【正文】 s 的關(guān)系是 (9)21???????sevIS?式中 是聲速， 是介質(zhì)密度。于是()式寫成s25 / 32 (10)?????????????????????? 21221362sinsinsseMILvpL??????或 (11)212sins siIPH?????????式中，M2 是聲光介質(zhì)的物理參數(shù)組合，是由介質(zhì)本身性質(zhì)決定的量，稱為聲光材料的品質(zhì)因數(shù)( 或聲光優(yōu)質(zhì)指標)，它是選擇聲光介質(zhì)的主要指標之一。從(4)式可見：(a)若在超聲功率 Ps 一定的情況下，欲使衍射光強盡量大，則要求選擇 M2 大的材料，并且，把換能器做成長面較窄（即 L 大 H ?。┑男问?；(b)如果超聲功率足夠大，使 2sMP??達到 π/2 時，＝100%(c)當 Ps 改變時，I1/I 0 也隨之改變，因而通過控制 Ps(即控制加在電聲換能器上的電功率)就可以達到控制衍射光強的目的，實現(xiàn)聲光調(diào)制。四、實驗步驟光路的調(diào)節(jié)(1) 在光具座的滑座上放置好激光器和光電接收器，并安裝好聲光調(diào)制器的載物臺；(2) 按系統(tǒng)連接方法將激光器、聲光調(diào)制器、光電接收器等組件連接到聲光調(diào)制電源箱；(3) 光路準直：打開電源開關(guān)，接通激光電源。用光闌來調(diào)整光路，先將半導體激光器放置在導軌零點處鎖定，把光闌拉到激光器附近，再由近及遠，觀察激光光斑打在光闌上的位置，調(diào)整激光器調(diào)整架的前后兩個螺絲，使激光光斑打在由近及遠光闌上的位置保持一致，反復調(diào)節(jié)，使得一定距離內(nèi)激光束是平行光；(4) 將聲光調(diào)制器的通光孔置于載物平臺的中心位置，調(diào)整好高度，使得激光束剛好通過通光孔；(5) 調(diào)整光電探測器的高度，使得激光束落在光電傳感器中心。觀察聲光調(diào)制的衍射現(xiàn)象（1）調(diào)節(jié)激光束的亮度，使在相屏中心有明晰的光點呈現(xiàn)，此即為聲光調(diào)制的 0 級光斑；（2）打開聲光調(diào)制電壓，此時以 80MHz 為中心頻率的超聲波開始對聲光晶體進行調(diào)制；26 / 32（3）微調(diào)載物平臺上聲光調(diào)制器的轉(zhuǎn)向，以改變聲光調(diào)制器的光束入射角，即可出現(xiàn)因聲光調(diào)制而出現(xiàn)的衍射光斑；（4）仔細調(diào)節(jié)光束對聲光調(diào)制器的角度，當+1 級（或者－1 級）衍射光最強時，聲光調(diào)制器即運轉(zhuǎn)在布拉格條件下的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)。注：布拉格衍射一級衍射達到極值的條件是：1)控制電壓為一特定的值；2) 入射激光必須以特定的角度布拉格角 α 入射。觀察交流信號調(diào)制特性打開信號發(fā)生器，輸入交流的正弦波信號。加法器把直流偏壓和信號發(fā)生器的交流電壓疊加在一起輸出到線性聲光調(diào)制器上，在示波器上可看到被調(diào)制的半導體激光的正弦波，測出示波器上信號波的相對幅度。改變直流偏壓的大小或增加信號發(fā)生器的信號強度，觀察輸出波形的調(diào)制特性。不失真波形 下失真波形 上失真波形聲光調(diào)制與光通訊實驗演示 在驅(qū)動源輸入端加入外調(diào)制信號（如音頻信號、文字和圖像等） ，則衍射光強將隨次信號變化，從而達到控制激光輸出特性的目的，實現(xiàn)模擬光通信和圖像處理。測量聲光調(diào)制器的衍射效率定義：在作用距離 處衍射光強和入射光強之比為聲光衍射效率。L衍射效率 ，其中 為最大衍射光強， 為 0 級光強。0maxId??maxdII計算聲光調(diào)制偏轉(zhuǎn)角定義 1 級光和 0 級光間的距離為 d，聲光調(diào)制器到接收孔之間的距離為 L,由于 L〉 〉d，即可求出聲光調(diào)制的偏轉(zhuǎn)角： ??L測量超聲波的波速將超聲波頻率 F，偏轉(zhuǎn)角 與激光波長代入 ，其中 F=80MHz，d dsFV???，將求出的 一起帶入上式即可求得。nm650??d?六、注意事項調(diào)節(jié)過程中必須避免激光直射人眼，以免對眼睛造成危害。供電電源應提供保護地線，示波器的地線需與系統(tǒng)良好連接。27 / 32為防止強激光束長時間照射而導致光敏管疲勞或損壞，調(diào)節(jié)使用后需要隨即用塑蓋將光電接收孔蓋好。七、思考題上失真和下失真出現(xiàn)的原因是什么？聲光調(diào)制偏轉(zhuǎn)角測量實驗可以如何進行改進以提高測量精度？28 / 32實驗六、APD 特性參數(shù)的測量一、實驗目的加深對雪崩光電二極管工作原理的理解。掌撐雪崩光電二極管暗電流、光電流的測量方法。理解雪崩光電二極管光照特性曲線，并掌握其光照特性測量方法。二、實驗內(nèi)容測試 APD 的暗電流、光電流及光電特性。三、實驗儀器APD 光電二極管實驗箱 一臺四、實驗原理雪崩光電二極管(APD)的結(jié)構(gòu) 雪崩光電二極管(APD)的結(jié)構(gòu)與 PIN—PD 不同表現(xiàn)在增加了一個附加層，以實現(xiàn)碰撞電離產(chǎn)生二次電子—空穴對，在反向時夾在 I 層和 N 層間的 P 層中存在高電場，該層稱為倍增區(qū)或增益區(qū)（雪崩區(qū)）,耗盡層仍為 I 層，起產(chǎn)生一次電子—空穴對的作用。 SiAPD 最典型的結(jié)構(gòu)是拉通型 RAPD 如圖 1 所示，有四層結(jié)構(gòu)：高摻雜的 N+型半導體，為接觸層；P 型半導體，為倍增層（或稱雪崩區(qū)） ；輕摻雜半導體 π 層，為漂移區(qū)（光吸收區(qū)） ；高摻雜的 P+型半導體，為接觸層。圖 1 RAPD 的結(jié)構(gòu)雪崩光電二極管(APD)的工作原理SAMAPD 管有四層結(jié)構(gòu)：高摻雜的 N+型半導體，為接觸層；P 型半導體，為倍增層（或稱雪崩區(qū)） ；輕摻雜半導體 I 層，為漂移區(qū)（光吸收區(qū)） ；高摻雜的 P+型半導體，為接觸層。 當外加的反向偏壓 (約 100V—150V)比 PIN 情況下高得多時，這個電壓幾乎都降到 PN結(jié)上。特別是在高阻的 PN 結(jié)附近，電場強度可高達 105V/m，已經(jīng)高出碰撞電離的電場。SAMAPD 管在外加的反向偏壓( 約 50V—150V)下的場分布如圖 11 所示。 此時若光從 P+區(qū)照射，則和 PIN 一樣，大部分光子將在較厚的 I 層被吸收，因而產(chǎn)生電子、空穴對。如圖 2 所示。雪崩光電二極管具有光生伏特效應，當有入射光作用時，光子的能量大于或等于帶隙（ ） ，在耗盡層區(qū)、n 區(qū)和 P 區(qū)都會發(fā)生受激吸收，即價帶的電子吸收光子的能量gEhf?29 / 32躍遷到導帶形成光生電子空穴對。若電子空穴對在耗盡層內(nèi)，由于內(nèi)部電場的作用，電子向 N 區(qū)運動，空穴向 P 區(qū)運動，形成漂移電流。若電子 空穴對在耗盡層兩側(cè)沒有電場的中性區(qū)，由于熱運動，部分光生電子和空穴通過擴散運動可能進入耗盡層，然后在電場的作用下，形成與漂移電流相同方向的電流，稱為擴散電流。漂移電流和擴散電流的總和即為光生電流。若外電路開路，則光生的電子和空穴分別在 N 區(qū)和 P 區(qū)積累，形成電動勢，這就是光生伏特效應。若外電路閉合，N 區(qū)過剩的電子通過外電路流向 P 區(qū)，同樣，P 區(qū)的空穴流向 N 區(qū)，便形成了光生電流。當入射光變化時，光生電流隨之變化，從而將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。圖 2 光子在 I 層被吸收產(chǎn)生電子、空穴對這里，光生電流信號的大小與入射光子的數(shù)量有關(guān)系。另一方面，我們還知道了雪崩光電二極管工作時，一般加反向偏壓，加反向電壓后可以提高雪崩光電二極管的響應度，改變固有的電子動動速度。因此，理論上講偏壓的大小也能夠影響光生電流的大小。雪崩光電二極管光照特性雪崩光電二極管在一定負偏壓下，當入射光的強度發(fā)生變化時，通過雪崩光電二極管的電流隨之變化，在較小負載電阻下，光電流和照度成線性關(guān)系。如圖 31 所示。這就是雪崩光電二極管的光照特性。圖 3 光照特性曲線五、實驗步驟暗電流測量（1）用航空插座連接線與 APD 原理實驗箱上的“APD 輸入”接口相連，使用同軸電纜線進行連接 LED1 與光源；將高壓調(diào)節(jié)、光照度調(diào)節(jié)電位器逆時針調(diào)節(jié)到最小為止。 ARC020V可調(diào) V30 / 32圖 4 APD 光電二極管測量原理圖（2）按光路結(jié)構(gòu)圖進行組裝好光路，（3）將“靜態(tài)特性測試/時間特性測試”開關(guān)（以下簡稱“靜態(tài)/時間”開關(guān)）打到“靜態(tài)特性測試”檔；（4）將高壓開關(guān)打到開，緩慢調(diào)節(jié)高壓調(diào)節(jié)旋鈕至電壓表顯示為 155V，記下此時電流表的顯示值，該值即為 APD 光電二極管在 155V 時的暗電流；（在調(diào)節(jié)偏壓時請慢慢進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時注意電壓表上顯示的電壓值，請不要調(diào)節(jié)超過 160V，超過 160V 可能會造成APD 器件的損壞）（5）將高壓調(diào)節(jié)旋鈕逆時針調(diào)節(jié)到零光電流測量（1）將“靜態(tài)/時間”開關(guān)打到“靜態(tài)特性測試”檔；將光源與照度計探頭旋接，并與實驗箱上的“LED2”相連。（2）將高壓開關(guān)打至開，緩慢調(diào)節(jié)高壓調(diào)節(jié)旋鈕，將高壓調(diào)節(jié)至 150V。光照度調(diào)節(jié)為 0Lx,如照度不為零請調(diào)節(jié)照度表右邊的調(diào)零電壓器將其調(diào)至為零。（3）緩慢調(diào)節(jié)光照度電位器，分別記下照度在 10Lx,20Lx,30Lx,40Lx 時的電流值。緩慢調(diào)節(jié)高壓調(diào)節(jié)旋鈕，分別記下電壓為 120V,125V，130V，135V，140V，145V 和150V 時的電流值10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110120125130135140145150（4）將高壓調(diào)節(jié)旋鈕逆時針調(diào)節(jié)到零；光照度調(diào)節(jié)旋鈕逆時針調(diào)節(jié)到零；光照特性測量（1）將實驗箱上的“靜態(tài)/時間”開關(guān)打到“靜態(tài)特性測試”檔；（2）調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)旋鈕使照度表顯示為 1lx。（3）緩慢增加電壓至 150V，記下此時的電流值；再將電壓逆時針調(diào)節(jié)到零。（4）重復步驟（2） ，依次記下光照度為1lx，2lx，3lx，4lx，5lx,6Lx,7Lx,8Lx,9Lx,10LX,11Lx,12Lx,13lx,14Lx,15Lx 時的電流值。照度值(Lx) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15電流六、思考題試說明雪崩光電二極管的暗電流存在的原因。正常工作時，為什么要給雪崩光電二極管加反向偏壓。照度電流偏壓31 / 3