LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKI ĆWICZENIE 1 ŹRÓDŁA ŚWIATŁA Gdańsk 2001 r.
ĆWICZENIE 1: ŹRÓDŁA ŚWIATŁA 2 1. Wstęp Zasada działania półprzewodnikowych źródeł światła (LED-ów i diod laserowych LD) jest bardzo podobna. Są to złącza półprzewodnikowe spolaryzowane w kierunku przewodzenia, w których zachodzi rekombinacja promienista par elektron-dziura. Każdy akt rekombinacji promienistej wyzwala kwant promieniowanie (foton) o energii równej lub większej od szerokości przerwy energetycznej w półprzewodniku. E p = hf = hc λ gdzie: h - stała Plancka f - częstotliwość fotonu λ - długość fali c - prędkość światła I (1) LED LD Rys. 1: Widmo promieniowania diody LED i LD. Diody elektroluminescencyjne Dioda elektroluminescencyjna - LED (Light Emitting Diode) jest źródłem światła wykorzystującym zjawisko emisji spontanicznej. Emisja spontaniczna jest emisją nieuporządkowaną i zachodzi w rozbieżnych kierunkach. Istotną wadą diod jest to, że emitują one dość szerokie widmo ciągłe z pewnego przedziału długości fal (około 20nm). Zaletą diod LED w porównaniu z diodami laserowy jest większa odporność i niezawodność na przeciążenia, mniejsza wrażliwość na zmiany temperatury oraz niższy koszt. λ Diody laserowe Diody laserowe LD (Laser Diode), wykorzystuje zjawisko emisji wymuszonej światła. Przy tym dla efektywnej generacji promieniowania wymuszonego gęstość energii optycznej musi być odpowiednio wysoka, co uzyskuje się poprzez umieszczenie obszaru aktywnego lasera między dwoma zwierciadłami. W ten sposób tworzy się rezonator dla fali optycznej, w którym kumuluje się znaczna energia optyczna w postaci fali stojącej.
ĆWICZENIE 1: ŹRÓDŁA ŚWIATŁA 3 Dla zainicjowania akcji laserowej prąd zasilający musi mieć odpowiednią wartość zwaną prądem progowym I p. Emisja wymuszona jest emisją w dużym stopniu uporządkowana, a emitowana wiązka światła ma niewielką rozbieżność kątową (zazwyczaj kilka stopni). Podstawową zaletą diod laserowych jest ich wąskie widmo częstotliwościowe promieniowania, rzędu kilku nanometrów lub nawet dziesiątych części nanometra. Źródła żarowe Najprostsze i najtańsze są źródła żarowe, w których metalowy żarnik ogrzewany jest przez przepływający prąd elektryczny. Emitują one światło o widmie ciągłym zależnym od temperatury żarnika. Ich wadą jest to, że światło wytwarzane przez źródło żarowe trudno jest zogniskować i uzyskać stabilne widmo ze względu na duże rozmiary. Transoptor Transoptor to izolowana elektrycznie para: źródło promieniowania i fotodetektor, sprzężone optycznie i umieszczone we wspólnej obudowie.jednym z parametrów transoptora jest przekładnia prądowa, która jest definiowana jako stosunek prądu na wyjściu układu (na wyjściu fotodetektora) do prądu na wejściu transoptora (prądu sterującego źródłem światła). 2. Opis urządzenia Urządzenie poniżej opisane pozwala przeprowadzić pomiary statycznych charakterystyk prądowo-napięciowych trzech rodzajów źródeł, charakterystykę prądowo-prądową (czyli przekładnię) transoptora oraz charakterystykę mocy promieniowania diody laserowej w zależności od wartości prądu zasilania. +12 Zasilacz I d U z 220 Stabilizator +12 A A TRANSOPTOR 500Ω LED LASER ŻARÓWKA Rys. 2: Schemat ideowy układu pomiarowego.
ĆWICZENIE 1: ŹRÓDŁA ŚWIATŁA 4 Urządzenie pomiarowe przedstawione powyżej składa się z trzech bloków: zasilacza ze stabilizatorem ( +12 ) - zasilanie całego układu regulowanego źródła prądu I d regulowanego źródła napięcia U z zestawu przełączników funkcyjnych dołączających w odpowiedni sposób zasilanie oraz przyrządy pomiarowe do badanego układu. Sposób dołączenia przyrządów przy pomiarze kolejnych charakterystyk przedstawiony jest na schemacie. 0 10 20 30 ma 40 50 Gniazdo LEDa + Power Żarówka Gniazdo diody laserowej Przełączniki funkcyjne Regulacja I lub U LED 1 Żarówka 2 Transoptor 3 LASER 4 Rys. 3: Wygląd panelu czołowego układu laboratoryjnego. 3. Zadania pomiarowe. 1. Pomierzyć charakterystykę statyczne U=f(I) wybranych przez prowadzącego diod elektroluminescencyjnych. 2. Pomierzyć charakterystykę statyczną I=f(U) żarówki sygnalizacyjnej. 3. Pomierzyć charakterystykę statyczną (przekładnię prądowo prądową) I o =f (I d ) transoptora. 4. Pomierzyć charakterystykę statyczną U=f(I) diody laserowej. 5. Pomierzyć charakterystykę mocy promieniowania diody laserowej P e =f(i). 4. Sposób dokonywania pomiarów. Włączyć zasilanie urządzenia, sprawdzić czy kontrolki w wyłączniku na tylnym panelu i LED czerwony w przednim palą się. Podłączyć do gniazd bananowych zewnętrzny woltomierz z zachowaniem polaryzacji: czarne gniazdo - minus miernika, czerwone - plus. Przełącznikiem funkcji załączać kolejno rodzaj pomiaru, i tak: 1. Pomiar charakterystyk diod LED. Podłączyć wybraną diodę do zacisków. Potencjometrem można regulować liniowo natężenie prądu w zakresie 0-30mA. Miernik (dołączony i wbudowany) wskazują napięcie na diodzie i prąd przez nią płynący.
ĆWICZENIE 1: ŹRÓDŁA ŚWIATŁA 5 2. Pomiar charakterystyki żarówki. Żarówka jest wbudowana w układ i podłączona. Potencjometrem można liniowo regulować napięcie. 3. Pomiar charakterystyki transoptora. Transoptor zamontowany jest wewnątrz układu i dołączany przełącznikiem funkcyjnym. Potencjometrem regulujemy liniowo natężenie prądu w sensownym zakresie. Miernik wbudowany (amperomierz) wskazuje prąd płynący przez diodę elektroluminescencyjną transoptora natomiast woltomierz mierzy napięcie na rezystorze 500Ω podłączonym do fototranzystora. 4. Pomiar charakterystyk diody laserowej. Do gniazda znajdującego się bezpośrednio nad przyciskiem nr 4 (przełącznika funkcyjnego) podłączyć wskaźnik laserowy - zaopatrzony w wtyczkę typu mini-jack. Potencjometrem możemy regulować liniowo natężenie prądu w zakresie 0-50mA. Miernik (dołączony i wbudowany) wskazują napięcie na wskaźniku laserowym i prąd przez niego płynący. Miernik mocy promieniowania pokazuje (w jednostkach umownych) aktualną moc świecenia diody laserowej. Podczas pomiarów należy zwrócić uwagę na następujące zagadnienia: zaobserwować prąd świecenia diod LED i diody laserowej, zaobserwować próg akcji laserowej, zaobserwować spadki napięć (przy określonym prądzie) diod LED o różnych długościach fal emitowanego światła, zaobserwować zmiany rezystancji badanej żarówki, biorąc pod uwagę ograniczone napięcie zasilające występujące w układzie należy zastanowić się nad zakresem, w jakim ma sens dokonywanie pomiarów transoptora. 5. Opracowanie wyników. 1. Wykonać wykresy charakterystyk statycznych LEDów. Na wykresach zaznaczyć i opisać punkty charakterystyczne (np. próg świecenia). 2. Wyjaśnić, dlaczego diody LED przy określonym prądzie (identycznym dla wszystkich badanych diod), nie wykazują identycznego spadku napięcia (zależność od długości fali emitowanego promieniowania). 3. Wykreślić charakterystykę statyczną żarówki oraz wykonać wykres zależności rezystancji od napięcia zasilania R=f(U). Opisać, w jakim zakresie rezystancja żarówki ulegała zmianie. Wnioski uzasadnić teoretycznie. 4. Dla transoptora wykonać wykres zależności prąd wyjściowego od prądu wejściowego oraz obliczyć przekładnię transoptora (I o /I d ) (I o - prąd wyjściowy, I d - prąd wejściowy). Podać zakres, w którym badany był transoptor wraz z uzasadnieniem. 5. Wykonać wykres zależności napięcia od prądu oraz mocy promieniowania od prądu dla diody laserowej. Na wykresach zaznaczyć próg akcji laserowej.