光电子技术实验
光电子技术实验
目录实验一光源照度的测量实验二Si光电池开短路测量实验4实验三Si光电池负载特性实验68实验四Si光电池伏安特性实验·11实验五光敏三极管偏置电压实验·12实验六光敏三极管光照特性实验13实验七光敏三极管负载特性实验14实验八光敏三极管伏安特性实验·15实验九He-Ne激光器光强分布及光束发散角测量实验18实验十光纤图像传输实验22实验十二光电倍增管PMT实验30实验十二透射式光开关实验实验十三反射式光电开关实验31实验十四32红外光电报警实验1
1 目 录 实验一 光源照度的测量 . 1 实验二 Si 光电池开短路测量实验 . 4 实验三 Si 光电池负载特性实验 . 6 实验四 Si 光电池伏安特性实验. 8 实验五 光敏三极管偏置电压实验. 11 实验六 光敏三极管光照特性实验. 12 实验七 光敏三极管负载特性实验. 13 实验八 光敏三极管伏安特性实验. 14 实验九 He-Ne 激光器光强分布及光束发散角测量实验. 15 实验十 光纤图像传输实验 . 18 实验十一 光电倍增管 PMT 实验 . 22 实验十二 透射式光开关实验 . 30 实验十三 反射式光电开关实验 . 31 实验十四 红外光电报警实验 . 32
实验一头光源照度的测量一、光照度基本知识（1）光照度是光度计量的主要参数之一，而光度计量是光学计量最基本的部分。光度量是限于人眼能够见到的一部分辐射量，是通过人眼的视觉效果去衡量的，人眼的视觉效果对各种波长是不同的，通常用V（入）表示，定义为人眼视觉函数或光谱光视效率。因此，光照度不是一个纯粹的物理量，而是一个与人眼视觉有关的生理、心理物理量。光照度是单位面积上接收的光通量，因而可以导出：由一个发光强度I的点光源，在相距L处的平面上产生的光照度与这个光源的发光强度成正比，与距离的平方成反比，即：E=I/L?式中：E一一光照度，单位为Lx；I一一光源发光强度，单位为cd；L一一距离，单位为m。（2）光照度计的结构光照度计是用来测量照度的仪器，它的结构原理如图1.1。射光显示A图1.1光照度计结构图图中D为光探测器，C为余弦校正器，在光照度测量中，被测面上的光不可能都来自垂直方向，因此照度计必须进行余弦修正，使光探测器不同角度上的光度响应满足余弦关系。余弦校正器使用的是一种漫透射材料，当入射光不论以什么角度射在漫透射材料上时，光探测器接收到的始终是漫射光。余弦校正器的透光性要好；F为V（入）校正器，在光照度测量中，除了希望光探测器有较高的灵敏度、较低的噪声、较宽的线性范围和较快的响应时间等外，还要求相对光谱响应符合视觉函数V（入），而通常光探测器的光谱响应度与之相差甚远，因此需要进行V（入）匹配。匹配基本上都是通过给光探测器加适当的滤光片（V（入）滤光片）来实现的，满足条件的滤1
1 实验一 光源照度的测量 一、光照度基本知识 （1）光照度是光度计量的主要参数之一，而光度计量是光学计量最基本的部分。 光度量是限于人眼能够见到的一部分辐射量，是通过人眼的视觉效果去衡量的，人眼 的视觉效果对各种波长是不同的，通常用 V（λ）表示，定义为人眼视觉函数或光谱 光视效率。因此，光照度不是一个纯粹的物理量，而是一个与人眼视觉有关的生理、 心理物理量。 光照度是单位面积上接收的光通量，因而可以导出：由一个发光强度 I 的点光源， 在相距 L 处的平面上产生的光照度与这个光源的发光强度成正比，与距离的平方成反 比，即： 2 E I / L 式中：E——光照度，单位为 Lx； I——光源发光强度，单位为 cd； L——距离，单位为 m。 （2）光照度计的结构 光照度计是用来测量照度的仪器，它的结构原理如图 1.1。 图中 D 为光探测器，C 为余弦校正器，在光照度测量中，被测面上的光不可能都 来自垂直方向，因此照度计必须进行余弦修正，使光探测器不同角度上的光度响应满 足余弦关系。余弦校正器使用的是一种漫透射材料，当入射光不论以什么角度射在漫 透射材料上时，光探测器接收到的始终是漫射光。余弦校正器的透光性要好；F 为 V （λ）校正器，在光照度测量中，除了希望光探测器有较高的灵敏度、较低的噪声、 较宽的线性范围和较快的响应时间等外，还要求相对光谱响应符合视觉函数 V（λ）， 而通常光探测器的光谱响应度与之相差甚远，因此需要进行 V（λ）匹配。匹配基本 上都是通过给光探测器加适当的滤光片（V（λ）滤光片）来实现的，满足条件的滤
光片往往需要不同型号和厚度的几片颜色玻璃组合来实现匹配。当D接收到通过C和F的光辐射时，所产生的光电信号，首先经过I/V变换，然后经过运算放大器A放大，最后在显示器上显示出相应的信号定标后就是照度值。（3）照度测量的误差因素1）照度计相对光谱响应度与V（入）的偏离引起的误差。2）接收器线性：也就是说接收器的响应度在整个指定输出范围内为常数。3）疲劳特性：疲劳是照度计在恒定的工作条件下，由投射照度引起的响应度可逆的暂时的变化。4）照度计的方向性响应。5）由于量程改变产生的误差：这个误差是照度计的开关从一个量程变到邻近量程所产生的系统误差。6）温度依赖性：温度依赖性是用环境温度对照度头绝对响应度和相对光谱响应度的影响来表征。7）偏振依赖性：照度计的输出信号还依赖于光源的偏振状态。8）照度头接收面受非均匀照明的影响。二、实验步骤实验电路连接框图如下。一光照度计1K电阻可调电压源宁宁OTP7TP8TP6TPS1光照度测试连线图（1）将光电检测实验箱、所需仪表及测试附件有序地放置于实验桌上。连接好实验箱所需的AC电压（220V），打开交流电源，打开实验箱电源开关。(2）有源模块输出端子TP6和TP5为直流稳压可调电压源输出，用数字万用表（万用表正表头接TP1，负表头接TP2）或用实验箱自带的直流数字电压表测量其输出电压（电压表量程置2OV档位，TP6接到TP1，TP5接到TP2）。调节电压幅度调节旋钮，观察其电压的范围。记录可调电压源的变化范围：（3）电源线的一头连接到光源筒的Q9头上，另一头串联一个1K的电阻连接到可2
2 光片往往需要不同型号和厚度的几片颜色玻璃组合来实现匹配。当 D 接收到通过 C 和 F 的光辐射时，所产生的光电信号，首先经过 I/V 变换，然后经过运算放大器 A 放大，最后在显示器上显示出相应的信号定标后就是照度值。 （3）照度测量的误差因素 1）照度计相对光谱响应度与 V（λ）的偏离引起的误差。 2）接收器线性：也就是说接收器的响应度在整个指定输出范围内为常数。 3）疲劳特性：疲劳是照度计在恒定的工作条件下，由投射照度引起的响应度可 逆的暂时的变化。 4）照度计的方向性响应。 5）由于量程改变产生的误差：这个误差是照度计的开关从一个量程变到邻近量 程所产生的系统误差。 6）温度依赖性：温度依赖性是用环境温度对照度头绝对响应度和相对光谱响应 度的影响来表征。 7）偏振依赖性：照度计的输出信号还依赖于光源的偏振状态。 8）照度头接收面受非均匀照明的影响。 二、实验步骤 实验电路连接框图如下。 (1) 将光电检测实验箱、所需仪表及测试附件有序地放置于实验桌上。连接好实 验箱所需的 AC 电压（220V），打开交流电源，打开实验箱电源开关。 (2) 有源模块输出端子TP6和TP5为直流稳压可调电压源输出，用数字万用表（万 用表正表头接 TP1，负表头接 TP2）或用实验箱自带的直流数字电压表测量其输出电 压(电压表量程置 20V 档位,TP6 接到 TP1,TP5 接到 TP2)。调节电压幅度调节旋钮，观 察其电压的范围。记录可调电压源的变化范围： 。 (3) 电源线的一头连接到光源筒的 Q9 头上，另一头串联一个 1K 的电阻连接到可
调电压源的输出。（4）将光照度计光敏面盖打开，开关拨到ON档。把光源组件输出的激光输出对准照度计光敏面的中心位置，调节电压幅度调节旋钮，观察光照度计的测量结果，填入表中。246812 电压（v)10光照度(Lux）记录光源筒光照度的变化范围：(Lx)。提示：将光电池的输出端子TP1和TP2与负载电阻1MQ并联，然后与直流数字电压表的输入端子TP1和TP2相连接。3
3 调电压源的输出。 (4) 将光照度计光敏面盖打开，开关拨到 ON 档。把光源组件输出的激光输出对 准照度计光敏面的中心位置，调节电压幅度调节旋钮，观察光照度计的测量结果，填 入表中。 电压（V） 2 4 6 8 10 12 光照度（Lux） 记录光源筒光照度的变化范围： （Lx）。 提示：将光电池的输出端子 TP1 和 TP2 与负载电阻 1MΩ并联，然后与直流数字 电压表的输入端子 TP1 和 TP2 相连接
实验二Si光电池开短路测量实验一、光电池的结构原理光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”的，它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。图2.1为硅光电池原理图，其中（a）结构示意图；（b）等效电路。Si0PNENTH电板a(b)图2.1硅光电池原理二、光电池的特性参数入射光强-电流电压特性描述的是开路电压Voc和短开路电流Isc随入射光强变化的规律，如下图所示。IscVocVo光照度图2.2光电池的光照特性曲线Voc随入射光强按对数规律变化，Isc与入射光强成线性关系。三、实验步骤实验时，为了得到光电池的开路电压Voc和短路电流Isc，依次分别将电压表和4
4 实验二 Si 光电池开短路测量实验 一、光电池的结构原理 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就 是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”的，它实质上是一个大面积的 PN 结， 当光照射到 PN 结的一个面，例如 P 型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度， 那么 P 型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅 速扩散， 在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。 图 2.1 为硅 光电池原理图，其中（a) 结构示意图； (b) 等效电路。 二、光电池的特性参数 入射光强-电流电压特性描述的是开路电压 VOC和短开路电流 ISC随入射光强变化 的规律，如下图所示。 VOC随入射光强按对数规律变化，ISC与入射光强成线性关系。 三、实验步骤 实验时，为了得到光电池的开路电压 Voc 和短路电流 Isc，依次分别将电压表和
电流表接入电路来测量数据。实验原理框图如下。照度讯光阳电压源图2.3光电池短路电流测图2.4光电池开路电压测量1.将光电检测实验箱、所需仪表及测试附件有序地放置于实验桌上。连接好实验箱所需的AC电压（220V），打开交流电源，打开实验箱电源开关。2.有源模块中Si光电池的两个输出端为TP1和TP2，将TP1连接到直流电流表的TP1+，TP2连接到直流电流表的TP2-。3.光照度计的探测头置于箱子的左侧指定的位置，以便测光照度。（1）对Si光电池短路电流I.测量，调节光照度调节旋钮，测量光照度值，同时观察电流表的显示结果。（2）将TP1连接到直流电压表的TP1t，TP2连接到直流电压表的TP2-，对Si光电池开路电压Voc测量，调节光照度调节旋钮，测量光照度值，同时观察电压表的显示结果。测量得到的开路电压、短路电流数据填入下表中，并画出光照特性曲线图。5101002004006008001000110012000强度(Lx)电流(uA)电压(mV)Voc(mv)Is(mA)01200Lux硅光电池开路电压短路电流实验特性图5
5 电流表接入电路来测量数据。实验原理框图如下。 1．将光电检测实验箱、所需仪表及测试附件有序地放置于实验桌上。连接好实 验箱所需的 AC 电压（220V），打开交流电源，打开实验箱电源开关。 2．有源模块中 Si 光电池的两个输出端为 TP1 和 TP2，将 TP1 连接到直流电流表 的 TP1＋，TP2 连接到直流电流表的 TP2－。 3．光照度计的探测头置于箱子的左侧指定的位置，以便测光照度。 （1）对 Si 光电池短路电流 Isc测量，调节光照度调节旋钮，测量光照度值，同 时观察电流表的显示结果。 （2）将 TP1 连接到直流电压表的 TP1＋，TP2 连接到直流电压表的 TP2－，对 Si 光电池开路电压 Voc 测量，调节光照度调节旋钮，测量光照度值，同时观察电压表的 显示结果。 测量得到的开路电压、短路电流数据填入下表中，并画出光照特性曲线图。 强度（Lx） 0 5 10 100 200 400 600 800 1000 1100 1200 电流（uA） 电压（mV） Voc(mv) Isc(mA) 0 1200 Lux 硅光电池开路电压 短路电流实验特性图
实验三Si光电池负载特性实验一、光电池的特性参数光电池用作探测器时，通常是以电流源形式使用，总要接负载电阻R，这时电流记作Iic，它与与入射光强不在成线性关系，R,相对光电池内阻R越大，线性范围越小，如下图所示：RL4RL3RL2RL1RL1>RL2>RL3>RL4光照度图3.1光电池电流随负载变化曲线入射光强一负载特性描述的是在相同照度下，输出电压、输出电流、输出功率随负载变化的规律。如下图所示：AV输出电压VocIso输出功率输出电流Rx负载RL图3.2光电池负载特性曲线当R《Rd时，R~0，可近似看作短路，输出电流为Isc，与入射光强成正比，R越小，线性度越好，线性范围越大。当R》》Rd时，R~o，可近似看作开路，输出电压为Voc。随着R的变化，输出功率也变化，当R，=R,时，输出功率最大，Ru称最佳负载。二、实验步骤实验原理框图如下。6
6 实验三 Si 光电池负载特性实验 一、光电池的特性参数 光电池用作探测器时，通常是以电流源形式使用，总要接负载电阻 RL，这时电流 记作 LC I ，它与与入射光强不在成线性关系， RL 相对光电池内阻 Rd 越大，线性范围 越小，如下图所示： 入射光强-负载特性描述的是在相同照度下，输出电压、输出电流、输出功率随 负载变化的规律。如下图所示： 当 RL Rd 时， RL 0，可近似看作短路，输出电流为 ISC，与入射光强成正比， RL越小，线性度越好，线性范围越大。 当 RL Rd 时， RL ∞，可近似看作开路，输出电压为 VOC。 随着 RL的变化，输出功率也变化，当 RL RM 时，输出功率最大，RM称最佳负载。 二、实验步骤 实验原理框图如下
光电池光照度图3.3Si光电池负载特性电1.将光电检测实验箱、所需仪表及测试附件有序地放置于实验桌上。连接好实验箱所需的AC电压（220V），打开交流电源，打开实验箱电源开关。2.将光照度调节旋钮置于最大位置。光电池输出端TP1接电阻的一端，电阻的另一端接电流表的TP1+，电流表的TP2-接光电池的TP2，电压表的TP1+、TP2-分别接在电阻的两端。注意测出的电压大小，并根据此来判断电流的方向。3.将光电池接不同的负载电阻：10Q、100Q、1KQ、10KQ、100KQ、1MQ，测量输出电流值和电压值。注也可以通过电位器选择不同的电阻。测量不同负载情况下得到的电压、电流数据填入下表中，并画出负载特性曲线图。根据负载特性曲线图求出最佳负载Ropt表31K102100210K20K30K40K电阻(α)电流（μA)电压 (mV)1M电阻()50K60K70K80K90K100K电流(μA)电压 (mV)注意：画负载特性曲线图时10Q、100Q和1M的数据不考虑
7 1．将光电检测实验箱、所需仪表及测试附件有序地放置于实验桌上。连接好实验箱 所需的 AC 电压（220V），打开交流电源，打开实验箱电源开关。 2．将光照度调节旋钮置于最大位置。光电池输出端 TP1 接电阻的一端，电阻的另 一端接电流表的 TP1＋，电流表的 TP2－接光电池的 TP2，电压表的 TP1＋、TP2－分别接 在电阻的两端。注意测出的电压大小，并根据此来判断电流的方向。 3．将光电池接不同的负载电阻：10Ω、100Ω、1KΩ、10KΩ、100KΩ、1MΩ，测 量输出电流值和电压值。注也可以通过电位器选择不同的电阻。 测量不同负载情况下得到的电压、电流数据填入下表中，并画出负载特性曲线图。 根据负载特性曲线图求出最佳负载 Ropt 表 3 电阻（Ω） 10Ω 100Ω 1K 10K 20K 30K 40K 电流（μA） 电压（mV） 电阻（Ω） 50K 60K 70K 80K 90K 100K 1M 电流（μA） 电压（mV） 注意：画负载特性曲线图时 10Ω、100Ω和 1M 的数据不考虑
实验四Si光电池伏安特性实验一、光电二极管的特性参数1.伏安特性光电二极管（PD）就是一个p-n结，根据固体物理对p-n结的研究，无光照时，p-n结上的电压V和通过它的电流的伏安关系为(1)Ip =Iso(egVIKT -1)式中Iso为p-n结的反向饱和电流，k=1.381×10-23J/K为波尔兹曼常数，T为热力学温度，9为电子电荷量。有光照时，产生光生电流IsP(2)Is=qnhy式中n为量子效率，P为光功率。这两部分电流方向相同，则总电流I为I = Iso(egVIKT -1)+Is(3)下图表示光照P一N结的伏安特性AIL1+V无光照Fy开路光电压有光照P2短路光电流P2P,图4.1P-N结的伏安特性有光照时，相对于无光照曲线向下平移，光照越强，曲线愈往下平移，光电流越大。图中第一象限为P一N结加正偏压状态，此时P一N结暗电流I，远大于光生电流，做为探测器工作在这个区域是没有意义的。第三象限为P一N结加反偏压状态，此时P一N结暗电流I,=Iso，数值很小，远小于光生电流Is，光伏探测器输出的总电流I=1so+Is~Is，光伏探测器多工作在这个区域。由图可见，在低反压下电流随电压变化比较明显，这是因为反向偏压增加使耗尽层加宽，结电场增强，使结区光的吸收率和光生载流子的收集效率增大。当反向偏压进一步增加，光生载流子的收集已达极限，光电流趋于饱和。这时，光电流与外加反8
8 实验四 Si 光电池伏安特性实验 一、光电二极管的特性参数 1．伏安特性 光电二极管（PD）就是一个 p-n 结，根据固体物理对 p-n 结的研究，无光照时， p-n 结上的电压 V 和通过它的电流的伏安关系为 ( 1) / qV KT D SO I I e （1） 式中 SO I 为 p-n 结的反向饱和电流， k 1 381 10 J / K 23 为波尔兹曼常数，T 为 热力学温度，q 为电子电荷量。 有光照时，产生光生电流 IS h P I S q （2） 式中 为量子效率， P 为光功率。 这两部分电流方向相同，则总电流 I 为 S qV KT SO I I (e 1) I / （3） 下图表示光照 P—N 结的伏安特性 有光照时，相对于无光照曲线向下平移，光照越强，曲线愈往下平移，光电流越 大。图中第一象限为 P—N 结加正偏压状态，此时 P—N 结暗电流 ID远大于光生电流， 做为探测器工作在这个区域是没有意义的。第三象限为 P—N 结加反偏压状态，此时 P—N 结暗电流 ID=ISO，数值很小，远小于光生电流 IS，光伏探测器输出的总电流 SO S S I I I I ，光伏探测器多工作在这个区域。 由图可见，在低反压下电流随电压变化比较明显，这是因为反向偏压增加使耗尽 层加宽，结电场增强，使结区光的吸收率和光生载流子的收集效率增大。当反向偏压 进一步增加，光生载流子的收集已达极限，光电流趋于饱和。这时，光电流与外加反