Stanowisko do badania zjawiska tłumienia światła w ośrodkach materialnych Na rys. 3.1 przedstawiono widok wykorzystywanego w ćwiczeniu stanowiska pomiarowego do badania zjawiska tłumienia światła w ośrodkach materialnych. W skład stanowiska wchodzą: zasilacz diody LED, dioda LED (na stanowisku dostępne są diody: niebieska, zielona, żółta, czerwona i podczerwona), pręt polimerowy, fotodetektor pierścieniowy (zamontowany na przesuwnym uchwycie), multimetr do pomiaru natężenia prądu (I zaś [ma]) zasilającego diodę LED, multimetr do pomiaru napięcia (U zaś [V]) na wyjściu detektora (mierzone napięcie jest proporcjonalne do mocy optycznej rozpraszanej przez badany ośrodek materialny), komputer z oprogramowaniem do analizy widm spektralnych diod LED. Rys. 3.1. Widok stanowiska laboratoryjnego do badania zjawiska tłumienia światła w ośrodkach materialnych
Tabela 3.1. Parametry diod LED, wykorzystywanych na stanowisku ( - długość fali emitowanego światła, P 0 poziom mocy optycznej światła emitowanego przez diodę). Nr. Kolor diody [nm] P [dbm] 1 niebieska 465-28,9 2 zielona 508-28,5 3 żółta 595-36,5 4 czerwona 671-30,4 5 podczerwona 920-29,6 Zasada pomiaru polega na detekcji promieniowania elektromagnetycznego przez krzemowy fotodetektor typu PIN (model OPT301) zintegrowany ze wzmacniaczem operacyjnym. Na rysunku 3.2 przedstawiono schematycznie sposób pomiaru tłumienia światła w omawianym ćwiczeniu. Rys. 3.2. Sposób pomiaru tłumienia światła Detekowany sygnał jest logarytmowany we wzmacniaczu logarytmującym typu LOG100 zgodnie z zależnością: I U. log 1 wyj K, 3.1 I 2 gdzie: K wzmocnienie; I 1 i I 2 wartości prądu na wejściach wzmacniacza Sygnał z fotodetektora pomiarowego (odpowiedzialnego za generację prądu I 1 ) jest porównywany z sygnałem odniesienia z drugiego fotodetektora (odpowiedzialnego
za generację prądu I 2 ), który na stanowisku laboratoryjnym jest zastąpiony źródłem prądowym o regulowanej wartości prądu referencyjnego I ref (35 A 110 A). W punkcie pomiarowym d 0mm (rys. 3.2) prąd źródła jest ustawiany na poziomie wartości prądu z fotodetektora odniesienia, której odpowiada wartość sygnału z fotodetektora pomiarowego w tym punkcie. Wartość tego prądu jest określana przez pomiar napięcia U lin. na wyjściu fotodetektora pomiarowego (spadek napięcia na rezystorze 100 k ). W układzie możliwy jest również pomiar napięcia U log. na wyjściu wzmacniacza logarytmującego. Źródłem światła są diody elektroluminescencyjne (ang. LED light-emmiting diode) o długości fali świetlnej dobranej do czułości spektralnej stosowanych fotodetektorów (niebieska, zielona, żółta, czerwona i podczerwona). Diody LED są zasilane ze źródła prądowego o regulowanej wartości prądu w zakresie 6 60 ma. Źródło to może pracować zarówno w trybie stałoprądowym (DC), jak i zmiennoprądowym (AC). 4. Program ćwiczenia 4.1. Zapoznanie się ze stanowiskiem pomiarowym, jego możliwościami i ograniczeniami Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy zapoznać się z obsługą stanowiska pomiarowego, przede wszystkim zasilacza źródeł światła, multimetru i fotodetektora. W razie problemów lub wątpliwości należy zwrócić się do prowadzącego. 4.2. Zapoznanie się z parametrami źródeł światła stosowanymi w ćwiczeniu. Pomiary charakterystyk prądowo-napięciowych. Dla zapewnienia optymalnych warunków pracy fotodetektora pomiarowego należy tak dobrać parametry układu, aby wiązka światła rozchodziła się możliwie na całej długości mierzonego pręta polimerowego, zapewniając przy tym maksymalnie dopuszczalny sygnał na detektorze (poniżej stanu nasycenia!!) w początkowym punkcie pomiarowym ( d 0mm ). W tym celu należy przeprowadzić
pomiar charakterystyk prądowo-napięciowych poszczególnych diod LED (Zmiany fotodiody dokonywać zawsze przy minimalnym prądzie zasilającym!!): 1. Wybraną diodę LED podłączyć do zasilacza i umieścić w uchwycie. 2. Detektor ustawić w punkcie pomiarowym d 0mm. 3. Sprawdzić ustawienia multimetrów (jeden powinien pracować jako woltomierz do pomiaru napięcia na fotodetektorze, drugi jako amperomierz do pomiaru prądu zasilania diody LED). 4. Włączyć zasilacz i zmieniając prąd fotodiody odczytywać wartość napięcia i prądu. Pomiary wykonywać do momentu, aż sygnał na detektorze ulegnie nasyceniu. Przyjąć górną wartość napięcia wyjściowego równą ok. 10 V (dla diody żółtej ok. 5 V). 5. Wykreślić charakterystyki U I), na ich podstawie określić maksymalny dopuszczalny prąd fotodiody (brak nasycenia na detektorze). 6. Pomiar wykonać dla wszystkich diod LED, dostępnych na stanowisku. 4.3. Pomiary mocy optycznej w funkcji długości badanego ośrodka materialnego pręta silikonowego Pomiar mocy optycznej sygnału propagowanego w badanym materiale (P wy ) należy wykonać dla stałej wartości mocy sygnału wprowadzanego do materiału (P wej ), tj. przy ustalonej wartości prądu fotodiody, nie powodującej nasycania się detektora (w punkcie pomiarowym d 0mm ). 1. Wybraną diodę LED podłączyć do zasilacza i umieścić w uchwycie. 2. Detektor ustawić w zerowej odległości względem badanej diody. 3. Włączyć zasilacz i ustawić wartość prądu zasilającego wybraną diodę LED (wyznaczoną w p. 4.2). 4. Zmieniając położenie ( fotodetektora względem badanej diody LED odczytywać wartość napięcia na wyjściu fotodetektora pomiarowego. Pomiar należy wykonać na odcinku do 100 150 mm, w zależności od poziomu odbieranego sygnału. Dobierać położenie punktów pomiarowych w zależności od dynamiki zmian sygnału napięciowego.
4.4. Wyznaczenie podstawowych parametrów opisujących tłumienie światła w badanym materiale. Wnioski. W celu wyznaczenia parametrów i mechanizmów tłumienia światła w badanym materiale, uzyskane wyniki pomiarów należy zobrazować w postaci odpowiednich charakterystyk. 1. Wyznaczyć wartość tłumienia ( A[ db] 10log U wyj Uwej ) dla każdej długości fali, przyjmując za U wej sygnał napięciowy U lin w początkowym punkcie pomiarowym, a za sygnał U wyj wartość napięcia U lin w kolejnych punktach pomiarowych. 2. Wykreślić charakterystykę napięcia wyjściowego i tłumienia w funkcji odległości od źródła światła ( U wyj [ V] i A[ db] ). 3. Z nachylenia prostoliniowego odcinka krzywej z wykresu A[ db] określić wartość tłumienności jednostkowej [db/cm] dla poszczególnych diod LED (różnych długości fali). 4 4. Sporządzić wykres [ db / cm] ). 5. Zinterpretować i opisać wyniki pomiarów. Sformułować wnioski.