光电材料实验（通用9篇）
光电材料实验 篇1
我国国家重点实验室项目从1984年启动, 至今将近三十年时间。该项目是国家科技创新体系的重要组成部分, 体现了国家强大的基础科研和应用能力。大部分国家重点实验室都是开展跨学科领域的研究, 科研的评估工作比较复杂。2013年材料领域的国家重点实验室评估工作即将开始, 共计21家参评, 包括中山大学的光电材料与技术国家重点实验室 (以下简称光电材料实验室) 。本文拟在通过对光电材料实验室在论文数量、质量、研究方向和论文影响力等方面的评估, 探讨针对跨学科研究的国家重点实验室的综合科研评价方法, 为决策者提供有力的数据依据。
1 相关研究回顾
在现有有关文献中针对某机构和某学科的综合科研评价的研究论文较多, 但是, 以国家重点实验室为对象的相关研究成果较少, 主要有:北京大学科学研究部的郑英姿等人以物理领域的3个国家重点实验室发表的SCI论文为例进行了分析研究[5];姜涵等人将H指数应用于国家重点实验室的科研论文评价中, 提出了实验室H指数贡献率Q的概念和计算方法[6];熊耕针对美国大学托管国家实验室的管理模式, 探讨了它的特点和优势, 给国内国家重点实验室的运作提供了思路[8]。另外, 有作者从理论上阐述了国家重点实验室的建设和评估[9,10]。
当今, 研究者个体之间和国家之间的合作正在增加[1], 一个国家的科学家的知识被其他国家的科学家引用, 可以显示这个国家的国际影响力, 科研论文之间的引用暗示了被引论文的作者向引用论文作者的知识流动[2], 因此利用SCI论文的引文数据进行知识流动和扩散的研究, 评估个体或者集体的科研影响力成为热点之一。Saeed-UI Hassan等人利用美国1996—2009年发表的能源学科的科研论文, 对引用这些论文的国家进行统计, 分析了知识流向和国家的国际学术影响力[3];Liu yuxian等人认为, 科研成果的知识扩散, 就是从一个学科领域流向其他学科领域、从实验室流向论文、从科学流向技术、从技术再流向社会的过程, 作者利用JCR的学科分类和ESI的22个学科分布, 对同济大学发表的数学学科SCI论文的引文流向进行分析, 判断这些数学学科论文流向了哪些其他学科领域, 以此评估论文的国际影响力[4]。
2 本文研究思路和方法
本文利用国际通用的SCI引文数据库和ESI评价工具进行研究, 数据收集时间为2012年10月10日。首先, 对光电材料实验室发表SCI论文的数量、研究方向、学科分类和合作国家进行统计, 分析该实验室的研究重点和主要合作国家;然后, 对论文质量进行影响因子大于等于3.0和5.0的统计分析, 并且与其他两个研究领域相似的国家重点实验室进行研究方向、影响因子和ESI论文数量的比较;最后, 通过SCI论文的引文数据, 统计引文的数量、国家分布和学科领域的流向, 了解论文的知识扩散和流动的方向, 分析该实验室的国际影响力。
3 中山大学光电材料与技术国家重点实验室简介
中山大学现有2个国家重点实验室:成立于1984年的光电材料实验室和成立于1991年的有害生物控制与资源利用实验室。光电材料实验室由国家科技部和广东省共同建设, 现任实验室主任是许宁生院士, 实验室学术委员会主任为徐至展院士。该实验室的主要研究方向为:发光和显示材料与技术研究、光电能量转换材料与技术研究、光电子集成器件与技术研究、光电材料合成与制备研究、超快光谱及激光与物质相互作用研究、光电材料物理理论研究等[7]。该实验室来自于中山大学的物理、化学、光学工程、材料信息等多个学科的研究人员共有56人, 还聘请了十多名国内外相关领域的知名学者为兼职研究人员, 每年还有大批客座研究人员, 是一个科研能力很强的跨学科国家重点实验室。
4 光电材料实验室发表SCI论文的数量、研究方向和学科分布的分析
4.1 发表论文数量
统计年限为2003—2012年, 具体如图1所示。从中看出, 光电材料实验室发表的SCI论文在2003—2008年是一个稳步增长时期, 在2008—2010年处于稳定期, 2011年开始又有所增长而且增速明显。
4.2 研究方向和学科分类
光电材料实验室发表的SCI论文分为两个时间段:2003—2007年和2008—2012年, 从中看出研究方向的变化, 具体如表1和图2所示。从表1看出, 物理学科的研究比例有所下降, 而化学、材料科学和晶体学的研究比例开始增加。SCI把每篇论文按照Web of Science类别 (简称WS) 划分到多个学科分类中, 图2以每篇论文的WS共现数据通过Bibexcel和UCINET工具得到的可视化图片, 从中看出, Materials Science, Multidisciplinary、Chemistry, Physical、Physics, Applied、“Nanoscience&Nanotechnology、Chemistry, Multidisciplinary、Optics、Physics, Multidisciplinary、Physics, Condensed Matter、Crystallography之间的学科分类联系最紧密, 是光电材料实验室的重点跨学科研究方向。
次, %
4.3 合作国家分析
对光电材料实验室发表的SCI论文依然采用2003—2007和2008—2012年两个时间段进行对比分析合作国家, 得到表2。从中看出, 与光电材料实验室开展合作的国家数量增加很快, 从2003—2007年的15个国家增加到2008—2012年的27个国家, 其中前5个合作国家是美国、新加坡、德国、以色列和日本。从合作论文数占所发论文数的比例看出, 该实验室与美国、我国台湾地区和欧洲国家的合作在增加, 而与新加坡和日本的合作在减少。
篇, %
5 光电材料实验室发表的SCI论文质量分析
5.1 SCI论文所属期刊的影响因子分析
评价科研论文质量的标准很多, 最常用和直观的方法就是利用JCR影响因子。截止2012年10月10日, 光电材料实验室发表于2008—2012年的SCI论文共计1 433篇, 笔者从网络上收集到各年的SCI影响因子, 使用SQL语句添加到论文的字段中再进行百分比比较, 结果表明, 光电材料实验室论文的质量逐年提高, 影响因子为3.0以上的论文数量从2008年占全部论文数量的38.65%增加到2012年的56.28%, 影响因子为5.0以上的论文数量更是从2008年的7.09%增加到2012年的18.22%, 增幅很大。具体如图3所示。
5.2 与其他高校重点实验室的比较分析
笔者确定用山东大学的晶体材料国家重点实验室 (简称晶体材料实验室) 、浙江大学的硅材料国家重点实验室 (简称硅材料实验室) 与中山大学的光电材料实验室进行比较分析, 因为晶体材料实验室是2008年被评估为“优秀”级的国家重点实验室, 而硅材料实验室与光电材料实验室在2008—2012年发表SCI论文数量相近。收集得到这些实验室发表的SCI论文中山大学有1 433篇, 山东大学有1 495篇, 浙江大学有1 473篇。
(1) SCI论文的研究方向不是唯一的, 一篇论文可以划归为多个学科。从图4看出, 物理、化学和材料科学都是三个国家重点实验室的优势学科, 其中, 硅材料实验室的材料科学的学科优势明显, 占本实验室研究方向的58.45%, 科学技术其他主题和冶金学的学科优势高于其他两个实验室;晶体材料实验室和光电材料实验室都是物理学科优势大, 光学学科优势高于硅材料学科;光电材料实验室的化学学科优势高于晶体材料实验室;晶体材料实验室的晶体学科优势明显高于其他两个实验室。
(2) 对三个国家重点实验室发表的SCI论文的影响因子进行比较分析 (如图5) , SCI论文影响因子都在逐年提高, 尤其是影响因子为5.0以上的论文在2011—2012年增幅较大。光电材料实验室SCI论文影响因子≧5.0和≧3.0的所占比例是最高的, 尤其是≧5.0的论文比例在2011年和2012年增速非常明显, 而这些高影响因子的论文中, 化学学科占很大的比例, 比如, 2012年的45篇影响因子≧5.0的论文中, 化学学科的占41篇, 比其他两个实验室的同学科论文比例高。但是, 由于是跨学科比较, 因此并不能武断地推断光电材料实验室的论文质量高于其他两个实验室, 只能说明光电材料实验室的科研水平处于稳步的增长时期;并且, 其化学学科的SCI论文影响因子比其他大部分学科的SCI论文影响因子高, 光电材料实验室的高影响因子SCI论文大部分有化学学科的背景。
(3) ESI即基本科学指标数据库 (Essential Science Indicators) , 是美国科技信息所根据SCI和SSCI的近10年期刊论文数据开发出的深层分析评价工具, 其中的“顶尖论文 (Top Papers) ”是依据论文被引频次排出国际前1%论文。ESI把每一篇论文按照学科内容划分到一个唯一的学科领域, 目前共有22个学科。三个国家重点实验室在ESI的顶尖论文的统计结果如表3所示。从中看出, 光电材料实验室拥有的ESI顶尖论文最多, 其中, 化学学科有18篇论文, 占该实验室全部ESI论文的47.37%, 可见化学是该实验室的优势学科;晶体材料实验室的物理学科占本实验室的优势地位;硅材料实验室的材料科学论文是三个实验室中所占比例最高的, 是该实验室的优势学科。
篇, %
6 光电材料实验室发表的SCI论文影响力分析
按前述的研究回顾, 知识的流动和扩散主要从国家之间和学科之间进行评估。
6.1 引文数统计
对光电材料实验室在2008—2012年发表的SCI论文的引文数进行统计后得到图6。从中看出, 引文数量的增加很快, 说明论文的影响力增幅大。
6.2 施引论文的国家 (地区) 分布
为了更加准确地分析光电材料实验室发表的SCI论文的施引文献的国家, 本文利用SCI工具中“分析检索结果”的“国家/地区”和“高级检索”提供的布尔逻辑算式, 得到2007—2011年的SCI论文1 449篇, 去除与光电材料实验室合作的其他国家论文222篇论文, 得到1 227篇论文。对这些论文去除自引, 最后得到7 293篇施引论文, 表4为前15个施引国家 (地区) 数据。
(1) 引用光电材料实验室论文的国家 (地区) 中, 中国为最多, 达到所有施引论文的60%;美国为第二;其次是韩国、印度、日本、德国以及中国台湾。
(2) 中国引用光电材料实验室论文的比例在逐年减少, 而欧美国家在增加。中国的施引论文从2007年的60.345%减少到2011年的59.591%, 而美国从2007年的7.891%增加到2011年的9.626%, 增加了1.735个百分比, 德国、西班牙、意大利、英国等欧洲国家的施引论文也在增加。这表明光电材料实验室发表的SCI论文在欧美国家的影响力开始增加, 这应该和该实验室与欧美国家的国际合作增加有关。
%
6.3 施引论文的研究方向分布
从表5看出, 光电材料实验室发表的SCI论文的施引论文主要以化学、材料科学和物理等学科为主, 与实验室本身的研究方向一致。其中, 引用化学学科的论文比例增加, 从2007年的47.451%增加到2011年的52.215%;而物理和材料科学学科的引文数比例有所下降。某些学科领域的引用开始增加, 说明光电材料实验室开始扩散到本身不涉及和少涉及的研究领域, 国际影响力增加, 比如药物学和药学、生物技术应用微生物学、细胞生物学、食物科学技术等学科的研究已经占据施引文献的一定比例。
%
7 结语
本文对中山大学光电材料与技术国家重点实验室发表的SCI论文进行评估, 发现该实验室发表的SCI论文数量呈上升趋势, 论文质量在稳步提高, 高影响因子论文的增速很快;与国内其他两家国家重点实验室发表的SCI论文相比较, 论文质量是可喜的;与欧美国家的合作论文增加, 在这些国家的影响力也在逐步提升。当然, 作为一个优秀的国家重点实验室, 光电材料实验室与其他发达国家实验室的科研水平还有差距, 这是笔者未来的研究方向。
摘要：对国家重点实验室的综合科研水平进行评估, 可以检查实验室的整体科研能力, 引导实验室今后的定位和发展。以中山大学的光电材料与技术国家重点实验室的SCI论文为例, 对实验室论文数量和质量、研究方向、国际合作和国际影响力等进行评估, 并与其他高校的材料领域的国家重点实验室进行比较。
关键词：国家重点实验室,科研评估,SCI论文,材料科学
参考文献
[1]J HAGEL, J BROWN, L DAVISON.Measuring the forces of longterm change:The 2009 shift index[M].New York:Deloitte Development LLC, 2009
[2]H ZHUGE.Discovery of knowledge flow in science[J].Communications of The ACM, 2006, 89 (5) :101-107
[3]SAEED-UL HASSAN PETER HADDAWY.Measuring international knowledge flows and scholarly impact of scientific research[J].Scientometrics, 2012, 94 (1) :163-179
[4]YUXIAN LIU, RONALD ROUSSEAU.Knowledge diffusion through publications and citations:A case study using esi-fields as unit of diffusion[J].Journal of the American Society for Information Science and Technology, 2010, 61 (2) :340-351
[5]郑英姿, 李洪云, 何洁.论文产出分析在国家重点实验室评估中的应用———以三个物理类国家重点实验室论文产出分析为例[J].科学学研究, 2011, 29 (11) :1638-1642
[6]姜涵, 秦惠民.国家重点实验室H指数与H指数的人员贡献Q率[J].科学学与科学技术管理, 2009 (9) :188-190
[7]中山大学.光电材料与技术国家重点实验室官方网站[EB/OL].[2012-12-11].http://oemt.sysu.edu.cn/main/index.asp
[8]熊耕.浅析美国大学中国家实验室的管理特点[J].高等工程教育研究, 2011 (1) :112-117
[9]孙昭宁, 徐竹青, 方平.关于完善我国重点实验室考核评估工作的几点思考[J].科技管理研究, 2012 (5) :26-29
[10]陈实, 吴根.国家重点实验室的开放与评估机制对部门实验室建设的推动作用[J].实验技术与管理, 2011, 28 (11) :172-175
[11]百度百科.国家重点实验室[EB/OL].[2012-10-02].http://baike.baidu.com/view/1217337.htm
[12]中国科技部.国家重点实验室评估规则 (2008年12月17日发布) [J].中国基础科学, 2009 (1) :34-35
光电材料实验 篇2
光电子技术，是电子和光子结合的一门技术。自从激光器的发明，解决了光频载波的产生问题，从此电子技术的各种基本概念（如放大与振荡、调制与解调、直接探测与外差探测、倍频、和频与差频等）几乎都一直到了光频段。电子学与光学之间鸿沟在概念上消失了，产生了光频段的电子技术，习惯说简称为光电子技术。当然由于波段拨通，电子波段和光波段在相应器件的结构上完全不同了。
经过一学期的学习与训练，使我从概念上理解了光电子技术这门课程的意义以及其广泛的应用。为了更好的熟悉这门课程，学院领导开放了实验室，提供了“电子技术实验”这门实验课程，对于我们这些学子来说，无疑是最美好的事情。有了这门实验课程，可以让我们从繁琐的书籍中解脱，加入到际、加具体、加容易让人感受的实验中去。我们在“电子技术实验”中，我们能将理论知识与实际实验过程相结合，在过程中加深对理论知识的理解与认识，在知识的牵引下体会在科技上的应用。
在“光敏二极管特性实验”与“硅光电池实验”中，了解到了光电实验电路模块的概念，还有ZY13OFSens12SB 主机箱的强大功能。据我了解，它是由湖北众友公司生产的光电传感器试验台。ZY13OFSens12SB 型光电传感器实验台，集中了目前常用的光敏元件和传感器，采用模块式组合构造。
在“光纤位移传感器实验”和“纤温度传感系统特性实验”中，让我认识到光电子技术在光纤传感器上的应用。作为光纤传感器，它让一些以前我们无法直接测量的物理量，通过电光的转换，实现了物理量的代换测量，使得我们对测量技术的发展有了显著的提升。
在CCD光电传感实验系列里，我们先了解到了CCD的组成以及其工作原理。之后，又进行实际操作测量CCD的主要特性参数，了解CCD的一些特征，接着运用CCD，对光电信号的二值化以及其测量上的运用。从这里可以看出，CCD器件除了最主要的光电成像以外，还在测量物理量的领域上也有着显著的作用。
实验的最后，我们又学习使用了电光、磁光调制的原理以及其对信号的处理效果的展示。通过实际操作和实际结果，更容易让我们接受以及理解调制的知识。
总的来说，总过实验，让我们学会了合理的选择传感器的原理和方法，培养了我们的动手能力，对新型光电子仪器有了更深的认识以及理解。
在这里，个人的一观点：
这次实验除了学到的东西外，还有个让人有点不能接受的地方，就是实验仪器的老旧化。由于仪器年代有点久远，导致大部分实验的仪器有损坏而不能使用，从而不能保证每位同学都能亲手操作到，这是我们进行实验时非常遗憾的事。当然，能有机会进入实验室，亲自进行实验，也是非常难得的机会。
光电信息技术实验教学建设 篇3
一、系列实验独立性与课程实验辅助性
我校光电信息技术实验教学环节课程建设时, 始终坚持以学生的实践能力和创新能力培养为核心, 以增加综合性实验、设计性实验、研究创新型实验为指导思想。已经把相关的基础课打通, 按照光电信息类专业的培养目标和所需技能要求, 把各门课程的实验提炼整合, 去重、去肿, 形成光电信息技术系列实验。该课程独立设课, 具有独立的学分, 教学时间往往比光电信息技术理论教学晚一个学期。通过系列实验的设置, 引导学生从实验的角度去认识了解一门专业课程或某个光学领域的基本技术和基本技能, 循序渐进地掌握实验技能, 通过对实验现象的剖析, 逐步上升到分析、解决普遍问题的能力层次上来。系列实验环节的设立也没有完全抛开理论教学, 并行地穿插开设了以认知性和验证性为主的实验课程, 与理论课程相辅相成, 以增强教学效果。为了适应交叉学科的发展, 还开设了跨专业选修课, 激发了同学的兴趣和热情。
二、系列实验内容设计
在设计系列实验内容的时候, 充分考虑到内容的完整性、相关性和先进性。光电信息技术就是一门利用光电转换器件把光信号转换成相应的电信号, 并对该电信号进行后续处理以达到一定的实用目的的技术。其知识环环相扣, 逐渐深入。因此, 我们把实验内容分成三大块, 第一块是基础性实验, 对常见光电器件性能进行学习;第二块是综合性实验, 对常见光电器件的实际应用进行学习;第三块是设计性实验, 利用光电器件进行一定功能的实践学习。在基础性实验中, 我们选择最常见的光电器件, 通过对它们各自的光谱特性、伏安特性、光敏特性等进行研究, 了解各自的使用特点。在综合性实验中, 通过一些工程实际中使用的一些常规的光电信号处理电路的学习, 初步了解光电转换、信号处理等基础知识。例如图1就是一些常见的用于数控机床、电控平移台中的辨向控制电路。
两个光电耦合器4N25 A和4N25 B是光电转换器件, 进行光电信号的转换, 得到的电信号经过反相、触发等后续的处理, 最后通过LED灯作为显示。在设计性实验中, 要求学生先提出课题的基本思路, 教师则与其共同讨论完善方案。在遇到问题时, 要求学生自行提出解决方法, 教师则帮助分析这些方法的合理性。通过学生为主、教师为辅的实验教学方法, 逐步培养学生的独立工作能力。在光电信息技术设计实验中, 我们要求学生二人一组, 自主选题, 必须包括光电检测功能, 要有新意, 有特色。电路设计必须包括光电转换功能, 模拟电路, 数字电路, 控制电路, 显示电路, 用给定器件表中的器件实现, 原理图、印刷板图必须用Protel99绘制, 实验报告参照本科毕业设计论文格式书写打印, 实验时间为8学时, 完成与设计相符的实验结果。
三、实验教师队伍建设
人的因素是实验室建设的关键因素。光电信息技术课程涉及到光、机、电和控制多学科专业知识, 这就对光电信息技术实验的师资队伍提出了更高的要求。因此要建设成一个高水平、高效益的光电信息技术专业实验室, 必须建设一支业务精、素质好、爱岗敬业的实验室人员队伍。
1. 加强力量, 教师参与实验室工作, 学术带头人进实
验室, 参与实验室建设的总体规划和教学大纲修订, 形成一支结构合理的队伍。
2. 量化管理, 奖罚分明, 提高实验室人员的工作积极性。
按教学、科研和管理三方面对实验室人员进行综合考评和评聘制度。
四、建设实践与效果
经过几年的教学实践, 光电信息实验教学深受学生的欢迎。表现在以下几个方面。
1. 参与实验室建设, 自己动手开发新实验。
例如在光通信系列实验的综合设计性实验中, 学生对实验仪器进行二次开发, 自己设计制作了光纤通信电话语音双向传输接口模块, 从电路设计到制板、从外形设计到安装调试都由学生独立完成。
2. 在设计型实验中, 鼓励同学进行创造性思维思考问
题, 涌现出许多奇思妙想, 不少设计不仅获得了学校创新基金的鼓励, 还申请了发明专利。例如“光学棱镜组合密码锁”、“自动脉搏测试仪”、“利用柱面镜的安全光幕”等。
3. 积极参加各种设计性竞赛。
在全国大学生设计大赛、全国数学建模大赛、中国国际发明奖展览会等都获得了优秀的成绩。
参考文献
[1]陈丽华, 周骥平.通过实验教学提高学生的综合素质[J].实验室研究与探索, 2003, 22 (3) :12-15.
[2]周金运, 裴文彦, 胡义华.电子技术类专业设置光子技术类课程的研究[J].电气电子教学学报, 2004, 26 (3) :40-43.
硅光电池特性测试实验报告 篇4
系别：电子信息工程系 班级：光电 08305 班 组长：祝李 组员：贺义贵、何江武、占志武 实验时间：2010 年 4 月 2 日 指导老师：王凌波
2010.4.6
目录
一、实验目的二、实验内容
三、实验仪器
四、实验原理
五、注意事项
六、实验步骤
七、实验数据及分析
八、总结
一、实验目的
1、学习掌握硅光电池的工作原理
2、学习掌握硅光电池的基本特性
3、掌握硅光电池基本特性测试方法
4、了解硅光电池的基本应用
二、实验内容
1、硅光电池短路电路测试实验
2、硅光电池开路电压测试实验
3、硅光电池光电特性测试实验
4、硅光电池伏安特性测试实验
5、硅光电池负载特性测试实验
6、硅光电池时间响应测试实验
7、硅光电池光谱特性测试实验
设计实验 1：硅光电池光控开关电路设计实验
设计实验 2：简易光照度计设计实验
三、实验仪器
1、硅光电池综合实验仪
个
2、光通路组件
只
3、光照度计
台
4、2#迭插头对（红色，50cm）根
5、2#迭插头对（黑色，50cm）根
6、三相电源线
根
7、实验指导书
本
8、20M 示波器
台
四、实验原理
1、硅光电池的基本结构
目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体 PN 结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。
图 2-1 是半导体 PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区，当 P 型和N 型半导体材料结合时，由于 P 型材料空穴多电子少，而 N 型材料电子多空穴少，结果 P 型材料中的空穴向 N 型材料这边扩散，N 型材料中的电子向 P 型材料这边扩散，扩散的结果使得结合区两侧的 P 型区出现负电荷，N 型区带正电荷，形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在 PN 结两侧形成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。当 PN 结 零偏 反偏 正偏 图 2-1.半导体 PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区
反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当 PN 结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，此即为 PN 结的单向导电性,电流方向是从 P 指向 N。
硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。
光电池的基本结构如图 2-2，当半导体 PN 结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场，当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到 N 型区和 P 型区，当在 PN 结两端加负载时就有一光生电流流过负载。流过 PN 结两端的电流可由式 1 确定
式（1）中 Is 为饱和电流，V 为 PN 结两端电压，T 为绝对温度，Ip 为产生的光电流。从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，）
（1)1(pkTeVsI e I I (2)
i pRP I 图 2-2.光电池结构示意图
流过 PN 结的电流 I=Ip；当光电池处于反偏时（在本实验中取 V=-5V），流过 PN 结的电流 I=Ip-Is，因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必须处于零偏或反偏状态。光电池处于零偏或反偏状态时，产生的光电流 Ip 与输入光功率 Pi 有以下关系：
(1)短路电流
APN结电极AII(a)(b)硼扩散层SiO2膜P型电极N型硅片
图 2-3 硅光电池短路电流测试
如图 2-3 所示，不同的光照的作用下，毫安表如显示不同的电流值。即为硅光电池的短路电流特性。
(2)开路电压
VPN结电极VII(a)(b)硼扩散层SiO2膜P型电极N型硅片 图 2-4
硅光电池开路电压测试
如图 2-4 所示，不同的光照的作用下，电压表如显示不同的电压值。即为硅光电池的开路电压特性。
(3)光照特性
光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们
之间的关系就是光照特性，如图 2-5。
图 2-5 硅光电池的光照电流电压特性
(4)伏安特性
如图 2-6，在硅光电池输入光强度不变时，测量当负载一定的范围内变化时，光电池的输出电压及电流随负载电阻变化关系曲线称为硅光电池的伏安特性。
VA 图 2-6 硅光电池的伏安特性测试
(5)负载特性(输出特性)
光电池作为电池使用如图 2-7 所示。在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改0.3
0.2
0.1
0
光
生
电
流
/
m
A
0.6
0.4
0.2
0000000
短路电流
开路电压
光
生
电
压
/
V
光照度
/Lx
变负载电阻 RL 的值来测定硅光电池的负载特性。
图 2-7
硅光电池负载特性的测定
在线性测量中，光电池通常以电流形式使用，故短路电流与光照度（光能量）呈线性关系，是光电池的重要光照特性。实际使用时都接有负载电阻 RL，输出电流 IL 随照度（光通量）的增加而非线性缓慢地增加，并且随负载 RL 的增大线性范围也越来越小。因此，在要求输出的电流与光照度呈线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在光照范围内使用。光电池光照与负载特性曲线如图 2-8 所示。
照度E/lx电流2.4K51010K 图 2-8 硅光电池光照与负载特性曲线
(5)光谱特性
一般光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生短路电流与入射光波长之间的关系。一般用相对响
应表示，实验中硅光电池的响应范围为 400~1100nm，峰值波长为800~900nm，由于实验仪器所提供的波长范围为 400~650nm，因此，实验所测出的光谱响应曲线呈上升趋势，如图 2-9 所示硅光电池频率特性曲线。
4001200(nm)800相对响应度1 图 2-9 硅光电池的光谱曲线
（6）时间响应与频率响应
实验证明，光电器件的信号的产生和消失不能随着光强改变而立刻变化，会有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。为衡量其长短，常用时间常数τ的大小来表示。当用一个辐射脉冲光电探测器，如果这个脉冲的上升和下降时间很短，如方波，则光电探测器的输出由于器件的惰性而有延迟，把从 10%上升到 90%峰值处所需的时间称为探测器的上升时间，而把从 90%下降到 10%所需的时间称为下降时间。如图所示
0.10.91t 上t 下t(a)(b)图 2-10 上升时间和下降时间
（a）入射光脉冲方波（b）响应时间
五、注意事项
1、当电压表和电流表显示为“1＿”是说明超过量程，应更换为合适量程；
2、连线之前保证电源关闭。
3、实验过程中，请勿同时拨开两种或两种以上的光源开关，这样会造成实验所测试的数据不准确。
六、实验步骤
1、硅光电池短路电流特性测试
实验装置原理框图如图 2-11 所示。
图 2-11 硅光电池短路电流特性测试
（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元 J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。
（2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为 0。
（3）“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“静态”，将拨位开关 S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7 均拨下。
（4）按图 2-11 所示的电路连接电路图
（5）打开电源顺时针调节照度调节旋钮，使照度值依次为下表中的光照度值，分别读出电流表读数，填入下表，关闭电源。
光照度（Lx）
0
200
300
400
500
600
光 生 电 流（uA）
（6）上表中所测得的电流值即为硅光电池相应光照度下的短路电流。
（7）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。
2、硅光电池开路电压特性测试
实验装置原理框图如图 2-12 所示。
图 2-12 硅光电池开路电压特性测试
（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元 J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。
（2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为 0。
（3）“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“静态”，将拨位开关 S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7 均拨下。
（4）按图 2-12 所示的电路连接电路图
（5）打开电源顺时针调节照度调节旋钮，使照度值依次为下表中的光照度值，分别读出电压表读数，填入下表，关闭电源。
（4）将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源。
光 照 度（Lx）
0
200
300
400
500
600
光 生 电压（mA）
（5）上表中所测得的电压值即为硅光电池相应光照度下的开路电压。
（6）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。
3、硅光电池光照特性
根据实验 1 和 2 所调试的实验数据，作出如图 2-5 所示的硅光电池的光照电流电压特性曲线。
4、硅光电池伏安特性
实验装置原理框图如图 2-13 所示。
图 2-13 硅光电池伏安特性测试
（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元 J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。
（2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为 0。
（3）“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“静态”，将拨位开关 S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7 均拨下。
（4）电压表档位调节至 2V 档，电流表档位调至 200uA 档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。
（5）按图 2-13 所示的电路连接电路图，R 取值为 200 欧，打开电源顺时针调节照度调节旋钮，增大光照度值至 500lx。记录下此时的电压表和电流表的读数填入下表；
（6）关闭电源，将 R 分别换为下表中的电阻值，重复上述步骤，分别记录电流表和电压表的读数，填入下表。
（7）改变光照度为 100Lx、300Lx，重复上述步骤，将实验结果填入下表。
lx：
电阻
200
2K
5.1K
7.5K
10K
15K
20K
25K
51K
200K
电流
电压
电阻
200
2K
5.1K
7.5K
10K
15K
20K
25K
51K
200K
电流
电压
（8）根据上述实验数据，在同一坐标轴中作出三种不同条件下的伏安特性曲线，并进行分析。
（9）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。
5.硅光电池负载特性测试实验
（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元 J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。
（2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为 0。
（3）“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“静态”，将拨位开关 S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7 均拨下。
（4）电压表档位调节至 2V 档，电流表档位调至 200uA 档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。
（5）按图 2-13 所示的电路连接电路图，R 取值为 2K 欧。
（6）打开电源，顺时针调节“光照度调节”旋钮，逐渐增大光照度至 0Lx，100Lx，200Lx，300Lx，400Lx，500Lx，600lx 分别记录电流表和电压表读数，填入下表
光 照 度（lx）
0
200
300
400
500
600
电 流
（μA）
电压（mV）
（7）关闭电源，将 R 分别换为 510，1K，5.1K，10K 重复上述步骤，分别记录电流表和电压表的读数，填入下表。
R=510 欧
光 照 度（lx）
0
200
300
400
500
600
电 流（μA）
电压（mV）
R=1K
光 照 度（lx）
0
200
300
400
500
600
电 流（μA）
电压（mV）
R=5.1K
光 照 度（lx）
0
200
300
400
500
600
电 流（μA）
电压（mV）
R=10K
光 照 度（lx）
0
200
300
400
500
600
电 流（μA）
电压（mV）
（7）根据上述实验所测试的数据，在同一坐标轴上描绘出硅光电池的负载特性曲线,并进行分析。
6、硅光电池光谱特性测试
当不同波长的入射光照到光电二极管上，光电二极管就有不同的灵敏度。本实验仪采用高亮度 LED（白、红、橙、黄、绿、蓝、紫）作为光源，产生 400～630nm 离散光谱。
光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应能力。定义为在波长 的单位入射功率的照射下，光电探测器输出的信号电压或电流信号。即为)()()(PVv 或)()()(PIi 式中，)( P为波长为 时的入射光功率；)( V为光电探测器在入射光功率)( P作用下的输出信号电压；)( I则为输出用电流表示的输出信号电流。
本实验所采用的方法是基准探测器法，在相同光功率的辐射下，则有)()( ffUUK
式中，fU为基准探测器显示的电压值，K 为基准电压的放大倍数，)(f为基准探测器的响应度。取在测试过程中,fU取相同值,则实验所测测试的响应度大小由)()( fU 的大小确定.下图为基准探测器的光谱响应曲线。
00.20.40.60.811.20 200 400 600 800 1000 1200 1400 图 2-14
基准探测器的光谱响应曲线
（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元 J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。
（2）“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“静态特性”，将拨位开关 S1，S2，S4，S3，S5，S6，S7 均拨下。
（3）将直流电源 2 正负极直接与电压表相连，打开电源，调节电源电位器至电压表为 10V，关闭电源。
（4）按如图 2-12 连接电路图.（5）打开电源，缓慢调节光照度调节电位器到最大，依次将 S2，S3，S4，S5，S6，S7 拨上后拨下，记下照度计读数最小时照度计的读数 E作为参考。
（注意：请不要同时将两个拨位开关拨上）
（6）S2 拨上，缓慢调节电位器直到照度计显示为 E，将电压表测试所得的数据填入下表，再将 S2 拨下；
（7）重复操作步骤（6），分别测试出橙，黄，绿，蓝，紫在光照度E 下电压表的读数，填入下表。
（8）根据所测试得到的数据，做出硅光电池的光谱特性曲线。
7、硅光电池时间响应特性测试
（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元 J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。
（2）“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“脉冲”，将拨位开关 S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7 均拨下。
（3）按图 2-13 所示的电路连接电路图，负载 RL 选择 RL=2K 欧。
波长（nm）
红（630）
橙（605）
黄(585)
绿（520）
蓝（460）
紫（400）
基准响应度
0.65
0.61
0.56
0.42
0.25
0.06
电压（mV）
响应度
（4）示波器的测试点应为光电三极管的电阻两端，为了测试方便，可把示波器的测试点使用迭插头对引至信号测试区的 TP1 和 TP2；
图 2-13
（5）打开电源，白光对应的发光二极管亮，其余的发光二极管不亮。用示波器的第一通道与接 TP 和 GND（即为输入的脉冲光信号），用示波器的第二通道接 TP2。
（6）观察示波器两个通道信号，缓慢调节直流电源电位器直到示波器上观察到信号清晰为止，并作出实验记录（描绘出两个通道波形）。
（7）缓慢调节脉冲宽度调节，增大输入脉冲的脉冲信号的宽度，观察示波器两个通道信号的变化，并作出实验记录（描绘出两个通道的波形）并进行分析。
（8）实验完毕，关闭电源，拆除导线。
七、实验数据及分析
1、硅光电池短路电流特性测试数据
光照度（Lx）
0
200
300
400
500
600
光 生 电 流（uA）
0.1 1
16.9 9
33.5 5
50.1 1
66.8 8
83.4 4
100.1
2、硅光电池开路电压特性测试数据
3、硅光电池光照电流电压特性曲线
硅光电池的光照电流电压特性***0 100 200 300 400 500 600光照度/LX光生电流/uA050100***0350400450光生电压/mV
光 照 度（Lx）
0
200
300
400
500
600
光 生 电压（mA）
0
263 3
289 9
302 2
312 2
319 9
344 4
368 8
382 2
391 1
398 8
404 4
开路电压 短路电流
4、硅光电池伏安特性测试数据
lx：
300lx：
500 lx：
电阻
200
2K
5K
7.5K
10K
20K
50K
200K
电流（uA）
17.1
17.0
17.0
17.0
17.0
14.1
6.5
1.7
电压(mV)
20.6
51.6
104.3
148.4
187.1
270
310
320
电阻
200
2K
5K
7.5K
10K
20K
50K
200K
电流（uA）
50.9
50.8
47.9
38.6
31.9
17.4
7.3
1.9
电压(mV)
61.4
153.7
260
310
320
3 36
340
350
电阻
200
2K
5K
7.5K
10K
20K
50K
200K
电流（uA）
84.8
83.9
57.9
42.6
34.4
18.4
7.6
1.9
硅光电池伏安特牲050100***03504004505000 20 40 60 80 100电流（uA）电压（mV）100LX300LX500LX
5、硅光电池负载特性测试数据
R=510 欧
光 照 度（lx）
0
200
300
400
500
600
电 流（μA）
0.1
16.7
33.2
66.6
83.2
99.8
电压（mV）
0 0
25.5
50.8
127
152
R=1K
光 照 度 0
200
300
400
500
600
电压(mV)
102.2
220
320
340
360
420 0
430 0
430 0
（lx）
电 流（μA）
0.1
16.7
33.2
49.9
66.5
82.9
99.2
电压（mV）
0 0
33.3
66.3
132
165
197
R=5.1K
光 照 度（lx）
0
200
300
400
500
600
电 流（μA）
0.1
16.6
32.7
45.9
56.8
59.2
电压（mV）
1.0
101.1 1
198..3 3
278
321
344
359
R=10K
光 照 度（lx）
0
200
300
400
500
600
电 流（μA）
0.1
16.3
27.0
30.7
32.5
33.6
34.4
电压（mV）
2.1
181.9 9
301
341
361
373
382
硅光电池负载特性曲线050100***03504004500 20 40 60 80 100 120电流（uA）电压（mV）510Ω1K10K5.1K
6、硅光电池光谱特性测试数据
八、总结语
波长（nm）
红（630）
橙（605）
黄(585)
绿（520）
蓝（460）
紫（400）
基准响应度
0.65
0.61
0.56
0.42
0.25
0.06
电压（mV）3 13
296
291
291
298
303
机载光电设备的材料应用 篇5
随着科技的不断发展以及我国科研水平的不断提高, 以光电设备为依托的光电技术逐渐被应用在飞机上。该技术除了在一些民航飞机上使用外, 更多被用在战斗类飞机上, 以提升战斗机的性能和战斗机的实际作战能力。战斗机通过机载光电设备能够对敌机进行有效侦查, 比如对目标飞机的捕获、测距和对战区的侦查等, 都有着实际意义。针对目前国际范围内战斗机的发展, 依靠单一合金类材料所生产的光电设备和光电系统已经远远不能满足实际作战需要, 取而代之的是新型智能材料, 新材料的应用将使光电系统在飞行中发挥更大的作用。
2 机载光电设备主要材料探究
2.1 传统单一合金材料
在当前的航空光电设备中, 传统材料仍然占有较大的比重, 而其应用的机种多以民航飞机为主。传统材料包括镁合金、铝合金、钛合金、镍合金等, 这类材料由于取材方便、价格相对较低、加工成型相对容易、技术较为成熟, 具有十分广阔的市场, 同时, 这些材料也为我国机载光电设备的研发奠定了基础。
2.2 新型高科技材料
2.2.1 复合材料
复合材料主要是以金属构件为主, 在此基础上添加一定的元素, 按照需要强化金属的性能, 比如耐高温性、抗腐蚀性、高强度、高韧性等。由于加入了非金属成分, 复合材料的材质较金属材料轻便, 在机载环境下更具优势。比如在新一代的波音787上, 就广泛利用了新型复合材料, 约占飞机使用材料总数的50%, 并且工程技术人员大胆地将复合材料应用于机翼;我国“大飞机”计划中也将复合材料应用于飞机的客舱等部分, 并且飞机内的附属物大部分也使用了复合材料;在军用机层面, 美国的阿帕奇直升机和军用运输机A400M也都大量应用了复合材料。图1为新型复合材料。
此外, 复合材料在加工过程中体现了快而省的特点。一般的材料需要传统工艺加工, 而复合材料可以先由厂商加工成复合件之后, 再由终端生产企业进行组装, 这样省去了大量的时间, 并且能够保证制造的质量。我国机载设备有相当一部分是由复合材料制成的, 这些复合材料中最重要的物质之一就是碳化硅。碳化硅不仅被广泛应用在我国的飞机上, 还被出口到非洲、南美洲和欧洲国家, 比如, 由北京机电研究所研制的相机镜筒和遮阳罩等, 每年都会有大量产品出口。
2.2.2 智能结构与智能材料
所谓“智能材料”, 是指能够根据外界的变化, 通过自身的结构调整进行自身性能的调整的材料, 由于这种性质与生物体的感知、调整十分类似, 我们形象地称此类材料为“智能材料”。将智能材料应用于机载设备, 有助于航空事业的进一步发展, 对于我国无人机技术的发展更是有着十分重要的意义。从1993年开始, 我国的自然科学基金就与中国科学院和中国工程院携手进行智能材料的探索与研发, 一些地方高校也参与到其中, 比如浙江大学、清华大学、中北大学、哈尔滨工业大学等。在各方的共同努力下, 我国在智能材料领域取得的成果颇丰。比如, 在飞机机翼上加装的控制系统就是以智能结构为技术依托的, 能够在飞机的飞行中根据客观情况自动调整机翼的形态, 也能够改善飞机的机动性能。在其他航空领域, 比如我国的“天宫一号”空间站, 其中的射电望远镜等仪器就使用含有钛金的智能材料, 这是一种“记忆”材料, 可以在外界撞击变形后, 自动恢复到原先的形态和强度。另外, 还有很多设备根据具体的需要, 应用了不同的智能材料。
2.2.3 压电材料
压电材料之所以被使用, 是由于该种材料可以在一定条件下产生流动的电荷。有电荷流动, 就能够形成电压差, 这种电压差可以使物体出现形变, 进而达到预期效果。压电材料被广泛应用于振动控制系统中。常用的压电材料为压电陶瓷和压电聚合物, 压电聚合物主要是由压电纤维构成的。
压电材料既可作为传感元件, 又可作为驱动元件。压电材料的压电效应有较好的线性关系, 便于测量和控制。压电材料的制备技术也日趋完善和成熟。目前, 压电陶瓷材料, 比如PZT材料, 被广泛应用于各种传感器和制动器中, 用于产生精确的位移、声音以及用于振动测量和主动控制。目前, 用压电陶瓷制成的许多种器件都已实用化, 比如压电超声换能器、压电陶瓷点火装置、陶瓷滤波器、压电变压器和压电电机等。
2.2.4 蓝宝石材料
由于蓝宝石波段较宽, 人工合成后的光学性质与天然形成的差别不大, 常被用于光电设备, 最早可以追溯到20世纪60年代, 当时美国军事部门意识到了蓝宝石在战斗机上的应用或许会为航空领域带来一场革命, 在国防部的授意下, 一些科研部门和高校开始针对蓝宝石与光电设备进行研究。20世纪80年代, 随着蓝宝石人工合成技术的成型以及精密机床的快速发展, 使蓝宝石被广泛应用于军事领域。美国的F-22战斗机搭载了有蓝宝石窗口的红外线目标导航系统;英国一些企业所生产的光电桅杆也取材于蓝宝石, 如图2。可以预想, 随着科技的发展, 蓝宝石的应用将会越来越广。
3 结束语
随着机载光电设备的升级, 传统光电设备已经不能满足新要求。当前, 光电技术和数字技术的飞速发展, 将为应用于机载光电设备的材料提供新契机, 新材料、新技术也将会被更好地应用于机载光电设备中。
摘要：随着机载光电系统性能指标要求的提高, 单一的合金类材料已不能满足高端设备的需求。以复合材料、智能材料等为代表的新型材料正逐步进入光电设备应用领域, 并发挥着越来越重要的作用。
关键词：机载光电设备,材料,合金,智能
参考文献
[1]崔岩, 李丽富, 李景林, 等.制备空间光机结构件的高体份SiC/Al复合材料[J].光学精密工程, 2011 (13) .
光电材料实验 篇6
关键词：光电传感器,物理实验,应用
1 引言
随着传感、采集技术日新月异的发展, 几乎每一种科学技术的发展在一定程度上都得到传感器技术的支持。在中学物理实验中, 传统的实验教学只能静态地呈现物理实验内容, 制约着中学物理教学水平的提高, 现如今随着新课程理念的提出, 尤其重视以传感器技术为基础来实现信息技术与传统实验的整合[1], 因此, 传感器技术的应用逐渐渗透到中学物理实验教学中去, 且其地位越来越重要。与传统的实验仪器相比, 传感器更具有品种多、技术新、功能强、发展快、性能可靠等优势。利用传感器代替传统的实验仪表, 将实验数据采集后交由计算机分析处理, 能够大大地减小实验误差, 提高实验的速度和精确度, 使物理规律的探索更加方便与准确。
2 光电传感器简介
光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换为电量的传感器, 它的物理基础是光电效应[3]。光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件三部分组成, 组成框图见图1。光源发射出一定光通量的光线, 由光电元件接受。在检测时, 被测量使光源发射出的光通量变化, 因而使接受光通量的光电元件的输出电量也作相应的变化, 最后用电量来表示被测量的大小。其输出的电量可以是模拟量, 也可以是数字量。
光电开关是利用感光元件接收变化的入射光, 并进行光电转换, 同时加以某种形式的放大和控制, 从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。图2为典型的光电开关的结构示意图。
图2 (A) 是一种透射式的光电开关, 它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时, 会阻断光路, 使接收元件接收不到来自发光元件的光, 这样就起到了检测作用。图2 (B) 是一种反射式的光电开关, 它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交, 交点一般为待测物所在处。当有物体经过时, 接收元件将接收到从物体表面反射的光, 没有物体时则接收不到。
3 光电传感器在中学物理实验——牛顿第二定律的应用
传统的验证牛顿第二定律的实验装置如图3所示, 两个相同的小车放在光滑的水平板上, 前端各系一条细绳, 绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘, 盘中放砝码。实验时, 小盘和砝码牵引小车, 使小车做匀加速运动的力近似等同于小盘和砝码的重力。因此, 增减小盘中的砝码就可以改变小车受到的合力。小车后的拖线, 可用夹子夹住, 放松或夹紧拖线, 可对两小车同时起动或制动。当研究加速度和作用力的关系时, 使两小车质量相同, 小车A的作用力为小车B的作用力的2倍, 通过夹子使两小车同时起动和制动, 可测得小车A通过的距离为小车B的2倍。根据初速为零的匀变速直线运动规律, 在相等时间内通过的距离和加速度成正比, 即s1∶s2=a1∶a2, 可得质量相同时加速度和作用力成正比。研究加速度和质量的关系时, 使作用在两小车上的外力相同, 并使小车A的质量为小车B的质量的2倍, 仍按上述方法使两小车同时起动, 同时停止。通过位移的比可知, 作用力相同时, 加速度和质量成反比。
这种演示实验, 用两个运动物体在相等时间内通过的位移作比较, 直接由比较得出a、F和m的比例关系。这种方法演示时间短, 实验误差比较大, 只能定性地说明实验所需要的结果。如果将光电传感器引入验证牛顿第二定律的实验中, 可以解决传统实验中存在的问题。用光电传感器验证牛顿第二定律的实验装置如图4所示。
实验从两个方面来进行, 一是研究加速度与外力的关系。即保持物体的质量一定, 改变所施加的外力, 测量同一物体在不同外力作用下的加速度, 探索加速度与外力的关系。二是研究加速度与质量的关系。即保持所施加的外力一定, 改变物体的质量, 测量同一外力施加在不同质量的物体上时物体的加速度, 探索加速度与质量的关系。
所施加的变化的外力可以用增减硬币的数量来实现。物体的加速度的测量可以用图4所示的装置完成。G1、G2为光电门, 其所在的位置确定了滑块运动的始末位置。利用光电门可以测量滑块通过的时间, 已知挡光片之间的距离Δs, 可根据瞬时速度的概念v=Δ/Δt计算出滑块通过光电门时的瞬时速度。如果用两个光电门, 再确定两个光电门之间的距离s, 则加速度可由公式 (1) 计算得到[6]。
最后用MATLAB软件对数据进行处理, 并拟合出直线来反映加速度与外力之间的关系及加速度与质量之间的关系。实验取挡光片Δs为10mm, 两个光电门之间的距离s为0.5m, 滑块和挡光片的总质量m为530.22g, 外力F为0.036N。分别对加速度与外力的关系和加速度与质量的关系进行了分析。加速度与外力关系的实验数据见表1, 拟合的曲线如图5所示, 方程为:a=1.886F+0.0016, 从而可以确定F/a=1/K=530.22g=m, 即满足牛顿第二定律中力和加速度的关系:F=ma;加速度与质量关系的实验数据见表2, 拟合的曲线如图6所示, 直线方程为:
从而可以确定, 同样地也可以得出牛顿第二定律的公式。
从而可以确定undefined, 同样地也可以得出牛顿第二定律的公式。
4 分析与讨论
在两个实验中, 直线的相关系数R分别为0.998和0.997, 说明实验的结果是非常准确的。从上面的实验结果可知:当物体的质量一定时, 加速度与所施加外力成正比;当所施加外力一定时, 加速度与物体质量成反比。因此, 利用光电传感器验证牛顿第二定律的实验, 直接测量出了物体运动过程中受到的外力—加速度及质量—加速度的数值, 并利用计算机绘制出了外力—加速度及质量—加速度的对应的关系图像, 从图像的数据中可以直接得出牛顿第二定律的公式, 提高了实验的直观性和课堂教学的效率。而传统的实验方法在验证牛顿第二定律时, 近似认为小车所受的水平拉力的大小等于砝码所受重力的大小, 再加上桌面粗糙程度的忽略等等, 实验存在很大的误差, 所以传统的实验方法只适合做基本的演示实验。比起传统的实验方法, 利用光电传感器做牛顿第二定律的实验更能够清晰地展示物理现象。且这种新型的实验方式拓宽了学生的视野, 激发了他们对物理学习的兴趣。
5结束语
上面的两组实验对比显示了传感器技术应用于中学物理实验的优势。研究牛顿第二定律时, 传统的实验是很直观的, 但是比较粗略, 只能定性说明。利用先进的传感器技术, 采用光电门进行数据采集, 再利用编程手段, 完成了数据处理, 从而实现了物理规律的定量研究, 直接得出了运动状态变化的物理量与加速度之间的定量关系。比起传统的实验方法, 利用光电传感器做牛顿第二定律的实验更能够清晰地展示物理现象。研究重力加速度的测量时, 利用光电传感器测量比打点计时器更能够缩小实验的误差, 提高测量的速度和精确度。
传感器技术应用于中学物理实验教学是一次教学手段的革新, 是教育技术的进步。利用光电传感器技术做中学物理实验, 能够使学生在掌握知识的基础上了解现代实验技术和手段, 培养实验能力, 使他们学习物理的热情和积极性得到进一步的提高。而且, 随着传感器技术在物理实验中越来越广泛的应用, 并利用计算机强大的计算功能, 通过仿真, 模拟理想化的实验环境, 帮助学生建立理想化的物理模型, 得出物理规律, 实验效率获得大幅度提高。在这样的环境下探究物理规律, 更有利于提高学生的科学素质。
参考文献
[1]林玉伦.传感器技术在中学物理实验中的应用[J].教学仪器与实验, 2005, 21 (3) :17-18.
[2]黄贤武, 郑筱霞.传感器原理与应用[M].北京:高等教育出版社, 2004:131-132.
[3]何道清.传感器与传感器技术[M].北京:科学出版社, 2005:231.
[4]刘克哲.物理学[M].北京:高等教育出版社, 2002:28.
[5]张雄, 王黎智.物理实验设计与研究[M].北京:科学出版社, 2003:162-163.
光电材料实验 篇7
关键词：高压电源,光电倍增管,光子计数,倍压整流,荧光信号传感器
1 研究背景
荧光信号传感器有:CCD成像系统、光电池、光电二极管、雪崩二极管和光电倍增管(PMT)等,其中PMT性能最好。PMT是利用光电效应将光信号转换成电信号的光电器件[1],是探测微弱光信号最灵敏器件之一,它具有极低的噪声、快速响应和高达106倍以上的放大能力,广泛用于天文、放射、光谱分析、射线探测、空间探测等领域[2,3]。化学发光免疫分析[4]检测应用的单光子计数技术[5,6,7]正蓬勃地发展,在医学检测领域具有广泛的应用前景。
PMT高压电源是精密检测的基础,总的说PMT高压电源有3种类型,目前广泛使用的有两种,正高压型和负高压型[8]。正高压型电源主要用于单光子计数,倍增管分压电路阳极采用电容耦合输出,具有高通滤波作用,可有效降低光子计数本底低频噪声,由于光阴极接地可以减少光电耦合窗与周围环境的耦合噪声。负高压型电源多用于直接耦合测量阳极光子电流,可降低阳极耦合参数的影响,有利于测量低频及脉冲信号,有利于监控倍增管工作电流的大小,监控瞬时强光以便采取保护措施;但由于光阴极接负高压,要求与金属外壳保持一定的距离,以减少环境离子对PMT玻璃外壳的轰击作用,可采用外加非金属或接与光阴极同等电位的金属屏蔽罩,与金属外壳隔离。第三种高压电源是采用中间接地法的双极性高压电源[9],同时具备上述两种接地方法的优点,为PMT实现单光子计数与光电流检测分开打下基础,既具有正高压型电源时电容耦合输出抑制PMT漂移、系统增益变化、DC/DC电源低频干扰等优点,又具有光电流检测精度高的特点,并且降低了光阴极、阳极对地的电压,即降低了PMT与金属外壳间的电场强度。
光电倍增管是多极倍增结构,采用一般的无源电阻分压偏置电路存在诸多不足[10,11],各倍增极上的电压会随着阳极电流的变化而变化;采用有源分压偏置电路可以为各倍增电极提供较为稳定的电压且功率消耗很小。理论上,在N个倍增极作用下,到达阳极的光电流为:
式中,Ik为光阴极光电流,δ为倍增极的平均二次电子发射率,如10级倍增极光电倍增管总增益106,则δ≈4。上述无论是无源还是有源分压级联结构,后一级都会对前一级产生干扰,如果采用双极性电源供电,将分压级联分成两段供电,干扰会降低103,且功率消耗会进一步降低,减少分压电路的发热。为此,本研究设计了一种双极高压稳压电源。
2 电源设计方案(图1)
电源采用DC-DC变换方式设计,由晶体管、变压器、电容组成正弦谐振逆变电路,经双路2倍压整流、滤波电路得到低纹波双极输出。线性调压器稳定正高压输出,外部电压调节控制输出高压值,降压型DC-DC器件稳压给逆变电路供电,比较器稳定负高压输出。
3 电路设计
3.1 正弦谐振逆变电路(图2)
由两只NPN晶体管组成开关驱动电路,经测试,晶体管优于场效应管驱动,逆变正弦波形较平滑。其中,R2均衡电流减少两个晶体管基极电流差异;C1与T1组成谐振电路;滤波电感L1起稳流作用;C2消除晶体管切换时L1尖峰电压。正弦谐振频率建议选在40~100 kHz之间,变压器T1采用多槽骨架降低高压线圈放电可能性,提高变压器转换效率。采用一端直接接地高压输出可降低变压器耦合的高频成分。
3.2 倍压整流输出电路(图3)
正负高压分别采用2倍压整流,分别给PMT阳极、光阴极供电,中间极接地,光阴极到地倍增电流远小于阳极到地倍增电流,光阴极到地各倍增极分压电阻可略大。为增加光子计数线性范围,阳极到地各倍增极分压电阻可略小。由此可知正高压供电能力需大于负高压供电,同样是2倍压整流负高压输出值会大于正高压输出值,随光强的增强这种偏差会越大,为使正负高压比例稳定,比较器控制1倍增整流电压就很好地实现了稳定输出。通过仔细研究比较器LM393说明书中的等效电路和测试,由正输入端输入监测信号可以得到正确比较结果,如果由负输入端输入强的负压信号会使比较输出低电平信号得不到正确的结果。
3.3 线性稳压调压电路(图4)
LM723属于经典高精度串联稳压器,应用广泛,很容易实现稳压、限流、调压。图4中KC3起到延时启动和稳定正向输入参考电压作用。正高压信号反馈到负向输入端,KQ4与KR3组成调压电路,外部输入稳定的参考电压可得到稳定的高压输出,输入0.8~3.0 V对应的高压输出范围为±(75~550)V,即对应150~1100 V的线性可调范围。KQ1增强电流输出能力,可降低LM723功耗,由于高压负载变化KQ1分担功耗范围较大需加散热器。KR8用于过电流保护检测,可以有效保护PMT强光信号的冲击。参考源分压电阻与高压监测分压电阻都应采用金属膜型高精电阻。
3.4 降压稳压电路(图5)
为降低电源噪声对高压输出的影响及降低KQ1的功耗,采用一级降压稳压电路是有必要的。简单的方法是用降压DC-DC芯片实现。图5给出了LM2595构成的降压电路,可实现9.5V的稳压,达到预想的效果。
3.5 EMC设计
PMT单光子计数属于高频电路,灵敏度非常高,极易受到干扰,必须采用EMC技术设计。供电采用EMC滤波器,调压控制采用共模抑制器,采用金属屏蔽盒封装整个电路,高压输出采用屏蔽电缆连接分压电路,使屏蔽层与屏蔽盒连接良好。
4 光电倍增管分压电路应用(图6)
图6给出了典型的由12个电阻构成电阻链分压器,按总增益106计,R1较R2阻值可高达103量级。一般阴极K到第一倍增极分压大一些,由于R1阻值较一般单电源供电分压电阻大很多可以大大降低电源噪声的影响,如果D1~D5分别接一小电容到地效果会更理想,有利于得到理想的光电子脉冲波型。R2的阻值根据应用光强的需要选择,为增加线性度可以适当减小,用有源分压器线性度会更好。R3、R4为小值电阻,配合同轴电缆参数选择,达到阻抗匹配。一般R1取MΩ级、R2取100 kΩ级、R3取47Ω、R4取51Ω。
5 测试结果
经测试,本设计完全可以满足高光子计数率的PMT供电要求。高压稳压电源正电压输出由线性稳压器件LM723监控电压稳定度高,负电压输出由比较器LM393监控电压稳定度稍差,但满足1%的线性度要求。下一步将采用其他更好的稳压方式及降噪措施[12]。
参考文献
[1]陈程杰,徐正卜.光电倍增管[M].北京:原子能出版社,1988.
[2]赵文锦.光电倍增管的技术发展状态[J].光电子技术,2011,31(3):145-148.
[3]张焕雄.光电倍增管在放射性物探中的应用概述[J].资源环境与工程,2007,21(5):597-600.
[4]王栩,林金明.化学发光免疫分析技术新进展[J].分析实验室,2007,19(6):329-331.
[5]王弼陡.全自动化学发光免疫分析仪测控系统的研究[D].长春:中国科学院研究生院,2010.
[6]李维勇,常大定.单光子计数系统研究[D].武汉:华中科技大学,2007.
[7]朱勇,欧阳俊.单光子计数系统的设计与实现[J].仪器仪表学报,2007,(S1):28-30.
[8]王挺峰.光子计数用光电倍增管的外围工作电路[J].光机电信息,2009,25(2):39-44.
[9]孙岩.高压激光电源的研制[J].航天控制,2004,(4):81-84.
[10]李松,张康,张科,等.XG-500型X线机高压电缆故障检修[J].中国医疗设备,2012,27(12):158.
[11]张文超.光电倍增管有源电压分压器的原理与实现方法[J].医疗卫生装备,2005,26(4):60-61.
光电材料实验 篇8
鉴于此, 本文结合光纤通信与光电子技术实验这门课程, 立足于现有的硬件平台, 从学生的身心发展角度出发, 讨论了高等教育教学模式改革中实验课教学存在的问题与不足, 并针对这些问题, 提出了人性化的改进方法。
1 现状及存在的问题
光纤通信与光电子技术实验, 是光信息科学与技术专业的专业实验课, 旨在帮助学生建立和掌握关于光纤各类参数测量技术的专业基础知识, 为学生将来从事相关的工作打下一个坚实基础。
在实际教学中, 笔者发现目前的实验课教学中存在以下问题:
1.1 前期准备不充分
a.教师备课不充分
实验课同理论课存在一个很大的区别在于, 实验课堂问题层出不穷, 原因也是千奇百怪。因此要求从事实验教学的老师对实验原理的完全准确的把握, 和对实验仪器的熟练操作。只有教师对整个实验达到了一种融会贯通的境界。才能正确恰当的处理实验过程中的“不理想”情况。而现实中部分教师的课前准备工作尚待提高。
b.学生课前不准备
该实验课程面向的是, 有一定专业基础的学生。通常情况下, 本实验课程的设置是同理论课程《光纤测量技术》同步进行。这样安排的初衷为了让学生将理论同实践结合起来。然而, 实际在实验课中, 出现了学生在实验课前对实验不进行准备的情况。即便是进行了准备, 也是走马观花式的。这种情况的存在通常导致以下结果: (1) 在实验课开始一段时间, 无法快速进入课堂。 (2) 为了在规定的课时能拿到“理想”数据, “严格”按照实验装置图机械式地进行物理连接。 (3) 不知道进行实验的目的及意义, 纯粹为了得到理论课中得到的“预期”结果。
由于学生的准备不充分, 同样对实验课效果的影响很大的。我们应该知道, 学生因为准备不充分, 导致无法快速进入课堂, 这个问题可以通过教师来进行弥补尚且可行, 但是由于其准备工作不充分, 进而在试验中造成的损耗, 这个是无法估计的。
1.2 教学过于“包办”
随着科技的发展, 电子产品的迅猛普及。作为科技最前沿的高校, 特别作为信息科技的光纤通信学科自然站在了科技的最前沿。因此, 实验器材, 实验方案的设计无疑变得更“省事”。实验器材大都采用高度集成化, 操作系统采用人机友好界面, 实验方案流程也相当详尽, 基本可以作为操作手册来用。
本实验课的目的即为进一步加深对教学内容的理解、巩固与提高。实验器材的高度集成, “黑匣子化”, 使得学生在实验过程中仅仅需要进行简单的连接, 便可得到“理想”结果。使得实验课的价值大打折扣, 也使得学生有理由不用在实验前做准备。对于教师而言, 一旦实验器材出现问题, 分析来自然是困难重重, 这样无疑造成很多不必要的麻烦。
1.3 实验设计过于验证性实验
光纤通信与光电子技术实验指导书中的实验绝大多数都是验证性实验, 基于实验器材的高度集成, 操作误差的减小, 使得实验结果能够很好的被预测。这样就大大减小了学生操作的难度, 降低了学生思考的机会。当实验结果同理论值存在偏差时, 学生关注更多的是不是设备操作不当, 而不是考虑是什么原因导致了这样的结果。这样已经失去了实验的意义。
1.4 注重考试, 忽略过程
实验课, 是一个考察动手操作能力的一门学科。但是它仍旧是一门需要考察的课程, 现有的考评方式较大的因素取决于最后考试时的表现, 由于实验本身的不确定性, 以及一些其他问题, 导致了实验结果预期的存在较大的偏差, 甚至是没得到实验结果, 这样有可能使得学生的分数大打折扣, 这样导致了学生一味的重复老师所要求的实验, 严格点说就是学生只关注了所谓的考点。至于实验课的目的和意义他们是不会关心的。
2 实验教学改革
针对光纤通信与光电子技术实验中存在的问题, 适应高等教育由精英教育向大众教育转变的模式, 我们可以在现有硬件资源的情况下, 做如下调整, 以实现物有所值, 学有所用的目的。
2.1 严把课前准备关
针对实验课前期准备不充分的情况, 需要老师和学生共同做起。老师首先要对实验原理和器材做到百分之百的熟悉掌握。在此基础之上对学生前期准备工作进行严格把关, 对于不能进行准备的同学进行推迟或者延期实验。但是由于实验课时的限制, 可以安排在后续时间内进行补做。
只有充分的准备工作, 才能够做到实验的有的放矢, 进而为创新性实验打下坚实的基础。有了前期的准备工作, 基于学生希望被认可的性格特点, 老师的主导地位自然会被学生所取代, 可以在学生不知情的情况下, 成功的实现传统教育模式向现代学生主导教育模式的转变。在此基础之上, 老师可以适当引导, 设计出富有创新性更贴近工程应用的实验。
2.2 实验分组成绩共享
实验课程开始前, 将全部学生进行分组, 遵从自愿结合, “强弱”搭配的原则。实现小组化管理模式。小组整个阶段为一个小的团队, 小组的成绩就为每个队员的成绩。通过小组化教育, 有利于学生间的交流、探讨, 更有助于他们团队协作能力的培养。同时淡化了过分注重期末考试的情况, 使得考评方式更加合理化, 人性化。
2.3 新生代教师
在实际教学过程中, 通过小组化管理模式后, 发现几乎每个班中, 总有几个小组表现异常优秀。通过同他们交流发现, 通常情况下, 这样的小组中都有一个理解问题比较深刻又善于表达的同学, 当其他成员遇到问题时, 他总能用“学生的语言”进行交流, 其他成员总能第一时间, 理解问题。基于此, 可以将该方法在较大的范围内进行推广, 使得优秀资源大家共享, 先进想法共同学习。遵从劳有所得的原则, 对于这种学生, 在年终考评时, 视情况给予奖励。
2.4 结合前沿学科交叉
光纤通信与光电子技术实验是对《光纤测量技术》课程的拓展与实验验证, 该学科为一门朝阳行业, 具有蓬勃的发展前景[5], 和很多的前沿课题。基于前面实验分组、新生代教师的基础上, 可以大胆的发挥学生睿智的大脑, 让他们大胆的设想, 去设计实验。形成:学生提想法→教师提建议→学生修改→学生写实验方案→教师审核→进行实验→年终奖励, 的一个创新模式。
同时鼓励学生进行学科交叉的思考模式, 该门实验课程面对的学生, 绝大部分都是具备电路知识的同学, 如果他们只从光纤测量角度出发, 面对高度集成的实验台时, 它就是一个“黑匣子”, 这个时间鼓励他们从信号处理、电路的角度去考虑这个“黑匣子”。当实验结果出现偏差时, 能够从客观全面的角度发现问题, 分析问题, 解决问题, 进而为今后在工作中遇到问题、解决问题做好储备。在一定程度和意义上可以制定同电工实验相结合的方案, 这样无疑将大大降低学生培养经费的整体投入。
3 小结
在高校教育由精英教育向大众教育模式转变, 实验室有限的硬件平台日益高度集成化的背景下, 针对光纤通信与光电子技术实验中存在和出现的问题, 本文结合近几年的教学实践提出如下解决方案:1.严把课前准备关, 2.实验分组成绩共享, 3.新生代老师, 4.结合前沿学科交叉的方法。该方案能够有效的将学生送上主导课堂的位置, 发挥他们的主观能动性, 激发他们自主创新的意识, 培养他们团队合作的精神, 从而有效的抑制注重考试, 忽略过程的教育难题;也能够成功克服实验器材的高度集成带来的众多不便。
参考文献
[1]贺秋芳.当代高等教育形势下的高校实验教学改革[J].新课程研究, 2011, 213 (2) :88-90.
光电材料实验 篇9
1 光电导开关 (PCSS) 的基本原理
1.1 光电导开关的结构
光电导开关的结构, 如图1所示, EL2:GaAs半导体基片有一对平行欧姆接触的电极, 电极之间留有宽度约1 mm缝隙。电极与微带传输线和同轴电缆相连形成开关的输入输出端, 即光电导芯片的一端通过一段微带传输线与一直流电源相连形成直流偏置, 另一端通过微带传输线与一匹配负载相连。当激光脉冲照射到直流偏置的光电导开关的电极缝隙上时, 光电导材料吸收入射光子, 使价带或深层能级的电子激发到导带, 开关内部将产生自由运动的光生载流子, 载流子在偏置电场的作用下定向运动, 光电导开关导通。
光电导开关有两种类型:横向光电导开关和纵向光电导开关。横向开关的激励光脉冲入射方向与偏置电场方向相互垂直;纵向开关中激励光脉冲入射方向和偏置电场方向平行。由于横向光电导开关具有较大的光照面积和电导通道, 实验研究采用横向光电导开关[1]。
1.2 光导开关的两种工作模式
当激励光脉冲能量和偏置电压中的任一参量低于其阈值条件时, 光电导开关输出电脉冲与激励光脉冲具有相似的波形, 即呈线性变化关系, 称光电导开关的这种工作模式为线性工作模式。在线性工作模式下, 开关的闭合与关断由光脉冲时变特性决定, 激励光脉冲产生的光生载流子的时变特性决定开关的工作状态[2]。光电导开关输出电脉冲的上升时间主要取决于触发光脉冲的上升时间, 其下降时间主要取决于光导材料介质弛豫时间和光生载流子的寿命以及载流子渡越开关间隙所消耗的时间。图2是在直流偏置电压为200 V, 用平均功率45 W, 脉宽为113 ns的半导体激光器触发光电导开关产生的线性电脉冲波形, 脉冲脉宽4.6 ms, 幅值162 mV。
当激励光脉冲能量和偏置电压参量同时高于某阈值条件时, 光电导开关一旦导通, 即使激励光脉冲消失, 只要偏置电压维持在某一高压, 光电导开关仍处于导通状态。此时开关的工作状态不再由激励光脉冲时变特性决定, 激励光脉冲只起触发开关导通的作用, 这种工作模式即为光电导开关的非线性工作模式。偏置电压为2 000 V, 50 dB信号衰减时, 用平均功率45 W, 脉宽为113 ns的半导体激光器触发开关得到的非线性电脉冲波型, 如图3所示。非线性电脉冲脉宽0.32 μs, 幅值4.1 V。
2 实验研究
实验中的光电导开关用电阻率大于108 Ω·cm的EL2 补偿高阻砷化镓 GaAs (EL2:GaAs) 材料制成, 电极间隙为1.5 mm。它并非有意掺杂, 而是本身具有EL2 缺陷, 其浓度一般为1×1016～2×1016 cm-3[3]。实验装置的基本结构, 如图4所示。激励光源为半导体激光器, 可输出脉冲间隔可调的十个脉冲组成的脉冲串, 输出波长904 nm, 峰值功率45 W, 单脉冲宽度100 ns左右。JAY-2A型直流高压电源作为光电导开关的直流偏置, 输出电压在100～5 000 V可调。光电导开关输出的电信号经50 dB衰减, 由LECROY 6100示波器观察, 其采样速率1 GHz。观测到的线性和非线性波形, 如图5所示。
为了研究光电导开关非线性产生的电阈值特性, 实验中保持触发激光脉冲能量、脉宽、脉冲串长度和脉冲间隔不变, 实验研究直流偏置随非线性输出次数之间的关系, 并实际测量比较产生非线性输出前后光电导开关的暗电阻。
(1) 实验中首次出现非线性电脉冲直流偏置电压为2 180 V, 产生电信号经50 dB衰减器衰减, 如图6所示。关闭电源及一切设备后, 等待若干小时再次实验, 再次出现非线性电脉冲直流偏置电压降低到1 750 V, 产生的电信号经50 dB衰减器衰减, 如图7所示。重复上述过程, 在更低的直流偏置电压1 630 V下, 产生非线性电脉冲经50 dB信号衰减, 如图8所示。3次试验均采用连续10个脉冲的激光脉冲串触发光电导开关, 脉冲间隔为1 μs。实验表明, 同一光导开关非线性电脉冲会随着电阈值的降低而出现;
(2) 基于上述实验, 又对不同的光导开关重复上述实验过程, 同样观测到产生非线性电阈值不断降低的现象。为探究电阈值降低的原因, 对产生非线性前、后光电导开关的暗电阻进行参数测定。图9为试验前光导开关的伏-安特性曲线。图10是相同的实验条件下共出现6次非线性现象试验后的伏-安特性曲线。图11为试验前、后的伏-安特性对比曲线, 实线为试验前特性曲线, 虚线为实验后特性曲线, 两者对比可见试验后暗电阻明显低于试验前。
3 实验结论
暗电阻的降低属于一种损伤, 激光与半导体光电材料相互作用以及非线性的产生都会使材料表面和其内部发生一系列物理、化学变化。
(1) 激光反复触发光导开关时砷化镓 (GaAs) 材料吸收激光并积累热量, 材料吸收光能转化成热量使得材料内部温度不断升高。反复的激光触发会引起材料表面形态发生变化, 原来光滑平坦的材料表面变得粗糙扭曲, 材料表面形态开始发生变化、引发损伤, 从而使开关性能发生改变;
(2) 在制备和加工过程中, 由于存在制备加工水平有限, EL2 补偿高阻砷化镓 GaAs材料中存在大量的微观缺陷, 这些微观缺陷具有比材料本征吸收大得多的吸收率, 导致材料损伤阈值降低。在材料与激光脉冲相互作用过程中, 缺陷吸收占主导地位使材料内形成局部高温, 热量积累达到一定程度就会造成材料缺陷处发生热损伤过程;
(3) 光电导开关工作于非线性模式时, 通过对其发射的红外荧光拍摄图像可以观测到开关中存在电流丝, 实验测得电流丝的传播速度约为 (2±1) ×109 cm/s, 是室温下高纯GaAs中电子最大漂移速度的100倍。电流丝中载流子浓度约为5×1018 cm-3[4], 高电流密度的电流丝必然有高的热效应, 给光电导开关带来内部损伤。
参考文献
[1]Mikulics M, Zheng X, Adam R, et al.High-Speed Photoconductive Switch Based on Low-Temperature GaAs[J].IEEE Photonics Technology Letters, 2003, 15 (4) :528-530.
[2]林维涛, 阮成礼, 杨宏春.光导开关产生超短电脉冲的实验研究[J].电子科技大学学报, 2003, 32 (6) :131-134.
[3]Amit Garg, Avinashi Kapoor, Tripathi K N.Laser-in-duced Damage Studies in GaAs[J].Optics&Laser Technology, 2003, 35 (1) :21-24.