光電原理試驗(yàn)參考指導(dǎo)書

內(nèi)容簡介本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)從理解和熟悉光電系統(tǒng)角度出發(fā)，討論光電系統(tǒng)中重要技術(shù)問題。重要知識點(diǎn)涉及：光電系統(tǒng)中慣用光源及其特性；慣用光電探測器工作原理、特性參數(shù)及光電信號檢測基本線路；光學(xué)調(diào)制器；光電探測辦法及光電信號解決辦法；CCD電荷耦合器原理及其應(yīng)用等。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與理論緊密結(jié)合，注重實(shí)用，可作為測控技術(shù)與儀器、物理電子技術(shù)、儀器儀表、自動(dòng)控制、精密儀器及辦公自動(dòng)化等專業(yè)本科生、研究生和關(guān)于科技人員課堂實(shí)驗(yàn)和研究。目錄實(shí)驗(yàn)一LD/LEDP-I-V特性曲線測試 五、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)（一）、穩(wěn)態(tài)模分布獲得取一根與待測光纖性能相似短光纖（長約5米），按下列環(huán)節(jié)解決好光纖兩端面；1用光纖剝皮鉗或刀片將兩端涂敷層除掉，保證除掉涂敷層光纖長約3cm；2用脫脂棉蘸乙醇/乙醚混合溶液蘇醒洗光纖頭；3用光纖切割刀切割光纖頭，要保證除掉涂敷層光纖長為11mm；4在顯微鏡下檢查光纖兩端面，要保證沒有裂痕；5將光纖頭插入FC型裸纖適配器，將光線拉至與適配器插針端面平齊（最多伸出量不得超過0.2mm;6將兩個(gè)FC型裸纖適配器分別接入光源1310nm輸出端和光功率計(jì)輸入端；7將光源和光功率計(jì)均調(diào)至1310nm，微調(diào)光纖頭插入適配器深度，使輸出功率最大；8在距離光源輸出端約1m處將光纖盤繞在擾模器上，觀測光功率變化，當(dāng)光功率變化緩慢時(shí)，表達(dá)已趨于穩(wěn)態(tài)模分布。記錄下此時(shí)光纖在擾模器上盤繞匝數(shù)N和光功率）。則短光纖長度即為LC。（二）、光纖衰減系數(shù)測試1將待測光纖兩端面進(jìn)行解決，并插入FC型裸纖適配器，解決辦法與短光纖同樣（由于時(shí)間關(guān)系，此步實(shí)驗(yàn)前已做好）；2將短光纖換成待測光纖，在距離光源輸出端約1m處在擾模器上繞N匝，以獲得穩(wěn)態(tài)分布；3測量此時(shí)光纖輸出光功率。4將）、代入公式（6）計(jì)算出光纖在此波長下衰減系數(shù)：5變化光源波長重復(fù)上述測量；比較兩波長下衰減系數(shù)。六、實(shí)驗(yàn)規(guī)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告中給出測量原理、詳細(xì)測量系統(tǒng)框圖和測量環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告中給出測量成果，并分析本實(shí)驗(yàn)測試精度受到哪些因素影響？實(shí)驗(yàn)六光電倍增管特性參數(shù)測試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)?、理解光電倍增管基本特性。2、學(xué)習(xí)光電倍增管基本參數(shù)測量辦法。3、學(xué)會對的使用光電倍增管。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、暗電流測量2、陰極敏捷度測量3、陽極敏捷度測量4、光電倍增管放大倍數(shù)測量5、光電倍增管光電特性6、光電倍增管時(shí)間特性三、實(shí)驗(yàn)儀器1、光電倍增管實(shí)驗(yàn)儀1臺2、雙蹤示波器 1臺四、實(shí)驗(yàn)原理光電倍增管工作原理用下圖闡明光電倍增管工作原理，K是光電陰極，受光照射時(shí)發(fā)射電子，D為聚焦極，它與陰極共同形成電子光學(xué)聚焦系統(tǒng)，將光電陰極發(fā)射電子會聚成束并通過膜孔射向第一倍增極D1，D1～D10為倍增極，所加電壓逐級增長。每一級約80～150V，A為收集電子陽極。這些電極封裝在真空管內(nèi)，光電陰極附近制作光入射窗口。在高速初電子激發(fā)下，第一倍增極被激發(fā)出若干二次電子，這些電子在電場作用下，又射向第二倍增極，又引起第二倍增極更多二次電子發(fā)射……，此過程始終繼續(xù)D10。最后經(jīng)倍增電子被陽極A收集而輸出電流，在負(fù)載RL上產(chǎn)生信號電壓。圖1光電倍增管內(nèi)部構(gòu)造圖2、倍增管重要特性參數(shù)光電倍增管特性參數(shù)涉及敏捷度、光譜響應(yīng)度、電流增益、伏安特性、暗電流、線性和時(shí)間特性等。下面簡介本實(shí)驗(yàn)涉及到特性。1）敏捷度敏捷度是衡量光電倍增管將光輻射轉(zhuǎn)換成電信號能力一種參數(shù)，普通是指積分敏捷度，即白光敏捷度。涉及陰極敏捷度和陽極敏捷度。陰極敏捷度SK陰極光照敏捷度SK是指光電陰極自身積分敏捷度。定義為光電陰極飽和光電流Ik除以入射到陰極光通量Φ所得商陰極光照敏捷度只與光電陰極材料和光電倍增管構(gòu)造關(guān)于。測量時(shí)應(yīng)如圖所示，陰極為一極，其他各極連在一起為另一極，使從陽極測得電流沒有倍增。圖2光電倍增管陰極電流測量圖2光電倍增管陰極電流測量光通量要恰當(dāng)，太大會由于光電陰極層電阻損耗會引起測量誤差；太小會由于歐姆漏電流影響使光電流測量精度減少，普通選在～lm數(shù)量級。陽極敏捷度陽極光照敏捷度是指光電倍增管在一定工作電壓下，陽極輸出光電流與入射到陰極光通量比值陽極光照敏捷度除與光電陰極材料和光電倍增管構(gòu)造關(guān)于外，還與工作電壓關(guān)于。并且公式中要保證光電倍增管處在正常線性工作狀態(tài)，若在飽和狀態(tài)，光通量變化時(shí)電流并不變化，測得敏捷度就沒故意義。因而測量時(shí)所用光通量比測陰極敏捷度時(shí)要小諸多。2）放大倍數(shù)(電流增益)G放大倍數(shù)G(電流增益)定義為在一定入射光通量和陽極電壓下，陽極電流與陰極電流IK間比值。也可以由在一定工作電壓下陽極敏捷度和陰極敏捷度比值來擬定，即放大倍數(shù)G取決于系統(tǒng)倍增能力，因而它是工作電壓函數(shù)。3）暗電流Id當(dāng)光電倍增管在完全黑暗狀況下工作時(shí)，在陽極電路里依然會浮現(xiàn)輸出電流，稱為暗電流，暗電流與陽極電壓關(guān)于，普通是在與指定陽極光照敏捷度相應(yīng)陽極電壓下測定。4）伏安特性有陽極伏安特性和陰極伏安特性之分，在實(shí)際應(yīng)用中，感興趣是陽極伏安特性。陽極伏安特性：定義為當(dāng)光照度E一定期，陽極電流Ip和陽極與陰極之間總電壓（陽極電壓）VA關(guān)系。如圖3所示：圖3光電倍增管陽極電流與電壓之間特性曲線圖3光電倍增管陽極電流與電壓之間特性曲線線性線性是指在一定工作電壓下，陽極輸出電流IP與光照度E線性關(guān)系，也稱光電特性，是光電測量系統(tǒng)一種重要指標(biāo)。影響線性因素諸多，除與光電倍增管內(nèi)部構(gòu)造關(guān)于外，在很大限度上取決于外部高壓供電電路及信號輸出電路。這里僅就高壓供電電路加以分析。為使光電倍增管能正常工作，需要在陰極K和陽極A加近千伏電壓。同步，還需要在陰極、聚焦極、倍增極、陽極之間分派一定極間電壓，才干保證光電子能被有效收集，光電流通過倍增極系統(tǒng)得到放大。普通由下圖所示電阻鏈分壓來完畢。圖4光電倍增管分壓電路流過度壓電路電流Ib與光電倍增管輸出信號線性密切有關(guān)，分壓電阻取值應(yīng)考慮到這一點(diǎn)。隨著光通量增長，陽極電流Ia也相應(yīng)增長。當(dāng)光通量進(jìn)一步增大并超過某一定值后，陽極電流與光通量之間會偏離線性關(guān)系，甚至使光電倍增管進(jìn)入飽和狀態(tài)，如圖5所示圖5光電倍增管光電特性輸出信號是直流狀況下，當(dāng)陽極電流為Ia時(shí)，末級倍增極Dn一次電流，為倍增極二次發(fā)射系數(shù)，從此倍增極通過電阻流向陰極電流為，同理，其他倍增極也有一某些電流流向陰極，并且這些電流隨光電流增大而增大，這些電流會使各極間電壓重新分派。當(dāng)Ia遠(yuǎn)不大于流過度壓電路電流Ib時(shí)，極間電壓重新分派不明顯，陽極電流Ia隨光通量線性增長；如曲線A段。當(dāng)陽極電流增大到能與分壓器電流相比擬時(shí)，極間電壓重新分派將很明顯，導(dǎo)致陽極與后幾級倍增極極間電壓下降，陰極與前幾級倍增極極間電壓上升，成果光電倍增管電流放大倍數(shù)明顯增長，如曲線B段。當(dāng)陽極電流進(jìn)一步增長時(shí)，陽極與末級倍增極極間電壓趨向零，陽極電子收集率逐漸減小，最后陽極輸出電流飽和，如曲線C段。為防止極間電壓再分派以保證增益穩(wěn)定，分壓器電流至少為最大陽極電流20倍。對于直線性規(guī)定很高應(yīng)用場合，分壓器電流至少為最大陽極平均電流100倍。時(shí)間特性由于電子在倍增過程中記錄性質(zhì)以及電子初速效應(yīng)和軌道效應(yīng)，從陰極同步發(fā)出電子到達(dá)陽極時(shí)間是不同，因而，輸出信號相對于輸入信號會浮現(xiàn)展寬和延遲現(xiàn)象，這就是光電倍增管時(shí)間特性。五、實(shí)驗(yàn)裝置簡述1、光電倍增管實(shí)驗(yàn)所用光電倍增管為931A型，光電倍增管直徑1-1/8英寸、九級倍增、側(cè)窗型光電倍增管，硼硅玻殼、銻銫光陰極、300～650nm（S-4）譜響應(yīng)，采用特殊設(shè)計(jì)抗滯后構(gòu)造，具備極好輸出穩(wěn)定性。圖6為光電倍增管暗箱構(gòu)造示意圖。圖6光電倍增管暗箱構(gòu)造示意圖圖6光電倍增管暗箱構(gòu)造示意圖2、光電倍增管實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)裝置框圖如下照度表測量持續(xù)光源強(qiáng)度，有調(diào)零和換檔功能。光照度調(diào)節(jié)—調(diào)節(jié)持續(xù)光源電源電壓，從LED2輸出接到光源。脈沖寬度調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)脈沖光源脈沖寬度，從LED1輸出脈沖電壓，接到光源。高壓調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)光電倍增管直流電壓，由“高壓輸出”輸出，接入光電倍增管“高壓輸入”，開關(guān)撥向HV輸出0～1000V電壓，開關(guān)撥向LV輸出0～40V電壓。電壓表測量光電倍增管直流電壓。PMT輸入光電倍增管電流輸入端，進(jìn)入電流檢測單元，經(jīng)解決送入電流表。電流表測量光電倍增管輸出電流，單位為μA或nA自動(dòng)換檔。時(shí)間特性測試區(qū)開關(guān)撥向時(shí)間特性測試，則測試光電倍增管時(shí)間特性，從“光脈沖”測試脈沖光源電源脈沖電壓，從“PMT輸出”測試光電倍增管輸出脈沖電流；開關(guān)撥向靜態(tài)特性測試，則測試光電倍增管靜態(tài)特性。圖7為光電倍增管實(shí)驗(yàn)箱構(gòu)造圖。圖7光電倍增管實(shí)驗(yàn)箱構(gòu)造圖圖7光電倍增管實(shí)驗(yàn)箱構(gòu)造圖六、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容準(zhǔn)備環(huán)節(jié)：用同軸電纜線將光電倍增管暗箱“PMT輸出”接口與光電倍增管實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)箱上“PMT輸入”接口相連，用同軸電纜線將光電倍增管暗箱上“高壓輸入”接口與實(shí)驗(yàn)箱上“高壓輸出”接口相連，用同軸電纜線將照度計(jì)探頭與實(shí)驗(yàn)箱上“照度計(jì)輸入”接口相連，將所有旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到最小。注：1、從光電倍增管暗箱上拿下光源前，或進(jìn)行陰極電流和陽極電流測量切換時(shí)，一定要將光電倍增管直流高壓調(diào)至零！ 2、本實(shí)驗(yàn)采用光電倍增管受光面面積為24mm×8mm。1、暗電流測量1）將光源旋接在光電倍增管暗箱上；2）將暗箱上“陰極電流/陽極電流”開關(guān)（如下簡稱“陰極/陽極”開關(guān)）打到“陽極電流”檔；3）將實(shí)驗(yàn)箱上“HV/LV”開關(guān)打到“HV”檔，將“靜態(tài)特性測試/時(shí)間特性測試”開關(guān)（如下簡稱“靜態(tài)/時(shí)間”開關(guān)）打到“靜態(tài)特性測試”檔；4）緩慢調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)旋鈕至電壓表顯示為1000V，記下此時(shí)電流表顯示值，該值即為光電倍增管在1000V時(shí)暗電流；5）將高壓調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到零；2、陽極敏捷度測量1）將光電倍增管暗箱上“陰極/陽極”開關(guān)打到“陽極電流”檔；2）將實(shí)驗(yàn)箱上“HV/LV”開關(guān)打到“HV”檔，將“靜態(tài)/時(shí)間”開關(guān)打到“靜態(tài)特性測試”檔；將光源與照度計(jì)探頭旋接，并與實(shí)驗(yàn)箱上“LED2”相連。連接完畢后，將光照度調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到零，按下照度表換檔開關(guān)將照度表量程調(diào)節(jié)到20lx3）緩慢調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)旋鈕，將照度值調(diào)節(jié)到0.1lx。保持光照度調(diào)節(jié)旋鈕不變，將光源與照度計(jì)探頭分開；4）將將光源旋接在暗箱上。緩慢調(diào)節(jié)高壓調(diào)節(jié)旋鈕，分別記下電壓為100V,200V,300V,400V,500V,600V,700V,800V,900V和1000V時(shí)陽極電流值；5）將高壓調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到零；將光照度調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到零；6）繪出在該光照度下－V關(guān)系曲線。3、陰極敏捷度測量1）將實(shí)驗(yàn)箱上“HV/LV”開關(guān)打到“LV”檔，2）將實(shí)驗(yàn)箱上“靜態(tài)/時(shí)間”開關(guān)打到“靜態(tài)特性測試”檔；3）將暗箱上“陰極/陽極”開關(guān)打到“陰極電流”檔；4）將光源與照度計(jì)探頭旋接，并與實(shí)驗(yàn)箱上“LED2”相連。連接完畢后，將光照度調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到零，按下照度表換檔開關(guān)將照度表量程調(diào)節(jié)到20lx5）調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)旋鈕使照度表顯示為10lx。6）保持光照度調(diào)節(jié)旋鈕不變，將光源與照度計(jì)探頭分開；再將光源旋接在光電倍增管暗箱上；緩慢從零增長電壓，每隔1V記錄相應(yīng)電流值。繪出電壓與電流之間關(guān)系，并找到曲線趨于飽和電流值IK。7）將高壓調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到零；將光照度調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到零；8）按照公式計(jì)算陰極敏捷度。4、光電倍增管增益(放大倍數(shù))計(jì)算1）計(jì)算當(dāng)光照度為0.1lx時(shí)，陽級電壓分別為500V、600V、700V、800V、900V和1000V時(shí)放大倍數(shù)；2）繪出該光強(qiáng)下G－V曲線，并對曲線進(jìn)行分析。5、光電倍增管光電特性測量1）將實(shí)驗(yàn)箱上“靜態(tài)/時(shí)間”開關(guān)打到“靜態(tài)特性測試”檔；2）將光電倍增管暗箱上“陰極/陽極”開關(guān)打到“陽極電流”檔；3）將實(shí)驗(yàn)箱上“HV/LV”開關(guān)打到“HV”檔；4）將光源與光照度探頭連接，調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)旋鈕使照度表顯示為0.2lx。5）將光源旋接在暗箱上。緩慢增長電壓至1000V，記下此時(shí)電流值；再將電壓逆時(shí)針調(diào)節(jié)到零。6）重復(fù)環(huán)節(jié)4）和5），依次記下光照度為0.2lx，0.3lx，0.4lx，0