紅外物理特性及應用實驗講義

1、紅外物理特性及應用實驗波長范圍在0.751000微米的電磁波稱為紅外波，對紅外頻譜的研究歷來是基礎研究的重要組成部分。對原子與分子的紅外光譜研究，幫助我們洞察它們的電子，振動，旋轉(zhuǎn)的能級結(jié)構(gòu)，并成為材料分析的重要工具。對紅外材料的性質(zhì)，如吸收、發(fā)射、反射率、折射率、電光系數(shù)等參數(shù)的研究，為它們在各個領域的應用研究奠定了基礎?！緦嶒災康摹?、 了解紅外通信的原理及基本特性。2、 了解部分材料的紅外特性。3、 了解紅外發(fā)射管的伏安特性，電光轉(zhuǎn)換特性。4、 了解紅外發(fā)射管的角度特性。5、 了解紅外接收管的伏安特性?！緦嶒炘怼?、紅外通信在現(xiàn)代通信技術中，為了避免信號互相干擾，提高通信質(zhì)量與通信容量

2、，通常用信號對載波進行調(diào)制，用載波傳輸信號，在接收端再將需要的信號解調(diào)還原出來。不管用什么方式調(diào)制，調(diào)制后的載波要占用一定的頻帶寬度，如音頻信號要占用幾千赫茲的帶寬，模擬電視信號要占用8兆赫茲的帶寬。載波的頻率間隔若小于信號帶寬，則不同信號間要互相干擾。能夠用作無線電通信的頻率資源非常有限，國際國內(nèi)都對通信頻率進行統(tǒng)一規(guī)劃和管理，仍難以滿足日益增長的信息需求。通信容量與所用載波頻率成正比，與波長成反比，目前微波波長能做到厘米量級，在開發(fā)應用毫米波和亞毫米波時遇到了困難。紅外波長比微波短得多，用紅外波作載波，其潛在的通信容量是微波通信無法比擬的，紅外通信就是用紅外波作載波的通信方式。紅外傳輸?shù)慕?/p>

3、質(zhì)可以是光纖或空間，本實驗采用空間傳輸。2、紅外材料 光在光學介質(zhì)中傳播時，由于材料的吸收，散射，會使光波在傳播過程中逐漸衰減，對于確定的介質(zhì)，光的衰減dI與材料的衰減系數(shù) ，光強I，傳播距離dx成正比： （1）對上式積分，可得： （2）上式中L為材料的厚度。材料的衰減系數(shù)是由材料本身的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)決定的，不同的波長衰減系數(shù)不同。普通的光學材料由于在紅外波段衰減較大，通常并不適用于紅外波段。常用的紅外光學材料包括：石英晶體及石英玻璃，半導體材料及它們的化合物如鍺，硅，金剛石，氮化硅，碳化硅，砷化鎵，磷化鎵。氟化物晶體、氧化物陶瓷、還有一些硫化物玻璃，鍺硫系玻璃等。光波在不同折射率的介質(zhì)表面會反射

4、，入射角為零或入射角很小時反射率： （3）由（3）式可見，反射率取決于界面兩邊材料的折射率。由于色散，材料在不同波長的折射率不同。折射率與衰減系數(shù)是表征材料光學特性的最基本參數(shù)。由于材料通常有兩個界面，測量到的反射與透射光強是在兩界面間反射的多個光束的疊加效果，如圖1所示。反射光強與入射光強之比為： （4）透射光強與入射光強之比為： （5）原則上，測量出I0、IR、IT，聯(lián)立（4）、（5）兩式，可以求出R與。下面討論兩種特殊情況下求R與 。對于衰減可忽略不計的紅外光學材料， =0，e L =1，此時，由（4）式可解出： （6）對于衰減較大的非紅外光學材料，可以認為多次反射的光線經(jīng)材料衰減后光強

5、度接近零，對圖1中的反射光線與透射光線都可只取第一項，此時： （7） （8）由于空氣的折射率為1，求出反射率后，可由（3）式解出材料的折射率： （9）很多紅外光學材料的折射率較大，在空氣與紅外材料的界面會產(chǎn)生嚴重的反射。例如硫化鋅的折射率為2.2，反射率為14，鍺的折射率為4，反射率為36。為了降低表面反射損失，通常在光學元件表面鍍上一層或多層增透膜來提高光學元件的透過率。3、發(fā)光二極管紅外通信的光源為半導體激光器或發(fā)光二極管，本實驗采用發(fā)光二極管。發(fā)光二極管是由P型和N型半導體組成的二極管。P型半導體中有相當數(shù)量的空穴，幾乎沒有自由電子。N型半導體中有相當數(shù)量的自由電子，幾乎沒有空穴。當兩種

6、半導體結(jié)合在一起形成P-N結(jié)時，N區(qū)的電子（帶負電）向P區(qū)擴散， P區(qū)的空穴（帶正電）向N區(qū)擴散，在P-N結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢壘電場。勢壘電場會使載流子向擴散的反方向作漂移運動，最終擴散與漂移達到平衡，使流過P-N結(jié)的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內(nèi)，P區(qū)的空穴被來自N區(qū)的電子復合，N區(qū)的電子被來自P區(qū)的空穴復合，使該區(qū)內(nèi)幾乎沒有能導電的載流子，又稱為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)。當加上與勢壘電場方向相反的正向偏壓時，結(jié)區(qū)變窄，在外電場作用下，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子就向?qū)Ψ綌U散運動，從而在PN結(jié)附近產(chǎn)生電子與空穴的復合，并以熱能或光能的形式釋放能量。采用適當?shù)牟牧希箯秃夏芰恳园l(fā)射光子的形式釋放，就構(gòu)成發(fā)光二極

7、管。采用不同的材料及材料組分，可以控制發(fā)光二極管發(fā)射光譜的中心波長。圖3，圖4分別為發(fā)光二極管的伏安特性與輸出特性。從圖3可見，發(fā)光二極管的伏安特性與一般的二極管類似。從圖4可見，發(fā)光二極管輸出光功率與驅(qū)動電流近似呈線性關系。這是因為：驅(qū)動電流與注入PN結(jié)的電荷數(shù)成正比，在復合發(fā)光的量子效率一定的情況下，輸出光功率與注入電荷數(shù)成正比。發(fā)光二極管的發(fā)射強度隨發(fā)射方向而異。方向的特性如圖5，圖5的發(fā)射強度是以最大值為基準，當方向角度為零度時，其發(fā)射強度定義為100。當方向角度增大時，其放射強度相對減少，發(fā)射強度如由光軸取其方向角度一半時，其值即為峰值的一半，此角度稱為方向半值角，此角度越小即代表元

8、件之指向性越靈敏。一般使用紅外線發(fā)光二極管均附有透鏡，使其指向性更靈敏，而圖5（a）的曲線就是附有透鏡的情況，方向半值角大約在± 7°。另外每一種型號的紅外線發(fā)光二極管其幅射角度亦有所不同，圖5 (b)所示之曲線為另一種型號之元件，方向半值角大約在± 50°。（a）A型管（加裝透鏡） （b）B型管 圖5 兩種紅外發(fā)光二極管的角度特性曲線圖4、光電二極管紅外通信接收端由光電二極管完成光電轉(zhuǎn)換。光電二極管是工作在無偏壓或反向偏置狀態(tài)下的PN結(jié)，反向偏壓電場方向與勢壘電場方向一致，使結(jié)區(qū)變寬，無光照時只有很小的暗電流。當PN結(jié)受光照射時，價電子吸收光能后掙脫價

9、鍵的束縛成為自由電子，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子空穴對，在電場作用下，電子向N區(qū)運動，空穴向P區(qū)運動，形成光電流。紅外通信常用PIN型光電二極管作光電轉(zhuǎn)換。它與普通光電二極管的區(qū)別在于在P型和N型半導體之間夾有一層沒有滲入雜質(zhì)的本征半導體材料，稱為I型區(qū)。這樣的結(jié)構(gòu)使得結(jié)區(qū)更寬，結(jié)電容更小，可以提高光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率和響應速度。圖6是反向偏置電壓下光電二極管的伏安特性。無光照時的暗電流很小，它是由少數(shù)載流子的漂移形成的。有光照時，在較低反向電壓下光電流隨反向電壓的增加有一定升高，這是因為反向偏壓增加使結(jié)區(qū)變寬，結(jié)電場增強，提高了光生載流子的收集效率。當反向偏壓進一步增加時，光生載流子的收集接近極限，

10、光電流趨于飽和，此時，光電流僅取決于入射光功率。在適當?shù)姆聪蚱秒妷合?，入射光功率與飽和光電流之間呈較好的線性關系。圖7是光電轉(zhuǎn)換電路，光電二極管接在晶體管基極，集電極電流與基極電流之間有固定的放大關系，基極電流與入射光功率成正比，則流過R的電流與R兩端的電壓也與光功率成正比。5、光源的調(diào)制對光源的調(diào)制可以采用內(nèi)調(diào)制或外調(diào)制。內(nèi)調(diào)制用信號直接控制光源的電流，使光源的發(fā)光強度隨外加信號變化，內(nèi)調(diào)制易于實現(xiàn)，一般用于中低速傳輸系統(tǒng)。外調(diào)制時光源輸出功率恒定，利用光通過介質(zhì)時的電光效應，聲光效應或磁光效應實現(xiàn)信號對光強的調(diào)制，一般用于高速傳輸系統(tǒng)。本實驗采用內(nèi)調(diào)制。圖8是簡單的調(diào)制電路。調(diào)制信號耦合

11、到晶體管基極，晶體管作共發(fā)射極連接，流過發(fā)光二極管的集電極電流由基極電流控制，R1，R2提供直流偏置電流。圖9是調(diào)制原理圖，由圖9可見，由于光源的輸出光功率與驅(qū)動電流是線性關系，在適當?shù)闹绷髌孟拢S調(diào)制信號變化的電流變化由發(fā)光二極管轉(zhuǎn)換成了相應的光輸出功率變化。6、副載波調(diào)制由需要傳輸?shù)男盘栔苯訉庠催M行調(diào)制，稱為基帶調(diào)制。在某些應用場合，例如有線電視需要在同一根光纖上同時傳輸多路電視信號，此時可用N個基帶信號對頻率為f1，f2fN的N個副載波頻率進行調(diào)制，將已調(diào)制的N個副載波合成一個頻分復用信號，驅(qū)動發(fā)光二極管。在接收端，由光電二極管還原頻分復用信號，再由帶通濾波器分離出副載波，解調(diào)后得到

12、需要的基帶信號。對副載波的調(diào)制可采用調(diào)幅，調(diào)頻等不同方法。調(diào)頻具有抗干擾能力強，信號失真小的優(yōu)點，本實驗采用調(diào)頻法。圖10是副載波調(diào)制傳輸框圖。如果載波的瞬時頻率偏移隨調(diào)制信號m(t)線性變化，即： （10）則稱為調(diào)頻，kf是調(diào)頻系數(shù)，代表頻率調(diào)制的靈敏度，單位為2赫茲/伏。調(diào)頻信號可寫成下列一般形式： （11）式中為載波的角頻率，為調(diào)頻信號的瞬時相位偏移。下面考慮兩種特殊情況：假設m(t)為電壓為V的直流信號，則（11）式可以寫為： （12）（12）式表明直流信號調(diào)制后的載波仍為余弦波，但角頻率偏移了。假設m(t)=Ucost，則（11）式可以寫為： （13）可以證明，已調(diào)信號包括載頻分量和

13、若干個邊頻分量±n，邊頻分量的頻率間隔為。任意信號可以分解為直流分量與若干余弦信號的疊加，則（12），（13）兩式可以幫助理解一般情況下調(diào)頻信號的特征?！緦嶒瀮x器】圖11 實驗系統(tǒng)組成框圖整套實驗系統(tǒng)由紅外發(fā)射裝置、紅外接收裝置、測試平臺（軌道）以及測試鏡片組成。圖11中，紅外發(fā)射裝置產(chǎn)生的各種信號，通過發(fā)射管發(fā)射出去。發(fā)出的信號通過空氣傳輸或者經(jīng)過測試鏡片后，由接收管將信號傳送到紅外接收裝置。接收裝置將信號處理后，通過儀器面板顯示或者示波器觀察傳輸后的各種信號。測試鏡架的“A”處，可以安裝不同的材料，以研究這些材料的紅外傳輸特性。信號發(fā)生器可以根據(jù)實驗需要提供各種信號，示波器用于觀

14、測各種信號波形經(jīng)紅外傳輸后是否失真等特性（學校自備）。紅外發(fā)生裝置、紅外接收裝置、軌道部分，三者要保證接地良好。【實驗內(nèi)容和步驟】1、 部分材料的紅外特性測量將紅外發(fā)射器連接到發(fā)射裝置的“發(fā)射管”接口，接收器連接到接收裝置的“接收管”接口（在所有的實驗進行中，都不取下發(fā)射管和接收管），二者相對放置，通電。連接電壓源輸出到發(fā)射模塊信號輸入端2（注意按極性連接），向發(fā)射管輸入直流信號。將發(fā)射系統(tǒng)顯示窗口設置為“電壓源”。接收系統(tǒng)顯示窗口設置為“光功率計”。在電壓源輸出為0時，若光功率計顯示不為0，即為背景光干擾或0點誤差，記下此時顯示的背景值，以后的光強測量數(shù)據(jù)應是顯示值減去該背景值。調(diào)節(jié)電壓源，

15、使初始光強I0> 4mW，微調(diào)接收器受光方向，使顯示值最大。按照表1樣品編號安裝樣品（樣品測試鏡厚度都為2），測量透射光強IT。將接收端紅外接收器取下，移到緊靠發(fā)光二極管處安裝好，微調(diào)樣品入射角與接收器方位，使接收到的反射光最強，測量反射光強IR。將測量數(shù)據(jù)記入表3中。表1 部分材料的紅外特性測量 初始光強I0 (mW)材料樣品厚度(mm)透射光強IT(mW)反射光強IR(mW)反射率R折射率n衰減系數(shù)(/mm)測試鏡01測試鏡02測試鏡03說明：1鏡片可見與紅外都透光，衰減可忽略不計（ = 0）。2鏡片不透可見光，透紅外光，對紅外光的衰減可忽略不計。3鏡片對可見光有部分透過率，對紅外光

16、衰減嚴重。對衰減可忽略不計的紅外光學材料，用（6）式計算反射率，（9）式計算折射率。對衰減嚴重的材料，用（7）式計算反射率，（8）式計算衰減系數(shù)，（9）式計算折射率。2、 發(fā)光二極管的伏安特性與輸出特性測量將紅外發(fā)射器與接收器相對放置，連接電壓源輸出到發(fā)射模塊信號輸入端2（注意按極性連接），微調(diào)接收端受光方向，使顯示值最大。將發(fā)射系統(tǒng)顯示窗口設置為“發(fā)射電流”，接收系統(tǒng)顯示窗口設置為“光功率計”。調(diào)節(jié)電壓源，改變發(fā)射管電流，記錄發(fā)射電流與接收器接收到的光功率（與發(fā)射光功率成正比）。將發(fā)射系統(tǒng)顯示窗口切換倒“正向偏壓”，記錄與發(fā)射電流對應的發(fā)射管兩端電壓。改變發(fā)射電流，將數(shù)據(jù)記錄于表2中。（注：

17、儀器實際顯示值可能無法精確的調(diào)節(jié)到表2中設定值，應按實際調(diào)節(jié)的發(fā)射電流數(shù)值為準）表2 發(fā)光二極管伏安特性與輸出特性測量正向偏壓(V)發(fā)射管電流(mA)051015202530354045光功率(mW)以表2數(shù)據(jù)作所測發(fā)光二極管的伏安特性曲線和輸出特性曲線。討論所作曲線與圖3，圖4所描述的規(guī)律是否符合。3、 發(fā)光管的角度特性測量將紅外發(fā)射器與接收器相對放置，固定接收器。將發(fā)射系統(tǒng)顯示窗口設置為“電壓源”，將接收系統(tǒng)顯示窗口設置為“光功率計”。連接電壓源輸出到發(fā)射模塊信號輸入端2，微調(diào)接收端受光方向，使顯示值最大。增大電壓源輸出，使接收的光功率大于4mW。然后以最大接收光功率點為0°，記

18、錄此時的光功率，以順時針方向（作為正角度方向）每隔5°（也可以根據(jù)需要調(diào)整角度間隔）記錄一次光功率，填入表3中。再以逆時針方向（作為負角度方向）每隔5°記錄一次光功率，填入表3中。表3 紅外發(fā)光二極管角度特性的測量轉(zhuǎn)動角度-30°-25°-20°-15°-10°-5°0°5°10°15°20°25°30°光功率(mW)根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，以角度為橫坐標，光強為縱坐標，作紅外發(fā)光二極管發(fā)射光強和角度之間的關系曲線，并得出方向半值角（光強超過最大光強6

19、0以上的角度）。4、 光電二極管伏安特性的測量連接方式同實驗2。調(diào)節(jié)發(fā)射裝置的電壓源，使光電二極管接收到的光功率如表3所示。調(diào)節(jié)接收裝置的反向偏壓調(diào)節(jié)，在不同輸入光功率時，切換顯示狀態(tài)，分別測量光電二極管反向偏置電壓與光電流，記錄于表4中。表4 光電二極管伏安特性的測量反向偏置電壓 (伏)00.512345P=0光電流(A)P=1mWP=2mWP=3mW以表4數(shù)據(jù)，作光電二極管的伏安特性曲線。討論所作曲線與圖6所描述的規(guī)律是否符合。5、 基帶調(diào)制傳輸實驗發(fā)射管和接收管的連接方式不變。將信號發(fā)生器信號輸出接入發(fā)射裝置信號輸入端1，要求信號頻率低于100KHz。將電壓源輸出連接到發(fā)射模塊信號輸入端

20、2（注意按極性連接），調(diào)節(jié)電壓源為2.5V，以提供直流偏置。將發(fā)射裝置信號輸入觀測點接入雙蹤示波器的其中一路，觀測輸入信號波形。將接收裝置信號輸出端的觀測點接入雙蹤示波器的另一路，觀測經(jīng)紅外傳輸后接收模塊輸出的波形。觀測信號經(jīng)紅外傳輸后，波形是否失真，頻率有無變化，記入表5中。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出幅度，當幅度超過一定值后，可觀測到接收信號明顯失真（參見圖9），記錄信號不失真對應的輸入電壓范圍于表5中。轉(zhuǎn)動接收器角度以改變接收到的光強，或在紅外傳輸光路中插入衰減板，用遮擋物遮擋，觀測對輸出的影響，記入表5中。表5 基帶調(diào)制傳輸實驗發(fā)光二極管調(diào)制電路輸入信號光電二極管光電轉(zhuǎn)換電路輸出信號波形頻率(k

21、Hz)不失真輸入電壓范圍波形頻率(kHz)信號失真度描述衰減對輸出的影響正弦波方波對表5結(jié)果作定性討論。6、 副載波調(diào)制傳輸實驗(1)觀測調(diào)頻電路的電壓頻率關系將發(fā)射裝置中的電壓源輸出接入V-F變換模塊的V信號輸入，用直流信號作調(diào)制信號。根據(jù)調(diào)頻原理，直流信號調(diào)制后的載波角頻率偏移。將F信號輸出的“頻率測量”接入示波器，觀測輸入電壓與F信號輸出頻率之間的V-F變換關系。調(diào)節(jié)電壓源，通過在示波器上讀輸出信號的周期來換算成頻率（也可以直接用頻率計讀頻率）。將輸出頻率fV隨電壓的變化記入表6中。表6 調(diào)頻電路的f-V關系輸入電壓(V)00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0輸出

22、頻率fV(kHz)以輸入電壓作橫坐標，輸出角頻率V =2fV為縱坐標在坐標紙上作圖。直線的斜率為調(diào)頻系數(shù)，求出。(2)副載波調(diào)制傳輸實驗通過信號發(fā)生器，將頻率約為1KHz，幅度Vp-p小于5V的正弦信號接入發(fā)射裝置V-F變換模塊的外信號輸入端，再將V-F變換模塊F信號輸出接入發(fā)射模塊信號輸入端2，用副載波信號作發(fā)光二極管調(diào)制信號。此時接收裝置接收信號輸出端輸出的是經(jīng)光電二極管還原的副載波信號，將接收信號輸出接入F-V變換模塊F信號輸入端，在V信號輸出端輸出經(jīng)解調(diào)后的基帶信號。用示波器觀測基帶信號（將“外信號觀測”接入示波器），以及經(jīng)調(diào)頻，紅外傳輸后解調(diào)的基帶信號波形（F-V變換模塊的“觀測點”），傳輸后的頻率可以從F信號輸入的“頻率測量”處測得。將觀測情況記入表7中。表7