【正文】 入調(diào)到0V。測試原理圖如圖6所示。因此，它的伏安特性雖類似于普通二極管，但取決于太陽能電池的材料，結(jié)構(gòu)及組成組件時(shí)的串并連關(guān)系。 1．硅太陽能電池的暗伏安特性測量暗伏安特性是指無光照射時(shí)，流經(jīng)太陽能電池的電流與外加電壓之間的關(guān)系。多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到10%。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。： (1)填充因子是表征太陽電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，其值越大，電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高，~。太陽能電池的輸出功率為輸出電壓與輸出電流的乘積。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢壘電場推向N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)有過量的電子而帶負(fù)電，P區(qū)有過量的空穴而帶正電，PN結(jié)兩端形成電壓，這就是光伏效應(yīng)，若將PN結(jié)兩端接入外電路，就可向負(fù)載輸出電能。N型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的自由電子，幾乎沒有空穴。通過“電壓量程”或“光功率量程”，可以選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。電壓源：可以輸出0～8V連續(xù)可調(diào)的直流電壓。太陽能電池實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，電源面板如圖5所示。根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為硅太陽能電池，化合物太陽能電池，聚合物太陽能電池，有機(jī)太陽能電池等。光—電直接轉(zhuǎn)換方式是利用光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能，光—電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。每年到達(dá)地球的輻射能相當(dāng)于49000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒能。在地球大氣圈外， /m2，稱為太陽常數(shù)。推廣使用太陽輻射能、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源是今后的必然趨勢。本世紀(jì)初進(jìn)行的世界能源儲(chǔ)量調(diào)查顯示，全球剩余煤炭只能維持約216年，石油只能維持45年，天然氣只能維持61年，用于核發(fā)電的鈾也只能維持71年。3．PIN光電二極管應(yīng)避免強(qiáng)光照射，以免燒壞。把音樂信號(hào)接到示波器上，可以看到我們聽到的音樂信號(hào)的波形，它是由振幅相的不同頻率的正弦波迭加而成的。5）光通訊的演示電源面板的轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到“音頻”擋，此時(shí)，正弦信號(hào)被切斷，輸出裝在電源箱里的“音頻”信號(hào)。4）用1/4波片改變工作點(diǎn)，觀察輸出特性在上述實(shí)驗(yàn)中，去掉晶體上所加的直流偏壓(直流偏壓調(diào)至0V)，把1/4波片置入晶體和偏振片之間，繞光軸緩慢旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以看到輸出信號(hào)隨著發(fā)生變化。改變直流偏壓，使調(diào)制器工作在不同的狀態(tài)，把被調(diào)制信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大后接到雙蹤示波器的CH2上，和CH1上的參考信號(hào)比較。這種方法比極值法更精確，因?yàn)橛脴O值法測半波電壓時(shí)，很難準(zhǔn)確的確定T～U曲線上的極大值或極小值，因而其誤差也較大。偏壓U(V)102030405060708090100光強(qiáng)T(mV)偏壓U(V)110120130140150160170180190200光強(qiáng)T(mV)偏壓U(V)210220230240250260270280290300光強(qiáng)T(mV)偏壓U(V)310320330340350360370380390400光強(qiáng)T(mV)偏壓U(V)410420430440450460470480490500光強(qiáng)T(mV)偏壓U(V)510520530540550560570580590600光強(qiáng)T(mV)以T為縱坐標(biāo)，U為橫坐標(biāo)，畫T～U關(guān)系曲線，確定半波電壓Uπ的數(shù)值，并計(jì)算電光系數(shù)。(即T～U曲線)，求出半波電壓Uπ，再算出電光系數(shù)γ22 在實(shí)驗(yàn)中，用兩種方法測量鈮酸鋰晶體的半波電壓，一種方法是極值法，另一種方法是調(diào)制法。2）加上直流偏壓時(shí)呈現(xiàn)雙軸晶體的錐光干涉圖樣，它說明單軸晶體在電場的作用下變成了雙軸晶體。然后緊靠晶體前放一張鏡頭紙，這時(shí)在白屏上可觀察到單軸晶體的錐光干涉圖樣，如圖4。電箱內(nèi)裝有音箱插孔，用來再現(xiàn)聲音調(diào)制信號(hào)，面板上還有“調(diào)制信號(hào)”高頻插孔，用示波器測量顯示PIN光電二極管接收到的光強(qiáng)信號(hào)的大小。晶體放在四維調(diào)節(jié)架上，可精細(xì)調(diào)節(jié)，使光束嚴(yán)格沿晶體光軸方向通過。2．調(diào)制器。直流電壓的大小用“直流偏壓”旋鈕調(diào)節(jié)。因此，工作點(diǎn)雖然選定在了線性區(qū)，輸出波形仍然是失真的。②當(dāng)、Um時(shí)，如圖3(b)所示，把代入(18)式 即 T∝cos2ωt (21) 從(21)式可以看出，輸出信號(hào)的頻率是調(diào)制信號(hào)頻率的二倍，即產(chǎn)生“倍頻”失真。由(16)、(17)式可得 因此，可將(15)式改寫成 (18)其中U0是加在晶體上的直流電壓，Umsinωt是同時(shí)加在晶體上的交流調(diào)制信號(hào)，Um是其振幅，ω是調(diào)制頻率。根據(jù)半波電壓值，我們可以估計(jì)出電光效應(yīng)控制透過強(qiáng)度所需電壓。其中起偏振片的偏振方向平行于電光晶體的x軸，檢偏振片的偏振方向平行于y軸。電光調(diào)制根據(jù)所施加的電場方向的不同，可分為縱向電光調(diào)制和橫向電光調(diào)制。激光調(diào)制之所以常采用強(qiáng)度調(diào)制形式，主要是因?yàn)楣饨邮掌饕话愣际侵苯拥仨憫?yīng)其所接受的光強(qiáng)度變化的緣故。由已調(diào)制的激光輻射還原出所加載信息的過程則稱為解調(diào)。本實(shí)驗(yàn)研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應(yīng)，用鈮酸鋰晶體的橫向調(diào)制裝置測量鈮酸鋰晶體的半波電壓及電光系數(shù)，并用兩種方法改變調(diào)制器的工作點(diǎn)，觀察相應(yīng)的輸出特性的變化。在主軸坐標(biāo)中，折射率橢球及其方程為 (2)式中nnn3為橢球三個(gè)主軸方向上的折射率，稱為主折射率。由一次項(xiàng)aE0引起折射率變化的效應(yīng)，稱為一次電光效應(yīng)，也稱線性電光效應(yīng)或普克爾(Pokells)效應(yīng)；由二次項(xiàng)bE02引起折射率變化的效應(yīng)，稱為二次電光效應(yīng)，也稱平方電光效應(yīng)或克爾(Kerr)效應(yīng)。電光效應(yīng)在工程技術(shù)和科學(xué)研究中有許多重要應(yīng)用，它有很短的響應(yīng)時(shí)間(可以跟上頻率為1010Hz的電場變化)，可以在高速攝影中作快門或在光速測量中作光束斬波器等。5．光電接收器 PIN光電池6．有源音響 漫步者1．掌握晶體電光調(diào)制的原理和實(shí)驗(yàn)方法。光電子綜合實(shí)驗(yàn)實(shí) 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書巢湖學(xué)院電子工程與電氣自動(dòng)化學(xué)院2014年2月85 / 86目錄目錄 1實(shí)驗(yàn)一 晶體電光調(diào)制 2實(shí)驗(yàn)二 太陽能電池特性 12實(shí)驗(yàn)三 晶體的聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn) 19實(shí)驗(yàn)四 晶體的磁光效應(yīng)實(shí)驗(yàn) 26實(shí)驗(yàn)五 激光模式分析 28實(shí)驗(yàn)六　光敏元件特性實(shí)驗(yàn) 44實(shí)驗(yàn)七 LEDamp。2．學(xué)會(huì)用簡單的實(shí)驗(yàn)裝置測量晶體半波電壓、電光常數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。在激光出現(xiàn)以后，電光效應(yīng)的研究和應(yīng)用得到迅速的發(fā)展，電光器件被廣泛應(yīng)用在激光通訊、激光測距、激光顯示和光學(xué)數(shù)據(jù)處理等方面。一次電光效應(yīng)只存在于不具有對(duì)稱中心的晶體中，二次電光效應(yīng)則可能存在于任何物質(zhì)中，一次效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯著。當(dāng)晶體加上電場后，折射率橢球的形狀、大小、方位都發(fā)生變化，橢球方程變成 (3)晶體的一次電光效應(yīng)分為縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)兩種。鈮酸鋰晶體屬于三角晶系，3m晶類，主軸z方向有一個(gè)三次旋轉(zhuǎn)軸，光軸與z軸重合，是單軸晶體，折射率橢球是旋轉(zhuǎn)橢球，其表達(dá)式為 (4)式中n0和ne分別為晶體的尋常光和非常光的折射率。因?yàn)榧す鈱?shí)際上只起到了“攜帶”低頻信號(hào)的作用，所以稱為載波，而起控制作用的低頻信號(hào)是我們所需要的，稱為調(diào)制信號(hào)，被調(diào)制的載波稱為已調(diào)波或調(diào)制光。激光調(diào)制的方法很多，如機(jī)械調(diào)制、電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和電源調(diào)制等。利用縱向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做縱向電光調(diào)制，利用橫向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做橫向電光調(diào)制。因此入射光經(jīng)起偏振片后變?yōu)檎駝?dòng)方向平行于x軸的線偏振光，它在晶體的感應(yīng)軸x′和y′軸上的投影的振幅和相位均相等，設(shè)分別為 ex′=A0cosωt , ey′=A0cosωt (9)或用復(fù)振幅的表示方法，將位于晶體表面(z=0)的光波表示為Ex′(0)=A , Ey′(0)=A (10)所以，入射光的強(qiáng)度是 (11)當(dāng)光通過長為l的電光晶體后，x′和y′兩分量之間就產(chǎn)生相位差δ，即 Ex′(l)=A , Ey′(l)=A (12)通過檢偏振片出射的光，是該兩分量在y軸上的投影之和 (13)其對(duì)應(yīng)的輸出光強(qiáng)It可寫成 (14)由(11)和(14)式，光強(qiáng)透過率T為 (15)由(7)式 (16)由此可見，δ和加在晶體上的電壓有關(guān)，當(dāng)電壓增加到某一值時(shí)x′、y′方向的偏振光經(jīng)過晶體后可產(chǎn)生λ/2的光程差，相應(yīng)的相位差δ=π，由(15)式可知此時(shí)光強(qiáng)透過率T=100%，這時(shí)加在晶體上的電壓稱作半波電壓，通常用Uπ表示。由(16)式可得到 (17)其中d和l分別為晶體的厚度和長度。從(18)式可以看出，改變U0或Um，輸出特性將相應(yīng)的有變化。若把代入(18)式，經(jīng)類似的推導(dǎo)，可得 (22)即T∝cos2ωt，輸出信號(hào)仍是“倍頻”失真的信號(hào)。[實(shí)驗(yàn)儀器]晶體電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)儀器由晶體電光調(diào)制電源、光電接收器、HeNe激光器、調(diào)制器等組成。調(diào)制信號(hào)可由機(jī)內(nèi)音樂片提供，此調(diào)制信號(hào)是用裝在面板上的“音頻”鍵來選擇三個(gè)信號(hào)中的任意一個(gè)信號(hào)。調(diào)制器由一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的偏振片、一個(gè)格蘭棱鏡、一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的1/4波片和一塊鈮酸鋰晶體組成，采用橫向調(diào)制方式。3．光電接收器。1）調(diào)節(jié)激光管使激光束與晶體調(diào)節(jié)臺(tái)上表面平行，同時(shí)使光束通過各光學(xué)元件中心。一個(gè)暗十字圖形貫穿整個(gè)圖樣，四周為明暗相間的同心干涉圓環(huán)，十字形中心同時(shí)也是圓環(huán)的中心，它對(duì)應(yīng)著晶體的光軸方向，十字形方向?qū)?yīng)于兩個(gè)偏振片的偏振軸方向。3）兩個(gè)偏振片正交時(shí)和平行時(shí)干涉圖樣是互補(bǔ)的。1）極值法具體做法是：電源面板上的信號(hào)選擇開關(guān)撥到“靜態(tài)”擋，晶體上只加直流電壓，不加交流信號(hào)，把直流電壓從小到大逐漸改變，輸出的光強(qiáng)將會(huì)出現(xiàn)極小值和極大值，相鄰極小值和極大值對(duì)應(yīng)的直流電壓之差即是半波電壓Uπ。晶體厚度d= mm，寬度m=，長度L=50 mm，n0=，激光波長λ=。但是這種方法對(duì)調(diào)節(jié)的要求很高，很難調(diào)到最佳狀態(tài)。選擇5個(gè)不同的工作點(diǎn)40V、80V、120V、160V、200V，觀察接收信號(hào)的波形并畫出圖形。當(dāng)波片的快慢軸平行于晶體的感應(yīng)軸方向時(shí)，輸出信號(hào)線性調(diào)制；當(dāng)波片的快慢軸分別平行于晶體的x、y軸時(shí)，輸出光失真，出現(xiàn)“倍頻”失真。輸出信號(hào)通過接收放大器上的揚(yáng)聲器播放，可聽到音樂。1．HeNe激光管出光時(shí)，電極上所加的直流電壓高達(dá)千伏，要注意人身安全。做實(shí)驗(yàn)時(shí)，光強(qiáng)應(yīng)從弱到強(qiáng)，緩慢改變，盡可能在弱光下使用，這樣能保證接收器光電轉(zhuǎn)換時(shí)線性性良好。另一方面，煤炭、石油等礦物能源的使用，產(chǎn)生大量的COSO2等溫室氣體，造成全球變暖，冰川融化，海平面升高，暴風(fēng)雨和酸雨等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，給人類帶來無窮的煩惱。廣義地說，太陽光的輻射能、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、潮汐能都屬于太陽能,它們隨著太陽和地球的活動(dòng)，周而復(fù)始地循環(huán)，幾十億年內(nèi)不會(huì)枯竭，因此我們把它們稱為可再生能源。到達(dá)地球表面時(shí)，部分太陽光被大氣層吸收，光輻射的強(qiáng)度降低。太陽能不但數(shù)量巨大，用之不竭，而且是不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染的綠色能源，所以大力推廣太陽能的應(yīng)用是世界性的趨勢。與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，太陽能發(fā)電目前成本較高，所以通常用于遠(yuǎn)離傳統(tǒng)電源的偏遠(yuǎn)地區(qū)，2002年，國家有關(guān)部委啟動(dòng)了“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計(jì)劃”，通過太陽能和小型風(fēng)力發(fā)電解決西部七省區(qū)無電鄉(xiāng)的用電問題。其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。圖4 太陽能電池實(shí)驗(yàn)裝置光源采用碘鎢燈，它的輸出光譜接近太陽光譜。為太陽能電池伏安特性測量提供電壓。電流表：可以測量并顯示0～200mA的電流，通過“電流量程”選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。當(dāng)兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成PN結(jié)時(shí)，N區(qū)的電子(帶負(fù)電)向P區(qū)擴(kuò)散， P區(qū)的空穴(帶正電)向N區(qū)擴(kuò)散，在PN結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢壘電場。在一定的光照條件下，改變太陽能電池負(fù)載電阻的大小，測量其輸出電壓與輸出電流，得到輸出伏安特性，如圖2實(shí)線所示。同樣的電池及光照條件，負(fù)載電阻大小不一樣時(shí)，輸出的功率是不一樣的。轉(zhuǎn)換效率ηs定義為： (2)Pin為入射到太陽能電池表面的光功率。%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率可達(dá)到15%。因此，多晶硅薄膜電池可能在未來的太陽能電池市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)大面積