实验十五 用光学多通道分析器研究发光二极管光谱
光谱分析是研究物质微观结构的重要方法，它广泛应用于化学分析、医药、生物、地
质、冶金和考古等部门．常见的光谱有吸收光谱、发射光谱和散射光谱．涉及的波段从 x
射线、紫外光、可见光、红外光到微波和射频波段．本实验通过测量发光二极管的发射光
谱，使大家了解发光二极管的主要光学特性和光谱测量的基本方法．
【实验目的】
1．了解发光二极管发射光谱；
2．测量发光二极管相对输出光强i
v
和正向电流I
f
关系；
3．掌握多通道分析器的原理和使用方法．
【实验原理】
1． 发光二极管的光学特性
半导体发光二极管与普通二极管和双极晶体管一样，具有低工作电压和低阻抗特点，
是一种电流型器件。发光二极管体积小、重量轻、寿命长、结构牢固、工作可靠，已得到
广泛应用。
发光二极管根据芯片发光波长可以分成红色、橙色、绿色、兰色和多色等数种类型。
发光二极管主要光学性质有
（1 ）发射光谱曲线
相对发
光
光强
图（1）发光二极管发射光谱曲线
图（1 ）给出了典型发光二极管发射光谱曲线。发光二极管发光峰值波长 λp 由半导体
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材料的能隙宽度或发光中心的能级位置确定。它决定了LED 的发光颜色，光谱半宽度Δ
λ
标
志光谱的纯度，同时可以衡量半导体材料中对发光有贡献的能量状态离散程度，典型发光
二极管的光谱半宽度为 20~100nm。
（2 ）发光强度I
v
和正向电流I
f
关系曲线
0 1020304050
0
2
4
6
8
10
正向电流 I
f
( mA )
曲线1
曲线 2
图（2）发光二极管发光强度I
v
和正向电流I
f
关系曲线
图（ 2）给出了二种典型的发光二极管发光强度I
v
和正向电流 I
f
关系曲线，其中曲线
（1 ）随正向电流增加而线性上升，且不饱和，而曲线（2 ）增加得慢且迅速饱和。
2．光学多通道分析器（OMA ）
利用现代电子技术接收和处理某一波长范围（λ
1
～λ
2
）内光谱信息的光学多通道检测系
统的基本框图如图 3 所示．
图 3 光学多通道检测系统的基本框图
入射光被多色仪色散后在其出射窗口形成λ
1
~ λ
2
的谱带．位于出射窗口处的多通道光
电探测器将谱带的强度分布转变为电荷强弱的分布，由信号处理系统扫描、读出、经A / D
变换后存贮并显示在计算机上．
OMA 的优点是所有的像元（N 个）同时曝光，整个光谱可同时取得，比一般的单通道
光谱系统检测同一段光谱的总时间快 N 倍．在摄取一段光谱的过程中不需要光谱仪进行机
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械扫描，不存在由于机械系统引起的波长不重复的误差；减少了光源强度不稳定引起的谱
线相对强度误差；可测量光谱变化的动态过程．
多色仪及光源部分的光路见图．光源S 经透镜L 成像于多色仪的入射狭缝S
1
，入射光经
平面反射镜M
1
转向 90°，经球面镜M
2
反射后成为平行光射向光栅G ．衍射光经球面镜M
3
和
M
4
成像于观察屏P ．由于各波长光的衍射角不同，在P
处形成以某一波长λ
0
为中心的一条光谱带，使用者可
在P 上直观地观察到光谱特征．转动光栅G 可改变中心
波长，整条谱带也随之移动．多色仪上有显示中心波
长λ
0
的波长计．转开平面镜M
4
可使M
3
直接成像于光电
探测器CCD 上，它测量的谱段与观察屏P 上看到的完全
一致．
图 4 CCD 结构图
CCD 是电荷耦合器件（Charge-Coupled Device ）
的简称，是一种以电荷量表示光强大小，用耦合方式
传输电荷量的器件，它具有自扫描、光谱范围宽、动
态范围大、体积小、功耗低、寿命长、可靠性高等优
点．将 CCD 一维线阵放在光谱面上，一次曝光就可获
得整个光谱．目前，二维面阵 CCD 已大量用于摄像机
和数字照相机．
CCD的结构如图 4 所示，衬底是P 型 Si，硅表面是一层二氧化硅薄膜，膜上是一层金属
作电极，这样硅和金属之间形成一个小电容．如果金属电极置于高电位，在金属界面积累
了一层正电荷， P型半导体中带正电荷的空穴被排斥，只剩下不能移动的带负电荷的受主杂
质离子，形成一耗尽层，受主杂质离子因不能自由移动对导电作用没有任何贡献．在耗尽
区内或附近，由于光子的作用产生电子- 空穴对，电子被吸引到半导体与SiO
2
绝缘体的界面
形成电荷包，这些电子是可以传导的．电荷包中电子的数目与入射光强和曝光时间成正比，
很多排列整齐的CCD 像元组成一维或二维CCD 阵列，曝光后一帧光强分布图将成为一帧电
荷分布图．
我们采用的是具有 2048 个像元的CCD 一维线阵，其光谱响应范围为 200~1000 nm，响
应峰值在 550 nm，动态范围大于 2
10
．每个像元的尺寸在 14 μm×14 μm，像元中心距为 14
μm，像敏区总长为 28.672 mm．多色仪中 M
2
， M
3
的焦距 302 mm，光栅常数为 1 / 600 mm，
在可见光区的线色散Δλ /Δl （光谱面上单位宽度对应的波长范围）约为 5.55 nm / mm，由
此可知CCD 一次测量的光谱范围为 5.55× 28.67 约为 159 nm．光谱分辨率即两个像元之间
波长相差约 0.077 nm．在 OMA中每个像元称为一“道”，本实验的系统是 2048 道OMA ．
每次采样（曝光）后每个像元内的电荷在时钟脉冲的控制下顺序输出，经放大、模数
（A / D ）转换，将电荷即光强顺序存入采集系统（微机）的寄存器，经微机处理后，在显
示器上就可看到我们熟悉的光谱图．移动光谱图上的光标，屏上即显示出光标所处的道数
和相对光强值．
使用者可通过屏幕提示来操作采集系统，一般操作界面主窗口下包括的菜单项有：
（1 ）文件——主要提供文件打开/ 关闭、结果打印和程序退出等功能．
（2 ）运行——主要包含一些数据采集子菜单项，如实时采集、背景采集和改变起始波
长等．
（3 ）数据处理——主要提供对采集到的光谱数据进行操作处理的功能，如定标、平滑、
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扩展、数据读取和两谱图的加减等．定标就是用光标从光谱中找出各已知波长的谱峰所处
的道数，并输入相应的波长值，计算机用最小二乘法拟合道与波长的关系，拟合后的横坐
标由原来的道数标度变为波长标度．
（4 ）设置——用来修正 CCD 的工作参数和显示模式，如曝光时间、平均次数、累加
次数和显示范围等．增加曝光时间、平均次数和累加次数可增加信噪比和提高弱峰的计数，
但设置曝光时间时要考虑到 CCD 动态范围的限制．
（5 ）帮助——提供在线帮助．
其他详细说明见仪器说明书．
利用多通道光谱仪测量光谱时，λ 的狭缝宽度一般不超过 0.1 mm．利用观察屏 P 观察
谱线时，狭缝可适当放大以得到可观察的光谱线，但不超过 2 mm，否则会损坏狭缝．
测量前应调正 L，S 和多通道仪共轴等高，并使光源成大像于入射狭缝处．
实验前在 StuData 文件夹建立以个人姓名命名的个人文件夹，所有实验文件存入该文
件夹．
【实验仪器】
发光二极管、汞灯、透镜、光学多通道分析仪
【实验内容】
1．利用汞灯分段定标；
2．测量红、黄、绿三种发光二极管发射光谱，峰值波长λ p和光谱半宽度Δ λ ．
3．测量绿色发光二极管归一化发光强度i
v
和正向电流I
f
关系曲线。
【注意事项】
1．任何时候狭缝宽度小于 3 mm．
2．更换光源时应保证光源、透镜和光学多通道分析仪相对位置不变．启动光学多通道
分析仪的步骤为：打开计算机电源，打开CCD 电源，置M
4
控制手柄于CCD 位置，打开软件．
3．建立个人数据文件夹，把所有实验文件存入个人数据文件夹，应带好软盘，完成实
验后拷贝实验文件．
【预习思考题】
1．在实验中怎样保证多色仪和光源光路的同轴等高？
2．利用 CCD 测量光谱时，多色仪狭缝宽度要不大于 0.1 mm 的理由?
【思考题】
1． 试分析在实验室中对同一发光二极管测得 λp会有明显改变（大于仪器测量误差）
的原因。
2．分析狭缝宽度、实验测量精度和在观察屏上谱线明亮度之间的关系．
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【参考资料】
[1] 杨文明等 ． 近代物理实验 ． 上海交通大学物理实验中心，2001
[2] 陈泽民等 ． 近代物理与高新技术物理基础 ． 北京：清华大学出版社，2001
[3] 段家祗等 ． 普通物理实验 ． 北京：北京大学出版社
【附表】
汞原子主要光谱线（单位：nm）
312.6 313.2 334.2（紫外） 404.7（蓝紫）
407.8（蓝紫） 435.8（蓝） 491.6（绿蓝） 546.1（绿）
577.0（黄） 579.1（黄） 623.4（橙） 690.7（红）
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