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1、光电子器件物理实验实验 1 光源与光度辐射度参数的测量实验目的：通过用棱镜等器件对发白光的 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。实验仪器： 光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； 发白光的 LED 平行光源（远心照明光源）及其夹持装置各 1 个； 狭
2、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；实验内容：1） 棱镜对“白光”的分光特性； 2） 掌握分光光谱的分布规律；3） 测量远心照明光源在不同位置上的照度；实验步聚：1) 棱镜分光实验 认识实验所用器件图 2.1-5 棱镜对白光的分光实验装置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、棱镜安装调整机构、发白光的 LED 远心照明光源、可调狭缝与像屏。将这些器材按如图 2.1-5 所示的方式安装在光学实验台上。打开实验平台上的电源开关，将远心照明光源的电源线接到平台的+5V(VCC)电源上（注意其极性，红插头接 VCC）,使LED 光源发出
3、一束白色平行光，然后，在光路中插入可调宽度的狭缝，使通过狭缝形成的窄条白光投射到分光棱镜的工作面上，调整（旋转）分光棱镜，改变白光的入射角，再移动像屏位置，观察窄条白光被分光的现象，将有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。若将 50mm 焦距的透镜安装在棱镜与像屏之间，并适当调整透镜与棱镜之间的距离L，与透镜与像屏之间的距离 L，观察像屏上彩条的变化。分析变化的原因。2）观测发光二极管经光栅分光后的光谱分布将图 2.1-6 所示的白光 LED 光源换成发蓝光、绿光和发红光的光源，观察此时像屏上
4、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。3）发光二极管电流与亮度的关系从实验平台备件箱中取出各种单色 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 LED 光源，把照度计的探测头与 LED 光源相对按着如图 2.1-7 所示的结构安装在光学台上，将它们它们的引线和电流表按如图2.1-8 所示的电路连接成测量电路，在测量电路中调整电阻用 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
5、供电电路中串入数字电流表，测量流过 LED 的电流 ILED。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，通过串入发光二极管的 1k 电位器调节发光电流 ILED，记录不同发光电流 ILED 下的光照度 Ev，将其填入表 2.1-1；改变 LED 与光电探测头间的距离，再重复进行上述实验，分析数据变化的原因。将 LED 与光电探测头间的距离 L 锁定，找出电流 ILED 与照度间 Ev 的关系。关机与结束： 所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则应重新补作上述实验；若合理，可以进行关机； 将实验平台的电源关掉，再将所用的配件放回
6、配件箱； 将实验所用仪器收拾好，再请指导教师检查，批准后离开实验室。实验 2 LED 光谱特性的测量与光栅光谱仪实验目的：LED 灯的特性直接关系到它的应用，尤其是它的发光强度分布特性与光谱特性是人们普遍关心的重要特性，也是难于测量的特性。光源的光谱内含有丰富的信息，为此人们研制出各种光谱探测器进行物质化学成分的分析。安排这个实验有助于学生了解 LED 发出的光谱成分，并深入掌握光谱探测器的特性，更合理地运用它于分析不同光源的光谱。实验仪器：1）光电综合实验平台主机；2）发光光谱测试仪；3）发出不同颜色光的被测 LED 器件；实验内容：LED 发光光谱特性既有别于 LD（半导体激光器）又有别于
7、钨丝灯等热辐射体的发光，它的单色性远不如 LD，但是光谱范围是有限宽度的，具有较好的单色性，当然通过二次光致发光获得的“白光”LED 的光谱较为丰富，但是仍然无法与钨丝灯等热辐射体的发光光谱相比。描述 LED 发光光谱特性的方法是测量它的光谱辐射带宽与功率分布。不同颜色与种类的 LED 发出的光谱辐射带宽与功率分布差异很大。在用 LED 构成大屏幕显示器应用领域为获得不同颜色的显示效果，必须对所用的 LED 器件进行光谱特性的测量，以便正确地配制出各种颜色的图案。图 1.2-2 LED 光谱仪原理框图图 1.2-3 LED 灯安装结构图实验步骤：（1）熟悉测量仪器LED 光源光谱分布测量的实验
8、要用到 LED 光谱分布测试仪，它的外形图如图 1.2-1 所示，其原理结构如图 1.2-2 所示。被测 LED 安装到 LED 光谱分布测量仪右侧的暗室内，它发出的光经过狭缝入射到反射光栅上，经反射分光后发出多色光带光谱，再经凹面反射镜汇聚到线阵 CCD 的像敏面上。CCD 采集并输出载有 LED 光谱信息的信号电压，再经数据采集卡将其转换成数字信号送入计算机，在计算机软件的支持下形成的谱图显现在显示器上，其中的横坐标为以 nm 为计量单位的波长（ ） ，纵轴为 16 位二进制数（065535） 。光谱分布测试仪的右端是 LED 发光管的安装机构，由如图 1.2-3 所示它由 LED 灯座、
9、固定套与外圈等三部分构成，将 LED 的两个电极插入 2 个插孔（注意标有白色标记的插孔插较长的正极）后，先将定位套套住 LED，然后再将外套拧在 LED 灯座上，旋紧顶丝。再将 LED 灯拧到右边的可调狭缝上的螺纹口上。（2）构成测量系统实验时，先将 LED 光谱分布测试仪用 USB 连接线与计算机的 USB 端口（光电综合实验平台的 USB 接入端口）相连接，再将电源线插到 AC220V 电源板上，如果只测量 LED 的光谱，则先将仪器右侧的 LED 安装装置拧下，将被测的 LED 插入管座，再将其拧在一起，将直流电源连接线接入仪器右侧的电源插口中便完成了测量系统的安装。图 1.2-1 L
10、ED 光谱分布测试仪图 1.2-4 黄色 LED 的光谱分布（3）开机与测量开机时，先开光谱仪的电源，然后再启动计算机，查看是否安装了测量软件？若没有安装，请按光谱仪软件安装说明书提示的步骤安装软件，软件安装后，可以直接执行光谱采集软件，弹出光谱分布测量程序界面，界面的上层菜单为基本操作控制主菜单，它与通用“word ”文档内容相同，而最下边一行的菜单为操作菜单，其中“打开”与“保存”菜单是对文档进行打开与保存的操作， “打开”已经保存的文档与“保存”现在正在执行的结果文档；“曲线”菜单是将 CCD 采集到的光谱信号以波形曲线方式显示在界面上；“数据”菜单是将 CCD 采集到的数据按一定的数据
11、格式显示在界面上；“连续”菜单是执行菜单，点击“连续”菜单，在计算机显示屏上将显示出如图 1.2-4 所示的黄色 LED 发出光谱的分布曲线。 “停止”菜单是执行停止采集的操作，点击“停止”菜单后，CCD 的采集工作将停止，界面上显示点击“停止”菜单后的结果曲线；“单次”菜单也是执行菜单，点击它以后，线阵 CCD 只采集一行信号，并将这一行信号以波形曲线的方式显示在界面上；“0ms ”菜单是控制所采集到的光谱在界面上停留的时间，点击这个菜单，可以弹出不同的时间选择，改变光谱曲线在界面上停留的时间。 “积分 3 档”是控制线阵 CCD 积分时间参数的功能菜单，当前选择的为积分时间是“第 3 档”
12、 。点击它可以弹出多种积分时间的选择菜单，实现对不同强度光谱的观测；“关于”菜单是注释菜单，对光谱测量没有关系。测量光谱分布曲线时，在设定好显示时间与积分时间后，可执行“连续”菜单，界面出现便于观察的光谱特性曲线后，可执行“停止”菜单，使界面上的光谱曲线不再变化，通过 “数据” 菜单可以读到每个像元的光谱强度值。另外，也可以将“鼠标”标记放到所选波形的特征点（所需要测量的点）位置，再点击鼠标右键，弹出测量标线如图 1.2-4 所示的白色标线，在标线的上方分别显示 x 与 y 坐标值，其中 x 值为横坐标（光谱的波长） ，y 为其强度（16 进制数值）的数值。利用这一功能可以测量光谱的峰值波长与
13、光谱带宽等参数。（4）LED 发 光光谱半宽 度的测量LED 发光光谱半宽度的定义为光谱分布曲线的幅度衰减到 1/2 所对应的谱线宽度。测量时，先将整个光谱曲线计算机界面上显示出来，然后，找出光谱分布曲线的幅度（垂直坐标）衰减到 1/2 所对应的位置上点击鼠标右键，弹出如图 1.2-4 所示的白色测量线和相应的 x，y 坐标，LED 光谱辐射半宽度的带宽 既为=x 2x 1 （1.2-1）如图 1.2-4 所示的半波带宽 为（597.15576.51）=20.64nm。由于光谱仪在出厂之前已经用汞灯的标准谱图进行了严格的标定。如果用户没有标准汞灯谱图，则不能再自行进行标定。如果用户有条件进行标
14、定，也可以自行进行标定。但是，自己进行标定应当承担由此带来的误差责任。（5）文件的存储与打开通过执行“保存”菜单，能够将计算机界面上显示的光谱分布曲线以文本方式或图像方式保存到文件夹内，它即为 LED 的光谱辐射分布曲线图。通过执行“打开”菜单，能够将以前存储在某个文件夹内的光谱分布曲线打开并显示在界面上。关机与结束：1、将所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则要重新作上述实验；若合理，可以关机；2、先退出计算机软件，关掉计算机电源，再将实验平台的电源关掉；3、最后，将所用的配件放回配件箱；将实验所用仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后离开实验室。4、分
15、析上述实验过程中为什么要旋转被测 LED？如何能找到 LED 的真正光轴？5、LED 发光强度的改变是否影响它的光谱分布？为什么？实验 3 LED 角度特性参数测量实验实验目的：LED（发光二极管）是非常有发展前景的半导体发光器件，是将来取代钨丝灯、日光灯、照明灯、高压汞灯与其他系列灯具的节能替代产品。LED 灯的特性直接关系到它的应用，尤其是它的发光强度的空间分布特性是人们普遍关心的重要特性，安排这个实验有助于我们深入掌握它的特性，更合理地应用它为人类照明与视觉效应服务。实验仪器： GDS-型光电综合实验平台 1 台； LED 发光特性测试仪 1 台；图 1.3-1 LED 发光的空间分布特
16、性实验内容：1）发光强度空间分布特性与偏差角 根据中国光学光电子行业学会 2002 年制定的“发光二极管测试方法” ， LED 发光强度的空间分布特性是指器件发射出的光强 IV 或 Ie 参数与空间方向角 的函数关系 I V= f ()。显然， 角度一般取为 LED 器件的“机械角” ，机械角的定义为器件几何尺寸的中心线或法线为其零度角。由于 LED 封装工艺问题使LED 器件存在发出光强度最大的方向（称为主光线）与机械轴并不重合，产生如图 1.3-1 所示的偏差 ，称其为偏差角或偏向角。测量偏向角对于正确使用 LED 为光源，尤其是使用 LED群构成面光源或彩色图像显示中具有非常重要意义。2）半发光强度角 1/2如图 1.3-1 所示，LED 的另一个重要参数是“半发光强度角 1/2”， 半发光强度角 1/2 是描述 LED 发光范围的参数。为获得更宽，更均匀的面光源，总希望
