Оптико-электронные приборы: Методические указания к выполнению лабораторных работ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Северо – Западный государственный заочный технический университет Кафедра приборов и систем экологической безопасности

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Факультет машиностроительный Направление и специальность подготовки дипломированных специалистов

653700 – приборостроение 190100 - приборостроение

Направление подготовки бакалавров

551500 - приборостроение

Санкт-Петербург 2002

2 Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 681.383 Оптико-электронные приборы: Методические указания к выполнению лабораторных работ.- СПб.: СЗТУ, 2002, - 18 с. Приведены указания к проведению трех лабораторных работ по дисциплине «Оптико-электронные приборы» и контрольные вопросы по темам лабораторных работ. Названия лабораторных работ соответствуют темам, представленным в рабочей программе по дисциплине «Оптико-электронные приборы »и знакомит студентов с принципами действия оптико-электронных приборов, измерительной аппаратуры, а также методикой измерений и обработкой полученных результатов. Методические указания к проведению лабораторных работ предназначены для обучения студентов специальности 190100 - «Приборостроение» . Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры ПКиСЭБ методической комиссией машиностроительного факультета

,одобрено .

Рецензенты: кафедра ПК и СЭБ СЗТУ (зав. кафедрой А. И. Потапов, д-р техн. наук, проф., ), кафедра твердотельной оптоэлектроники СПб ИТМО (зав. кафедрой В.Т.Прокопенко, д-р техн. наук, проф.,)

Составитель: С. Е. Парахуда, канд. техн. наук, доц.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2002.

3 ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ Настоящие методические указания содержат описания лабораторных работ, выполняемых студентами при изучении курса «Оптико-электронные приборы». Лабораторные работы дают возможность закрепить знания, полученные при изучении дисциплины. При подготовке к лабораторным работам студентам необходимо проработать предлагаемые методические указания, рекомендуемую литературу. В процессе выполнения работ студент знакомиться с принципами действия оптико-электронных приборов, измерительной аппаратуры, а также методикой измерений и обработкой полученных результатов. По каждой лабораторной работе составляется отчет, который оформляется в тетради. В отчете указывается название лабораторной работы, приводятся расчетные формулы, таблицы результатов, графики, делаются выводы. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Организация безопасной работы при выполнении лабораторных работ на кафедре производится в соответствии с требованиями

ГОСТ 12.1.019-79

«Электробезопасность. Общие требования.», ГОСТ 12.1.030-81 «Электробезопасность. Защитное заземление, зануление», ГОСТ 12.1.040-83. «Лазерная безопасность». К работе на лабораторных установках допускаются студенты, имеющие теоретическую подготовку по дисциплине «Оптико-электронные приборы», обученные безопасным методам работы, прошедшие инструктаж по технике безопасности и расписавшиеся в журнале инструктажа.

4 Перед проведением лабораторной работы необходимо убедиться в надежности заземления оборудования, приборов и установок, проверить надежность крепления установки, убедиться в отсутствии посторонних предметов в рабочей зоне. Студентам запрещается выполнять лабораторные работы в отсутствие преподавателя или лаборанта. Включение оборудования производится только с разрешения преподавателя или лаборанта. При обнаружении неисправности необходимо немедленно прекратить работу, сообщить об этом преподавателю и отключить оборудование. Запрещается оставлять без надзора приборы и оборудование во включенном состоянии. После окончания лабораторной работы приборы и оборудование необходимо обесточить.

Литература

1. Ю. Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учеб. пособие для вузов.- М. Машиностроение, 1989. 2. М. М. Мирошников. Теоретические основы оптико-электронных приборов.- Л: Машиностроение. Ленинградское отд., 1983. 3. Л. Ф. Порфирьев. Основы теории преобразования сигналов в оптикоэлектронных

приборах:

Учебник

для

студентов

приборостроительных

специальностей вузов. - Л.: Машиностроение. Ленинградское отд., 1989. 4. Г.Г.Ишанин. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. -Л.: Машиностроение. Ленинградское отд.1986.

5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ МОДУЛЯЦИИ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА 1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ Ознакомление с методами и способами модуляции оптических сигналов в оптико-электронных приборах. Исследование основных параметров модулированного сигнала. II. ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

1. Лазер гелий-неоновый ЛГН-208А. 2. Фотодиод ЛФД-2 с источником питания. 3. Осциллограф запоминающий типа С8-12. 4. Поляризаторы пленочные. 5. Модулятор механический. 6. Затвор электрооптический. 7. Блок управления затвором МГИН-5. 8. Линза короткофокусная. 9. Линза длиннофокусная. 10. Оптическая скамья ОСК-2. 11. Генератор Г5-54

6 III ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ Лабораторная установка собрана на оптической скамье ОСК-2. Оптическая схема установки представлена на рис.1. Излучение гелий-неонового лазера 1 фокусируется при помощи длиннофокусной линзы 2 (f ′=150 мм) в плоскости вращения диска механического модулятора 3. Прошедшее излучение фокусируется при помощи

1

2

3

4

5

6

7 Рис. 1.Схема лабораторной установки по определению параметров модуляции сигнала. короткофокусной линзы 4 на приемную площадку фотодиода 6, включенного в вентильном режиме. Для обеспечения линейного режима фотодиода по

7 интенсивности светового сигнала, перед фотодиодом расположен набор светофильтров 5. Сигнал с нагрузочного сопротивления вентильной схемы включения фотодиода регистрируется на экране запоминающего осциллографа 7. Оптическая схема лабораторной установки для определения временных характеристик модулированного сигнала при электрооптической модуляции приведена на рис.2.

1

2

3

4

5

6

7

Рис.2. Схема лабораторной установки для исследования характеристик электрооптического модулятора.

8 Излучение гелий-неонового лазера 1 проходит через поляризатор 2, затем, через кристалл электрооптического затвора 3 и анализатор 4. Прошедшее через модулятор излучение фокусируется на приемной площадке фотодиода 6 при помощи короткофокусной линзы 5. Сигнал с фотодиода 6 поступает на запоминающий осциллограф 7. На экране осциллографа 7 отображается форма импульса модулированного сигнала. По полученной осциллограмме определяются основные параметры модулированного сигнала: длительность импульса τи , период следования импульсов T, длительность переднего фронта импульса τфр , длительность спада импульса τсп, скважность сигнала Q. Для этого к экрану осциллографа прикладывается лист кальки и при помощи карандаша переносится форма импульса и масштабная сетка. IV. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Включение аппаратуры для прогрева. В присутствии преподавателя или лаборанта производится включение осциллографа и гелий-неонового лазера. Время прогрева аппаратуры составляет 15 минут. Осциллограф при этом должен находиться в режиме без запоминания (кроме С8-12 и С8-14). 2. Произвести проверку юстировки лабораторной установки для исследования сигнала при механической модуляции света (см. Рис.1). Для этого, не включая модулятор в сеть, совмещают прорезь диска модулятора с пучком гелий-неонового лазера. Диск модулятора должен находиться в плоскости фокусировки линзы 2. Проверку фокусировки осуществляют при помощи узкой полоски белой бумаги . Луч лазера должен быть сходящимся до плоскости модулятора и расходящимся после него. Все излучение должно проходить через световую апертуру линзы 4 и попадать на площадку фотодиода. Для проверки юстировки

9 фотодиода ослабляющие светофильтры необходимо снять, а по окончании проверки вернуть в прежнее положение. 3. Включить в сеть механический модулятор и привести диск во вращение, включив тумблер «Сеть» на крышке модулятора. Включить питание фотодиода. Переключатель напряжения на источнике питания фотодиода должен находиться в положении 9 В. 4. Перевести осциллограф в ждущий режим запуска .Для этого тумблер переключателя режимов запуска поставить в положение «Ждущий» и при помощи ручки уровня запуска добиться устойчивого запуска осциллографа. 5. При помощи ручки переключателя усиления добиться амплитуды сигнала на уровне 0.5-0.8 максимального размера шкалы. 6. При помощи ручки горизонтальной развертки подобрать время развертки таким образом, чтобы на экране одновременно отображалось 3-4 импульса. 7. Перевести осциллограф в режим запоминания, для чего необходимо перевести тумблер переключателя режимов запуска в положение «Разовый», а переключатель режимов работы в положение «Память». 8. Нажатием кнопки «Запуск» произвести запоминание сигнала. Если качество зарегистрированного сигнала удовлетворительное, то отключить режим автостирания, произвести измерение периода следования импульсов. Запись сигнала и измерения провести не менее 6 раз. Одну из полученных осциллограмм перевести на кальку. Если качество полученной осциллограммы неудовлетворительное, то необходимо при помощи ручек настройки «Яркость», «Фокусировка», «Потенциал мишени» добиться контрастного, яркого сигнала с минимальными искажениями. 9. Перевести осциллограф в ждущий режим без запоминания, переключателем времени развертки добиться регистрации одного импульса. Желательно, чтобы длительность импульса составляла 0.5-0.9 от максимального размера всей шкалы. Затем, действуя аналогично пункту 8, произвести запись сигнала и измерения длительности импульса τи по уровню 0.5 от максимальной амплитуды сигнала Imax.

10 Произвести измерение длительности переднего фронта τфр и спада τсп импульса. Для этого определяют длительность между уровнями 0.1Imax и 0.9Imax. Измерения проводят не менее 6 раз, результаты сводят в таблицу и фиксируют на кальке одну из реализаций сигнала. На основании полученных данных вычисляют математическое ожидание и дисперсию измеренных величин. Скважность сигнала определяется как отношение периода следования импульсов к длительности импульса. 10. Собрать на оптической скамье ОСК-2 установку для исследования электрооптического модулятора (см. Рис.2). 11. Включить на прогрев блок управления затвором МГИН-5. Время прогрева блока составляет около 10 минут. 12. Включить высокое напряжение на модуляторе тумблером «Высокое» на блоке МГИН-5. 13. Включить генератор Г5-54 в режим «Работа». Провести измерения параметров модулированного сигнала согласно пунктам 8 и 9. 14. По окончании лабораторной работы обесточить все приборы, предварительно поставив все переключатели в исходное положение. V. ОФОРМЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Отчет о проведенной лабораторной работе оформляется в специальной тетради для лабораторных работ. Допускается оформление нескольких отчетов по лабораторным работам одной дисциплины в одной тетради. Отчет должен содержать название работы, цель работы, схему установки и краткое описание лабораторной работы, а также таблицы результатов измерений, кальки с зарегистрированными сигналами (достаточно одного комплекта на подгруппу).На основании полученных результатов должны быть сделаны выводы.

11 Контрольные вопросы. 1. Какие виды модуляции излучения используются в оптико-электронных приборах? 2. Каковы причины отклонения формы импульса от прямоугольной при механической модуляции. 3. Для чего на кристалл электрооптического модулятора подается напряжение? ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОГО ДИОДА С ПОМОЩЬЮ ПРИБОРА НЗТ-1 I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Ознакомление с устройством и работой диодного лазера

ИЛПН-203 и

прибора ночного видения НЗТ-1. Исследование диаграммы направленности инфракрасного излучения диодного лазера. II. ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

1. Лазер диодный ЛПИ-106. 2. Блок питания диодного лазера. 3. Экран с измерительной сеткой. 4. Линейка. 5. Прибор ночного видения НЗТ-1. 6. Оптическая скамья ОСК-2. III. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ Лабораторная установка собрана на оптической скамье ОСК-2. Схема установки представлена на рис.3. Инфракрасное излучение диодного лазера 1 направлено на экран 2. Экран закреплен на рейтере и имеет

12 нанесенную сетку с шагом 10 мм, кроме того имеется возможность продольного перемещения экрана вдоль оси излучения. Линейка 3 служит для определения расстояния между экраном и диодным лазером 1. Для визуализации инфракрасного излучения диодного лазера с длиной волны λ= 830 нм используется прибор ночного виденья 4. Установка собрана на оптической скамье ОСК-2.

3 2

1

4 Рисунок 3. Схема лабораторной установки IV. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Проверить правильность сборки установки, надежность закрепления диодного лазера и экрана к рейтерам. 2. Включить блок питания диодного лазера и выставить по миллиамперметру прибора ток 150 мА.

13 3. Расположить экран на расстоянии 25-30 см от диодного лазера, расстояние измерить с помощью линейки 3. 4.Убедиться в наличие но объективе прибора НЗТ-1 защитной крышки с центральным отверстием малого диаметра. Взять прибор в руки, наблюдая в окуляр произвести нажатие кнопки заряда на корпусе прибора. При этом в окуляре прибора должно появиться изображение. ВНИМАНИЕ! КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ НАВОДИТЬ ПРИБОР НА ЯРКИЕ СВЕТЯЩИЕСЯ ОБЪЕКТЫ! Следить, чтобы в поле зрения не попадали осветительные лампы, солнце, прямое излучение лазера. Несоблюдение этих правил может привести к выходу из строя фотокатода прибора ночного виденья. 5.При помощи объектива навести прибор на пятно излучения на экране. Пользуясь сеткой на экране 2, определить максимальные размеры пятна лазерного излучения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. 6.Передвинуть экран на 10-15 см вдоль оптической оси и повторить измерения. Используя разность размеров пятна соответственно по каждой из осей и расстояние между плоскостями измерений, определить угловую расходимость диодного лазера. 7.Повторить измерения, указанные в пунктах 5 и 6 не менее 6 раз. Определить средние значения расходимости излучения диодного лазера. Все результаты измерений свести в таблицу. V. ОФОРМЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Отчет о лабораторной работе должен содержать цель и краткое содержание работы, схему лабораторной установки, функциональную схему прибора ночного видения, таблицы с результатами измерений. В конце отчета должны быть приведены выводы.

14 Контрольные вопросы. 1.Какие физические принципы лежат в основе действия электроннооптического преобразователя? 2.Почему диодный лазер имеет различную расходимость излучения в разных плоскостях? 3.Объяснить назначение объектива и окуляра в приборе НЗТ-1. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ УСТАНОВКА КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА КРИСТАЛЛОВ 1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ Целью настоящей лабораторной работы является ознакомление с устройством, а также, приобретение навыков работы на установке контроля оптического качества кристаллов. II. ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

1. Лазер гелий-неоновый 2. Пространственный фильтр 3. Линза длиннофокусная 4. Поляризатор 5. Диафрагма ирисовая 6. Подставка для кристаллов 7. Исследуемый кристалл. 8. Анализатор 9. Линза фокусирующая 10. Экран 11. Камера - видикон КТП-68

15 12. Монитор 13. Оптическая скамья ОСК-2 III. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ Схема установки для контроля оптического качества кристаллов приведена на рисунке 4. Излучение гелий-неонового лазера 1 проходит через пространственный фильтр 2, коллимируется положительной линзой 3 при помощи зеркал 4 и 5 направляется в исследуемый кристалл 7, помещенный между поляризатором 6 и анализатором 8. Плоскость поляризации излучения, пропускаемого анализатором повернута на 900 по отношению к поляризатору. Анализатор 8 вводится в пучок за счет перемещения перпендикулярно оптической оси. Фокусирующая линза 9 имеет возможность перемещения вдоль оптической оси. На экране монитора11 при помощи фокусирующей линзы 9 и объектива видикона 10 строится изображение исследуемого кристалла. Объектив камеры видикона 10 настраивается таким образом, чтобы изображение кристалла 7 переносилось на экран монитора 11 в увеличенном виде.

16

1

2

3

4

10

5

6

7

8

9 11

Рисунок 4. Схема установки контроля оптического качества кристаллов. IV. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Включить в сеть гелий-неоновый лазер 1, камеру видикона 10 и монитор 11.. 2. Через 5 - 7 минут, когда аппаратура прогреется, достать исследуемый кристалл 7 из пенала и осторожно, без ударов, поместить его на подставку 6. 3. При помощи зеркал4 и 5 добиться того, чтобы излучение гелий-неонового лазера заполняло всю апертуру кристалла. 4. Перемещением фокусирующей линзы 9 и приемной камеры получить на экране монитора 11 изображение переднего торца кристалла7. 5. Ввести в световой пучок анализатор 8 и зарисовать картину остаточной деполяризации в кристалле.

17 6. Вывести анализатор 8 из светового пучка и при помощи фокусирующей линзы 9 и объектива камеры настроить оптическую систему таким образом, чтобы на экране получилось изображение 5 - 6 зон Френеля. При этом изображение кристалла будет представлять собой светлые кольца, чередующиеся с темными промежутками. Оптические неоднородности в кристалле будут приводить к искажениям формы колец. По величине смещения можно судить о силе неоднородности. Изображение колец Френеля необходимо зарисовать. 7. Убрать исследованный кристалл в пенал, достать из пенала следующий образец кристалла и повторить действия согласно пунктам 3 - 6. 8. Убрать кристалл в пенал, обесточить приборы. V. ОФОРМЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Отчет оформляется в специальной тетради и должен содержать краткое описание лабораторной работы, схему установки, рисунки остаточной деполяризации и оптических неоднородностей в исследованных образцах. В конце отчета должны быть сделаны выводы по результатам проведенной работы.

Контрольные вопросы. 1. Какие характеристики излучения изменяются при прохождении пространственного фильтра? 2. Почему при помещении кристалла в скрещенные поляризаторы на выходе из системы наблюдается излучение? 3. Объяснить принцип действия видикона.

18

СОДЕРЖАНИЕ Стр. Общие указания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.

3

Техника безопасности

.

3

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Лабораторная работа 1: Исследование методов модуляции оптического сигнала. . . . . . . . . . . . .

5

Лабораторная работа 2: Исследование характеристик лазерного диода с помощью прибора НЗТ-1. . . . . .

11

Лабораторная работа 3: Оптико-электронная установка контроля оптического качества кристаллов. . . . . . . 14

№ 020308 от 14. 02. 97 Сергей ЕвгеньевичПарахуда

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

19

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Редактор

Подписано в печать Б. кн. – журн. п. л. Заказ

Б. л.

Формат 60х84 1/16 РТП РИО СЗТУ Тираж

Редакционно-издательский отдел Северо-Западный заочный технический университет 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5