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1、光电子综合实验实 验 指 导 书巢湖学院电子工程与电气自动化学院2014年2月目录目录1实验一 晶体电光调制2实验二 太阳能电池特性12实验三 晶体的声光效应实验19实验四 晶体的磁光效应实验26实验五 激光模式分析28实验六光敏元件特性实验44实验七LED&LD伏安（V/I）特性、电光转换（P/I）特性实验52实验八LED&LD光谱特性实验58实验九光电倍增管特性测试61实验十雪崩光电二极管(APD)特性测试68实验十一激光衍射光强分布实验71实验十二 光纤温度传感系统特性实验78参考文献84实验一 晶体电光调制1.1实验仪器简介1晶体电光调制电源 输出正弦波调制幅度：0300V连续可调，频
2、率1K 输出直流偏置电压：0600V ,连续可调2铌酸锂(LiNbO3)电光晶体 尺寸51.750mm 镀银电极3He-Ne激光器及可调电源 波长632.8nm，1.5mW，电流连续可调4可旋转偏振片 最小刻度值15光电接收器 PIN光电池6有源音响 漫步者1.2实验目的1掌握晶体电光调制的原理和实验方法。2学会用简单的实验装置测量晶体半波电压、电光常数的实验方法。3观察电光效应所引起的晶体光学特性的变化和会聚偏振光的干涉现象。1.3实验原理当给晶体或液体加上电场后，该晶体或液体的折射率发生变化，这种现象称为电光效应。电光效应在工程技术和科学研究中有许多重要应用，它有很短的响应时间(可以跟上频
3、率为1010Hz的电场变化)，可以在高速摄影中作快门或在光速测量中作光束斩波器等。在激光出现以后，电光效应的研究和应用得到迅速的发展，电光器件被广泛应用在激光通讯、激光测距、激光显示和光学数据处理等方面。1.3.1一次电光效应和晶体的折射率椭球由电场所引起的晶体折射率的变化，称为电光效应。通常可将电场引起的折射率的变化用下式表示：n = n0 + aE0 +bE02+ (1)式中a和b为常数，n0为不加电场时晶体的折射率。由一次项aE0引起折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔(Pokells)效应；由二次项bE02引起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也称平方电光效应
4、或克尔(Kerr)效应。一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应则可能存在于任何物质中，一次效应要比二次效应显著。光在各向异性晶体中传播时，因光的传播方向不同或者是电矢量的振动方向不同，光的折射率也不同。如图1，通常用折射率球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的关系。在主轴坐标中，折射率椭球及其方程为 (2)式中n1、n2、n3为椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。当晶体加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球方程变成 (3)晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应两种。纵向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播的方向平行时产生的电光效应
5、；横向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播方向垂直时产生的电光效应。通常KD*P(磷酸二氘钾)类型的晶体用它的纵向电光效应，LiNbO3(铌酸锂)类型的晶体用它的横向电光效应。本实验研究铌酸锂晶体的一次电光效应，用铌酸锂晶体的横向调制装置测量铌酸锂晶体的半波电压及电光系数，并用两种方法改变调制器的工作点，观察相应的输出特性的变化。铌酸锂晶体属于三角晶系，3m晶类，主轴z方向有一个三次旋转轴，光轴与z轴重合，是单轴晶体，折射率椭球是旋转椭球，其表达式为 (4)式中n0和ne分别为晶体的寻常光和非常光的折射率。加上电场后折射率椭球发生畸变，当x轴方向加电场，光沿z轴方向传播时，晶体由单轴
6、晶变为双轴晶，垂直于光轴z轴方向的折射率椭球截面由圆变为椭圆，此椭圆方程为 (5)其中的称为电光系数。上式进行主轴变换后可得到 (6)考虑到1，经简化得到 (7)折射率椭球截面的椭圆方程化为 (8)1.3.2.电光调制原理要用激光作为传递信息的工具，首先要解决如何将传输信号加到激光辐射上去的问题，我们把信息加载于激光辐射的过程称为激光调制，把完成这一过程的装置称为激光调制器。由已调制的激光辐射还原出所加载信息的过程则称为解调。因为激光实际上只起到了“携带”低频信号的作用，所以称为载波，而起控制作用的低频信号是我们所需要的，称为调制信号，被调制的载波称为已调波或调制光。按调制的性质而言，激光调制
7、与无线电波调制相类似，可以采用连续的调幅、调频、调相以及脉冲调制等形式，但激光调制多采用强度调制。强度调制是根据光载波电场振幅的平方比例于调制信号，使输出的激光辐射的强度按照调制信号的规律变化。激光调制之所以常采用强度调制形式，主要是因为光接收器一般都是直接地响应其所接受的光强度变化的缘故。激光调制的方法很多，如机械调制、电光调制、声光调制、磁光调制和电源调制等。其中电光调制器开关速度快、结构简单。因此，在激光调制技术及混合型光学双稳器件等方面有广泛的应用。电光调制根据所施加的电场方向的不同，可分为纵向电光调制和横向电光调制。利用纵向电光效应的调制，叫做纵向电光调制，利用横向电光效应的调制，叫
8、做横向电光调制。实验只做LiNbO3晶体的横向电光调制实验。横向电光调制 图 2图2为典型的利用LiNbO3晶体横向电光效应原理的激光振幅调制器。其中起偏振片的偏振方向平行于电光晶体的x轴，检偏振片的偏振方向平行于y轴。因此入射光经起偏振片后变为振动方向平行于x轴的线偏振光，它在晶体的感应轴x和y轴上的投影的振幅和相位均相等，设分别为 ex=A0cost , ey=A0cost (9)或用复振幅的表示方法，将位于晶体表面(z=0)的光波表示为Ex(0)=A , Ey(0)=A (10)所以，入射光的强度是 (11)当光通过长为l的电光晶体后，x和y两分量之间就产生相位差，即 Ex(l)=A ,
9、 Ey(l)=A (12)通过检偏振片出射的光，是该两分量在y轴上的投影之和 (13)其对应的输出光强It可写成 (14)由(11)和(14)式，光强透过率T为 (15)由(7)式 (16)由此可见，和加在晶体上的电压有关，当电压增加到某一值时x、y方向的偏振光经过晶体后可产生/2的光程差，相应的相位差=，由(15)式可知此时光强透过率T=100%，这时加在晶体上的电压称作半波电压，通常用U表示。U是描述晶体电光效应的重要参数。在实验中，这个电压越小越好，如果U小，需要的调制信号电压也小。根据半波电压值，我们可以估计出电光效应控制透过强度所需电压。由(16)式可得到 (17)其中d和l分别为晶
10、体的厚度和长度。由此可见，横向电光效应的半波电压与晶片的几何尺寸有关。由(17)式可知，如果使电极之间的距离d尽可能的减少，而增加通光方向的长度l，则可以使半波电压减小，所以晶体通常加工成细长的扁长方体。由(16)、(17)式可得 因此，可将(15)式改写成 (18)其中U0是加在晶体上的直流电压，Umsint是同时加在晶体上的交流调制信号，Um是其振幅，是调制频率。从(18)式可以看出，改变U0或Um，输出特性将相应的有变化。对单色光和确定的晶体来说， U为常数，因而T将仅随晶体上所加的电压变化。 改变直流偏压对输出特性的影响当、UmU时，将工作点选定在线性工作区的中心处，如图3(a)所示，
11、此时，可获得较高效率的线性调制，把 代入(18)式，得 (19)由于UmU时 即 Tsint (20)这时，调制器输出的信号和调制信号虽然振幅不同，但是两者的频率却是相同的，输出信号不失真，我们称为线性调制。当、Um时，如图3(b)所示，把代入(18)式 即 Tcos2t (21) 从(21)式可以看出，输出信号的频率是调制信号频率的二倍，即产生“倍频”失真。若把代入(18)式，经类似的推导，可得 (22)即Tcos2t，输出信号仍是“倍频”失真的信号。(a) (b)图 3直流偏压U0在0伏附近或在附近变化时，由于工作点不在线性工作区，输出波形将失真。当， 时，调制器的工作点虽然选定在线性工作
12、区的中心，但不满足小信号调制的要求，(19)式不能写成(20)式的形式。因此，工作点虽然选定在了线性区，输出波形仍然是失真的。实验仪器晶体电光调制实验装置图实验仪器由晶体电光调制电源、光电接收器、He-Ne激光器、调制器等组成。1晶体电光调制电源。调制电源由0V +600V之间连续可调的直流电源、单一频率振荡器(振荡频率约为1kHz)、音频信号和放大器组成，电源面板上有三位半数字面板表，可显示直流电压值。直流电压的大小用“直流偏压”旋钮调节。调制信号可由机内音乐片提供，此调制信号是用装在面板上的“音频”键来选择三个信号中的任意一个信号。所有的调制信号的大小是通过“调制幅度”旋钮控制的。通过前面
13、板上的“调制信号”高频插孔输出的参考信号，接到双踪示波器的一个通道与被调制后的接收的光强信号比较，观察调制器的输出特性。2调制器。调制器由一个可旋转的偏振片、一个格兰棱镜、一个可旋转的1/4波片和一块铌酸锂晶体组成，采用横向调制方式。晶体放在两个正交的偏振片之间，起偏振片和晶体的x轴平行。检偏振片和晶体之间可插入1/4波片，偏振片和波片均可绕其几何轴旋转。晶体放在四维调节架上，可精细调节，使光束严格沿晶体光轴方向通过。3光电接收器。光电接收器由PIN光电二极管和功率放大器组成。PIN光电二极管把被调制了的氦氖激光经光电转换，输入到电光调制电箱上，放大后的信号接到双踪示波器，同参考信号比较，观察
14、调制器的输出特性。电箱内装有音箱插孔，用来再现声音调制信号，面板上还有“调制信号”高频插孔，用示波器测量显示PIN光电二极管接收到的光强信号的大小。1.4实验内容1.观察晶体的会聚偏振光干涉图样和电光效应1）调节激光管使激光束与晶体调节台上表面平行，同时使光束通过各光学元件中心。调节起偏格兰棱镜和检偏振片正交，且分别平行于x轴，y轴，放上电光晶体后各器件要细调，精细调节是利用单轴晶体的锥光干涉图样的变化完成的。由于晶体的不均匀性，在检偏振片后面的白屏上可看到一弱光点。然后紧靠晶体前放一张镜头纸，这时在白屏上可观察到单轴晶体的锥光干涉图样，如图4。一个暗十字图形贯穿整个图样，四周为明暗相间的同心
15、干涉圆环，十字形中心同时也是圆环的中心，它对应着晶体的光轴方向，十字形方向对应于两个偏振片的偏振轴方向。在观察过程中要反复微调晶体，使干涉图样中心与光点位置重合，同时尽可能使图样对称、完整，确保光束既与晶体光轴平行，又从晶体中心穿过的要求，再调节使干涉图样出现清晰的暗十字，且十字的一条线平行于x轴。这一步调节很重要，调节的好坏，直接影响下一步的测量，因此，一定要耐心，仔细调节。2）加上直流偏压时呈现双轴晶体的锥光干涉图样，它说明单轴晶体在电场的作用下变成了双轴晶体。3）两个偏振片正交时和平行时干涉图样是互补的。4）只改变直流偏压的大小时，干涉图样不旋转，只是双曲线分开的距离发生变化。这一现象说
16、明，外加电场只改变感应主轴方向的主折射率的大小，折射率椭球旋转的角度与电场大小无关。2.测定铌酸锂晶体的透过率曲线(即TU曲线)，求出半波电压U，再算出电光系数22 在实验中，用两种方法测量铌酸锂晶体的半波电压，一种方法是极值法，另一种方法是调制法。1）极值法具体做法是：电源面板上的信号选择开关拨到“静态”挡，晶体上只加直流电压，不加交流信号，把直流电压从小到大逐渐改变，输出的光强将会出现极小值和极大值，相邻极小值和极大值对应的直流电压之差即是半波电压U。调整光电接收器对准激光光点，放大器的直流输出接到电箱，再增大直流偏压到最大，保持再减小直流偏压到零，若读数始终不超过200mV，则可以开始测
17、量数据了。加在晶体上的电压在电源面板上的数字表读出，每隔10V增大一次，再读出相应的数字表的读数作为接收器接收到的光强值，数据填入下表。偏压U(V)102030405060708090100光强T(mV)偏压U(V)110120130140150160170180190200光强T(mV)偏压U(V)210220230240250260270280290300光强T(mV)偏压U(V)310320330340350360370380390400光强T(mV)偏压U(V)410420430440450460470480490500光强T(mV)偏压U(V)51052053054055056057
18、0580590600光强T(mV)以T为纵坐标，U为横坐标，画TU关系曲线，确定半波电压U的数值，并计算电光系数。晶体厚度d=1.7 mm，宽度m=5.0mm，长度L=50 mm，n0=2.29，激光波长=632.8nm。2）调制法晶体上直流电压和交流信号同时加上，与直流电压调到输出光强出现极小值或极大值对应的电压值时，输出的交流信号出现倍频失真，出现相邻倍频失真对应的直流电压之差就是半波电压U。具体做法是：电源面板上的信号选择开关拨到“调制”挡，把电源前面板上的“调制信号”输出接到双踪示波器的CH2上，把放大器的“光强信号”接到示波器的CH1上，把CH1、CH2上的信号做比较，调节直流偏压，
19、当晶体上加的直流电压到某一值U1时，输出信号出现倍频失真，再调节直流电压，当晶体上加的直流电压到另一值U2时，输出信号又出现倍频失真，相继两次出现倍频失真时对应的直流电压之差U2U1就是半波电压U。这种方法比极值法更精确，因为用极值法测半波电压时，很难准确的确定TU曲线上的极大值或极小值，因而其误差也较大。但是这种方法对调节的要求很高，很难调到最佳状态。如果观察不到两次倍频失真，则需要重新调节暗十字形干涉图样，调整好后再做。3）改变直流偏压，选择不同的工作点，观察正弦波电压的调制特性电源面板上的信号选择开关拨到“调制”挡，机内单一频率的正弦波振荡器工作，产生正弦信号，此信号经放大后，加到晶体上
20、，同时，通过面板上的“调制信号”孔，输出此信号，把它接到双踪示波器的CH1上，作为参考信号。改变直流偏压，使调制器工作在不同的状态，把被调制信号经光电转换、放大后接到双踪示波器的CH2上，和CH1上的参考信号比较。选择5个不同的工作点40V、80V、120V、160V、200V，观察接收信号的波形并画出图形。工作点选定在曲线的直线部分，即U0=U/2附近时是线性调制；工作点选定在曲线的极小值(或极大值)时，输出信号出现“倍频”失真；工作点选定在极小值(或极大值)附近时输出信号失真，观察时调制信号幅度不能太大，否则调制信号本身失真，输出信号的失真无法判断由什么原因引起的，把观察到的波形描下来，并
21、和前面的理论分析作比较。做这一步实验时，把电源上的调制幅度、调制器上的输入光强、放大器的输出、示波器上的增益(或哀减)这四部分调好，才能观察到很好的输出波形。4）用1/4波片改变工作点，观察输出特性在上述实验中，去掉晶体上所加的直流偏压(直流偏压调至0V)，把1/4波片置入晶体和偏振片之间，绕光轴缓慢旋转时，可以看到输出信号随着发生变化。当波片的快慢轴平行于晶体的感应轴方向时，输出信号线性调制；当波片的快慢轴分别平行于晶体的x、y轴时，输出光失真，出现“倍频”失真。因此，把波片旋转一周时，出现四次线性调制和四次“倍频”失真。值得注意的是，不仅通过晶体上加直流偏压可以改变调制器的工作点，也可以用
22、1/4波片选择工作点，其效果是一样的，但这两种方法的机理是不同的。5）光通讯的演示电源面板的转换开关拨到“音频”挡，此时，正弦信号被切断，输出装在电源箱里的“音频”信号。输出信号通过接收放大器上的扬声器播放，可听到音乐。如改变直流偏压的大小，则会听到音乐的音质有变化，说明音乐也有失真和不失真。用不透明的物体遮挡光源，则音乐停止，不遮光，则音乐又响起，由此说明激光束可以携带音频信号，实现光通讯。把音乐信号接到示波器上，可以看到我们听到的音乐信号的波形，它是由振幅相的不同频率的正弦波迭加而成的。1.5注意事项1He-Ne激光管出光时，电极上所加的直流电压高达千伏，要注意人身安全。激光管点亮10分钟
23、后，达到热平衡，输出功率和模式开始稳定，可以开始实验。2电光晶体又细又长，容易折断，电极是真空镀的银膜，操作时要注意，晶体电极上面的铜片不能压的太紧或给晶体施加压力，以免压断晶体。3PIN光电二极管应避免强光照射，以免烧坏。做实验时，光强应从弱到强，缓慢改变，尽可能在弱光下使用，这样能保证接收器光电转换时线性性良好。4电源上的旋钮顺时针方向为增益加大的方向，因此，电源开关打开前，所有旋钮应该逆时针方向旋转到头，关仪器前，所有旋钮逆时针方向旋转到头后再关电源。26实验二 太阳能电池特性2.1引言能源短缺和地球生态环境污染已经成为人类面临的最大问题。本世纪初进行的世界能源储量调查显示，全球剩余煤炭
24、只能维持约216年，石油只能维持45年，天然气只能维持61年，用于核发电的铀也只能维持71年。另一方面，煤炭、石油等矿物能源的使用，产生大量的CO2、SO2等温室气体，造成全球变暖，冰川融化，海平面升高，暴风雨和酸雨等自然灾害频繁发生，给人类带来无穷的烦恼。根据计算，现在全球每年排放的CO2已经超过500亿吨。我国能源消费以煤为主，CO2的排放量占世界的15%，仅次于美国，所以减少排放CO2、SO2等温室气体，已经成为刻不容缓的大事。推广使用太阳辐射能、水能、风能、生物质能等可再生能源是今后的必然趋势。广义地说，太阳光的辐射能、水能、风能、生物质能、潮汐能都属于太阳能,它们随着太阳和地球的活动
25、，周而复始地循环，几十亿年内不会枯竭，因此我们把它们称为可再生能源。太阳的光辐射可以说是取之不尽、用之不竭的能源。太阳与地球的平均距离为1亿5千万公里。在地球大气圈外，太阳辐射的功率密度为1.353kW /m2，称为太阳常数。到达地球表面时，部分太阳光被大气层吸收，光辐射的强度降低。在地球海平面上，正午垂直入射时，太阳辐射的功率密度约为1kW /m2 ，通常被作为测试太阳电池性能的标准光辐射强度。太阳光辐射的能量非常巨大，从太阳到地球的总辐射功率比目前全世界的平均消费电力还要大数十万倍。每年到达地球的辐射能相当于49000亿吨标准煤的燃烧能。太阳能不但数量巨大，用之不竭，而且是不会产生环境污染
26、的绿色能源，所以大力推广太阳能的应用是世界性的趋势。太阳能发电有两种方式。光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸气，再驱动汽轮机发电，太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高。光电直接转换方式是利用光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能，光电转换的基本装置就是太阳能电池。与传统发电方式相比，太阳能发电目前成本较高，所以通常用于远离传统电源的偏远地区，2002年，国家有关部委启动了“西部省区无电乡通电计划”，通过太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。随着研究工作的深入与生产规模的扩大，太阳能发电的成本下降很快，而资源枯竭与环境保护导致
27、传统电源成本上升。太阳能发电有望在不久的将来在价格上可以与传统电源竞争，太阳能应用具有光明的前景。根据所用材料的不同，太阳能电池可分为硅太阳能电池，化合物太阳能电池，聚合物太阳能电池，有机太阳能电池等。其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。本实验研究单晶硅，多晶硅，非晶硅3种太阳能电池的特性。2.2实验目的测试三种太阳能电池的基本特性。2.3实验仪器太阳能电池实验装置如图4所示，电源面板如图5所示。图4 太阳能电池实验装置光源采用碘钨灯，它的输出光谱接近太阳光谱。调节光源与太阳能电池之间的距离可以改变照射到太阳能电池上的光功率，具体数值由光功率计测量。测试仪为实验提供电源，同
28、时可以测量并显示电流、电压、以及光功率的数值。电压源：可以输出08V连续可调的直流电压。为太阳能电池伏安特性测量提供电压。电压/光功率表：通过“测量转换”按键，可以测量输入“电压输入”接口的电压，或接入“光功率输入”接口的光功率计探头测量到的光功率数值。表头下方的指示灯确定当前的显示状态。通过“电压量程”或“光功率量程”，可以选择适当的显示范围。电流表：可以测量并显示0200mA的电流，通过“电流量程”选择适当的显示范围。图5 太阳能电池特性实验仪2.4实验原理太阳能电池利用半导体P-N结受光照射时的光伏效应发电，太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P-N结，图1为P-N结示意图。图1 半导
29、体P-N结示意图P型半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。N型半导体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。当两种半导体结合在一起形成P-N结时，N区的电子(带负电)向P区扩散， P区的空穴(带正电)向N区扩散，在P-N结附近形成空间电荷区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过P-N结的净电流为零。在空间电荷区内，P区的空穴被来自N区的电子复合，N区的电子被来自P区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。当光电池受光照射时，部分电子被激发而产生电子空穴对，在结区激发的电子和空穴分别被势垒电场推向N区和P区，使N区有过量
30、的电子而带负电，P区有过量的空穴而带正电，P-N结两端形成电压，这就是光伏效应，若将P-N结两端接入外电路，就可向负载输出电能。在一定的光照条件下，改变太阳能电池负载电阻的大小，测量其输出电压与输出电流，得到输出伏安特性，如图2实线所示。图2 太阳能电池的输出特性负载电阻为零时测得的最大电流ISC称为短路电流。负载断开时测得的最大电压VOC称为开路电压。太阳能电池的输出功率为输出电压与输出电流的乘积。同样的电池及光照条件，负载电阻大小不一样时，输出的功率是不一样的。若以输出电压为横坐标，输出功率为纵坐标，绘出的P-V曲线如图2点划线所示。输出电压与输出电流的最大乘积值称为最大输出功率Pmax。
31、填充因子F.F定义为： (1)填充因子是表征太阳电池性能优劣的重要参数，其值越大，电池的光电转换效率越高，一般的硅光电池FF值在0.750.8之间。转换效率s定义为： (2)Pin为入射到太阳能电池表面的光功率。理论分析及实验表明，在不同的光照条件下，短路电流随入射光功率线性增长，而开路电压在入射光功率增加时只略微增加，如图3所示。图3 不同光照条件下的I-V曲线硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率可达到15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位
32、。但由于单晶硅价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率可达到10%。因此，多晶硅薄膜电池可能在未来的太阳能电池市场上占据主导地位。非晶硅薄膜太阳能电池成本低，重量轻，便于大规模生产，有极大的潜力。如果能进一步解决稳定性及提高转换率，无疑是太阳能电池的主要发展方向之一。 2.5实验内容1硅太阳能电池的暗伏安特性测量暗伏安特性是指无光照射时，流经太阳能电池的电流与外加电压之间的关系。太阳能电池的基本结构是一个大
33、面积平面P-N结，单个太阳能电池单元的P-N结面积已远大于普通的二极管。在实际应用中，为得到所需的输出电流，通常将若干电池单元并联。为得到所需输出电压，通常将若干已并联的电池组串连。因此，它的伏安特性虽类似于普通二极管，但取决于太阳能电池的材料，结构及组成组件时的串并连关系。本实验提供的组件是将若干单元并联。要求测试并画出单晶硅, 多晶硅，非晶硅太阳能电池组件在无光照时的暗伏安特性曲线。用遮光罩罩住太阳能电池。测试原理图如图6所示。将待测的太阳能电池接到测试仪上的“电压输出”接口，电阻箱调至50后串连进电路起保护作用，用电压表测量太阳能电池两端电压，电流表测量回路中的电流。 图6 伏安特性测量
34、接线原理图将电压源调到0V，然后逐渐增大输出电压，每间隔0.1V记一次电流值。记录到表1中。 将电压输入调到0V。然后将“电压输出”接口的两根连线互换，即给太阳能电池加上反向的电压。逐渐增大反向电压，记录电流随电压变换的数据于表1中。表1 3种太阳能电池的暗伏安特性测量电压(V)电流(mA)单晶硅多晶硅非晶硅-8-7-6-5-4-3-2-100.30.60.91.21.51.82.12.42.733.33.63.9以电压作横坐标，电流作纵坐标，根据表1画出三种太阳能电池的伏安特性曲线。讨论太阳能电池的暗伏安特性与一般二级管的伏安特性有何异同。2开路电压，短路电流与光强关系测量打开光源开关，预热
35、5分钟。打开遮光罩。将光功率探头装在太阳能电池板位置，探头输出线连接到太阳能电池特性测试仪的“光功率输入”接口上。测试仪设置为“光功率测量”。 由近及远移动滑动支架，测量距光源一定距离的光强I=P/S,P为测量到的光功率，S=0.2cm2为探头采光面积。将测量到的光强记入表2。将光功率探头换成单晶硅太阳能电池，测试仪设置为“电压表”状态。按图7A接线，按测量光强时的距离值(光强已知)，记录开路电压值于表2中。按图7B接线，记录短路电流值于表2中。将单晶硅太阳能电池更换为多晶硅太阳能电池，重复测量步骤，并记录数据。将多晶硅太阳能电池更换为非晶硅太阳能电池，重复测量步骤，并记录数据。表2 3种太阳
36、能电池开路电压与短路电流随光强变化关系距 离()101520253035404550光功率(W)光强I=P/S(W/m2)单晶硅开路电压VOC(V)短路电流ISC(mA)多晶硅开路电压VOC(V)短路电流ISC(mA)非晶硅开路电压VOC(V)短路电流ISC(mA)根据表2数据，画出三种太阳能电池的开路电压随光强变化的关系曲线。根据表2数据，画出三种太阳能电池的短路电流随光强变化的关系曲线。3太阳能电池输出特性实验按图8接线，以电阻箱作为太阳能电池负载。在一定光照强度下(将滑动支架固定在导轨上某一个位置)，分别将三种太阳能电池板安装到支架上，通过改变电阻箱的电阻值，记录太阳能电池的输出电压V和
37、电流I,并计算输出功率PO=VI，填于表3中。表3 3种太阳能电池输出特性实验 光强I= W/m2单晶硅输出电压V(V)00.20.40.60.811.21.41.6输出电流I(A)输出功率PO(W)多晶硅输出电压V(V)00.20.40.60.811.21.41.6输出电流I(A)输出功率PO(W)非晶硅输出电压V(V)00.20.40.60.811.21.41.6输出电流I(A)输出功率PO(W)根据表3数据作3种太阳能电池的输出伏安特性曲线及功率曲线，并与图2比较。找出最大功率点，对应的电阻值即为最佳匹配负载。由(1)式计算填充因子。由(2)式计算转换效率。入射到太阳能电池板上的光功率P
38、in=IS1，S1为太阳能电池板面积。若时间允许，可改变光照强度(改变滑动支架的位置)，重复前面的实验。2.5注意事项1.在预热光源的时候，需用遮光罩罩住太阳能电池，以降低太阳能电池的温度，减小实验误差；2.光源工作及关闭后的约1小时期间，灯罩表面的温度都很高，请不要触摸；3.可变负载只能适用于本实验，否则可能烧坏可变负载；4.220V电源需可靠接地。实验三 晶体的声光效应实验3.1引言声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。早在本世纪30年代就开始了声光衍射的实验研究。60年代激光器的问世为声光现象的研究提供了理想的光源，促进了声
39、光效应理论和应用研究的迅速发展。声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。利用声光效应制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器、和可调谐滤光器等，在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要的应用。3.2实验目的1. 了解声光效应的原理；2. 了解拉曼奈斯衍射(Raman-Nath Diffraction)和布拉格衍射(Bragg Diffraction)的实验条件和特点；3. 测量声光偏转和声光调制曲线；4. 测量声光调制器的衍射效率；5. 完成声光通信实验光路的安装及调试。3.3实验原理当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间和空间上的周期性的变化，并且
40、导致介质的折射率也发生相应变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。有超声波传播的介质如同一个相位光栅。声光效应有正常声光效应和反常声光效应之分。在各项同性介质中，声-光相互作用不导致入射光偏振状态的变化，产生正常声光效应。在各项异性介质中，声-光相互作用可能导致入射光偏振状态的变化，产生反常声光效应。反常声光效应是制造高性能声光偏转器和可调滤波器的基础。正常声光效应可用拉曼-奈斯的光栅假设作出解释，而反常声光效应不能用光栅假设作出解释。在非线性光学中，利用参量相互作用理论，可建立起声-光相互作用的统一理论，并且运用动量匹配和失配等概念对正常和反常声光效应都可作出解释。
41、本实验只涉及到各项同性介质中的正常声光效应。图1声光衍射设声光介质中的超声行波是沿方向传播的平面纵波，其角频率为，波长为波矢为。入射光为沿方向传播的平面波，其角频率为，在介质中的波长为，波矢为。介质内的弹性应变也以行波形式随声波一起传播。由于光速大约是声速的倍，在光波通过的时间内介质在空间上的周期变化可看成是固定的。由于应变而引起的介质的折射率的变化由下式决定 (1)式中，为介质折射率，为应变，为光弹系数。通常，和为二阶张量。当声波在各项同性介质中传播时，和可作为标量处理，如前所述，应变也以行波形式传播，所以可写成 (2)当应变较小时，折射率作为和的函数可写作 (3)式中，为无超声波时的介质的折射率，为声波折射率变化的幅值，由(1)式可求出设光束垂直入射（）并通过厚度为的介质，则前后两点的相位差为 (4)式中，为入射光在真空中的波矢的大小，右边第一项为不存在超声波时光波在介质前后两点的相位差，第二项为超声波引起的附加相位差（相位调制），。可见，当平面光波入射在介质的前界面上时，超声波使