LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKI

ĆWICZENIE 1

ŹRÓDŁA ŚWIATŁA

Gdańsk 2001 r.

ĆWICZENIE 1: ŹRÓDŁA ŚWIATŁA

2

POLITECHNIKA GDAŃSKA

KATEDRA OPTOELEKTRONIKI

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.

λ

hc

hf

E

p

=

=

(1)

gdzie:

h - stała Plancka
f - częstotliwość fotonu

λ

- długość fali

c - prędkość światła

λ

I

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.

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

POLITECHNIKA GDAŃSKA

KATEDRA OPTOELEKTRONIKI

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.

Zasilacz

Stabilizator

+12V

I

d

U

z

LED

LASER

ŻARÓWKA

V

A

A

V

V

TRANSOPTOR

500

Ω

220V

+12V

Rys. 2: Schemat ideowy układu pomiarowego.

ĆWICZENIE 1: ŹRÓDŁA ŚWIATŁA

4

POLITECHNIKA GDAŃSKA

KATEDRA OPTOELEKTRONIKI

Urządzenie pomiarowe przedstawione powyżej składa się z trzech bloków:

•

zasilacza ze stabilizatorem ( +12V ) - 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.

V

0

10

20 30 40

50

mA

Gniazdo LEDa

Żarówka

Gniazdo

diody laserowej

Regulacja

I lub U

Power

LED

1

Żarówka

2

Transoptor

3

LASER

4

+

Przełączniki funkcyjne

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

POLITECHNIKA GDAŃSKA

KATEDRA OPTOELEKTRONIKI

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 500

Ω

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.