测量子效率方法与步骤

实验二半导体激光器P―I特性曲线的绘制一、实验目的1、学习半导体激光器的发光原理。

2、了解半导体激光器输出光功率与注入电流的关系。

3、掌握半导体激光器P-I特性曲线的测试及绘制方法。

二、实验内容测量半导体激光器的输出光功率和注入电流，并画出P-I关系曲线。

三、实验原理半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系如图2-1所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流(或称阈值电流)，用I th表示。

在阈值电流以下，激光器工作于自发发射，输出荧光，光功率很小。

在门限电流以上，激光器工作于受激发射，输出激光，光功率随驱动电流迅速上升，基本成线性关系；激光器的电流与电压的关系类似于正向二极管的特性，如图2-2所示。

图2-1 激光器的功率特性图2-2 激光器的伏安特性阈值条件就是光谐振腔中维持光振荡的条件。

设受激发射所产生的光介质的平均增益系数(单位长度上的增益)为g，光介质的平均损耗系数为a，则光谐振腔产生和维持光振荡的条件为光子在光谐振腔中来回反射一次所产生的光能增益大于或等于光能的损耗，用公式表示为：(2-1)式中L 为光谐振腔的长度，r1、r2分别为光谐振腔两端镜面的反射系数(O<rl<1;O<r2<1)。

门限状态下的增益系数为th g 为：（2-2）式中J th 为门限状态下注入有源区的电流密度,β为平均增益因子，其值取决于激光器的材料与结构,从电流密度J th 按下式可决定门限电流I th 为：（2-3）式中b 为有源区宽度，ξ>1为电流侧向扩展因子,可使ξ接近1，故能获得小的门限电流。

激光器功率特性的线性程度对模拟光纤传输系统的非线性失真指标影响很大。

半导体激光二极管(LD)或简称半导体激光器与发光二极管LED 不同，它通过受激辐射发光，是一种阈值器件。

由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率(≥10mW)辐射，而且输出光发散角窄(垂直发散角为30—50°，水平发散角为0～30°)，与单模光纤的耦合效率高(约30％～50％)，辐射光谱线窄，适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速(>20GHz)直接调制。

新蓝光LED目标80％外部量子效率由日本松下电工（Matsushita Electric Works Ltd）与美国加州大学圣塔芭芭拉分校（USCB）共同研究的计划，已开发出具有43.6％外部量子效率的发光二极管（LED）。

外部量子效率是LED亮度的指标，而其数值大约是现有设计的两倍（图1）。

研究结果是在2008年1月于加州圣荷西举行国际光学技术展览研讨会Photonics West 2008中发表。

除了亮度以外，其芯片有特别122˚宽广的光学发射角，使它适合用在照明应用。

研究员相信效率可以更为改善，而根据一位松下电工的来源透露他们的目标是80％，超过现有商业化LED 的1.5倍。

无蓝宝石基板这新LED的结构很明显的与现有普遍的设计不同，研究团队称该结构为「mega-cone」，为一个六方锥的氧化锌（ZnO），大约0.5mm高，镶嵌在GaN半导体放射层的顶端（图2）。

其放射层的后端是连接到SiO2的介电层，铝反射膜及Si芯片通过电极上。

基本上大部分的GaN LED 是平面的组件，以p-与n-型的GaN晶体堆栈在蓝宝石基板上。

根据松下电工先进技术联合实验室LED装置nBT小组发表者Akihiko Murai表示，「这独特结构的采用是以提高其光发射效率，而不是用来改善发射层内的内部量子效率」。

外部量子效率是内部量子效率的产物（在发射层内产生的光）及光从芯片所输出的效率。

研究者藉由增加后者制造更亮的LED。

有两个关键的方法来利用，首先是在发射点使用ZnO，原因是因为它2.1的高折射率。

折射率愈高，光从GaN发射层将整个反射在ZnO界面上就愈不可能。

第二点是将ZnO形成一个六方锥。

当光从芯片输出时，其锥体的形状能有效地扩大发射角。

此种形状使用ZnO晶体的技术，是在2006年由相同的团队所提出，但他们同时也使用了蓝宝石基板，而外部量子效率最大值只达到23.7％，低于预期。

Murai解释说，「我们相信其低的效率是由于蓝宝石基板的热传导系数很低、及其它的因素」。

叶绿素荧光分析方法叶绿素荧光分析具有观测手续简便,获得结果迅速,反应灵敏,可以定量,对植物无破坏、少干扰的特点。

它既可以用于叶绿体、叶片,也可以遥感用于群体、群落。

它既是室内光合基础研究的先进工具,也是室外自然条件下诊断植物体内光合机构运转状况、分析植物对逆境响应机理的重要方法。

现在人们可以通过叶绿素荧光分析估计量子效率、光合能力,利用荧光参数计算光合电子传递速率、胞间CO2浓度,并且试图利用荧光参数快速筛选遗传变异的植物。

有人甚至预言,将来荧光分析可能会代替气体交换测定。

20世纪80年代以来,调制荧光仪,特别是便携式荧光仪的商品化,使荧光分析在光合作用研究中得到这样广泛的应用,以至如果不懂荧光分析技术,便很难看懂近年的光合作用研究文献。

1.基本原理光合机构吸收的光能有三个可能的去向：一是用于推动光化学反应,引起反应中心的电荷分离及后来的电子传递和光合磷酸化,形成用于固定、还原二氧化碳的同化力(ATP和NADPH)；二是转变成热散失；三是以荧光的形式发射出来。

由于这三者之间存在此消彼长的相互竞争关系,所以可以通过荧光的变化探测光合作用的变化(图4-1)。

实际上,以荧光形式发射出来的光能在数量上是很少的,还不到吸收的总光能的3%。

在很弱的光下,光合机构吸收的光能大约97%被用于光化学反应,2.5%被转变成热散失,0.5%被变成红色(在体内,叶绿京的荧光发射峰在685nm左右)的荧光发射出来；在很强的光下,当全部PSII反应中心关闭时,吸收的光能95%～97%被变成热,而2.5%～5.0%被变成荧光发射[l]。

在体内,由于吸收的光能多被用于光合作用,叶绿素a荧光的量子产额(即量子效率)仅仅为0.03～0.06。

但是,在体外,由于吸收的光能不能图4-1叶绿素分子的光激发被用于光合作用,这一产额增加到0.25～0.30[2]。

在室温条件下,绝大部分荧光来自PS II 天线[1,3],而不是反应中心的叶绿素a分子[4,5]。

1介绍和范围2灵敏度、线性度和噪声2・1线性信号模型22噪声模型2・3信噪比(SNR)2.4信号饱和度和绝对灵敏度闻值3.1均值和方差3 2温度依赖4空间不均匀性和缺陷像素4.1空间差异DSNUPRNU4.2类型的不均匀性4.3缺陷像素4・3・1对数直方图4.3.2累积直方图44高通滤波5概述测量的建立和方法6灵敏度、线性度和噪音6.1均质光源的几何形状62光源的光谱特性6.3辐照变异6・4校准辐照65对线性度和灵敏度的测量条件6・6根据光子传递法对测量结果逬行评价6・7线性评价7暗电流7.1在一个温度下对暗电流的评价72对温度的暗电流的评价8空间不均匀性和缺陷像素8.1空间标准偏差，DSNU,PRNU和total SNR &2水平和垂直光谱图8.3缺陷像素特征9光谱灵敏度91光谱光源设置9 2测量条件9.39・4刚古10岀版结果10.1基本信息10.2 EMVA 1288 参数10.3 EMVA 1288A参考书目B斑去C版本A2.01更改C.1増加的功能C・2将方法扩展到不同的照射C.3条件和程序的修改C・4极限时间标准偏差;量化噪声介绍C.5具有不均匀度测量的高通滤波D版本3.0的变化2灵敏度.线性度和噪声本节描述了如何描述灵敏度、线性度和时间噪声图像传感器或摄像机［3,468］。

2J线性信号模型如图1所示，数字图像传感器实际上是将曝光时间内的光子通过一系列步骤转换成数字。

在曝光时间内，平均pp光子冲击单个像素。

厂恥)=牛(1)整个量子效率的一小部分吸收并积累F电荷单位。

这里定义的总量子效率是指单个传感器elementpixel所占用的总面积，而不仅仅是光敏感区域。

因此，这个定义包括填充因子和微透镜的影响。

在公式(1)中表示，量子效率取决于光子辐照像素的波长。

在塞露时间texp内，与区域a相对应的光子的平均数目，可以通过以W / m2为单位的传感器表面的辐照度来计算A.E ^exp j4JE?i eX p 、"血=hc/X，⑵使用著名的电磁辐射的能量量子化单位hv e光速c=2.99792458*108m/S/ 昔朗克常数h=6.6260755 10-34Js z光子辐照度是由[photons] = 5.034 -1()21•• A[m] - & [罚，或更方便的单元图像传感器/Zpfphotoiis] = 50.34 • j4[/im2] - Z exp [ms] • A[/um] • E(4)这些方程用于以W / cm2为单位的辐射计的辐照度转换成需要用来表征成像传感器的光子通量。

实验一半导体激光器P-I特性曲线测量一、实验目的：1.了解半导体光源和光电探测器的物理基础；2.了解发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)的发光原理和相关特性；3.了解PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)的工作原理和相关特性；4.掌握有源光电子器件特性参数的测量方法；二、实验原理：光纤通信中的有源光电子器件主要涉及光的发送和接收，发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)是最重要的光发送器件，PIN光电二极管和APD光电二极管则是最重要的光接收器件。

1．发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)：LED是一种直接注入电流的电致发光器件，其半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低能级时发射出光子，属自发辐射跃迁。

LED为非相干光源，具有较宽的谱宽(30～60nm)和较大的发射角(≈100°)，常用于低速、短距离光波系统。

LD通过受激辐射发光，是一种阈值器件。

LD不仅能产生高功率(≥10mW)辐射，而且输出光发散角窄，与单模光纤的耦合效率高(约30％—50％)，辐射光谱线窄(Δλ=0.1-1.0nm)，适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速(>20GHz)直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。

使粒子数反转从而产生光增益是激光器稳定工作的必要条件，对于处于泵浦条件下的原子系统，当满足粒子数反转条件时将会产生占优势的(超过受激吸收)受激辐射。

在半导体激光器中，这个条件是通过向P型和N型限制层重掺杂使费密能级间隔在PN结正向偏置下超过带隙实现的。

当有源层载流子浓度超过一定值(称为透明值)，就实现了粒子数反转，由此在有源区产生了光增益，在半导体内传播的输入信号将得到放大。

如果将增益介质放入光学谐振腔中提供反馈，就可以得到稳定的激光输出。

(1) LED和LD的P-I特性与发光效率：图1是LED和LD的P-I特性曲线。

LED是自发辐射光，所以P-I曲线的线性范围较大。

ELV实验标准305121. 引言和概述ELV（Electronic Light Vehicle）实验标准30512是一套关于电子和光子器件实验测试的规范。

该标准旨在确保实验的一致性和可重复性，同时提供对实验结果的有效分析和解读。

本标准适用于所有涉及电子和光子器件性能测试的实验，包括但不限于材料科学、电子工程、光学和物理学等领域。

2. 范围和适用性本标准适用于所有电子和光子器件的性能测试实验，包括但不限于半导体器件、光电子器件、光电探测器、激光器等。

此外，本标准还可用于评估和比较不同器件的性能，为科研和工业生产提供参考。

3. 术语和定义本标准采用国际通用的术语和定义，用于描述电子和光子器件的性能参数和实验方法。

其中包括电流-电压特性、光谱响应、量子效率、光学增益、阈值电压等参数。

4. 实验设计本标准规定了实验设计的基本原则和方法，包括实验目的、实验原理、实验步骤和数据分析方法等。

实验设计应考虑各种可能影响实验结果的因素，并采取相应的措施来消除或减小误差。

此外，还应对实验设备的选择和维护进行规范。

5. 样品准备本标准规定了样品准备的基本要求和方法，以确保实验结果的准确性和可靠性。

样品应具有代表性，并满足实验条件的要求。

此外，还应规定样品的存储和处理方法，以防止样品受到污染或损坏。

6. 实验实施本标准详细规定了实验实施的过程和方法，包括设备安装、条件设置、数据采集和记录等。

实验实施应严格遵守实验设计的要求，并对实验设备的操作和维护进行规范。

此外，还应对实验过程中的安全问题进行详细说明。

7. 数据处理和分析本标准规定了数据处理和分析的基本方法和流程，以确保实验结果的可靠性和有效性。

数据处理应包括去噪、修正、归一化等步骤，并采用适当的统计方法进行数据分析。

此外，还应对实验结果的解读和解释进行规范。

8. 实验报告编写本标准规定了实验报告的基本内容和格式，以确保实验报告的完整性和可读性。

实验报告应包括实验目的、实验原理、实验步骤、数据分析和结论等部分，并按照规范格式进行排版和编辑。

WT-2000中文说明一．简介:可选功能：μ-PCD 无接触测量少子寿命LBIC 光诱导电流，反射率，计算电池内外量子效率 SHR 无接触测试方块电阻 RES 涡流法无接触测试电阻率 P/N 无接触型号测试 THCKNESS 电容法测试晶片厚度 设备概述：1．两台工控电脑,其中一台是DOS 操作系统，主要负责测量数据的处理，机器动作的控制与监控，并与另一台电脑通讯。

另一台电脑是WINDOWS 操作系统，wintau32操作软件被安装在此。

2．测试台，用来测试样品，各个功能可以集成到一个探头上，客户可根据需要来选择不同的功能。

二． 原理：1．少子寿命测试原理微波光电导衰退法(Microwave photoconductivity decay)测试少子寿命，主要包括激光注入产生电子-空穴对和微波探测信号的变化这两个过程。

904nm 的激光注入（对于硅，注入深度大约为 30um ）产生电子-空穴对，导致样品电导率的增加，当撤去外界光注入时，电导率随时间指数衰减，这一趋势间接反映少数载流子的衰减趋势，从而通过微波探测电导率随时间变化的趋势就可以得到少数载流子的寿命。

μ-PCD 测试的是少子有效寿命，它受两个因素影响：体寿命和表面寿命。

测试的少子寿命可由下式表示：111measbulkdiffsurfττττ=++ (1)式中：22,diffn pd D τπ=2surf d Sτ=τdiff 为少子从样品体内扩散到表面所需时间；τsurf 为由于样品表面复合产生的表面寿命；τmeas 为样品的测上海浦东新区商城路738号胜康廖氏大厦906A （邮编：200120）试寿命；d为样品厚度；D n，D p分别为电子和空穴的扩散系数；S为表面复合速度。

图1：不同的表面复合速率下，体寿命和测试寿命的关系由式（1）可知，表面寿命对测试寿命有很大影响，使其偏离体寿命，图1是体寿命与测试寿命的关系。

在样品厚度一定的情况下，即扩散寿命一定，如果表面复合速率很大，则在测试高体寿命样品时，测试寿命值与体寿命值就会偏差很大；而对于低体寿命的样品，不会使少子寿命降低很多。

一文看懂光电转化效率计算方法光电转化效率是指光能转化为电能的比例，是评价光电转化器件性能优劣的重要指标。

以下将介绍一种光电转化效率的计算方法。

光电转化效率的计算方法可以分为两个步骤：理论效率计算和实际效率计算。

首先是理论效率的计算。

理论效率是指在没有损耗的情况下，从光能到电能的最大转化效率。

光电转化器件的理论效率可以用光电转化器件的结构和材料参数来计算。

首先，需要计算光电转化器件的光吸收率。

光吸收率是指材料吸收的光的比例。

可以通过计算材料的光吸收谱和太阳辐射光谱的乘积来得到。

其次，需要计算器件的光散射和反射损耗。

光散射和反射是光在材料表面发生的现象，会使一部分光能损失。

可以通过测量器件的反射率和透射率来计算。

然后，需要计算光电转化器件的光电流量子效率。

光电流量子效率是指输入光的能量转化为电流的比例。

可以通过测量器件的短路电流和光源辐照度来计算。

最后，将上述计算得到的参数代入以下公式中，即可得到光电转化器件的理论效率：理论效率=光吸收率×(1-光散射和反射损耗)×光电流量子效率在实际应用中，光电转化效率还受到一些因素的影响，例如热损耗、电压滞后和电阻损耗等。

这些因素会导致实际效率低于理论效率。

因此，在实际效率的计算中，除了考虑上述的光吸收率、光散射和反射损耗以及光电流量子效率外，还需要考虑上述因素的影响。

实际效率可以通过测量器件的输出电流和输入光功率来计算。

将实际效率与理论效率进行比较，可以评估光电转化器件的性能。

为了提高光电转化效率，可以采取一些措施，例如优化材料的光吸收性能、减小光散射和反射损耗、提高光电流量子效率等。

总之，光电转化效率的计算方法需要考虑器件的结构和材料参数，以及光吸收率、光散射和反射损耗、光电流量子效率等因素。

实际效率还需考虑热损耗、电压滞后、电阻损耗等因素。

通过计算和实验，可以评估和提高光电转化器件性能。

光学仪器设计与制造作业指导书第1章绪论 (4)1.1 光学仪器概述 (4)1.2 光学设计基础 (4)1.2.1 几何光学 (4)1.2.2 波动光学 (4)1.2.3 量子光学 (4)1.2.4 光学系统设计 (4)1.3 制造工艺简介 (5)1.3.1 光学元件加工 (5)1.3.2 光学系统组装 (5)1.3.3 精密机械加工 (5)1.3.4 表面处理 (5)第2章光学元件与系统 (5)2.1 光学元件分类与特性 (5)2.1.1 反射式元件 (5)2.1.2 透射式元件 (5)2.1.3 混合式元件 (6)2.1.4 特殊光学元件 (6)2.2 光学系统设计原理 (6)2.2.1 光学系统基本组成 (6)2.2.2 光学系统设计方法 (6)2.2.3 光学系统功能评价 (6)2.3 光学元件加工技术 (6)2.3.1 光学玻璃加工技术 (6)2.3.2 光学晶体加工技术 (6)2.3.3 塑料光学元件加工技术 (7)2.3.4 微光学元件加工技术 (7)第3章光学设计方法 (7)3.1 光学设计基本步骤 (7)3.1.1 确定设计指标 (7)3.1.2 选择光学系统类型 (7)3.1.3 光学元件布局 (7)3.1.4 光学元件设计 (7)3.1.5 光学系统优化 (7)3.1.6 光学系统模拟与仿真 (7)3.1.7 光学系统评估与改进 (8)3.2 光学优化方法 (8)3.2.1 系统级优化 (8)3.2.2 元件级优化 (8)3.2.3 算法级优化 (8)3.3 光学模拟与仿真 (8)3.3.2 波前分析 (8)3.3.3 光学传递函数（OTF）分析 (8)3.3.4 点扩散函数（PSF）分析 (8)3.3.5 辐射能量分析 (8)第4章高斯光学与光学成像 (9)4.1 高斯光学原理 (9)4.1.1 高斯成像公式 (9)4.1.2 物像关系 (9)4.1.3 焦距与光焦度 (9)4.1.4 高斯光学成像的对称性 (9)4.2 光学成像系统 (9)4.2.1 透镜成像系统 (9)4.2.2 反射式成像系统 (9)4.2.3 折反射式成像系统 (9)4.2.4 光学镜头设计 (9)4.3 像质评价方法 (9)4.3.1 像差概述 (9)4.3.2 像质评价准则 (9)4.3.3 像质评价方法 (10)4.3.4 像质优化 (10)第5章焦平面探测器 (10)5.1 焦平面探测器概述 (10)5.2 探测器功能参数 (10)5.3 探测器应用与选型 (10)第6章光学镜头设计 (11)6.1 光学镜头类型与结构 (11)6.1.1 类型概述 (11)6.1.2 结构特点 (11)6.2 光学镜头设计要点 (11)6.2.1 光学设计原则 (11)6.2.2 设计步骤 (12)6.3 镜头加工与装配 (12)6.3.1 加工工艺 (12)6.3.2 装配工艺 (12)第7章光学仪器结构设计 (12)7.1 光学仪器结构设计原则 (12)7.1.1 结构设计基本要求 (12)7.1.2 结构设计考虑因素 (13)7.2 光机结构设计 (13)7.2.1 光机结构设计概述 (13)7.2.2 光学元件安装结构设计 (13)7.2.3 光机结构设计要点 (13)7.3 热设计与振动控制 (13)7.3.2 振动控制 (14)第8章光学仪器装调工艺 (14)8.1 光学装调工艺概述 (14)8.2 光学元件装调技术 (14)8.2.1 元件安装 (14)8.2.2 元件调整 (14)8.2.3 测量和优化 (15)8.3 光学系统装调与测试 (15)8.3.1 装调工艺流程 (15)8.3.2 测试方法 (15)8.3.3 测试结果分析 (15)第9章光学仪器功能测试 (15)9.1 光学功能测试方法 (16)9.1.1 透射率测试 (16)9.1.2 波前畸变测试 (16)9.1.3 焦距与视场角测试 (16)9.2 系统成像功能测试 (16)9.2.1 调制传递函数（MTF）测试 (16)9.2.2 点扩散函数（PSF）测试 (16)9.2.3 成像均匀性测试 (16)9.3 环境适应性测试 (16)9.3.1 温度适应性测试 (16)9.3.2 湿度适应性测试 (16)9.3.3 震动与冲击适应性测试 (16)9.3.4 污染物适应性测试 (17)第10章光学仪器应用与维护 (17)10.1 光学仪器应用领域 (17)10.1.1 科研领域 (17)10.1.2 医疗领域 (17)10.1.3 工业制造领域 (17)10.1.4 军事领域 (17)10.1.5 民用领域 (17)10.2 光学仪器维护与保养 (17)10.2.1 清洁保养 (17)10.2.2 防潮防霉 (17)10.2.3 防震防摔 (18)10.2.4 定期检测 (18)10.3 故障分析与处理策略 (18)10.3.1 成像模糊 (18)10.3.2 光学仪器无法启动 (18)10.3.3 测量数据不准确 (18)10.3.4 噪音过大 (18)第1章绪论1.1 光学仪器概述光学仪器是利用光学的原理和技术，以光作为信息载体，进行信息获取、处理、传输和显示的一类精密仪器。