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红外物理特性及应用试验

波长范围在0.75~1000微米的电磁波称为红外波，对红外频谱的争论历来是根底争论的重要组成局部。对原子与分子的红外光谱争论，帮助我们洞察它们的电子，振动，旋转的能级构造，并成为材料分析的重要工具。对红外材料的性质，如吸取、放射、反射率、折射率、电光系数等参数的争论，为它们在各个领域的应用争论奠定了根底。

【试验目的】

1、了解红外通信的原理及根本特性。

2、了解局部材料的红外特性。

3、了解红外放射管的伏安特性，电光转换特性。

4、了解红外放射管的角度特性。

5、了解红外接收管的伏安特性。

【试验原理】

1、红外通信

在现代通信技术中，为了避开信号相互干扰，提高通信质量与通信容量，通常用信号对载波进展调制，用载波传输信号，在接收端再将需要的信号解调复原出来。不管用什么方式调制，调制后的载波要占用肯定的频带宽度，如音频信号要占用几千赫兹的带宽，模拟电视信号要占用8兆赫兹的带宽。载波的频率间隔假设小于信号带宽，则不同信号间要相互干扰。能够用作无线电通信的频率资源格外有限，国际国内都对通信频率进展统一规划和治理，仍难以满足日益增长的信息需求。通信容量与所用载波频率成正比，与波长成反比，目前微波波长能做到厘米量级，在开发应用毫米波和亚毫米波时遇到了困难。红外波长比微波短得多，用红外波作载波，其潜在的通信容量是微波通信无法比较的，红外通信就是用红外波作载波的通信方式。

红外传输的介质可以是光纤或空间，本试验承受空间传输。

2、红外材料

光在光学介质中传播时，由于材料的吸取，散射，会使光波在传播过程中渐渐衰减，对于确定的介质，光的衰减dI与材料的衰减系数α，光强I，传播距离dx成正比：

dI???Idx 〔1〕

对上式积分，可得：I?Ie??L

o

上式中L为材料的厚度。

〔2〕

材料的衰减系数是由材料本身的构造及性质打算的，不同的波长衰减系数不同。一般的光学材料由于在红外波段衰减较大，通常并不适用于红外波段。常用的红外光学材料包括：石英晶体及石英玻璃，半导体材料及它们的化合物如锗，硅，金刚石，氮化硅，碳化硅，砷化镓，磷化镓。氟化物晶体、氧化物陶瓷、还有一些硫化物玻璃，锗硫系玻璃等。

光波在不同折射率的介质外表会反射，入射角为零或入射角很小时反射率：

nR?(1

n

1

n

2)2

n

2

〔3〕

由〔3〕式可见，反射率取决于界面两边材料的折射率。由于色散，材料在不同波长的折射

率不同。折射率与衰减系数是表征材料光学特性的最根本参数。由于材料通常有两个界面，测量到的反射与透射光强是在两界面间反射的多个光束的叠加效果，如图1所示。反射光强与入射光强之比为：

I (1?R)2e?2?L

R?R[1?(1?R)2e?2?L(1?R2e?2?L?R4e?4?L? )]?R[1? ] 〔4〕

I 1?R2e?2?L

0

透射光强与入射光强之比为：

I

IT ?(1?R)2e??L(1?R2e?2?L?R4e?4?L?

0

)?(1?R)2e??L

1?R2e?2?L

〔5〕

原则上，测量出I、I、I，联立〔4〕、〔5〕两式，可以求出R与α。下面争论两种特别情

况下求R与α。

0 R T

对于衰减可无视不计的红外光学材料，α=0，e–αL=1，此时，由〔4〕式可解出：

RR? I

R

/I

0 〔6〕

2?I /I

R 0

对于衰减较大的非红外光学材料，可以认为屡次反射的光线经材料衰减后光强度接近零，

对图1中的反射光线与透射光线都可只取第一项，此时：

I

R?IR 〔7〕

0 I0

0??1lnI

0

(1?R)2

〔8〕

IR

0 I(1-R)2e-αL

L I I(1-R)2Re-2αL

T 0

0

I(1-R)2R2e-3αL

由于空气的折射率为1，求出反射率后，可由〔3〕式解出材料的折射率：

n?1? R

I(1-R)2R3e-4αL

0

I(1-R)2R5e-6αL

0

……

0

I(1-R)2R4e-5αL

0

……

1? R

〔9〕

图1 光在两界面间的屡次反射

很多红外光学材料的折射率较大，在空气与红外材料的界面会产生严峻的反射。例如硫化锌的折射率为2.2，反射率为14％，锗的折射率为4，反射率为36％。为了降低外表反射损失，通常在光学元件外表镀上一层或多层增透膜来提高光学元件的透过率。

3、发光二极管

红外通信的光源为半导体激光器或发光二极管，本试验承受发光二极管。

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