亮；

R暗=U测/I暗

则R亮=2.88KR暗=100.4M

图3－2光敏电阻实验接线示意图

2、光照特性测量

光敏电阻的电压为一定时（如：

5V），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。

调节电流源得到不同的光照度，测得数据填入表3－1，并作出光电

流与光照度（I－Lx）曲线。

表3－1

光照度（Lx）

光电流（mA）

0.025

0.049

0.071

0.09

0.107

0.124

0.139

0.153

0.166

0.179

0.196

0.211

0.228

0.242

0.268

0.284

0.301

0.329

0.345

0.363

注：

电流源电流根据实验一标定的结果。

若在不同实验台上做，则应参照图2－2接线对照

度－电流关系先进行标定，或参照下面的实验步骤进行。

光敏电阻光照特性实验曲线

步骤：

1）按图3－2接线。

先将主控箱上的转速旋钮逆时针旋到最小，开主控箱电源，调节转速旋钮，使主控箱电压表显示为5V。

2）按图2－2接线，调整电流源上的旋钮，使照度计显示为所需的光照度（如10Lx），记下对应的电流值（20μA—200mA量程可调电流表上显示的数值）。

3）电流源模板上的旋钮保持不变，换成图3－2接线，读出20μA—200mA量程电流表的数值填入表3－1的光电流栏里。

4）重复2、3步，依次得到照度为20、30、40。

。

200时的光电流值填入表3－1。

3、伏安特性测量

按图3－2光敏电阻在一定的光照度下，光电流随外加电压的变化而变化，测量时，在给定光照强度（如：

100Lx）时，光敏电阻输入可调电压测得光敏电阻上的电流填入表3－2，并作出不同照度下的伏安特性曲线。

步骤：

1）确定光照度。

按图2－2测量使光照度为20Lx。

2）换成图3－2接线。

调整转速旋钮使主控箱电压表显示为所需的电压。

（如2V、4V、6V、8V、10V、12V）

3）读出20μA—200mA量程电流表上显示的数值。

4）重复1、2、3步。

将实验数值填入表3－2。

5）绘制光敏电阻伏安特性曲线。

表3-2

光敏电阻

电压（v）

2

4

6

8

12

照

20Lx

0.018

0.036

0.055

0.075

0.095

0.116

度

50Lx

0.16

0.33

0.70

0.89

1.10

（Lx）

100Lx

0.25

0.51

0.78

1.05

1.34

1.62

可见光敏电阻在不同光照度下的伏安特性曲线有很好的线性关系，只是随着照度的增大，亮电阻减小，曲线斜率增大，为此做出拟合曲线并给出线性表达和相关判断：

10Lx下：

，相关系数为：

0.9997，线性度极好；

50Lx下：

0.9995，线性度极好；

100Lx下：

0.9998，线性度极好。

4、光谱特性测试

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。

做光谱特性实验时需调光源为相同照度，光敏电阻在某一固定电压下（+5V）,在同一照度下

（100Lx）在不同波长时测量流过光敏电阻的电流值，就可做出其光谱特性曲线实验数据。

实验时参考实验二步骤先确定发光二极管的照度为100Lx左右；

光敏电阻所加电压为5V；

再更换不同的滤色片，得到对应波长的光；

将所测数据填入下表；

并画出光谱特性曲线。

表3-3：

波长（nm）

光敏电阻（5V、100Lx下的）电流（mA）

660

600

0.85

560

530

0.77

470

0.38

400

0.0131

由图中可知，光敏电阻对不同波长的响应能力不同，但并不是简单的线性关系，实验用的光敏电阻对中间波长（绿光）的响应就大一些，这是电阻本身特性所决定的。

实验四光敏二极管的特性实验

了解光敏二极管工作原理及光生伏特效应。

当入射光子在本征半导体的PN结及其附近产生电子—空穴对时，光生载流子受耗尽层

内建电场作用，电子漂移到n区，空穴漂移到p区，电子和空穴分别在n区和p区积累，两

端便产生电动势，这称为光生伏特效应，简称光伏效应。

光敏二极管基于这一原理，外回路

采用反偏压（光导工作模式）。

如果在外回路中把p-n短接，就产生反向的短路电流，光照

时PN结反向电流会增加，并且光电流和照度基本成线性关系。

主控箱、电流源模板、光电器件实验

（一）模板、光敏二极管、发光二极管、20μA—200mA

量程可调电流表（自备）。

按图4-1安装接线，注意接线孔的颜色相对应，测量光电二极管的暗电流和光电流。

图4－1光敏二极管实验接线示意图

1、暗电流测试

按图4-1安装接线。

将电流源模板调节旋钮和主控箱转速调节旋钮逆时针缓慢转到底。

拆去发光二极管（光源）中的其中任意一根引线，打开主控箱电源，缓慢调节主控箱的转速调节（2－24V）电源，使主控电压表显示5V。

读取光电器件实验

（一）模板中所接的电流表（可选择电流表合适的档位20μA档）的值I暗，暗电流基本为0μA，一般光敏二极管小于0.1uA，

暗电流越小越好。

实验数据：

实验中测得的暗电流为0.04uA，满足实验要求。

2、光电流测试

将发光二极管（光源）的引线接上，光敏二极管在一定的工作电压下（如5V，可调节主控

箱中的2－24V可调电源得到），光电流随着光照度的变化而变化。

根据实验二中的标定结

果即照度与光源电流的对应关系，调节电流源电流得到不同的光照度读取光电器件实验

（一）

模板中所接的电流表（可选择电流表合适的档位20mA档）的值。

填入测量数据。

根据表4

－1数据，画出光敏二极管工作电压为5V时的I—Lx曲线。

表4-1

电流源（mA）

0.04

0.14

0.23

0.42

0.60

0.69

0.88

可见光敏二极管的照度-电流关系在照度较小的时候呈非线性，随着照度的增大，两者线性度变好，光电流随着照度增大而增大。

按图4－1光敏二极管在一定的光照度下，光电流随外加电压的变化而变化，测量时，

在给定光照强度（如：

100Lx）时，光敏二极管输入可调电压测得光敏二极管上的电流填入

表4－2，并作出不同照度的伏安特性曲线。

（参照实验三伏安特性测量步骤！

）

表4-2

光敏二极管

10Lx

电流（uA）

0.67

0.68

3.10

3.11

5.71

5.73

5.74

5.75

可见光敏二极管在一定照度下，光电流几乎不随电压的变化而变化，基本保持不变，输出恒定；

但随着光照度的增大，光电流也增大，有正比关系。

光敏二极管对不同波长的光，接收的光灵敏度是不一样的，这就是光敏二极管的光谱特

性，实验时安装接线同图4－1。

更换不同的滤色片，得到对应波长的光。

做光谱特性实验

时需调光源为相同照度，光敏二极管在某一固定电压下（+5V）,在同一照度下（100L）在

不同波长时测量流过光敏二极管的电流值，就可做出其光谱特性曲线实验数据，填入表4－

3，并画出光谱特性曲线。

（参照实验三）

表4－3

光敏二极管100Lx下的电流（uA）

1.78

1.47

2.31

1.61

1.58

0.06

光敏二极管对不同频率的光的响应是不同的，和光敏电阻相似，光敏二极管对中频光的响应较大，对于低频光的响应非常不明显。

实验五透射式光电开关实验

了解透射式光电开关组成原理及应用。

二、基本原理：

光电开关（光耦、光断续器）可以由一个光发射管和一个接收管组成。

当发射管和接收

管之间无遮挡时，接收管有光电流产生，一旦此光路中有物体阻挡时光电流中断，利用这种

特性可制成光电开关用来工业零件计数、转速测量、控制应用等。

主控箱、电流源模板、发光二极管、光电器件实验模块

（一）、光敏三极管。

1、根据图5-1安装接线，注意接线孔颜色（极性）相对应，将光电器件实验模板的VCC

插孔与“⊥”插孔接到主机箱的+15V电源的相应插孔上。

2、开启主控箱电源，调节电流源电流为一定值（如10mA），观察遮挡与不遮挡光路时光

电器件模板上指示发光二极管的变化情况，由此形成了光电开关功能。

图5－1光电开关实验接线示意图

实验现象:

当用纸遮挡于光敏三极管和发光二极管之间或者二者间的距离过大，光器件实验板上的指示发光二极管会熄灭。

如此可以验证光敏三极管可以作为光电开关的器件使用。

思考题：

查阅一下资料，举出光电开关在工业中实际应用的1～2个例子，来加深了解光电开关

光电开关在工业中可用于物位检测、产品计数、定长剪切、孔洞识别、信号延时、宽度判别、速度检测等。

实验六光敏三极管特性实验

了解光敏三极管结构、光照特性以及光谱特性等。

在光电二极管的基础上，为了获得内增益，就利用晶体三极管的电流放大作用，用Ge

或Si单晶体制造NPN或PNP型光电三极管，其结构使用电路及等效电路如图6-1所示。

图6－1光电三极管结构及等效电路

光电三极管可以等效一个光电二极管与另一个一般晶体管基极集电极并联：

光照下集电

极-基极产生的电流，输入到共发三极管的基极再放大。

不同之处是，集电极电流（光电流）由集电结上产生的iW控制。

集电极起双重作用：

把光信号变成电信号起光电二极管作用；

使光电流再放大起一般三极管的集电结作用。

一般光电三极管只引出E、C两个电极，体积小，光电特性是非线性的，广泛应用于光电自动控制作光电开关应用。

主控箱、电流源模板、发光二极管、光电器件实验

（一）模板、光敏三极管、20μA~200mA量程可调电流表（自备）。

1、光电三极管的光照特性

1）按图6－2接线。

先将主控箱上的转速旋钮逆时针旋到最小，开主控箱电源，调节

转速旋钮，使主控箱电压表显示为5V。

2）按图3－3接线，调整电流源上的旋钮，使照度计显示为所需的光照度（如10Lx），记下对应的电流值（20μA~200mA量程可调电流表上显示的数值）。

3）电流源模板上的旋钮保持不变，换成图6－2接线，读出20μA—200mA量程电流表的数值填入表6－1中。