5光电子综合实验Word文档下载推荐.docx
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2数显电流模块：
该模块提供实验箱所需的微电流计。
微电流计分为两个量程20μA和2μA，电流从TP1、TP2两个端子输入。
可用于PMT的暗电流测试，最大测试电流20μA。
3光功率模块：
该模块提供
（1）高性能的PIN（图中U405）光检测器一只，完成光电变换、其光谱响应范围为800-1600nm，位于不可见的红外波段，其功能是将光功率转换为电流输出。
（2）4个数码显示管及配套的AD转换电路，可以显示从输入测试点INPUT输入的电压信号。
（3）I-V转换电路，弱光信号经PIN光检测器输出的电流通过I-V转换电路，变成电压，同时放大后输出。
该模块可用于学生自行设计如：
简易光功率计的设计等，由于PIN输出的很微弱的电流信号，模块中已经将电流信号进行了放大，并转成了电压信号从测试点TP1输出。
测试点INPUT为数字显示的模拟输入端口，只要将待测量送入该端口，数码管就显示出测试量的大小。
模块中自动将模拟量进行AD转换，并经过驱动电路送数码管显示。
4光发送与接受模块：
完成光源半导体LED特性实验、P-I特性及调制实验；
如配有摄像头和监视器可进行图像光纤传输实验。
该模块可用于学生自行设计：
图像电视信号的光纤传输设计等，配有模拟光发送机和模拟光接收机。
只需配一个摄像头和一个监视器就行。
5光电报警模块：
提供给学生自主实验，通过连线可完成红外传感、光电报警等实验。
该模块提供
（1）宽度可调的窄脉冲发生器，用于光源调制产生窄脉冲光，宽度调节可通过连线选择不同的电阻和电容来实现，其实现电路为图中555及外围电路。
（2）组合实验电路有：
光发送电路和光接收电路，音频功率放大器（通过调节RP2改变增益），反向放大器（通过调节RP1改变增益），同向跟随器，音乐产生电路。
学生可根据理论知识灵活连接电路器件完成实验。
6光电开关模块：
该模块完成反射式与透射式光电开关原理实验；
自锁开关K0是透射式和反射式选择开关，按下选择透射式工作，抬起选择反射式工作；
K1是将透射式和反射式信号送入下级，按下状态送投射式信号，抬起状态送反射式信号；
K2是喇叭静音选择，按下为给扬声器或喇叭加电，喇叭发声，抬起切断喇叭，电源喇叭无声。
⑦CCD驱动模块：
该模块完成CCD驱动原理、积分信号、转移脉冲、光电变换实验。
CCD信号的数据与处理采集，模块中已配有12位高精度的AD转换芯片、CPU主控系统和标准的串口。
上面的RS232接口为信号接口，用于给CCD加电及产生工作时序SH（积分脉冲）、RS（复位脉冲）、F1（正向转移脉冲）、F2（反向转移脉冲）。
下面的串行RS232接口为CCD输出的电信号送PC处理，通过配套软件测量并显示。
实验一光源波长测量与单色性测量实验
一、实验目的
1、熟习光电系统工程中的常见光源；
2、掌握几种主要的光源的特性：
如宽谱光源卤钨灯、单色性好的He-Ne激光器，体积小的半导体发光二极管LED、光纤通信中广泛采用的LD激光光源；
3、掌握光源的单色性的测量及光谱特性测量。
二、基本原理
光源可分为二大类：
自然光源和人工光源，自然光源如太阳光、星体发光；
人工光源是人为将各种形式的能量如电能、化学能等转化为光能的器件，其中最重要的是将电能转化为光能的器件称为电光源。
电光源是光电系统工程中最常见的光源，按发光基理分为：
热辐射光源如白炽灯、卤钨灯等；
气体光源如荧光灯、钠灯、汞灯等；
固体发光光源如发光二极管等；
激光源如气体激光器He-Ne、固体激光器YAG、染料激光器和半导体激光器LD等。
光源的特性包括：
1、单色性：
光源发出的光有可见光和不可见光（人眼看不见），可见光有红光（R）、绿光（G）、蓝色（B）等，即使单一的红光还可分为大红、粉红、玖瑰红等，这主要是红光在电磁波谱中有一定频谱宽度即频率（或波长）范围。
所谓光源的单色性是指光源发出光的频谱宽度，单色性越好其频谱宽度越窄，发出光的色彩越纯。
如激光源的单色性比日光灯要好。
光源发出的光通常是复合光，这可以通过滤光片、分光三棱镜、单色仪等进行分色、测量。
2、发光效率：
在给定波长范围内辐射出来的光功率与所消耗的电功率之比。
3、光谱功率分布：
光源发出的光大都不是单色光（单一波长或频率）而是由单色光组成的复色光。
光谱功率描述了光源在不同的波长上有不同的辐射光功率，即光功率随波长变化的关系曲线。
光源的光谱功率分布通常有四种情况。
1、线状光谱，2、带状光谱，3、连续光谱，4、混合光谱，如图1所示。
4、空间光强分布：
光源的发光强度在空间不同的方向是不一样，如白炽灯其发光强度在360度范围内中可认为相同，日光灯与白炽灯就不同，在0-180度可认为相同。
三、实验装置与仪器
1、光学导轨及配件
2、单色仪
3、光源（半导体红光激光器一只，半导体LED红、兰、绿等）
4、光功率计或光照度计
5、光电子综合实验箱或光综合测试仪
出光孔
四、实验步骤
1、调整光学导轨及各滑块。
2、按图2调整好光源和单色仪的位置，光源套筒的出光孔、单色仪的入光孔和出光孔在同一水平线，即同轴等高。
3、给光源提供工作电源，一种方法是使用光电综合实验箱的恒流输出功能，只须将光源套筒的输出线连接到恒流输出端子“+”和“-”；
另一种方法使用光综合仪的恒流源功能（具体调节参见光综测仪的说明）。
注：
应调节电流使光足够强，光斑明亮。
4、首先采用半导体红色激光源，调整单色仪的位置，使其入光孔对准光源，观察单色仪的出光孔。
5、调节单色仪的读数轮，当有红光输出时可以读出相应的转轮的数值，其大小即为相应的光源的波长值。
6、将光功率计或光照度计探头对准输出孔，测相应的输出功率。
7、换上发红光的半导体高亮LED、绿光LED和兰光的LED重复上述实验。
8、如配有低压钠灯右汞灯可测出它们的光谱线。
五、实验要求
1、熟习单元色仪的正确操作。
2、掌握光功率计与光照度计的使用。
3、试比较各光源的波长。
实验二光照度与光辐射通量测量
1、掌握“辐射度学”和“光度学”在描述光源辐射时的异同；
2、掌握积分球在光度学中的重要作用；
3、理解光照度这一重要物理量，掌握光照度的测量；
4、理解光通量的含义及LED光通量的测量方法；
二、基本工作原理
在光的测量过程中，有辐射量测量法和测光度学测量法两种不同的方法，这两种方法使用着各自不同的专业术语。
辐射测量法是对光谱内的所有波长都进行测量的一种方法，被测量的光包括紫外线、可见光、红外线。
光量测量法（即光度学测量法）的测量范围则仅限于可见光的波长范围，即380～750nm。
为了将光的物理辐射量，转换成与人眼所感觉到的明暗程度相对应的测光量，不得不引入相对可见度因数Vλ（relativevisibilityfactor）的概念。
相对可见度因数如图1所示，它表示的是普通人眼睛的分光灵敏度特性。
因此，测光量可以说是掺杂了人们明暗感觉的心理学物理量。
辐射通量P是单位时间内透过的辐射能量。
辐射通量P与光通量Φ（单位时间内透过的光通量）之间具的如下关系：
Φ=680∫PλVλdλ（lm）（积分限λ：
380-780nm）
式中，Pλ为分光辐射通理，单位是W/μ；
λ为波长，单位是μm。
由上关系式可知，550nm波长光的能量为1W时，就相当于680lm。
表1汇总了辐射量与测光量的对应关系,可供查阅。
V’λ
（暗处视感度）
（亮处视感度）
300400500600700800
（光）照度与（光）亮度的区别在于，光照度表示从某个面向所有方向射出了多少光，而（光）亮度则表示从某个面向特定方向射出了多少光。
人们在看东西时会有明暗之感，与之相对应的物理量是（光）亮度。
某个光的光通量与辐射通量之比叫做发光效率，单位是1m/W。
最大发光效率是在555nm单色光时的680m/W。
表1：
辐射量与测光量的对应关系
辐射量
符号
单位
测光量
辐射能（以电磁波的形式传播的能量）
Qe
J，W·
s
光量
Qυ
lm·
辐射功率（也叫做辐射通量，单位时间辐射的能量）
Φe
W
光通量
Φυ
lm（lm）
辐射发散度（单位面积辐射功率）
Me
W/m2
光束发散度
Mυ
Lm/m2=rlx
（辐射勒克斯）
辐射强度（向某特定方向的单位立体角辐射的功率）
Ie
W/sr[2]
（球面角度）
发光强度
Iυ
Cd（坎德拉）
Lm/sr
辐射亮度（在与某特定方向垂直的表面上，离开、穿透或者到达单位面积的辐射强度）
Le
W/（sr·
m2）
（光）亮度
Lυ
Cd/m2
还有一个叫做nit（尼特）的单位，现在已经不使用1cd/m2=lnit
辐射照度（单位面积上入射的辐射功率）
Ee
（光）照度
Eυ
Lx（勒克斯）
也可用lm/m2,但为避免与光束发散度单位相同而用lx
注1：
这里所说的单位面积，是指与某个特定方向（一般为观察者方向）垂直的表面上，实际投影面的单位面积。
注2：
所谓lsr是指从半径为1m的球的中心，向球的表面1m2的面积上望去所张开的立体角。
光通量的测试有两种方法，即积分球法和变角光度计法。
变角光度计法是测试光通量最精确的方法，但是由于其耗时较长，所以一般采用积分球法测试光通量。
现有的积分球法测ＬＥＤ光通量中有两种测试结构，一种是将被测ＬＥＤ放置在球心，另外一种是将其放在球壁。
图2积分球法测LED光通量
由于采用积分球法测试光通量时，光源对光的自吸收会对测试结果造成影响。
因此，往往需要引入辅助灯（见图３）。
图3辅助灯法消除自吸收影响
在测得光通量之后，配合电参数测试仪可以测得ＬＥＤ的发光效率。
而辐射通量和辐射效率的测试方法类似于光通量和发光效率的测试。
光源S在球壁上任意一点B上产生的光照度是由多次反射光产生的光照度叠加而成的。
由积分学原理可得，球面上任意一点B的光照度E为：
上式中，E1为光源S直接照在B点上的光照度，E1的大小不仅与B点的位置有关，也与光源在球内的位置有关。
如果在光源S和B点间放一挡屏（如图
（一）所示），挡去直接射向B点的光，则E1=0，因而在B点的光照度为：
上式中，R为积分球半径、ρ为积分球内壁反射率。
R和ρ均为常数，因此在球壁上任意位置的光照度E（挡去直接光照后）与灯的光通量Φ成正比。
通过测量球壁窗口上的光照度E，就可求出光源的光通量Φ。
1、LED光源
2、积分球（内部结构如右图）
3、光电子综合实验箱
4、光照度计
1、安装好LED（已装入积分球内）。
2、调整好积分球。
3、打开实验箱电源,将LED的两根输入端子接到光综测仪的恒流输出端子,或光电子综合实验箱的恒流输出端子给LED加工作电流。
4、光照度测量。
光照度计探头对准积分球的输出孔，测量光照度值。
1、熟习仪表的正确操作。
2、根据光照度计算LED的光通量。
实验三He-Ne激光器光强分布及光束发散角测量实验
1、熟习基横模光束特性；
2、测量He-Ne激光器的远场发射角。
He-Ne激光器的模式（指横模）和远场发射角是激光器的基本参数之一，在激光准直、导航等许多应用中使用的激光器，既要求是TEM00模，又要求激光束具有很好的方向性和准直性。
而激光器的远场发散角越小，输出光束准直距离越长，即准直性越好。
我们能够把共焦腔基模光束的空间传播情况，用如下的空间曲线方程表示：
式中ω（0）是z=0处基模光斑半径，也就是高斯光束的束腰半径。
TEM00模光束沿z轴是按双曲线规律变化的。
包含z轴的任何一个平面，如xz平面内，光束传播轨迹象是两条双曲线包围部分，如图1所示：
在垂直于z轴平面内是一个圆，在横截面内，其光强分布是高斯型的，圆的大小就是基横光斑半径ω（z）：
ω（z）代表在z处光斑半径，即光强度下降到中心强度的1/e2时，对应的半径
由此可见，光斑半径ω（z）随z增大而增大。
1、TEM00模式鉴别
鉴别He-Ne激光器输出光束是否是TEM00模，最简单的方法是让激光束垂直射到距离激光器输出端约4M处的白屏幕上观察光斑的亮度分布。
若是基模光斑，它是一个圆，中心光强度最大。
则He-Ne激光器工作在TEM00模。
精确的方法是用扫描干涉仪，在示波器上观察激光器的输出频谱。
如果激光器输出光束是基横模，那么在示波器上就能观察到同一萤光谱线内各个振荡纵模C/2L的频谱间隔均匀分布，以鉴别它是否是高斯分布，从而确定激光器是否工作在TEM00模。
2、远场发散角的测定
激光光束尽管方向性很好，但不是理想平行光束，而是具有一定发散角。
常用激光器的远场发散角来衡量激光束的准直性好坏，远场发散角越小，表明激光束的能量在方向上越集中，即方向性越好，准直性也越好。
如图1中，基模高斯光束的远场发散角定义为两条双曲线的渐近线间的夹角θ，即
（1）
式中ω0是z=0处的光斑半径，即为通常所说的激光光束的腰粗。
因此，对z很大时，我们还可以用下式定义远场发散角。
（2）
而实际测量远场发散角时，不可能在无穷远处测量，只能采用近似方法。
为了又能较准确的测量θ（∞），我们定义一个参数zf:
由此可以求得：
这表明，当我们在距离输出端z＞zf处测量光斑光径，计算出的远场发散角误差小于1%。
因而可以采用近似测量方法，无需在无穷远测。
但实际测量时可采用两点法，其测试方法如下。
在Z1和Z2两点，分别测量两处的光斑尺寸ω（z1）和ω（z2），可算出光束的远声发散角：
（3）
1、光学导轨、白屏及配件
2、He-Ne光源
3、激光电源
4、光电子综合实验箱
1、调整光学导轨及各滑块。
2、安装好激光管。
3、打开激光源的电源开关。
4、在白屏上观察输出光斑的形状。
5、分别在Z1和Z2处测量光斑的直径。
6、按公式（3）算出激光器的发散角。
1、熟习仪表的正确操作。
2、掌握He-Ne激光源的光波长及光斑特点。
3、试比较与理论值的误差。
实验四半导体激光器LD特性参数的测量
1、熟习半导体LD的结构、V-I特性、阈值特性和输出特性；
二、实验原理
1．半导体激光器的结构和基本工作原理
GaAIAs半导体激光器的结构如图1所示。
它的工作物质是GaAs-GaAIAs异质Pn结。
对Pn结注入足够强的电流则在芯片激活层P-GaAs内产生粒子数分布反转，产生光增益。
P-GaAs的两端为（110）面构成。
当电流进一步增加，增益进一步提高，增益超过损耗，便可产生激光振荡，从（110）解理面输出激光。
增益刚好等于损耗所要求的注入电流称为半导体激光器的阈值电流。
当注入电流小于阈值电流Ith时，激光器输出功率很小，这时激光
器不能产生激光振荡，输出的只是自发发射光。
当注入电流超过阈值时，激光器产生激光振荡，输出光功率随电流增加而迅速增加。
这是激光器输出的是激光，而自发发射光占的比例很小，可以忽略。
典型的输出特性，即I～P关系如图2所示。
2．半导体激光器的输出光谱
半导体激光器是利用半导体材料中的导带电子受激跃迁到价带并与价带中的空穴复合，同时发射光子而产生激光的。
当注入半导体激光器的电流低于阈值时，导带的电子跃以自发发射为主，其输出光谱主要是自发射光，因此，光谱线很宽，如图3（a）所示，图中每个尖峰对应着谐振腔的一个模式。
当注入电流超过阈值时，导带的电子跃迁以受激发射为主，即产生了激光振荡。
此时，输出的激光谱线较窄，如图3（c）所示，其中每个高的尖峰对应一个激光纵模，对于单模激光器，尖峰只有一个。
当注入电流在阈值附近时，则激光器的发射光谱如图3（b）所示。
由于半导体激光器谐腔的品质因素很低，谐振腔内的折射率以及谐振腔尺寸均随温度而变化，导致各模式的中心频率随时间而变化；
这使得激光器在室温下的输出不再是几条清晰的谱线了，而是连成一片的准连续光谱。
半导体的禁带宽度随温度的升高而变窄，从而发射的激光波长向长波方向移动。
借助于半导体激光器的上述特性，就可较精确地测出其阈值电流。
GaAIAs半导体激光器的伏安特性和一般p-n结半导体二极管相类似。
3、半导体激光源（已安装在黑色圆柱筒体内）
4、光功率计
5、光综合测试仪
四、实验步骤及要求
1、打开光综合测试仪电源，用功能键盘进行选择，选择恒流源功能。
2、将LD的两个输出端子上加恒流，调节电流大小，测LD二端的电压、电流。
3、调整单色仪的位置，使其入光孔对准光源。
4、调节单色仪的读数轮，可以读出相应的波长值，观察输出孔光的颜色。
5、将光探头对准输出孔，测相应的输出功率。
6、测出光源的P-I曲线。
求阈值电流。
注:
如没有本单色仪步骤3、4可省去。
实验五光纤图像传输实验
1、了解半导体光源的特性。
2、脉冲频率调制传输方法。
3、视频图象光纤传输方法。
二、实验内容
基带模拟信号直接光强度调制传输是模拟光纤传输最基本的传输技术。
以发光二极管为光源的基带电视信号光纤传输系统具有设备简单、价格便宜的特点。
传输质量可以满足不同指标的要求，适用于较短距离的电视传输，在广播电视与工业电视传输中有着广泛地应用。
这种设备以发光二极管为光源，是因为LED的入纤光功率虽不如激光器的高，但它是非相干光源，对微分增益（DG）和微分相位（DP）的校正比用激光器（LD）作为光源来得容易，而且光源驱动电路也比较简单。
另外，在多模光纤传输系统中，它也不存在模式噪声对信噪比的影响问题。
因此，LED是这种系统中常用的光源。
图1示出了一个系统的基本组成方框。
在我国采用的PAL制电视信号中，彩色信号是调制在频率为4.43MHz的色副载波上，而色副载波又是叠加在亮度信号上的。
色副载波的幅度决定着彩色信
号的饱和度，其相位决定了色调。
由于亮度信号的变化在传输中可能引起色副载波的幅度和相位失真，在电视信号中被称作微分增益（DG）和微分相位（DP）失真。
在传输系统中，发光二极管的非线性是引起DG、DP失真的主要原因，这是因为发光二极管的阻抗特性、注入电流、内部量子效率、辐射复合率的温度特性以及调制带宽等因素的影响所致。
一般发光二极管在不采用任何校正措施的情况下，系统可引起10~15%左右的DG变化和1~3度的DP变化，这对于高指标传输来说是不利的。
因此需要加入校正电路用以消除这种影响。
校正发光二极管的非线性的方法很多，如反馈法、相移调制法、前馈法和准前馈法等。
但上述这些方法对校正电路或光器件的要求都很高，采用这些方法会使设备原本简单便宜的系统反而变得比较复杂，设备成本也因此而有所提高。
因此一般情况下多采用预失真（预校正）法比较实用。
所谓预失真法是用普通二极管的非线性在发送端使信号预先失真，用以抵消发光二极管的非线性失真。
众所周知，电视信号在通过传输设备的电路时，由于交流耦合电容的影响，会失去信号中的低频成分和直流成分。
为了保持良好的场响应，常常采取箝位措施，恢复直流分量。
除此之外，发端采用箝位技术控制电视信号，可使其工作在发光二极管的P-I特性线性校正区范围内。
因而，预失真电路和光源驱动电路中也采用箝位技术。
在收端，光电检测器究竟是采用PIN光电二极管还是雪崩光电二极管（APD），这要看对光纤传输系统信噪比的要求而定。
如前所述，信噪比要求较高时多采用PIN，而信噪比要求较低时，采用APD可以提高接收机的灵敏度。
前置放大器可以采用高阻抗低噪声放大器或高跨阻抗低噪声放大器，这样有利于接收机灵敏度的提高。
上述两种放大器的带宽并不理想，为了保证电视信号的幅频特性要求，有时需要进行幅度均衡。
限制噪声带宽的低通滤波器一般和幅度均衡特性一起考虑，并不单独设置。
在这种光纤传输系统中，自动增益控制（AGC）电路的作用除了可以使接收机的信号动态范围扩大外，更重要的是，因为这种系统接收端的输出信号电平是随着收到的光功率的大小而改变的，因而自动增益控制还起到使接收端电视信号输出电平维持恒定接口电平的作用。
这里需要指出的是，基带模拟电视信号光强度调制系统容易受到光源非线性的影响，虽然可以采用各种措施去改善非线性失真的影响，但光源的P-I特性一致性较差，使得批量生产时，调整工作量较大，特别是采用LD作光源时，影响传输指标的因素更多，加之脉冲频率调制技术已经成熟，而且又不受光源的非线性影响，因此采用激光器的基带模拟电视信号强度调制系统目前已很少采用。
脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation：
PFM）传输方式是目前单路模拟视频光纤传输方式中传输质量较高的方式之一，它也属于脉冲调制光纤传输系统中的一种。
所谓脉冲调制包括脉冲调幅、脉冲调相、脉冲调宽、脉冲间隔调制、脉冲调频以及其它双参数脉冲调制等。
在这些方式中除脉冲调幅外，都不受光源非线性的影响。
脉冲频率调制有两种方式，一种是调制脉冲
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