红外物理特性及应用实验讲义.docx

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】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验波长范围在~1000微米的电磁波称为红外波,对红外频谱的研究向来是根基研究的重要构成局部。对原子与分子的红外光谱研究,帮助我们洞察它们的电子,振动,旋转的能级构造,并成为资料剖析的重要工具。对红外资料的性质,如汲取、发射、反射率、折射率、电光系数等参数的研究,为它们在各个领域的应用研究确立了根基。【实验目的】1、认识红外通讯的原理及根本特征。2、认识局部资料的红外特征。3、认识红外发射管的伏安特征,电光变换特征。4、认识红外发射管的角度特征。5、认识红外接收管的伏安特征。【实验原理】1、红外通讯在现代通讯技术中,为了防备信号相互扰乱,提升通讯质量与通讯容量,往常用信号对载波进行调制,用载波传输信号,在接收端再将需要的信号解调还原出来。不论用什么方式调制,调制后的载波要占用必定的频带宽度,如音频信号要占用几千赫兹的带宽,模拟电视信号要占8兆赫兹的带宽。载波的频次间隔假定小于信号带宽,那么不一样信号间要相互扰乱。能够用作无线电通讯的频次资源特别有限,国际国内都对通讯频次进行一致规划和管理,仍难以知足日趋增添的信息需求。通讯容量与所用载波频次成正比,与波长成反比,当前微波波长能做到厘米量级,在开发应用毫米波和亚毫米波时碰到了困难。红外波长比微波短得多,用红外波作载波,其潜伏的通讯容量是微波通讯没法比较的,红外通讯就是用红外波作载波的通讯方式。红外传输的介质能够是光纤或空间,本实验采纳空间传输。2、红外资料光在光学介质中流传时,因为资料的汲取,散射,会使光波在流传过程中渐渐衰减,关于确立的介质,光的衰减dI与资料的衰减系数α,光强I,流传距离dx成正比:dIIdx〔1〕对上式积分,可得:IIoeL〔2〕上式中L为资料的厚度。资料的衰减系数是由资料自己的构造及性质决定的,不一样的波长衰减系数不一样。一般的光学资料因为在红外波段衰减较大,往常其实不合用于红外波段。常用的红外光学资料包含:石英晶体及石英玻璃,半导体资料及它们的化合物如锗,硅,金刚石,氮化硅,碳化硅,***化镓,磷化镓。***化物晶体、氧化物陶瓷、还有一些硫化物玻璃,锗硫系玻璃等。光波在不一样折射率的介质表面会反射,入射角为零或入射角很小时反射率:R(n1n2)2〔3〕n1n2由〔3〕式可见,反射率取决于界面两边资料的折射率。因为色散,资料在不一样波长的折射率不一样。折射率与衰减系数是表征资料光学特征的最根本参数。因为资料往常有两个界面,测量到的反射与透射光强是在两界面间反射的多个光束的叠加成效,如图1所示。反射光强与入射光强之比为:IRR[1(1R)2e2L(1R2e2LR4e4LL)]R[1(1R)2e2L]〔4〕I01R2e2L透射光强与入射光强之比为:IT(1R)2eL(1R2e2LR4e4LL)(1R)2eL〔5〕I01R2e2L原那么上,丈量出I0、IR、IT,联立〔4〕、〔5〕两式,能够求出R与α。下边议论两种特别情况下求R与α。关于衰减可忽视不计的红外光学资料,α=0,e–αL=1,此时,由〔4〕式可解出:RIR/I0〔6〕IR/I02关于衰减较大的非红外光学资料,能够以为频频反射的光芒经资料衰减后光强度靠近零,对图1中的反射光芒与透射光芒都可只取第一项,此时:IR〔7〕RI0I01I0(1R)2〔8〕I0RI0(1-R)2e-αLLlnITI0(1-R)2Re-2αLI0(1-R)22-3αL1,求出反射率后,I0(1-R)2R3e-4αLRe因为空气的折射率为I0(1-R)24-5αLI0(1-R)2R5e-6αLRe可由〔3〕式解出资料的折射率:????1R〔9〕图1光在两界面间的频频反射nR1好多红外光学资料的折射率较大,在空气与红外资料的界面会产生严重的反射。比如硫化锌的折射率为,反射率为14%,锗的折射率为4,反射率为36%。为了降低表面反射损失,往常在光学元件表面镀上一层或多层增透膜来提升光学元件的透过率。3、发光二极管红外通讯的光源为半导体激光器或发光二极管,本实验采纳发光二极管。发光二极管是由P型和N型半导体构成的二极管。PN空型半导体中有相当数目的空穴,几乎没有自由电子。N方向荷区型半导体中有相当数目的自由电子,几乎没有空穴。当P两种半导体联合在一同形成P-N结时,N区的电子〔带负电〕向P区扩散,P区的空穴〔带正电〕向N区扩散,图2半导体P-N结表示图在P-N结邻近形成空间电荷区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动,最后扩散与漂移抵达均衡,使流过P-N结的净电流为零。在空间电荷区内,P区的空穴被来自N区的电子复合,N区的电子被来自P区的空穴复合,使该区内几乎没有能导电的载流子,又称为结区或耗尽区。当加上与势垒电场方向相反的正向偏压时,结区变窄,在外电场作用下,P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动,进而在PN结邻近产生电子与空穴的复合,并以热能或光能的形式开释能量。采纳适合的资料,使复合能量以发射光子的形式开释,就构成发光二极管。采纳不同的资料及资料组分,能够控制发光二极管发射光谱的中心波长。图3,图4分别为发光二极管的伏安特征与输出特征。从图3可见,发光二极管的伏安特性与一般的二极管近似。从图4可见,发光二极管输出光功率与驱动电流近似呈线性关系。这是因为:驱动电流与注入PN结的电荷数成正比,在复合发光的量子效率必定的状况下,输出光功率与注入电荷数成正比。发光二极管的发射强度随发射方向而异。方向的特征如图5,图5的发射强度是以最大值为基准,当方向角度为零度时,其发射强度定义为100%。当方向角度增大时,其放射强度相对减红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义少,发射强度如由光轴取其方向角度一半时,其值即为峰值的一半,此角度称为方向半值角,此角度越小即代表元件之指向性越敏捷。IP红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义VI红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义图3发光二极管的伏安特征图4发光二极管输出特征一般使用红外线发光二极管均附有透镜,使其指向性更敏捷,而图5〔a〕的曲线就是附有透镜的状况,方向半值角大概在±7°。此外每一种型号的红外线发光二极管其幅射角度亦有所不一样,图5(b)所示之曲线为另一种型号之元件,方向半值角大概在±50°。红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义〔a〕A型管〔加装透镜〕〔b〕B型管图5两种红外发光二极管的角度特征曲线图红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义4、光电二极管红外通讯接收端由光电二极管达成光电变换。光电二极管是工作在无偏压或反向偏置状态下的PN结,反向偏压电场方向与势垒电场方向一致,使结区变宽,无光照时只有很小的暗电流。当PN结受光照耀时,价电子汲取光能后摆脱价键的约束成为自由电子,在结区产生电子-空穴对,在电场作用下,电子向N区运动,空穴向P区运动,形成光电流。红外通讯常用PIN型光电二极管作光电变换。它与一般光电二极管的差别在于在P型和型半导体之间夹有一层没有渗透杂质的本征半导体资料,称为I型区。这样的构造使得结区更宽,结电容更小,能够提升光电二极管的光电变换效率和响应速度。N红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义6是反向偏置电压下光电二极管的伏安特征。无光照时的暗电流很小,它是由少量载流子的漂移形成的。有光照时,在较低反向电压下光电流随反向电压的增添有必定高升,这是因为反向偏压增添使结区变宽,结电场加强,提升了光生载流子的采集效率。当反向偏压进一步增添时,光生载流子的采集靠近极限,光电流趋于饱和,此时,光电流仅取决于入射光功率。在适合的反向偏置电压下,入射光功率与饱和光电流之间呈较好的线性关系。7是光电变换电路,光电二极管接在晶体管基极,集电极电流与基极电流之间有固定的放大关系,基极电流与入射光功率成正比,那么流过R的电流与R两头的电压也与光功率成正比。红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义IV+RP2=2mwP1=1mwP0=0反向偏置电压(V)6光二极管的伏安特征7的光路5、光源的制光源的制能够采纳内制或外制。内制用信号直接控制光源的流,使光源的光度随外加信号化,内制易于,一般用于中低速系。外制光源出功率恒定,利用光通介的光效,声光效或磁光效信号光的制,一般用于高速系。本采纳内制。V+PR1LED直流偏置点调制信号IR28的制路9制原理8是的制路。制信号耦合到晶体管基极,晶体管作共射极接,流光二极管的集极流由基极流控制,R1,R2供给直流偏置流。9是制原理,由9可,因为光源的出光功率与流是性关系,在适合的直流偏置下,随制信号化的流化由光二极管成了相的光出功率化。6、副波制红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义由需要的信号直接光源行制,称基制。在某些用合,比若有需要在同一根光上同多路信号,此可用个基信号率f1,f2?fN的N个副波率行制,将已制的N个副波合成一个分复用信号,光二极管。在接收端,由光二极管原分复用信号,再由通波器分离出副波,解后获得需要的基信号。副波的制可采纳幅,等不一样方法。拥有抗干能力,信号失真小的点,本采纳法。10是副波制框。N红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义基带信号调频副载波红外红外波红外副载波解调基带信号红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义模块发射接收模块红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义10副波制框假如波的瞬率偏移随制信号m(t)性化,即:d(t)kfm(t)〔10〕红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义那么称为调频,kf是调频系数,代表频次调制的敏捷度,单位为2π赫兹/伏。调频信号可写成以下一般形式:u(t)Acos[tkftm()d]〔11〕0为载波的角频次,kft]为调频信号的刹时相位偏移。下边考虑两种特别状况:式中m( )d0假定m(t)为电压为V的直流信号,那么〔11〕式能够写为:u()Acos[()]〔12〕tkfVt〔12〕式说明直流信号调制后的载波仍为余弦波,但角频次偏移了kfV。假定m(t)=UcosΩt,那么〔11〕式能够写为:u(t)Acos[tkfU〔13〕sint]能够证明,已调信号包含载频重量ω和假定干个边频重量ω±nΩ,边频重量的频次间隔为Ω。随意信号能够分解为直流重量与假定干余弦信号的叠加,那么〔12〕,〔13〕两式能够帮助理解一般状况下调频信号的特点。【实验仪器】整套实验系统由红外发射装置、红外接收装置、测试平台〔轨道〕以及测试镜片构成。11实验系统构成框图11中,红外发射装置产生的各样信号,经过发射管发射出去。发出的信号经过空气传输或许经过测试镜片后,由接收管将信号传递到红外接收装置。接收装置将信号办理后,经过仪器面板显示或许示波器察看传输后的各样信号。测试镜架的“A〞处,能够安装不一样的资料,以研究这些资料的红外传输特征。信号发生器能够依据实验需要供给各样信号,示波器用于观察各样信号波形经红外传输后能否失真等特征〔学校自备〕。红外发生装置、红外接收装置、轨道局部,三者要保证接地优秀。红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义【实验内容和步骤】1、局部资料的红外特征丈量将红外发射器连结到发射装置的“发射管〞接口,接收器连结到接收装置的“接收管〞接口〔在全部的实验进行中,都不取下发射管和接收管〕,两者相对搁置,通电。连结电压源输出到发射模块信号输入端2〔注意按极性连结〕,向发射管输入直流信号。将发射系统显示窗口设置为“电压源〞。接收系统显示窗口设置为“光功率计〞。在电压源输出为0时,假定光功率计显示不为0,即为背景光扰乱或0点偏差,记下此时显示的背景值,此后的光强丈量数据应是显示值减去该背景值。调理电压源,使初始光强I0>4mW,微调接收器受光方向,使显示值最大。依据表1样品编号安装样品〔样品测试镜厚度都为2㎜〕,丈量透射光强I。T将接收端红外接收器取下,移到紧靠发光二极管处安装好,微调样品入射角与接收器方向,使接收到的反射光最强,丈量反射光强IR。将丈量数据记入表3中。表1局部资料的红外特征丈量初始光强I0=(mW)样品厚度透射光强IT反射光强IR反射率R折射率n衰减系数α资料(mW)(mW)(/mm)(mm)测试镜01测试镜02测试镜03说明:1#镜片可见与红外都透光,衰减可忽视不计〔α=0〕。2#镜片不透可见光,透红外光,对红外光的衰减可忽视不计。3#镜片对可见光有局部透过率,对红外光衰减严重。对衰减可忽视不计的红外光学资料,用〔6〕式计算反射率,〔9〕式计算折射率。对衰减严重的资料,用〔7〕式计算反射率,〔8〕式计算衰减系数,〔9〕式计算折射率。2、发光二极管的伏安特征与输出特征丈量将红外发射器与接收器相对搁置,连结电压源输出到发射模块信号输入端2〔注意按极性连结〕,微调接收端受光方向,使显示值最大。将发射系统显示窗口设置为“发射电流〞,接收系统显示窗口设置为“光功率计〞。调理电压源,改变发射管电流,记录发射电流与接收器接收到的光功率〔与发射光功率成正比〕。将发射系统显示窗口切换倒“正向偏压〞,记录与发射电流对应的发射管两头电压。改变发射电流,将数据记录于表2中。〔注:仪器实质显示值可能没法精准的调理到表2中设定值,应按实质调理的发射电流数值为准〕2发光二极管伏安特征与输出特征丈量正向偏压(V)发射管电流(mA)051015202530354045光功率(mW)以表2数据作所测发光二极管的伏安特征曲线和输出特征曲线。议论所作曲线与图3,图4所描绘的规律能否切合。3、发光管的角度特征丈量将红外发射器与接收器相对搁置,固定接收器。将发射系统显示窗口设置为“电压源〞,将接收系统显示窗口设置为“光功率计〞。连结电压源输出到发射模块信号输入端2,微调接收端受光方向,使显示值最大。增大电压源输出,使接收的光功率大于4mW。而后以最大接收光功率点为0°,记录此时的光功率,以顺时针方向〔作为正角度方向〕每隔5°〔也能够依据需要调整角度间隔〕记录一次光功率,填入表3中。再以逆时针方向〔作为负角度方向〕每隔5°记录一次光功率,填入表3中。表3红外发光二极管角度特征的丈量红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义转动角-30°-25°-20°-15°-10°-5°0°5°10°15°20°25°30°度光功率(mW)依据表3中的数据,以角度为横坐标,光强为纵坐标,作红外发光二极管发射光强和角度之间的关系曲线,并得出方向半值角〔光强超出最大光强60%以上的角度〕。4、光电二极管伏安特征的丈量连结方式同实验2。调理发射装置的电压源,使光电二极管接收到的光功率如表3所示。调理接收装置的反向偏压调理,在不一样输入光功率时,切换显示状态,分别丈量光电二极管反向偏置电压与光电流,记录于表4中。表4光电二极管伏安特征的丈量反向偏置电压(伏)012345P=0P=1mW光电流P=2mW(μA)P=3mW以表4数据,作光电二极管的伏安特征曲线。议论所作曲线与图6所描绘的规律能否切合。5、基带调制传输实验发射管和接收管的连结方式不变。将信号发生器信号输出接入发射装置信号输入端1,要求信号频次低于100KHz。将电压源输出连结到发射模块信号输入端2〔注意按极性连结〕,调理电压源为,以供给直流偏置。将发射装置信号输入观察点接入双踪示波器的此中一路,观察输入信号波形。将接收装置信号输出端的观察点接入双踪示波器的另一路,观察经红外传输后接收模块输出的波形。观察信号经红外传输后,波形能否失真,频次有无变化,记入表5中。调理信号发生器输出幅度,当幅度超出必定值后,可观察到接收信号显然失真〔拜见图9〕,记录信号不失真对应的输入电压范围于表5中。转动接收器角度以改变接收到的光强,或在红外传输光路中插入衰减板,用遮挡物遮挡,观察对输出的影响,记入表5中。表5基带调制传输实验发光二极管调制电路输入信号光电二极管光电变换电路输出信号波形频次(kHz)不失真输入电压范围波形频次(kHz)信号失真度描绘衰减对输出的影响正弦波方波对表5结果作定性议论。6、副载波调制传输实验观察调频电路的电压频次关系将发射装置中的电压源输出接入V-F变换模块的V信号输入,用直流信号作调制信号。根据调频原理,直流信号调制后的载波角频次偏移kfV。将F信号输出的“频次丈量〞接入示波器,观察输入电压与F信号输出频次之间的V-F变换关系。调理电压源,经过在示波器上读输出信号的周期来换算成频次〔也能够直接用频次计读频次〕。将输出频次fV随电压的变化记入表6中。表6调频电路的f-V关系红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义输入电压(V)0红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义输出频次fV(kHz)以输入电压作横坐标,输出角频次ωV=2πfV为纵坐标在座标纸上作图。直线的斜率为调频系数kf,求出kf。副载波调制传输实验经过信号发生器,将频次约为1KHz,幅度Vp-p小于5V的正弦信号接入发射装置V-F变换模块的外信号输入端,再将V-F变换模块F信号输出接入发射模块信号输入端2,用副载波信号作发光二极管调制信号。此时接收装置接收信号输出端输出的是经光电二极管还原的副载波信号,将接收信号输出接入F-V变换模块F信号输入端,在V信号输出端输出经解调后的基带信号。用示波器观察基带信号〔将“外信号观察〞接入示波器〕,以及经调频,红外传输后解调的基带信号波形〔F-V变换模块的“观察点〞〕,传输后的频次能够从F信号输入的“频次丈量〞处测得。将观察状况记入表7中。表7副载波调制传输实验红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义基带信号红外传输后解调的基带信号红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义幅度(V)频次(kHz)幅度频次(kHz)信号失真程度衰减对输出的影响红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义改变输入基带信号的频次〔400~5KHz〕和幅度,转动接收器角度使输入接收器的光强改变,观察F-V变换模块输出的波形。基带调制是幅度调制,基带传输实验中,衰减会使输出幅度减小,传输过程的外界扰乱简单使信号失真。副载波传输采纳频次调制,解调电路的输出只与接收到的刹时频次相关,能够察看到在必定的范围内,衰减对输出几乎无影响,说明调频方式抗外界扰乱能力强,信号失真小。对表7结果作定性议论。7、音频信号传输实验将发射装置“音频信号输出〞接入发射模块信号输入端;将接收装置“接收信号输出〞端接入音频模块音频信号输入端。聆听音频模块播放出来的音乐。定性察看地点没对正,衰减,遮挡等外界要素对传输的影响。8、数字信号传输实验假定需传输的信号自己是数字形式,或将模拟信号数字化〔模数变换〕后进行传输,称为数字信号传输,数字传输拥有抗扰乱能力强,传输质量高;易于进行加密和解密,保密性强;能够经过时分复用提升信道利用率;便于成立综合业务数字网等长处,是此后通讯业务的展开方向。本实验用编码器发送二进制数字信号〔地点和数据〕,并用数码管显示地点一致时所发送的数据。将发射装置数字信号输出接入发射模块信号输入端,接收装置接收信号输出端接入数字信号解调模块数字信号输入端。设置发射地点和接收地点,设置发射装置的数字显示。能够观察到,地点一致,信号正常传输时,接收数字随发射数字而改变。地点不一致或光信号不可以正常传输时,数字信号不可以正常接收。在改变地点位和数字为的时候,也能够用示波器察看改变时的传输波形〔接发射模块的“观红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义测点〞〕,这样能够加深对二进制数字信号传输的理解。红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义红外物理特征及应用实验讲义