微弱光说明书

光强和光弱实验报告微弱光实验报告实验名称学院(系) 学生姓名学号专业课程名称实验地点班级课程号实验日期微弱光实验一、实验目的1、了解不同探测器对微弱光探测处理的原理及方法2、了解低噪声放大器的内部原理及应用原则二、实验内容1、普通光电二极管测量微弱光原理实验2、雪崩光电二极管测量微弱光原理实验3、光电倍增管测量微弱光原理实验4、低噪声放大器应用实验三、实验仪器1、微弱光测试实验仪1台2、光源组件1套3、光电二极管组件1套4、APD光电二极管组件1套5、光电倍增管组件1套6、衰减片组件系统1套7、连接线若干8、电源线1根四、注意事项1、连接电路时，保证电路未通电。

2、光源极性不要接反。

3、不要用强光持续照射光电倍增管，特别是在高压下，否则容易使倍增管老化。

五、实验操作成绩指导教师日期第页，共实验名称学院(系) 学生姓名学号专业课程名称实验地点班级课程号实验日期1、低噪声放大器应用实验一个光电探测系统是由光学变换、光电探测器和后续电路处理系统组成，一般光电探测器需连结多级放大器，我们称第一级放大器为前置放大器，对于一个由n个放大器级连成的放大系统，其噪声特性可由弗里斯（Friis）公式表达：NF?F1?Fn?1F2?1F3?1kP1kP1?kP2kP1?kP2?kPn?1（5.1.1）式中NF为系统的总噪声系数；F1为第一级放大器的噪声系数；Fn为第n级放大器的噪声系数；kP1为第一级功率增益，kPn为第n级功率增益。

由上式可以看出，多级放大器噪声系数的大小，主要取决于第一级放大器的噪声系数。

为了使多级放大器的噪声系数减小应尽量减小第一级的噪声系数，同时提高第一级的功率增益kP1，这是指导我们设计低噪声放大器的一个重要原则。

此外，还需考虑放大器的频率特性，动态范围，信号源阻抗等要求。

所以具体电路因系统不同而异。

从低噪声要求出发应考虑如下几点：1）选择内部噪声低，信号源电阻合适的管子前置放大器可由晶体管、结型场效应管、绝缘栅场效应管和集成电路组成。

项目四用单光子计数器检测微弱光I、项目简介光子计数也就是光电子计数，是微弱光（低于10－14W）信号探测中的一种新技术。

它可以探测弱到光能量以单光子到达时的能量。

目前已被广泛应用于喇曼散射探测、医学、生物学、物理学等许多领域里微弱光现象的研究。

[项目对象]本项目可面向理、工、农、林各专业。

[项目目的]1、介绍微弱光的检测技术，使学生了解SGD-1实验系统的构成原理；2、了解单光子计数的基本原理、基本实验技术和弱光检测中的一些主要问题以及了解微弱光的概率分布规律。

[项目任务]使用SGD-1型单光子计数器实验系统检测微弱光，观察不同强度的光线入射时光电倍增管的输出波形分布并推算出相应的光功率。

[项目成果要求]最后以项目论文形式给出结论（注：论文中需包含检测所得的图像）。

II、实验讲义单光子计数也就是单光电子计数，是微弱光（低于10－14W）信号探测中的一种新技术。

它可以探测弱到光能量以单光子到达时的能量。

目前已被广泛应用于喇曼散射探测、医学、生物学、物理学等许多领域里微弱光现象的研究。

单光子计数方法，是利用弱光照射下光电倍增管输出电流信号自然离散化的特征，采用了脉冲高度甄别技术和数字计数技术。

与模拟检测技术相比有以下优点：1、测量结果受光电倍增管的漂移、系统增益的变化及其它不稳定因素影响较小。

2、基本上消除了光电倍增管高压直流漏电流和各倍增级的热发射噪声的影响，提高了测量结果的信噪比。

可望达到由光发射的统计涨落性质所限制的信噪比值。

3、有比较宽的线性动态范围。

4、光子计数输出是数字信号，适合与计算机接口作数字数据处理。

所以采用光子计数技术，可以把淹没在背景噪声中的微弱光信息提取出来。

目前一般光子计数器的探测灵敏度优于10－17W，这是其它探测方法所不能比拟的。

一、项目任务使用SGD-1型单光子计数器实验系统检测微弱光，观察不同强度的光线入射时光电倍增管的输出波形分布并推算出相应的光功率。

二、仪器介绍本实验使用的是SGD-1型单光子计数器。

第24卷第3期大学物理实验Vol.24No.32011年6月PH Y SICA L EXPERI M ENT OF CO L LEG EJun.2011收稿日期:2011 01 25文章编号:1007 2934(2011)03 0023 03用单光子计数系统检测微弱光信号吴丽君(沈阳理工大学,辽宁沈阳 110159)摘要:阐述了单光子计数实验中采用脉冲幅度甄别器和光子计数器测量光子数的实验原理,绘制了不同光照时间下的实验曲线,讨论了可能影响实验测量精度及产生误差的原因。

关键词:单光子计数;光功率中图分类号:G424 3文献标志码:A光子计数技术,是检测极微弱光的有力手段,这一技术是通过分辨单个光子在检测器(光电倍增管)中激发出来的光电子脉冲,把光信号从热噪声中以数字化的方式提取出来。

这种系统具有良好的长时间稳定性和很高的探测灵敏度。

目前,光子技术系统广泛应用于科技领域中的极微弱光学现象的研究和某些工业部分中的分析测量工作,如在天文测光、大气测污、分子生物学、超高分辨率光谱学、非线性光学等现代科学技术领域中,都涉及极微弱光信息的检测问题。

1实验原理1.1光子流量和光流强度光是由光子组成的光子流,光子是一种没有静止质量,但有能量(动量)的粒子。

一个频率为v(或波长为 )的光子,其能量为E F =hv =hc/ (1)式中普朗克常量,h =6.6 1034(Jg S),一束单色光的功率等于光子流量乘以光子能量,即P =RgE p (2)光子的流量R (光子个数/S )为单位时间内通过某一截面的光子数,如果设法测出入射光子的流量R,就可以计算出相应的入射光功率P 。

有了一个光子能量的概念,就对微弱光的量级有了明显的认识,例如,对于氦 氖激光器而言,1m W 的光功率并不是弱光范畴,因为光功率P =1mW ,则R =P E p=3.2 1015光子/S所以,1mW 的氦 氖激光,每秒有1015量级的光子,从光子计数的角度看,如此大量的光子数是很强的光子。

微弱光探测与光谱分析实验1. 平面光栅的分光原理光学多通道分析器原理为平行光束入射到平面光栅G（光栅平面的方位可由精密机械调节）时, 将发生衍射, 衍射时有光栅方程：sin,0,1,2dkk（3.4-1）式中d是光栅常数, λ是入射光波长, k是衍射级次, θ为衍射角。

由光栅方程可知, 当光栅常数d一定时, 不同波长的同一级主最大, 除零级外均不重合, 并且按波长的大小, 自零级开始向左右两侧, 由短波向长波散开。

每一波长的主最大, 在光栅的衍射图样中都是很细、很锐的亮线。

由dsinθ=kλ可知, 级次间距对应cos,/(cos)dd, 当角度θ较小的时, 角度间隔∆θ最小, 当角度θ增加时, 角度间隔∆θ增加。

所以光谱排列并非按角度θ线性分布。

当角度θ较小时可以简化为线性, 即可采用线性定标, 更进一步可以从级数展开的角度采用2次、3次、或4次定标。

2. 谱线定标定标: 是指在相同的衍射级次（一般取第1级次）下, 采集已知谱线, 然后对已知谱线定标, 随即将横坐标由CCD的通道转化为波长；在已定标的波长坐标下, 采集未知的谱线, 可直接通过读取谱线数据、读取坐标数据或寻峰的方式获取未知谱线的波长。

定标和采集未知谱线必须有相同的基础, 那就是起始波长或中心波长。

在本实验中的起始波长或中心波长是一个参考数据, 是通过转动光栅到某一个位置来实现的, 但由于是机械转动, 重复性比较差, 因此需要定定标也是有误差的。

定标使用谱线位置的远近, 以与采用的是几次定标, 都会影响到数据的准确性。

由于CCD的敏感波长为300nm-900nm, 由公式dsinθ=kλ可知, 得θ取值为10.4º~32.7º之间。

我们在测量未知波长时是通过已知的两个或多个（本实验仪器最多允许选择5个已知波长做四次定标）波长定标。

定标涉与到以下的问题:（1）参考波长是否可靠（2）参考波长就是光谱采集系统显示的中心波长或起始波长, 该参数既然是参考波长, 一般就有误差, 不准确, 差10nm左右都不会对测量结果带来影响。

光电检测技术——微弱光检测一、相关检测原理 (2)1 相关函数 (2)2、相关检测 (3)二、锁定放大器 (6)1、基本原理 (6)2、锁定放大器的主要参数 (8)三、光子计数技术 (10)1、基本原理 (10)2、光子计数器的组成 (13)3、光电倍增管 (14)4、光子计数系统的测量误差 (15)在许多研究和应用领域中，都涉及到微弱信号的精密测量。

然而，由于任何一个系统部必然存在噪声,而所测量的信号本身又相当微弱,因此，如何把淹没于噪声中的有用信号提取出来的问题具有十分重要的意义.在光电探测系统中，噪声来自信号光、背景光、光电探测器及电子电路.通常抑制这些光学噪声和干扰的方法是：合理压缩系统视场，在光学系统结构上抑制背景光，加适当光谱滤波器，空间滤波器等以抑制背景光干扰.合理选择光信号的调制频率，使信号频率远离市电（50Hz)频率和空间高频电磁波频率，偏离l／f噪声为主的区域，以使光电探测系统在工作的波段范围内达到较高的信噪比.此外，在电子学信号处理系统中采用低噪声放大技术，选取适当的电子滤波器限制系统带宽，以抑制内部噪声及外部干扰。

保证系统的信噪比大大改善，即使信号较微弱时，也能得到S/N〉1的结果。

但当信号非常微弱，甚至比噪声小几个数量级或者说信号完全被噪声深深淹没时，再采用上述的办法，就不会有效，必须利用信号和噪声在时间特性方面的差别，也即利用信号和噪声在统计特性上的差别去区分它们，来提取被噪声淹没的极微弱信号，即采用相关检测原理来提取信号。

一、相关检测原理利用信号在时间上相关这一特性，可以把深埋于噪声中的周期信号提取出来，这种摄取方法称为相关检测或相干接收,是微弱信号检测的基础。

信号的相关性用相关函数采描述，它代表线性相关的度量,是随机过程在两个不同时间相关性的一个重要统计参量。

1 相关函数相关函数R xy是度量两个随机过程x（t), y（t）间的相关性函数，定义为(1）式中τ为所考虑时间轴上两点间的时间间隔。

微弱光信号的检测对微弱或者极弱光的检测，在科学研究与军事等领域有着广泛的应用。

微弱光信号的检测、方法也是多种多样，但常用的方法由于灵敏度有限，难以满足要求。

光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。

它主要利用电子技术来对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。

其原理是通过光电探测器件将光学信息量变换成电信号，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。

该方法利用高性能运放来设计检测电路，因而具有精度高、稳定性好等优点。

本检测系统的设计由光电二极管、前置放大电路、 滤波电路、主放大电路、A/D 转换电路，控制和信号处理电路等组成，其结构框图如图1所示图11. 电路基本原理用光电二极管组成的光电检测电路，实际上是一个光→电流→电光电二极管 光信号前值放大电路 光电二极管主放大电路 A/D 转换 控制处理器 上位机压的变换器。

首先由光电二极管将接收的光信号变成与之成比例的微弱电流信号，再通过运放和反馈电阻组成的放大器变换成电压信号。

其基本电路如图2所示。

图2 光电流-电压转换电路假定运放为理想的运放，其输入电阻和放大倍数都为无穷大，则输出电压为U0=I P R。

理论上，系统的输出电压U0的值与输入电流I P 成线性关系，灵敏度由反馈电阻R确定。

而实际应用中，由于要受到运放失调电压V od与偏置电流I b的影响，其输出电压总要产生误差。

误差电压一般为：U0=V od(1+RR d)+I b R其中R d为光电二极管的结电阻。

由此式中可以看出，当运放的失调电压与偏置电流都较小时，输出电压误差也较小。

因此，选择运放时，应选择性能参数都符合要求的运放。

木设计选择AD795KN作为前置放大器。

2.检测电路设计光电二极管所接收到的信号一般都非常微弱，而且输出的信号往往被深埋在噪声之中。

因此，对这样的微弱信号一般都要先进行放大、滤波，然后通过模数转换将信号传输给后续处理器电路。

Jiangsu Wenrun Optoelectronic Co. Rev:1SpecificationCustomer confirmApproved byChecked byIssued byJiangsu Wenrun Optoelectronic Co.,LTD Rev:1 Tel************** Fax ：************* Page 1 of 7 ◆Features:● E mitting dot 5.0mm diameter.● High efficiency, low power consumption. ● Extremely low current. ● Low development cost.● Big viewing angle vertically and horizontally.● This product doesn’t contain restriction Substance, comply ROHS standard.◆Descriptions:● The LMD23058 is a 60.6mm (2.3") matrix height 5×8 dot matrix display. ● These devices are made with white dots and black surface.◆Application● Instrument panels.● Digital read out display.◆Selection Guide:Part No. ChipMaterial Emitting ColorLens ColorLMD23058BAG-101AnodeAlGaInPHigh Super Green White DiffusedJiangsu Wenrun Optoelectronic Co.,LTD Rev:1 Tel************** Fax ：************* Page 2 of 7 ◆Absolute Maximum Rating （Ta=25℃）ParameterSymbol High Super GreenUnit Power Dissipation/Segment P d 70 mW Peak Forward Current /Segment I FP 80 mA Continuous Forward Current/Segment ① I F 20 mA Reverse V oltage /Segment V R 5 V Operating Temperature Range Topr -40~ +85 ℃ Storage Temperature Range Tstg -40~ +85 ℃ Solder Temperature ②Tsol260±5℃Notes ：1、This is the limit current. It is not allowed to use when the product work continuously.2、Soldering time ≤5 seconds.3、I FP condition: pulse width ≤1ms ,duty cycle ≤1/10◆Electrical Optical Characteristics （Ta=25℃）High Super GreenParameter SymbolTyp.Max. UnitTestCondition Luminous Intensity/ Dot I V 7.3 mcd I F =10mA Forward V oltage / Dot V F 2.0 2.5 V I F =20mA Reverse Current/ Dot I R -- 50 uA V R =5V Dominant Wavelength λd 570 nm I F =20mA Spectral Line Half Width Δλ30nm I F =20mAJiangsu Wenrun Optoelectronic Co.,LTD Rev:1 Tel************** Fax ：************* Page 3 of 7 ◆Package Dimensions:NOTES ：∙ All dimensions are in millimetres (mm), Tolerance is ±0.25mm unless otherwise noted. ∙ Specifications are subject to change without notice.◆Internal Circuit:Common AnodeLMD23058BAG-10187653423214COL ROW5186753421Jiangsu Wenrun Optoelectronic Co.,LTD Rev:1 Tel************** Fax ：************* Page 4 of 7 ◆Reliability(1) Test Items and ConditionsNO Test Item Test ConditionsSample Ac/Re 1 Temperature Cycle -40±5℃→25±5℃→85±5℃→25±5℃ (30min ，5min ，30min ，5min) 20 Cycles 20 0/1 2 High Temperature Storage Ta ：100±5℃Test time=1000HRS(-24HRS,+72HRS) 20 0/1 3 High Temperature And High Humidity Working Ta ：85±5℃，R H :85±5%，IF=10mA/seg Test time=500HRS(-24HRS,+72HRS) 20 0/1 4 Low Temperature Storage Ta ：-40±5℃Test time=1000HRS(-24HRS,+72HRS) 20 0/1 5 Operating Life Test Connect with a power IF=10mA/seg Ta=25±5℃Test time=1000HRS(-24HRS,+72HRS) 20 0/1 6 Solder Resistance T.Sol=260±5℃ one timeDwell Time=5±1Secs ，distance 3mm 20 0/1 7Thermal Shock-40±5℃→85±5℃(15min ，15min) 20Cycles200/1(2)Criteria of judging the damageCriteria for judgement Item Symbol Test condition Min. Max. Forward voltage VF IF=10mA/Seg / U.S.L*1.1 Reverse current IR VR=5V / 15uA Luminous intensity IV IF=10mA/Seg L.S.L*0.7/ Wave length λD/λPIF=10mA/Seg /U.S.L ±2nmAppearance/View checkNo mechanical damage* U.S.L: Upper standard level L.S.L: Lower standard levelJiangsu Wenrun Optoelectronic Co.,LTD Rev:1 Tel************** Fax ：************* Page 5 of 7 ◆Typical Electro-Optical Characteristics Curves◆Storage and application notices1、 Storage1. Before opening package: the LEDs should be kept at 18-30℃, related humility: 30-70%RH.They should be used out within 3mothes;2. LEDs should be used out within 24Hs after opening package to avoid the lead frame’s corrode;3. The internal box can not be contacted with ground to prevent absorption of moisture4. No acid, alkali, salt, corrosive and explosive gas; away from sunlight and keep the environment clean;2、 Application1．Do not use any unknown chemical liquid to clean LED, it will damage the LED resin surface; use the alcohol under the room temperature if necessary but less than 1 min;2．When forming lead frame, the lead frame should be bent at a point at least 2mm from the base of epoxy. The forming should be done before soldering which can avoid epoxy’s broken and internal structure’sJiangsu Wenrun Optoelectronic Co.,LTD Rev:1 Tel************** Fax ：************* Page 6 of 7 damage. Forming must be operated by the specific jig or the qualified operator to make sure the lead frame and distance are as same as the circuit board. Specific is shown as below,Mark:“○” means correct ，“×”means incorrect.3．Do not apply any bending stress to the surface of the LED. The stress to the surface may damage the surface ink color and internal connection which causes the electric character & appearance’s failure. 4．a. Soldering iron power: under 30W; soldering temperature: 295℃±5℃; soldering time: within 3sec.(only1time) ;b. Soldering temperature in solder machine: 250℃±10℃; soldering time: within 5sec.c. Soldering temperature during wave soldering process: 230℃±10℃, soldering time: within 5sec. 5．The LEDs should be soldered at the coordinated position on the PCB; the distance from soldering point to epoxy resin should be 3mm at least. If the 2nd soldering process required, 3mins must be left to ensure the high temperature status can return to room temperature. But the recommended soldering time is only 1time in principle.6．If solder the LEDs on one PCB by the soldering iron; do not solder the different lead frames of one LED, but solder in proper sequence; 7．Note of Electrical matter:① One-way conduction, LED does not allow the reverse driving;Jiangsu Wenrun Optoelectronic Co.,LTD Rev:1 Tel************** Fax ：************* Page 7 of 7 ②a. LED is a kind of constant current component which can not be lighted by the constant voltage mode;a smaller voltage fluctuation can cause the large current fluctuation which causes the failure of LED; b. Each LED should be drove under constant current mode if in a parallel circuit design, otherwise, thecolour and brightness will be nonuniform;c. When the environmental temperature rising, the LED junction temperature will rise, internalresistance will decrease, so the current will be increased by the constant voltage power which short the life span;③ If the brightness of lighting source can meet the requirement, we recommend using the drivingcurrent less than the rated current, in order to improve the product’s reliability;8．LED is a kind of electrostatic sensitive devises, anti-static measures have to be processed during storage and operation:① LED production workshop should lay anti-static floor and ground connection, the work table haveto use the anti-static materials and cover a table mater with the surface resistance of 106-109Ω ② Production machine: REFLOW, SMT equipment, electric iron, test equipment; all the equipmentsmust be well grounded, and the grounding alternating current impedance should be less than 1.0Ω. A fan need to be installed on the equipments and production processes that easy to generate static electricity; the operators must wear anti-static clothing, shoes, wristband , and gloves, etc. in the process;③ LEDs must be contained in the anti-static box, and all the package material should be the anti-staticmaterials;9．The details electronic characters can refer to our product specification.◆Notes:1、Above specification may be changed without notice. We will reserve authority on material changefor above specification.2、When use this product, please observe the absolute maximum ratings and the instructions for thespecification sheets. We assume no responsibility for any damage resulting from using of the product which does not comply with the instructions included in the specification sheets.。