光电技术实验讲义(学生)

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1、 32 图图 2.1-1 三棱镜的折射与分光三棱镜的折射与分光 第 2 章 光电技术实验 第 2 章 光电技术实验 实验 2.1 光源与光度辐射度参数的测量 实验 2.1 光源与光度辐射度参数的测量 1. 实验目的实验目的 通过用棱镜、光栅等器件对发白光的 LED（发光二极管）发出的光进行分光的测量和对光电综合实验平台上所用光源发出光进行照度测量的实验。 学习光本性的基本常识， 巩固 “光电技术” 教科书中第一章关于光的度量内容， 并掌握光电综合实验平台所用光源的发光特性；通过对光源照度的调节与测量，熟悉进行光电实验过程中所用数字仪表使用方法，为后面实验做技术准备。 2. 实验仪器实验仪器 光

2、电综合实验平台主机系统 1 台； 60分光棱镜及其夹持装置各 1 个； 焦距 f =50mm 的透镜及其支架 1 只； 1200 条线/mm 光栅及其夹持装置各 1 个； 发白光的 LED 平行光源（远心照明光源）及其夹持装置各 1 个； 可调狭缝及其夹持装置各 1 个； 像屏及其夹持装置各 1 个； 磁性表座 4 个； 3. 实验原理实验原理 白光是各种颜色（波长或频率）的光谱能量积分形成的复合光。而棱镜，特别是三棱镜具有将白光分解成各种颜色单色光的特性。测量各种波长单色光的照度等参数对光本质的认识将更进一步。在实际应用技术中常用到单色光源所具有的特性提高非接触测量与控制的精确度，各种光电器

3、件对不同波长的光有不同的响应，光电器件光谱响应特性的测量也离不开单色光源。因此，掌握光源参数的测量方法和分光方法对今后学习光电技术是非常重要的。 首先讨论棱镜及其分光原理。 （1）棱镜的分光原理 （1）棱镜的分光原理 典型的三棱镜如图 2.1- 1 所示，它由三个工作面构成，工作面之间互成角， 它的横截面 （主截面） 如图 2.1- 1(b)所示。当一束白光以入射角 I1进入棱镜的 B 点时，将以出射角 I1在三棱镜内射到对面的 D 点，即BD 光线以入射角- I2入射到 D点，而后，又以出射角-I2射出（DE） 。显然，出射光 AB 较入射光 DE 偏转了角，通常将 称为偏向角。 根据“应用

4、光学”所提供的公式 33图图 2.1-2 注入式注入式 LED 能代结构能代结构 2cos2cos2sin )(21sin2121IIIIn+=+ （2.1- 1） 式中，n 为玻璃材料的折射率；为棱镜的折射角；I1、I1、I2、I2分别为光线在两个折射面的入射角和折射角。 由上式可知，光线经棱镜折射以后，所产生的偏向角是 I1，和n的函数。对于给定的棱镜（和 n 为定值） ，当入射光为单色光(为带宽极窄的单值)时，角仅随 I1变化。可以证明当入射光线和出射光线对称于棱镜的法线时， 即满足 I1=I2， I1=I2时， 偏向角有最小值，常用m表示。在最小偏向角的情况下，式（2.1- 1）可以写

5、成 2sin2)(sinmn=+（2.1- 2） 另外，光学玻璃材料的折射率 n 不但与材料性质有关而且与入射光波长有关。工程光学中给出了光学色散的基本公式（哈特曼公式）指出 )/(00+=Cnn （2.1- 3） 式中，n0、C、0、和为与材料折射率有关的系数。对于折射率较低的玻璃材料值可取 为 1，对于高折射率材料，值取为 1.2。系数 n0、C、0可由玻璃材料的参数表中查到。 由上述分析可以得出，以一定角度入射到三角棱镜的白光光线在它的出射面将得到不同颜色的光带，即三角棱镜使白光分成各种波长（颜色）的单色光。这个现象称为棱镜的分光效应。 因为单色光的波长越长折射率越小，波长越短折射率越大

6、。因此，含有丰富光谱的白光经三棱镜折射后被分解成一族单色光带。即以一定入射角入射到三棱镜的白光，在棱镜的出射面形成如同彩虹似的彩带，其颜色排列顺序为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。越靠近棱镜底部，单色光的波长越短，而越远离棱镜底部，单色光的波长越长。这种将白光分成各种颜色单色光的现象称为色散。利用色散将含有丰富单色谱线的光信息分解为各种单一波长的光谱信息以便分析发光体的化学成分，即进行光谱分析。因此，棱镜色散还是光谱分析的基础。 棱镜能够分光，但是分光效率较差，为了提高分光效率，可以将多个棱镜并列起来进行分光，光栅实质上就是每毫米几百个棱镜的集成，所以分光效率显著提高。 （2）LED的发光原理 （

7、2）LED的发光原理 光电技术中的光源已经逐渐被 LED 发光二极管光源所替代。 LED 发光二极管为 PN 结在正向偏置下发光的特性。有些材料构成的 PN 结在正向电场的作用下，电子与空穴在扩散过程中要产生复合。复合过程中电子从高能级的“导带”跌落至低能级的“价带” ，电子在跌落过程中若以辐射的形式释放出多余的能量，则将产生发光或发辐射的现象。如图 2.1- 2 所示，为注入式LED 能带结构，扩散运动中的电子从导带跌入到价带时以辐射的方式释放出多余的能量。 它将发出峰值波长 m的辐射 gmEhc= （2.1- 4） 式中，Eg为半导体材料的禁带宽度。 34 图图 2.1-3 亮度与电流密度

8、的关系亮度与电流密度的关系 目前，已有发各种“单色”光谱的发光二极管（LED） 。若在发蓝光的发光二极管上涂荧光物质， 由于蓝光 LED 的光谱能量很强， 荧光物质将其转换成含有各种光谱成分的光谱集合，表现为发出复合波长的“白光” 。常称其为白光发光二极管。 如图 2.1- 3 所示， LED 发光二极管发出的光亮度 L 与流过 LED 的电流强度 I 成正比。因此，可以通过控制电流来控制（或调整）发光二极管的亮度，即可以通过改变发光管的电流改变投射到探测器表面上的照度，这就是LED 光源具有的易调整性。利用它的易调特性很容易设计出电光调制器，光纤通讯技术中常用 LED 的这个特性实现长距离的

9、通讯。 另外， 发光二极管属于半导体发光光源， 它具有体积小、发光效率高、寿命长、发光强度易于调节等特点，被广泛应用于测量仪器与照明灯的光源。 也被我们选为光电实验平台的光源。 （3）光度参数与辐射度参数 （3）光度参数与辐射度参数 参见“光电技术” 、 “光电传感器应用技术”等教材第 1 章的内容，光源发出的光或物体反射光的能量计算通常是用“通量” 、 “强度” 、 “出射度”和“亮度”等参数，而对于探测器而言，常用“照度”参数。测量探测器表面的照度是十分重要的问题，许多实际问题常需要通过对照度的测量来分析或计算其他参数。为此主要讨论照度参数。 辐照度或光照度均为单位探测器表面所接收的辐射通

10、量或光通量。即 SEe e=（W/m2） （2.1- 5） 或 SEv v= （lx） （2.1- 6） 式中 S 为探测器的面积。上式也是通过测量照度来测量光源功率的公式。 （4）点光源照度与发光强度的关系实验 （4）点光源照度与发光强度的关系实验 从所周知，各向同性的点光源发出的光所产生的照度与发光强度 Iv成正比，与方向角的余弦（COS）成正比，与距离光源的距离平方(l2 )成反比。既可由下式表示 2cos lIEv v= （lx） （2.1- 7） 4. 实验内容实验内容 棱镜对“白光”的分光特性； 光栅对“白光”的分光特性； 比较两种分光元件的分光特性； 掌握分光光谱的分布规律； 5

11、. 实验步聚实验步聚 1) 认识实验所用器件认识实验所用器件 从光电综合实验平台备件箱中取出如图 2.1- 4 所示的分光棱镜与棱镜安装调整机构图。图中分光棱镜由支架固定后安装在转轴上，在松开锁紧螺钉后分光棱镜既可绕轴转动，以便观察到棱镜对光的折射与分光现象。 35图图 2.1-6 光栅及其实验装置光栅及其实验装置 图图 2.1-5 棱镜分光实验结构图棱镜分光实验结构图 图图 2.1-4 分光棱镜结构分光棱镜结构 分光实验装如图 2.1- 5 所示，它由白光光源（图中为发白光的LED 远心照明光源） 、可调宽度的狭缝、分光棱镜与像屏等部件构成。 远心照明光源发出的光束经过狭缝成一束很窄的白光带

12、， 它通过分光棱镜， 将对白光束中不同波长的光经棱镜折射后发生不同角度的“偏转” ，因此，在像屏处出现像彩虹似的彩条，是棱镜分光的结果。 2）棱镜分光实验步骤）棱镜分光实验步骤 首先按着图 2.1- 5 所示结构，先将远心照明光源安装固定到 光学台面上，将光源的电源线分别插入到平台的 VCC V(+5)与 GND 上（注意其极性，红插头接 VCC） 。然后合上实验平台的电源开关，远心照明光源将被点亮，光源发出一束白色平行光。在光路中插入可调宽度的狭缝，使通过狭缝形成窄条白光。再将分光棱镜装在狭缝的后面，使通过狭缝的窄带白光以一定的入射角度投射到分光棱镜的工作面上，调整（旋转）分光棱镜，改变白光

13、的入射角，再移动像屏位置，观察窄条白光被分成彩色光带的现象，彩色条形光带从棱镜的另一个工作面发射出去。若像屏位置合适，在像屏上将观测到彩色条带。分析各种彩条带的颜色分布规律， 记录各色彩条的排列顺序。 3）光栅分光实验步骤）光栅分光实验步骤 从光电实验平台备件箱中取出 1200 条/mm 的反射光栅及其夹持器，将光栅及其夹持器安装到磁性表座上，构成如图 2.1- 6 所示实验装置。然后用光栅取代分光棱镜，适当调整光栅与窄带光束的位置，使光束以一定的角度入射到光栅上，再反射到像屏上，在像屏上获得按一定规律排列的彩色条带（既得到白光的光谱分布） 。 比较它与棱镜分光的共同点与差异。如果在光栅与像屏

14、之间安装一只 50mm 焦距的凸透镜，将会在像屏上观察到彩条的分布规律将会发生何种变化？为什么？ 显然，上述实验应该在暗室内进行，没有暗室条件无法观察到上述现象。 4）观测发光二极管经光栅分光后的光谱分布）观测发光二极管经光栅分光后的光谱分布 如果将白色 LED 光源换成发蓝光、绿光或发红光的光源，观察此时像屏上色带变化。分析并记录色条的颜色和位置的变化， 说明位置变化的原因。 通过该实验要充分认识 LED 光源的光谱分布特性与光谱谱线位置与波长相关的概念，为学习光栅光谱仪器奠定基础。 5）测量）测量LED工作电流与发光照亮度的关系实验步骤工作电流与发光照亮度的关系实验步骤 测量 LED 发光

15、二极管的工作电流与发光亮度的关系不但有助于学习掌握 LED 的发光特性，而且为应用 LED 光源进行各种光度测量意义重大，为此安排此项实验。 从实验平台备件箱中取出各种单色的 LED 发光管与通用实验装置，把 LED 发光二极管插入通用实验装置，构成如图 2.1- 7 所示的 LED 光源。再把如图 2.1- 8 所示的照度计探测头与 LED 光源相对安装再一起，在光学台上构成实验测量装置，可以用照度对 LED 的发光特性进行实验。但是必须注意，照度的概念是探测表面光照特性的描述，它与距离 LED 光源的36 图图 2.1-7 LED 实验装置实验装置 图图 2.1-8 照度计探头照度计探头 距离有关，因此，必须注意这一特性。将 LED 的引线和电流表按着如图 2.1- 9所示的发光管发光特性实验电路。在测量电路中用 50固定 阻值电阻与 1k电位器相连接， 便于调整 流过 LED 发光管的电流 ILED。 在发光二 极管的供电电路中串入数字，电流表测 量流过 LED 的电流 ILED。平台上提供了自动切换量程的 数字照度计，可以直读出不同工作电流下 LED 发出的光 照度。 打开实验平台的电源开关，在发光管未点亮时测出 暗背景照度 Evb；然后，