光电子学实验指导书

《光电子学》实验指导书何宁编桂林电子科技大学2013年4月前言在现代通信系统中，利用光电子技术实现无线通信，保证通信的有效性是未来通信领域的一门新兴技术和发展方向。二十世纪下半叶，半导体的研究导出了微电子集成电路，同时也制造出了光电器件，它们对信息技术和计算机技术产生了极大的影响，由于微电子技术在向“微”方向的发展上不久将接近极限，而光电子技术还会继续向纵深发展，其应用面将会进一步扩大。由于光通信具有波束隐蔽、接收天线小、通信速率高、抗电磁干扰和保密性强等优点，1960年激光出现以来，激光技术以其强大的生命力推动着光电子技术的发展，它在民用、医疗和军事方面都得到广泛应用，激光探潜、激光雷达、激光成像、激光测距、激光跟踪、激光制导等技术不断涌现，尤其近几年开展的大气光通信和水下光通信都有较好的实际应用，可以说二十一世纪是光电子技术的时代。由于光电子技术是一门内容广泛的技术科学，而实验是课堂教学的延伸，通过基本实验可加深对课堂内容的理解，提高同学们的系统概念和实际操作能力，为日后工作和科学研究打下良好的基础。光束调制一、实验目的1、理解电光转换的机理，了解内调制和外调制的实现方法。2、掌握光束的衍射角的定义和计算。3、熟悉常用电光器件和光测试设备的使用。二、实验内容及要求1、完成光束的直接光强度调制和声光调制。2、测试声光调制器的插入损耗和衍射角。三、实验原理及步骤激光是一种光频电磁波，具有良好的相干性，并与无线电波相似。按其工作波长的不同可分为红激光（632nm）、绿激光（532nm）、蓝激光（473nm）三种，将信息加载于激光（载波）的过程称为调制，起控制作用的低频信息称为调制信号。光波的电场强度为)cos()(CCCAtE应用某种物理方法改变光波的振幅（Ac）、频率（C）、相位(C)、强度和偏振等参量之一，使其按照调制信号的规律变化，那么激光束就受到了信号的调制。根据调制器与激光器的关系，激光束调制的方法可分为内调制（直接调制）和外调制（间接调制）两种。内调制是指加载信号是在激光振荡过程中进行的，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性以实现调制，主要用于光通信的注入式半导体光源中。外调制是指激光形成后，在激光器的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理性能，当激光束通过调制器时，使光波的某个参量受到调制。直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源，从而获得调制光信号。根据调制信号的不同类型，直接调制可分为模拟调制和数字调制两种，它们都是对光源进行直接强度调制，调制后的输出光功率是随调制信号而变化的。声光调制器是由声光介质、电－声换能器、吸声（或反射）装置及驱动电源等组成，声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。当一束光通过变化的声场时，由于光和超声场的互作用，其出射光就具有随时间而变化的各级衍射光，衍射光的强度随超声波强度的变化而变化，调制信号是以电信号（幅度）形式作用于电－声换能器上，再转换为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。声光调制器原理如图1，直接强度调制原理如图2，开关K是连续光和脉冲光的切换开关。＋VR入射光衍射光K声光介质调制信号LD调制信号图1声光调制原理图2电光调制电路实验步骤直接调制（激光器波长为630nm，激光驱动电路板）1、开启激光器控制电路，调整光路使连续光打在1米外的光靶上，并测出其光功率。2、将连续光切换为脉冲光，由信号源输出调制信号频率为1000Hz的TTL方波信号直接驱动激光器，使它发出断续的激光。3、在光靶上观察光斑情况，并改变信号源的频率使其在1Hz～500Hz间变化，同时观察光斑在光靶的变化。间接调制（激光器波长为532nm，声光调制器）4、开启激光器，在光路上离光源20厘米处放置一声光调制器。5、调整微调装置，使光束穿过声光调制器的小孔并打在光靶上，测出穿过声光调制器前后的光功率，计算声光调制器的插入损耗。6、加入1000Hz的TTL方波调制信号到声光调制器，在光靶上观察光的衍射现象，记下光斑衍射级数，测试衍射角。四、实验框图光路图3直接强度调制（内调制）光路图4间接强度调制（外调制）五、实验设备1、激光器2、声光调制器3、稳压电源4、信号源5、光功率计六、实验报告1、整理实验数据，分析实验结果。2、简要说明内调制和外调制实现方法，并分析两种调制方式的效率。驱动电路激光器光靶调制信号激光器声光调制光靶调制信号实验二光束扫描一、实验目的1、掌握机械扫描的实现方法和参数测试。2、学会对扫描速度和偏转角的控制及光束实际扫描角度的数学计算方法。3、熟悉常用电光器件和光测试设备的使用。二、实验内容及要求1、完成激光束的机械扫描和相关参数测试。2、对实现电路和参数测试要深刻领会。三、实验原理及步骤光束扫描技术是激光应用的基本技术之一，实现的方法主要采用机械转镜、电光效应和声光效应等来实现。根据应用目的不同可分为光的偏转角连续变化的模拟式扫描和不连续的数字扫描。机械扫描技术是目前最成熟的一种扫描方法，它是利用反射镜或棱镜等光学元件的旋转或振动来实现光束扫描，图1给出机械扫描装置原理图。激光束入射到一可转动的平面反射镜上，当平面镜转动时，平面镜反射的激光束方向就会改变，达到光束扫描的目的。旋转方向旋转方向平面反射镜反射镜入射光束扫描光束'112'2出射光束法线光靶AB图1机械扫描装置图2扫描光路图激光束的机械扫描受温度影响小，光损耗小，适用于各种波长的扫描。通过编程可控制它的扫描速度和旋转角度。实验采用步进电机来实现光束的扫描，步进电机级数为四级，步进量为0.9度∕步，通过计算可确定平面镜旋转的角度，也就可测得光束在光靶上移动（扫描）的距离和光束转过的角度，其原理如图2所示，1与2是平面镜转动前的入射角和反射角，而'1与'2是平面镜转动后的入射角和反射角。实验中步进电机控制电路与计算机并行口（打印口）连接，程序由C＋＋实现。扫描光路如图3所示。c光点移动距离AB扫描后光路Δθab扫描前光路O图3光束位置关系根据光的反射原理，激光束以某一角度入射，以法线为对称轴，入射光束和出射光束与法线的夹角相等，当平面反射镜逆时针转过某一角度，入射光的位置和方向不变，由于法线方向的改变，则出射光束将从原来位置A移动到位置B，光束扫描的角度将等于2。反射光线偏转角可按下列规则计算：入射光线水平入射，则ΔOAB三点在同一水平高度，实际测量时应将三点投影到桌面上测出三角形的三条边，由余弦定理得：abcba2cos222通过求反三角函数可得到。实验步骤1、开启激光器，使它发出的连续光水平打在0.5米扫描装置的反射镜片上。2、调整反射镜使入射光束以一定角度射入，记下出射光束打在光靶上的初始位置。3、启动计算机，在桌面上运行并口步进电机控制程序，选择界面的模式。4、单步模式下在界面上输入控制步进电机转动的速度、转度和方向参数。5、校准光路系统，使步进电机两次旋转360°，扫描时间在5～30间选择，点击单次模式，观察光点是否能回到原来位置。7、使光束在1.8°～36°间旋转，记下出射光束在反射镜转动后打在光靶的终点位置。8、将镜面上光点及光靶上的两次光点投影到桌面上，测出光点间的距离长度值。9、利用所测参数计算光束实际转过的角度，并与理论值进行对比。10、选择自定义模式，在右边窗口中填入光束需要偏转的最大角度，左（L）右(R)的参数以法线为参考点。11、点击“自定义”，使光束在小于40°左右范围内来回扫描，观察采用一维方式的光束扫描情况，并测出实际扫描的角度。四、实验框图40cm入射光束扫描光束图3五、实验设备1、激光器2、扫描装置3、稳压电源4、计算机5、光功率计六、实验报告1、整理实验数据，分析实验结果。2、说明光束扫描实验中实际测试值与理论值间误差的原因。控制电路扫描装置光靶激光器实验三：光电探测一、实验目的1、理解光电转换的机理，了解光电导效应和光伏效应的原理特性。2、掌握光电探测的基本方法和技术。3、熟悉常用光电器件和光测试设备的使用。二、实验内容1、用光敏电阻和光电二极管设计一光电探测电路。2、对实现电路和参数测试要深刻领会。三、实验原理及设计要求利用光电导效应原理而工作的探测器称为光电导探测器。光电导效应是半导体材料的一种体效应，无需形成pn结，故也称为无结光电探测器。这种器件在光照下会改变自身的电阻率，光照愈强，器件自身的电阻愈小。这类器件常用的有光敏电阻和光导管，光敏电阻是没有极性的，它的电阻值相当于随光照强度而变化的可变电阻器。光敏电阻的主要特性有光谱响应、照度伏安、频率响应和温度特性。理想情况下光电转换关系式为PKui式中K、、均为常数，u为偏压，P为光照度。在低偏压（几伏至几十伏）和弱光照（3110~10lx条件下，、可取1，光电转换式可变为KuPi一般来说，光敏电阻的暗电阻在10MΩ以上，光照后电阻值显著下降，外回路电流明显变大，亮阻和暗阻之比在6210~10之间，这一比值越小，光敏电阻的灵敏度越高。利用pn结的光伏效应而工作的探测器成为光伏探测器。根据光伏探测器的不同工作模式，通常有光电池和光电二极管之分。一个pn结光伏探测器就等效为一个普通二极管和一个恒流源（光电流源）的并联，它的工作模式由外偏压回路决定。在零偏压时为光伏工作模式；当外回路采用反偏电压时为光导工作模式。光敏电阻和光电二极管的光电转换工作电路如图1和图2所示，gR为光敏电阻，LR为电信号探测电阻。＋V＋VgR光敏电阻光电管信号输出信号输出LRLR图1光敏电阻探测图2光电管探测当不同的光强照射在探测器时，pn结的耗尽层宽度发生变化，回路电流发生变化，在RL上就可获得随光照强度不同变化的电压，从而实现了光电探测。设计要求：分别用光电管和光敏电阻设计光路进行接收性能对比。1、采用波长为532nm的连续输出激光器，测出其光功率。2、利用声光调制器实现外调制，调制信号频率为1000Hz的TTL方波信号。3、校准光路，确定声光调制器已工作在调制状态。4、将设计电路的光电转换器件对准光路，切换探测方式，用示波器分别对两种探测器电路中各点波形进行测量比较，调整电路参数，使接收灵敏度达到设计指标要求。5、改变发端调制信号的频率，观察接收端信号的变化情况，对比两种探测方式的频率响应。图3光电探测实验系统参考框图五、实验设备激光器声光调制器稳压电源信号源光功率计双踪示波器六、实验报告1、整理实验数据，分析实验结果，撰写设计报告。2、说明光电导探测和光伏探测的区别。3、分析信号经传输后影响波形失真的原因。激光器声光调制光电探测调制信号信号放大