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n-al共掺pzno薄膜制备及形成机理研究
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--------------------------Page1------------------------------摘要摘要本工作采用螺旋波等离子体辅助溅射沉积系统应用非平衡生长技术在A)学特性的影响及薄膜表现为P型导电的微观机理。为获得较高载流子浓度的P型ZnO结构特性及光电特性对比，研究了衬底对薄膜导电性的影响。随后通过调整N2的流量机理，得到了如下主要结果：果显示，高温退火使薄膜中Oi的比例增大，N主要以Zn-N键的形式掺入到薄膜。退火所导致的Zn-N键的密度增加及N活性受主相对比例增大使薄膜导电呈现P型导电特At(LO)振动模式谱峰位置的红移验证了薄膜载流予种类的变化。上生长11型薄膜，n型Si衬底上能够获得较好晶格结构的P型薄膜，经退火薄膜导电类型不变，说明通过衬底选择能提高生长薄膜的化学势，降低受主缺陷的形成能，使薄膜表现出P型导电。通过合适的氮气掺入，实现了n型Si衬底上P型ZnO薄膜的控制生长。不同氮气流量下，薄膜晶格结构和导电类型之间的关系分析结果显示，固定舢元素含量的条件下，获得具有P型导电和较高的晶格质量的ZnO薄膜存在最佳的氮气掺入条件。各种元素价键结构的XPS分析结果表明，薄膜中砧主要以N．Al键的形式存在，N0受主态的浓度较之在A1203衬底中明显增加，这是薄膜表现为P型的主要原因。低温光致发光谱中，占优势的受主束缚激子发光是薄膜P型导电特征的相应表现。从施主受主对的光跃迁计算出薄膜的受主电离能约186meV。关键词N．Al共掺缺陷化学势形成能--------------------------Page2------------------------------Abstract---皇=LIII·1_鲁曼|鼍量皇量皇皇皇舅|■置量曼曼曼曼AbstractTheZnOthinfilmswereonheliconN·-A1codopedp-typeA1203(ooprepared1)usingwaveassistedtheofplasmasputteringbyapplyingtechniquenon-equilibriumgrowth．TheofthetotheandelectricaloftheZnOfilmsinfluenceannealingstructural，opticalpropertiesWaStheintrinsicmechanismoftheZnOfilmswasdiscussed．Inordertoanalized，andP-typetheZnOfilms、)l，itllN-A1ZnOfilmsabtainp-typelli曲carierconcentration，theCO·dopedwereontheanddepositedn-Si(100)andP-Si(100)．Bycomparingstructural，opticalelectricalinfluenceofsubstrateonisdiscussed．Andthentheproperties，theconductivityZnOweretheformationmechanismsoftheN-A1filmsthroughcodopedexploredchangingfluxofthemainresultsareasfollows：nitrogen．Thex111ecarrierconcentrationofZn0filmsonis2．1l0t6A1203cm-3，withp．typedepositedtheofresultsofof51．8Q’cm，andHall5cm2／V‘S．’nleDiffractionresistivitymobilityX-rayandAtomForceshowedthattheofdecreasedandtheMicroscopeintensitythe(002)peaksizeshowedthattheasymmetrygrainincreased．X·rayphotonelectronSpectroscopyconductionofthefilmsWasassociated、析廿ltheincreasenumberofZn-NandtypeoxygenincreaseoffullwidthathalfmaximumoftheinRanlaninterstitial．TheE2(11i幽modetheincreaseoftheatomsandredshiftofthespectrumsuggestedoxygenAI(Lo)modeindicatedtheconversionoftheconductiontype。0films，nleN—A1ZnOonandpre
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激光大屏幕显示技术地研究.pdf 60页
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--------------------------Page1------------------------------中北大学学位论文diofscreenlaserResearchsplaytechnologylargeAbstractoflaserisanewfashionedthecharacteristicsThescreendisplaytechnology．Withlargeandcolorscreenlaserhassaturation，thehighlargedisplaydirectivitybrightness，highhighCannotwithontheandcolor．InthisthethatothersdistinguishabilityadvanlagecompareasthesourceandofDiodeSolidStateLasernewthelightusingPumppaper,theprojectoftoSCanhasbeenadvancedonthebaseofthedouble·galvanometerexistingtechnologyscreenlaserthehasbeenfeasibilityanalyzed．largedisplay,andCombinedtheintheoflaserscreenthequestionstechnologylargedisplay、^fimbeenofthesolidstatelaserandnewideahasforwardthatdevelopmentscanner,theputusingtothethreecolorsstatelaserasthesourceoutthelineandflameSCanprimarylightcarrybyandthetworesearchedDiodeSolidStateLaserthegalvanometers．ThissubjectPumpofcolorthecolormodulationthehardwaretotechnologymixing，realizesbytechnologycontrolSolidStatedistortion'’whichisofLaser,studiedbrightnessthe‘‘pillowgeneratedbywiththethebeamscanningdouble—galvanometer,promotepathsystem，resolvent，designedandactualizedtheofthelaserscreenperformlargedisplay．Thisresearchesanewoflaserscreenispapertypetechnologylargedisplay．Thisprojecttobeitestablishesastablebasistotheofprovedavailable，SOimplementapplicationlaserCanoutthatbecarriedscreeninoutside．high—powerlargedisplaywords：laserdisplay,beamscanning，colorKeysplittermirror,galvanometermixing--------------------------Page2------------------------------中北大学学位论文声明我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。声明人：纪剑祥--------------------------Page3------------------------------中北大学学位论文第一章绪论1．1研究意义人类的信息媒体经历了语言、文字、印刷物、电波阶段，现已进入光／卫星阶段。只有光媒体和卫星媒体才能支持具有大量、高速信息的多媒体系统。多媒体依靠数字技术，网络系统以及先进的人机界面进行双向信息服务。它以图像信息为核心，所以在社会多媒体信息化的大潮流中，作为人机交互的界面，图像显示器这一以视觉形式将信息传达给人类的媒体就成为多媒体系统的核心。它的重要性越来越大，它的市场也非常庞大，发展前景十分看好。这种社会的和市场的需求促使显示器技术必须进行多种多样的变革和创新。为此，世界各地正在积极地进行着各种显示器技术的研究和开发【lJ。世界上被称为显示器的三次技术革命分别是：CRT(阴极射线管)、LCD(液晶屏)、仍不能实现超大屏幕显示。要实现远距离超大屏幕显示必须具有高强度激光光源和高速扫描器器件，这种显示技术被称为激光投影
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硕士论文_全息数据存储的快速读出系统研究(1)
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3秒自动关闭窗口电子科技基础实验 上
通用集成运算放大器特性测试一、实验目的 掌据放大器特性参数的测量 二、实验仪器 示波器一台、信号发生器一台、直流稳压电源一台、放大器一只 三、实验原理 放大器的特性包括许多内容，有幅频特性、相频特性、噪声特性、输入输缣匦缘取Ｏ 应的参数有：增益、3dB 带宽、相位裕量、噪声频谱密度、噪声系数、失调电压、动态范围、 压摆率、输入输缱杩沟取Ｏ嘤Φ慕樯芮氩慰从泄刈柿稀四、实验内容与步骤 1、 按图 1 所示组成放大器电路。+15V 10K R2IC1A LF353 C2 1 OUT 13 C1 IN 0.1 R1 1K 4 R3 1K R4 10K -15V 28图1+15VOUT2-+8765LF3531 2 3 4图2OUT1-+-15V2、 放大器增益－频率特性曲线测量：按装置图图 3 接好实验装置， 保持信号发生器正弦波输出辐度不变， 改变正弦波信 号的频率，从 500Hz－2KHz，每隔 200Hz 为一测量点，2KHz－300KHz 每隔 40KHz 为 一测量点， 300KHz－500KHz 每隔 10KHz 为一测量点。 放大器增益计算公式为： K=Vout / Vin(Vout、Vin 为放大器输入、输出正弦波信号的峰峰值)。画出放大器增益－频率特 性曲线， 并确定放大器的高通截止频率 f H (注： f H 为低频段增益下降为最高增益的 0.707 倍时的频率点，即 3dB 点)和低频截止频率 f L (注：f L 为高频段 3dB 点)，并计算出该放 大 器 VoutVin信号发生 器放大器示波器电源 图3的 3dB 带宽 BW(BW=f L－f H)。 3、 输入失调电压(ΔVoi)的测量： 输入失调电压的定义为：为了获得零值输出电压，在输入端之间应加的电压。 输入失调电压测量装置图如图 4 所示。将图 1 所示电路的 IN 端和电容 C1、C2 短 路。用数字万用表测出放大器 OUT 端的直流电压ΔVo。输入失调电压的计算公式为： ΔVio=ΔVo/(1+R2 / R1) OUTIN放大器数字万用表图4 4、 压摆率(SR)的测量： 压摆率的定义为：放大器输出电压的最大变化速率。其计算公式为：SR=ΔE/ΔT测量装置图所图 3 所示。信号发生器输出为 10KHz 的方波。请用示波器测出ΔE 和 ΔT 值，根据公式计算 SR 值。△T△E图 5、对方波或脉冲输入的响应(实线为输入信号，虚线为输出信号) 5、放大器最大不失真电压幅度的测量： 测量装置图如图 3 所示。输入信号为 10KHz 的正弦波信号。 逐渐增加输入信号，直至放大器输出刚好不失真为止。测出输出正弦波信号的正半 波刚好不失真的幅值 V(正)和负半波刚好不失真的幅值 V(负)。 改变放大器工作电源电压为+-10V，测出 V(负)和 V(正)值。V(正)V(负)图 6： 放大器最大不失真电压幅度测量(实线为非失真信号， 虚线为失真信号)五、思考题 1、 若要测该放大器的 0.1dB 带宽，该如何进行？ 2、 怎样减少失调电压对放大器的影响？ 3、 放大器工作电源电压和最大输出电压范围有什么关系？为什么？ 注意事项 1、请注意仪器的正确使用。 2、放大器应在连线正确的情况下才能通电使用。特别注意不要将放大器的电源接反。偏振光的产生及检验实验一、实验目的： 1、观察光的偏振现象，加深理解偏振的基本概念。 2、了解偏振光的产生和检验方法。 3、观测布儒斯特角及测定玻璃折射率。 4、观测椭圆偏振光与圆偏振光。 5、了解 1/2 波片和 1/4 波片的用途。 二、实验仪器： 1、起偏器 2、带小孔光屏 3、观测布儒斯特角装置 4、1/4 波片及转动装置 三、原理： 按照光的电磁理论，光波就是电磁波，电磁波是横波，所以光波也是横波。因为在大 多数情况下，电磁辐射同物质相互作用时，起主要作用的是电场，所以常以电矢量作为光 波的振动矢量，其振动方向相对于传播方向的一种空间取向称为偏振，光的这种偏振现象 是横波的特征。 根据偏振的概念，如果电矢量的振动只限于某一确定方向的光，称为平面偏振光，亦 称线偏振光；如果电矢量随时间作有规律的变化，其末端在垂直于传播方向的平面上的轨 迹呈椭圆（或圆） ，这样的光称为椭圆偏振光（或圆偏振光） ；若电矢量的取向与大小都随 时间作无规则变化，各方向的取向几率相同，则称为自然光；若电矢量在某一确定的方向 上最强，且各向的电振动无固定相位关系，则称为部分偏振光。 偏振光的应用遍及于工农业、医学、国防等部门。利用偏振光装置的各种精密仪器已 为科研、工程设计、生产技术的检验等提供了极有价值的方法。 （一）获得偏振光的方法 1、 非金属镜面的反射。 当自然光从空气照射在折射率为 n 的非金属镜面 （如玻璃仪器、 水等）上，反射光与折射光都将成为部分偏振光。当入射角增大到某一特定值 ? 时，镜面 反射光成为全偏振光，其振动面垂直于入射面，这时入射角 ? 0 称为布儒斯特角，也称起偏 振角。由布儒斯特定律得： 5、1/2 波片及转动装置 6、检偏器 7、光电转换装置 8、中值微安表tg? 0 ? n其中 n 为折射率。（1-1）2、 多层玻璃片的折射， 当自然光以布儒斯特角入射到迭在一起的多层平行玻璃片上时， 经过多次反射后透过的光就近似于线偏振光，其振动在入射面内。 3、晶体双折射产生的寻常光（o 光）和非常光（e 光） ，均为线偏振光。 4、用偏振片可以得到一定程度的线偏振光。 （二）偏振片、波长片及其作用 1、偏振片：1偏振片是利用某些有机化合物晶体的二向色性，将其渗入透明塑料薄膜中，经定向拉 制而成。它能吸收某一方向振动的光，而透过与此垂直方向振动的光，由于在应用时起的 作用不同而叫法不同，用来产生偏振光的偏振片叫做起偏器，用来检验偏振光的偏振片， 叫做检偏器。 按照马吕斯定律，强度为 I 0 的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为 I ? I 0 cos 2 ? （1-2）式中 ? 为入射偏振光的偏振方向与检偏器振轴之间的夹角，显然当以光线传播方向为 当 ? ? 00 时， 透射光强最大； 当 ? ? 900 时， 轴转动检偏器时， 透射光强度 I 发生周期性变化， 透射光强为极小值（消光状态） ；当 00 ? ? ? 900 时，透射光强介于最大和最小值之间。图1-1 表示自然光通过起偏器与检偏器的变化。起偏器图 1-1检偏器2、波长片： 当线偏振光垂直射到厚度为 L，表面平行于自身光轴的单轴晶片时，则寻常光（o 光） 和非常光（e 光）沿同一方向前进，但传播的速度不同，这两种偏振光通过晶片后，它们 的相位差 ? 为：? ? 2? (no ? ne ) L / ?（1-3）其中， ? 为入射偏振光在真空中的波长， no 和 ne 分别为晶片对 o 光和 e 光的折射率，L 为晶片的厚度。 我们知道， 两个互相垂直的同频率且有固定相位差的简谐振动， 可用下列方程表示 （如 通过晶片后 o 光和 e 光的振动） ：X ? Ae sin wt Y ? Ao sin( wt ?? ) 从两式中消去 t ，经三角运算后得到合振动的方程式为：2X 2 / Ae 2 ? Y 2 / Ao 2 ? 2 XY ? cos? / Ae Ao ? sin 2 ? 由此式可知： （1）当? ? K? （K=0、1、2……）时，为线偏振光；（1-4）（2）当 ? ? ( K ? 1 / 2)? （K=0、1、2……）时，为正椭圆偏振光。在 Ao ? Ae 时，为 圆偏振光； （3）当? 取其它值时，为椭圆偏振光。 在某一波长的线偏振光垂直入射晶片的情况下，能使 o 光和 e 光产生相位差? ? (2 K ? 1)? （相当于光程差为 ? / 2 的奇数倍）的晶片，称为对应于该单色光的二分之 ； 与此相似， 能使 o 光和 e 光产生相位 ( K ? 1 / 2)?（相当于光程差为 ? / 4 一波片 （ ? / 2 波片）的奇数倍）的晶片，称为四分之一波片（ ? / 4 波片） 。本实验中所用波片是对6328 A( He ? Ne激光) 而言的。o如图 1-2 所示，当振幅为 A 的线偏振光垂直入射到 ? / 4 波片上，振动方向与波片光轴 成 ? 角时，由于 o 光和 e 光的振幅分别为 A sin ?和A cos ? ，所以通过 ? / 4 波片后合成的偏 振状态也随角度 ? 的变化而不同。 （1）当 ? ? 00 时，获得振动方向平行于光轴的线偏振光； （2）当 ? ? ? / 2 时，获得振动方向垂直于光轴的线偏振光； （3）当 ? ? ? / 4 时， Ae ? Ao 获得圆偏振光； （4）当 ? 为其它值时，经过 ? / 4 波片后为椭圆偏振光。 （三）椭圆偏振光的测量 椭圆偏振光的测量包括长、短轴之比及长、短轴方位的测定，如图 1-3 所示，当检偏2 器方位与椭圆长轴的夹角为 ? 时，则透射光强为： I ? A12 cos 2 ? ? A2 sin 2 ?2 当? ? K? 时， I ? I max ? A12 ； 当? ? (2 K ? 1)? / 2时 I ? I min ? A2则椭圆长短轴之比为A1 ? A2I max I minY A2 检偏器方位 A1椭圆长轴的方位即为 Im ax 的方位。 Y Ao 偏振光振动方向X θ Ae 四、实验内容与步骤：3晶片光轴 X图 1-2 图 1-3（一）起偏与检偏鉴别自然光与偏振光 1、在光源至光屏的光路上插入起偏器 P1，旋转 P1，观察光屏上光斑强度的变化情况。 2、在起偏器 P1 后面再插入检偏器 P2。固定 P1 的方位，旋转 P2，旋转 3600，观察光屏 上光斑强度的变化情况，有几个消光方位。 3、以硅光电池代替光屏接收 P2 出射的光束，旋转 P2，每转过 100 记录一次相应的光 电流值，共转 1800，在坐标纸上作出 I p ~ cos 2 ? 关系曲线。 （二）观测椭圆偏振光和圆偏振 1、先使起偏器 P1 和检偏器 P2 的偏振轴垂直（即检偏器 P2 后的光屏上处于消光状态） ， 在起偏器 P1 和检偏器 P2 之间插入 ? / 4 波片，转动波片使 P2 后的光屏上仍处于消光状态。 用硅光电池及光点检流计组成的光电转换器取代光屏。 2、将起偏角 P1 转过 200，调节硅光电池使透过宾光全部进入硅光电池的接收孔内，转 动检偏器 P2 找出最大光电流的位置，并记下光电流的数值，重复测量三次，求平均值。 3、转动 P1 使 P1 的光轴与 ? / 4 波片的光轴的夹角依次为 300、450、600、900 值，在取 上述每一个角度时，都将检偏器 P2 转动一周，观察从 P2 透出光的强度变化，并记录每个角 度时的最大电流值和最小电流值，表格自拟。 （三）检验激光的偏振特性 利用上述实验原理，自己设计实验方案，对激光器输出的激光的偏振态进行检测。依 次写下实验步骤，实验现象，通过分析得出结论。 （四）考察平面偏振光通过 1/2 波片时的现象 1、按图在光具座上依次放置各元件，使起偏器 P 的振动面为垂直，检偏器 A 的振动 面为水平（此时应观察到消光现象） 。SS P A C P C A光源 起偏器 偏振片或尼科耳 检偏器 1/2 波长片2、在 P、A 之间插入 1/2 波片，将 C 转动 3600，能看到几次消光？解释这现象。 3、将 C 转任意角度，这时消光现象被破坏，把 A 转动 3600，观察到什么现象？由此 说明通过 1/2 波长片后，光变为怎样的偏振状态？ 4、仍使 P、A 处于正交，插入 C，使消光，再将 C 转 150，破坏其消光。转动 A 至消 光位置，并记录 A 所转动的角度。 5、继续将 C 转 150（即总转动角为 300） ，记录 A 达到消光所转总角度，依次使 C 总 0 0 0 0 转角为 45 、60 、75 、90 ，记录 A 消光时所转总角度。半波片转动角度 检偏器转动角度1503004450 600 750 900从上面实验结果得出什么规律？怎样解释这一现象？ 五、数据表格与数据处理： 1、数据表格自拟。2、在坐标纸上描绘出 I p ~ cos 2 ? 关系曲线。 3、做出 P1 的光轴与 ? / 4 波片的光轴的夹角为 300 到 900 的电流变化数据表，并解释变 化的原因。 4、做出半波片从 150 转到 900 时检偏器转动角度的数据表，并解释原因。 六、思考讨论题： 1、通过起偏和检偏的观测，你应当怎样判别自然光和偏振光？ 2、玻璃平板在布儒斯特角的位置上时，反射光束是什么偏振光？它的振动是在平行于 入射面内还是在垂直于入射面内？ 3、当 ? / 4 波片与 P1 的夹角为何值时产生圆偏振光？为什么？5CCD 衍射实验 一、实验目的：应用 CCD 单缝衍射仪作光学实验项目中单缝、 单丝、 双缝、 多缝等的衍射、 干涉实验。 在电脑屏幕上实时显示曲线全貌，测量其相对光强分布和衍射角，进而测量单缝的缝宽、 单丝的直径、光源的波长、双缝的缝宽和缝间距、光栅常数等。二、实验仪器：（一）仪器指标： 光强分布幅度测量相对误差：&2% 光强分布衍射角测量相对误差：&0.1% CCD 光强分布测量仪：光敏元数≥2048 组合光栅：单缝/单丝、单缝/双缝、3~5 缝、共七组，装于二维调节架上。 连续减光器：偏振减光方式，3600 调节。 半导体激光器： （选购件）LS635 或 LS650。λ：635nm/650nm，0~3mw 可调，装于万 向调节架上，220V 供电。 （二）仪器结构： 随着科技进步，当今先进的光谱实验室已不再使用照相干版法获得光谱图形，先进的 光学实验室也不再用测量望远镜或丝杠带动光电池来测量干涉、衍射花样的光强分布，所 使用的都是以 CCD 器件为核心构成的各种光学测量仪器。 LM99PC 单缝衍射仪/多道光强分布测量系统用线阵 CCD 器件接收光谱图形和光强分 布，利用计算机的强大数据处理能力对采集到的数据进行分析处理，通过直观的方式得到 我们需要的结果。与其他产品相比，LM99PC 具有分辨率高（微米级） ，实时采集、实时处 理和实时观测，观察方式多样，物理现象显著，物理内涵丰富，软件功能强大等明显的优 点，是传统单缝衍射仪的升级换代产品。 一套完整的 LM99PC 由光具座、激光器、连续减光器、组合光栅、LM601 CCD 光强 分布测量仪和 CCD 采集卡，外加一套计算机组成。1、LS635/LS650 半导体激光器：40CCD 单缝衍射仪可以选用 He-Ne 激光器，钠灯、汞灯等作光源。半导体激光器输出光 强稳定。功率可调，寿命长。其λ：635nm 或 650nm，220V 供电，输出 0~3mw 可调。见 图 1。在后面板上有一只调节激光强度的电位器。图1LS635/LS650 激光器2、连续减光器： 用二片偏振膜，一片固定，作起偏器，另一片可旋转，作检偏器，达到连续减光的目 的。也可用于偏振实验。 3、组合光栅： 由光栅片和二维调节架构成，见图 2，光栅片上有 7 组图形，见图 3。 光栅片 上部 / 下部 单丝（0.12mm） 单丝（0.10mm） 双缝（b=0.07mm，a=2） 双缝（b=0.07mm，a=3） 双缝（b=0.07mm，a=4） 三缝（b=0.02mm，a=2） 五缝（b=0.02mm，a=2） 第 1 组： 单缝（b=0.12mm） / 第 2 组： 单缝（b=0.10mm） / 第 3 组： 单缝（b=0.07mm） / 第 4 组： 单缝（b=0.07mm） / 第 5 组： 单缝（b=0.07mm） / 第 6 组： 双缝（b=0.02mm） / 第 7 组： 四缝（b=0.02mm） / a 为缝中心的间距与缝宽的比值。41光栅片 水平调节手轮 俯仰调节手轮 二维调节架1 图 1：组合光栅 4、CCD 光强分布测量仪：234567图 3：光栅片其核心是线阵 CCD 器件。 CCD 器件是一种可以电扫描的光电二极管列阵， 有面阵 （二 维）和线阵（一维）之分。LM601 CCD 光强仪所用的是线阵 CCD 器件，性能参数如下表。 LM601 CCD 光强仪机壳尺寸为 150mm×100mm×50mm，CCD 器件的光敏面至光强仪前 面板距离为 4.5mm。 光敏元 数 2592 个 光敏元尺 寸 11×11μm 光敏元中心 距 11μm 光敏元线阵有效长 28.67mm 光谱响应范围 0.35~0.9μm 光谱响应峰 值 0.56μmLM601 CCD 光强仪后面板各插孔标记含义如下，波形见图 4： “示波器/微机” ： 当光强仪配接的是 CCD 数显示波器或通用示波器时， 将此开关打在 “示 波器”位置， “同步”脉冲频率为 50Hz；当配接的是按装有 CCD 采集卡 的微机系统时，把开关打在“微机”位置， “同步”脉冲频率为 1~5Hz， “采样”脉冲频率为 10~15KHz 左右。 “同步” ： 启动 CCD 器件扫描的触发脉冲， 主要供示波器 X 轴外同步触发和采集卡同步用。 “同步”的含意是“同步扫描” 。接红色插头电缆线。 “采样” ： 每一个脉冲对应于一个光电二极管， 脉冲的前沿时刻表示外接设备可以读取光电 管的光电压值， “采样”信号是供 CCD 采集卡“采样”同步和供 CCD 数显示波器 作 X 位置计数。 此脉冲也可作为几何形状测量时的计数脉冲。 接黄色插头电缆线。 “信号” ：CCD 器件接受的空间光强分布信号的模拟电压输出端。接蓝色插头电缆线。 “同步” 、 “采样”和“信号”三者所接的电缆线合为一个 DB15 插头，连至 CCD 采集卡。4220ms 同步5v 0v 信号光强 环境光强信号 401 : 1024×14μm 501 : 2048×14μm 601 : 2592×11μm 801 : 5360×7μm 采样 0 信号光强 （扫描基线）5v图4CCD 光强仪后面板各插孔输出波形5．CCD 采集卡：CCD 采集卡采用 ISA 总线接口，插在计算机的黑色扩展槽上，与 CCD 象元之间保持同步扫描。板上有 DB15 插座，通过电缆线与 LM601 CCD 光强仪后面板各插孔相连。CCD 卡上有一个 12 位 7.5us 的 A/D 转换器， 也就是说可以把 CCD 器件上每一个光敏单元上的光强信号分成 4096 个 灰度等级。 空间分辨率与所使用的 CCD 光强仪的型号有关， 在 7μm~14μm 之间。CCD 采集卡上有一微调电位器，可用钟表起插入微调，以改变扫 描基线（0 信号光强）在屏幕上的位置，详见第 2 章。CCD 采集卡对计 算机要求不高，586 最小配置，有一个 ISA 插槽就可以了。将 CCD 卡插 入计算机时要仔细，要插正（务必先切断电源） ，上好固定螺丝，用电缆 线将卡与 CCD 光强仪连接起来,就可以开启计算机试用了。43（三） 、安装与使用： 1 计 算 机 2 3 4 51C计算机中的采集卡2-LM601 CCD 光强仪 图53C组合光栅架4-连续减光器 5C激光器LM99PC 安装图整套 LM99PC 的安装请参照图 5 所示，实验系统最好按置在光具座上，或磁性钟表座 加铁板方式，也可按置在稳定的实验桌上。 使用中有几点需要注意： 1．LM601 CCD 光强仪有很高的光电灵敏度，需在暗环境中使用，在一般室内光照条件下， 已趋饱和，在 CCDWIN 软件上显示出的采集曲线为全高；在没有暗室的情况下，可以在 LM601 CCD 光强仪和组合光栅架之间架设一个遮光筒（例如两端开口的封闭纸盒） ； ； 2．单缝与 CCD 光强仪之间的距离 Z 应尽可能满足远场条件（Z&& b / 8? ， b 为缝宽）23．扫描基线（0 信号光强）的位置调节：将 LM601 CCD 光强仪的采光窗口遮住，使窗口 无法接受到任何光线，扫描基线应在屏幕上呈现为一条近似的平直线，它的位置约在满 幅度的 10%左右，如果不在，可在程序运行中微调 CCD 采集卡上的电位器来解决。扫描 基线（0 信号光强）的位置对实验影响不大，正确的位置有利于得到漂亮的采集曲线； 4．如果采集到的曲线出现了“削顶” ，则有两种可能：一是 CCD 器件饱和，说明信号光过 强（注意：不是环境光过强） ，这时可以调节连续减光器，或者减小激光器的功率；二是 软件中选项里的增益参数调得太大，应使之减小； 5．一般的衍射花样是一种对称图形。但有时采集到的图形左右不对称，这主要是各光学元 件的几何关系没有调好引起的。实验时，应: a)调节单缝的平面与激光束垂直。检查方法 是，观察从缝上反射回来的衍射光，应在激光出射孔附近；b)调节组合光栅架上的俯仰 或水平调节手轮，使缝与光强仪采光窗的水平方向垂直（或调节光强仪） ； 6．如果光强曲线幅值涨落或突跳，是激光器输出功率不稳造成的，常发生在用 He―Ne 激 光器时，如采用半导体激光器就不会有这种情况； 7．如果单缝衍射曲线主极大顶部出现凹陷，常发生在使用质量欠佳的玻璃基板的单缝时， 主要是单缝的黑度不够，有漏光现象。如将衍射光直接投射到屏上，可观察到主极大中 间有一道黑斑； 8． 如果曲线不圆滑漂亮， 请将衍射光直接投射到屏上， 如发现衍射花样很乱， 边缘不清晰，44可能是缝的边缘不直或刀口上有尘埃。 再一个原因是 CCD 光强仪采光窗上有尖埃， 可左 右移动光强仪，寻找较好的工作区间。 （四） 、软件使用及安装： 1、软件概述及安装CCDWIN 5.0 是 CCD 光强仪采集卡的驱动/工作软件，主要与 CCD 光强仪相配合，用 于普通物理、近代物理实验的空间光强分布采集处理，光谱实验的采集处理和其它科研场 合。它提供了对空间光强分布的实时采集及实时数据处理，并有若干种观测显示方式；它 可以方便地保存和调用数据，或打印出需要的图形；另外，灵活的参数选择和环境设置更 使采集分析工作随心所欲。 CCDWIN 5.0 在 Windows 95 和 Windows98 下使用。 CCDWIN 5.0 的安装工作非常简单，只须按顺序插入安装软盘，运行 setup.exe 并根据 屏幕提示进行即可。 默认的安装路径是： C:\Program Files\浪博科教\多道光强分布测量系统 \,安装结束后，在其工作目录内含有 ccdwin.exe，设置文件 ccdwin.ini 及 SAMPLE 子目录， SAMPLE 里预置了一些我们提供的样本曲线。 本软件的外观风格如上图所示，大致可分为以下五个部分：45（1） 、曲线全貌区域(全局视窗)，即上图中所占面积最大的曲线区域。CCDWIN 会动 态地将所有采样点或来自文件的数据压缩后显示在这一区域内， 但这也不可避免地引起了 一些采样点的暂时不可见。它的横坐标指示了采样点的范围，右边的纵坐标指示了信号 A/D 转换结果的幅度，100%处对应着最大值 4096。此处有一个蓝色的选择框，它所覆盖 的曲线范围在局部放大区域里精确地显示。选择框的大小会动态地自行调整。要移动它， 用键盘的左/右方向键、PageUp/PageDown 或将鼠标置于此框内按下鼠标左键拖动即可； （2） 、局部放大区域(局部视窗)，即曲线全貌区域左边的区域。这一部分提供了对曲 线某一段的可以精确到每一个采样点的观测。 当鼠标落在这个区间时， 会弹出一条拾取线， 它所对应的采样点的序号(ch)、A/D 转换值、原模拟电压值、放大倍率（在下文中介绍） 将显示在此部分下的横条里。左边的纵坐标指示了输入信号在 A/D 转换前的模拟电压值， 最高为 10 伏。另外，出于实验需要，也可将局部视窗放大而压缩主视窗，详见下述； （3、 ）图形区域(图形视窗)，即曲线全貌区域和局部放大区域下方的区域,分为两个 部分,分别模拟曲线全貌区域和局部放大区域里曲线的传统黑白照片效果,它们可以被关 闭； （4） 、A/D 转换数据表格区域，即上图中的竖置表格。其中显示了当前每个采样点的 A/D 转换结果； （5） 、状态条,位于屏幕的最下方,显示了程序运行中的一些信息。如果不可见，请将 Windows 任务栏的“总在最上面”属性关闭。 在下面的几部分， 将通过每个菜单命令的详细描述来介绍 CCDWIN5.0 的功能和使用。 2、文件菜单‘开始采集’与热键 F1 相对应,将按设定的增益开始采集光强信号，在当前绘制线型 (填充线、点线、实线)下，以选定的采样点长度为单位实时地分析处理并绘制出曲线。若 光强仪未接好，CCDWIN 会在若干秒的检测等待后给出告警提示。 ‘停止采集’与热键 F2 相对应,将停止采集工作。停止前采到的最后一组数据图形将 冻结保留在屏幕上。退出 CCDWIN 前应停止采集，否则将给出告警提示。46‘打开…’ 与热键 F3 相对应,弹出一个标准的 Windows 文件打开对话框，用以打开 以前保存的*.ccd(曲线)文件，以当前的绘制线型显示出来，但增益与采样点长度将更改为 保存此曲线时的设定值。如果在采集中打开文件，原来的采集将停止。 与热键 F4 相对应,用于将当前屏幕上的某幅数据图形(采集或停止时均可)保存 ‘保存’ 至 CCDWIN 工作子目录下的 mmddxxxx.ccd 文件中。mm 表示月份，dd 表示日期，xxxx是 0 C 9999 范围内的编号。每一个这样的文件中都包含了当时的采样点数，增益值及所有 采样点的 A/D 转换值。示例如下图。 ‘另存为…’与热键 F5 相对应,可由用户指定文件存放的位置，其余同上。 ‘连续保存…’与热键 F7 相对应,可以不间断地保存一组连续采集的曲线。在控制台 的选项对话框里设定连续采集的数量。 、 ‘打印预览’和‘打印设置’提供了一组标准的 Windows 打印管理组件，用 ‘打印’ 于打印指定数据文件的图形。需要注意的是，用不同打印机获得的图形是不同的。举例来 说，针式打印机下一幅页面只能打出 2200 个采样点，而喷墨打印机可以打出 3400 个，激 光打印机则更多， 因此， 一帧采样长度为 3000 的曲线， 在以上三种打印机下可能各需 2 页， 1 页和半页。另外，也可以根据需要选择横打或竖打。 ‘退出’将结束 CCDWIN 的运行。退出前如果未停止采集，将有一告警框弹出。 3、控制台菜单47‘上一页’与‘下一页’对应的热键为 PageUp 与 PageDown。它们将导致主视窗中 选择框的左右移动。相应地在局部视窗中，显示的曲线部分也会变化。 ‘局部放大’与‘局部缩小’可以用来对局部视窗里的曲线进行缩放操作。局部视窗 下方横条里的×值表明了放大倍率，每执行一次此命令，×值加 1 或减 1。当×值大于 1 时，显示出的两采样点是不连续的，当拾取线落在空当里时，横条里只显示×值而无其它 数据。 ‘采样点增加’与‘采样点减少’用于控制采样点数，其变化步长(或称增幅)在‘选 项’中设定。 ‘增益增大’与‘增益减小’用于改变增益值。不同的光学测量环境，其 CCD 光强仪 的输出信号幅度相差很大；另一方面，A/D 转换器件虽然已选用了较精密的 12 位器件，但 在小信号时，仍会有较大的量化误差。为此，在 A/D 转换电路前设置了一个由程序控制增 益的放大器。此增益值共分 16 级，可以根据信号大小适当选取。 ‘主视窗线型’和‘局部视窗线型’包括三种：填充线、点线和实线。 ‘选项’与热键 F8 对应，它是一个复合的对话框，包括的内容很多，而且有些与其它 菜单项在功能上有重复。设置它的目的，是为了提供一个集成的控制环境，如下图所示。 ‘采样点减少’ 命令时采样点数改变的幅度。 采样点变化步长是指每次用 ‘采样点增加’ 或 当“高速采集”被选中时，某些计算机对用户的操作（如鼠标的运动等）反应可能会变得 迟钝，这时使用键盘的热键会好些。484、查看数据菜单“工具栏”可以隐去或显示图形菜单条。 “打开/添加对比曲线”可以连续打开三个文件，并同时显示，进入对比状态。下图在 放大了的局部视窗里分别用红色、绿色和蓝色显示了先后调入的 3 条曲线。重新开始采集、 用“打开”命令打开一个文件，或者“清除对比曲线”命令都可以退出对比状态。49“选定对比曲线”用来在对比状态下确定操作的对象。对比方式下的曲线不只一条， 只有明确了对象，才能对它进行操作，比如移动。我们可以用上/下箭头键对指定的曲线上 下移动。一旦指定了某条曲线，A/D 转换数据表格和局部视窗的横坐标就转为显示此曲线 的相关数据。 “清除对比曲线”将退出对比状态，并清空屏幕。 ‘放大局部视窗’可以使曲线全貌区域消去而局部曲线区域占据整个屏幕，如下图， 这时，图形区域也随着改变。 ‘显示照片效果’用来显示或隐去图形区域。传统的实验方式是用底片曝光来获得光强 分布信息，为了再现这一手段，CCDWIN 通过图形区域来模拟曝光的底片效果。 ‘显示刻度线’用来选择是否在曲线显示区域里显示出刻度线。 5、工具条和状态条 菜单工具条基本覆盖了常用的菜单选项，它们的对应关系，从左至右依次为：(1)开始采集 选项 部放大(2)停止采集(3)打开(4)保存(5)打印(6)打印预览(7) (12)局(8)增益增大 (13)局部缩小(9)增益减小(10)采样点增加(11)采样点减小(14)局部视窗放大(15)打开/添加对比曲线(16)关于CCDWIN…(17)退出状态条分为两个部分。 第一部分显示了当前 CCDWIN 的工作状态 （正在采集还是采集 停止）和打开的文件的名称及路径（如果在采集，则显示采集时间） 。第二部分指示了当前 的采样点数和增益系数。在曲线对比方式下，采样点数是所有对比曲线中的最大者。 三、实验原理： 光的衍射现象是光的波动性的一种表现，可分为菲涅耳衍射与夫琅和费衍射两类。菲 涅耳衍射是近场衍射，夫琅和费衍射是远场衍射，又称平行光衍射。见图 8。设波长为 ? 的 平面波射向缝宽 AB=b 的狭缝， 衍射后经透镜 L 会聚在焦平面 F， 取 x、 z 坐标如图 8 所示． 根 据惠一菲原理， 在焦平面上任一点 P 的复振幅为 FU ( P) ?狭缝?CU (Q) f (? ) jkr e dS r把狭缝细分为垂直于 x 轴的许多小面元， 面 积为 dS ? Ldx ， L 是缝的长度．由于 是平面波入射，故 U (Q) 为常数，在角度不大的 情况下 f (? ) ? 1, r ? r0 ? x sin ? 。由于图 8夫琅和费单缝衍50x ?? r0 ，故在振幅中的 r 可视为 r0 ，只有相位因子中的 ? ? r ? r0 ? x sin ? 不可略去 。故b/2 CU (Q)e jkr0 b / 2 jk? U ( P) ? L ? e dx ? C '[ ? e jkx sin ? dx ?b / 2 ?b / 2 r0把积分求出，得U ( P) ?令2C ' ? b ? sin ? k ? ? sin ? ? k sin ? ? 2 ?b ?b k ? ? sin ? ? sin ? ? ? , 2 ?则U ( P) ? C ' bsin ??sin 2 ? sin 2 ?I ? U ( P)U * ( P) ? C ' 2 b 2?2（1）? I0?2其中 I 0 为 ? =0 时的光强，即衍射斑中心点 的光强， ? 的物理意义是狭缝的边缘与中心 图 9 单缝衍射的光强分布 光线在 P 点产生的相位差。以 ? 或 sin ? 作 横坐标，以 I / I 0 作纵坐标，对上式作图可得夫琅和费单缝衍射的光强分布，如图 9 所示。 参见图 9，由（1）式可见： 1、当 ? ? 0 时， I? ? I 0 ，为中央主极大的强度，光强最强，绝大部分的光能都落在中 央明纹上。2、当 sin ? ?K? ( K ? ?1,?2,??) 时， I? ? 0 ，为第 K 级暗纹。由于夫琅和费衍射 b K? b（2）时， ? 很小，有 ? ? sin ? ，因此暗纹出现的条件为：??3、从（2）可见，当 K ? ?1 时，为主极大两侧第一级暗条纹的衍射角，由此决定了中51央明纹的宽度 ?? 0 ? 明纹宽度的二倍。2? ? ，其余各级明纹角宽度 ?? E ? ，所以中央明纹宽度是其它各级 b b4、除中央主极在外，相邻两暗纹级间存在着一些次最大，这些次最大的位置可以从对（1）式求导并使之等于零而得到，如下表示： 级数 K 次最大时 ? 相对光强I I0±1±1.43?a0.047±2±2.46?a0.017±3±3.47?a0.008以上考虑的是一个缝的衍射，如果有相邻的两个缝，则由于衍射，通过两个缝的光在 观察屏上会相遇。实验结果告诉我们，在两条缝的衍射光相互交叠的区域，不是简单地呈 现光强的叠加，而是出现了由光强重新分布而产生的明暗相间的条纹。这种现象称为光的 干涉。显然，光的干涉与光的衍射一样，都是波的叠加原理所必然导致的结果。 现在，我们仍然用惠一菲原理来分析两条缝所产生的夫琅和费衍射的结果。如图 10， 衍射屏上 A、 B 处各有一条宽 b 的缝， 缝间距为 d。 由于透镜的作用，这两条缝的衍射光在焦平面上 的光强分布是完全一样的，但是它们的相位分布 不同。把坐标原点分别放在 A 与 B 的中心，可得U A ( P) ? C ' ? U B ( P) ? C ' ?图 10 夫琅和费双缝衍射 令? ? k ?b/2?b / 2 b/2e jk ? x A ? d / 2 ? sin ? dx A e jk ? xB ? d / 2 ? sin ? dx B?b / 2d ? sin ? 为单缝中心与双缝中心的光在 2b/2P 点产生的相位差，则U ( P) ? U A ( P) ? U B ( P) ? C ' ??b / 2e jkx sin ? dx e j? ? e ? j???? ?C ' bsin ???ej?? e ? j? ?52于是总光强为I ? U ( P)U * ( P) ? I 0sin 2 ??2?ej?? e ? j? e ? j? ? e j? ? 4 I 0???sin 2 ??2cos 2 ? （3）这就是夫琅和费双缝衍射的光强 分布的表达式。设 d ? 5b ，即? ? 5? ，将式(3)作图，可得如图11 所示的光强分布。 显然， 这是由sin 2 ? / ? 2 与 4 cos 2 ? 相乘而得的图样。在有双缝时，原来的单缝 衍射图形不是平均地增加到原来 图 11 夫琅和费双缝衍射的光强分布 的二倍，而是在 sin ? ? K? / d 处，增加到原来的四倍，在sin ? ? (2 K ? 1)? / 2d 处，降为零。由此可见，这种光强重新分布的干涉现象是波的叠加原理的必然结果。 上面关于双缝衍射的讨论可以进一步推广到更多的缝。如图 12，有 N 条等间距的缝， 缝宽均为 b，间距为 d，则相邻缝的对应程差为 ? ? d sin ? ，相位差为 利用和上述类似的方法可得多缝衍射的光强分布为? ? 2?d sin ? / ?sin 2 ? sin 2 ? N? / 2? ? I N ( P) ? I 0 ? sin 2 ?? / 2?（4）设 d ? 5b, N ? 4 ，按式（4）画出光强分布如图 13 所示。比较图 13 与图 11 可知，多缝衍射与双缝衍 射的包络线相同，都是单缝衍射的结果，它们的区 别在于多缝干涉的结果使极大值变细，峰值变高， 而在两个极大值(称为“主极大”)之间出现( N ? 1) 个光强为零的 ? 值和 ( N ? 2) 个次峰。 当N很大时，各主极大变得十分尖锐，可以用来进行计 图 12 夫琅和费多缝衍射 量和分光。这种 N 很大的能产生多缝衍射的光学元 件称为光栅，其满足的主极大条件 或sin ? K ? ? K? / dd sin ? K ? ? K?称为光栅方程， d 叫做光栅常数。常见的光栅是在玻璃上均匀地刻上细条纹而制成的．这 种光栅称为透射光栅。如果在一块平面玻璃上加镀铝膜，然后在铝膜上刻压细条纹，则可53得反射光栅。图 13 夫琅和费四缝衍射的光强分布 值得注意的情况是，当干涉因子的某级主极大值刚好与衍射因子的某级极小值重合， 这些主极大值就被调制为零，对应级次的主极大就消失了，这一现象叫作缺级。因为干涉 主极大的位置由 d sin ? ? m? 决定， m =0，±1，±2，…，而单缝衍射极小的位置由 b sin ? ? n? 决定， n ? 0 ，±1，±2，…，因此缺级的条件为?d ? m ? n? ? ?b?总之，对于多缝夫琅和费衍射，缝间距 d(光栅常数)给出各级主极大值的位置；缝宽 b(联 系单缝因子)仅影响光强在各主极大值之间的分配。四、实验内容：平行光的概念是理想化的概念，实际上，不论采用什么仪器和方法都不能获行绝对的 平行光。对于单缝，满足远场条件，不用透镜，也可取得较好的实验效果。 1、测量单缝夫琅和费衍射的相对光强分布 （1）光路调整 尽可能将激光器、减光器、缝、CCD 光强仪调整为等高共轴。如用 He-N 激光器，最 好先点燃半小时，并尽可能采用交流稳电源或选用自身带开关稳流功能的激光器，为的是 激光功率稳定。 （2）测量数据 慢慢移动鼠标，读取衍射曲线上几个特殊点的 X(ch)值、Y(A/D)值（局部视窗里）和 缝到 CCD 光敏面的垂直距离 Z 填入下表：54缝宽空间位置 条纹 中央明纹 一级暗纹 一级亮纹 二级暗纹 二级亮纹 三级暗纹 中央明纹 一级暗纹 一级亮纹 二级暗纹 二级亮纹 三级暗纹光强(mm)X(ch)X(mm)Y(A/D)电压相对光强 I ( ) I0sin ?Z=注意：, 背景强度=要考虑到 CCD 器件的受光面在光强仪前面板后 4.5mm *测量 CCD 器件至单缝间距离 Z 时， *如较高级次暗纹与较低级次暗纹的 Y 读数相差较大，说明尚未满足远场条件；如正方向 与负方向暗纹的 Y 读数相差较大，说明单缝与 CCD 器件还没有调垂直。 *测量相对光强比时，一定要用 Y 值减去扫描基线的 Y 值，不能直接用 Y 值相比较。 （3）计算和比较 根据实验数据，可以计算出各级明纹和暗纹的衍射角和相对光强，还可以计算出所用 单缝的缝宽 b 和所用光源的波长 ? ，与理论值相比较，作出误差分析。55缝宽实验值 条纹 中央明纹 一级暗纹 一级亮纹 二级暗纹 二级亮纹 三级暗纹 中央明纹 一级暗纹 一级亮纹 二级暗纹 二级亮纹 三级暗纹理论计算值(mm）???X ZI 相对光强 I0? ?K?b相对光强I I01 0 0.. 0 0..0165 0Z=2、衍射法测量细丝直径 衍射法测量细丝直径在工业生产、自动控制和科研上已得到实际应用。所依据的是互 补原理，相同几何尺寸的单缝和单丝有着相同的衍射角分布。 实验时，细丝可悬挂在原来放置单缝的位置上，细丝下端捆一物体，让细丝有一定的 张力。直径用千分尺标定。也可用“组合光栅”上的两条单丝来代替。 在 “单缝衍射相对光强分布测量” 时， 让中央主级大光斑落在 CCD 采光窗的中间区域， 为的是看清单缝衍射波形的全貌，如细丝测量时也这样安排，会产生一个问题，激光束的 光斑和中央主极大一起落在 CCD 器件上，引起饱和。 从暗条纹出现条件公式（2）可知，暗条纹是以中央明纹为对称轴等间隔地左右对称分 布的，任意两条暗纹间的宽度为?b。因此，我们可以向正或负方向将中央主级大移至采光窗外，减小减光器减光量或去掉减光器，让更高级次的暗纹出现在屏幕上，见图示 14。测 量时，细心移动光标或鼠标，用“逐差法”或直接读出每一条暗纹的 X 值，列表记录。每 一暗纹读 3-5 次，取其平均值。再计算出相邻暗纹间距的平均值 ?x 。注意，这是个原始数 据 ， 必 须 乘 以 CCD 光 敏 元 的 中 心 距 才 是 暗 纹 的 真 实 间 距 l 。 由 衍 射 公 式 单 缝b?? ? ? ? Z （Z 为单丝至 CCD 光敏面的距离）算得细丝直径 ? ，并作出误差分析。 ?? l测量单缝的缝宽和所用光源的波长时，也可将中央主极大移至 CCD 采光窗外，可取得更多的 数据，提高测量精度。56图 14单丝衍射（主极大在采光窗外）空间位置 平均值（mm） 条纹 △x（mm）X(ch)X(mm)?x =mm, 细丝直径 ? =mm3、观察研究双缝干涉现象 利用 CCD 单缝衍射仪能实时显示曲线全貌的特点，选用“组合光栅”上第 3、4、5 组单缝/双缝，很容易显示出双缝受到单缝调制的现象和双缝干涉产生“缺级”的规律，即57缺级发生在 na 上， （a 为双缝中心间距与缝宽的比值，n=1，2，3，……）波形见附录。 4、观察研究多缝的干涉现象 在多缝干涉中，除有缺级现象外，在相邻主极大之间还存在着 N-2 个次级大，N-1 个 极小（N 为缝的条数） ，选用“组合光栅”上第 6、7 级 3~5 缝的衍射图，可清楚说明这个规律。 五、思考题： 1、实验过程中，光栅片与接收屏之间要满足什么条件？为什么？ 2、单缝和单丝衍射图样完全相同吗？58激光多普勒光栅振动位移与频率的测量一、实验目的 1．熟悉一种利用光的多普勒频移形成光拍的原理，精确测量微弱振动位移的方法 2．作出外力驱动音叉时的谐振曲线 二、实验仪器 双光栅微弱振动测量仪面板结构见图 1。1 2 3 4 5 6 7 8 9 10VM99Y1 Y2 X 15 14HZ13 图11211图 1 中，1―光电池座，在顶部有光电池盒，盒前有一小孔光阑，2―电源开关，3―光 电池升降手轮，4―音叉座，5―音叉，6―粘于音叉上的光栅（动光栅） ，7―静光栅架，8 ―半导体激光器，9―锁紧手轮，10―激光器输出功率调节，11―信号发生器输出功率调节， 12―信号发生器频率调节，13―驱动音叉用耳机，14―频率显示窗口，15―三个输出信号插 口，Y1 拍频信号，Y2 音叉驱动信号，X 为示波器提供“外触发”扫描信号，可使示波器上 的波形稳定。 可以看到，实验所需的激光源、信号发生器、频率计等已集成于一只仪器箱内，只需外 配一台普通的单踪或双踪示波器即可（2MHZ） 。 三、实验原理 1、位相光栅的多普勒频移 当激光平面波垂直入射到位相光栅时， 由于位相光栅上不同的光密和光疏媒质部分对光 波的位相延迟作用， 使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面， 见图 2， 由于衍射干涉作用， 在远场，我们可以用大家熟知的光栅方程即（1）式来表示： d sin ? ? n? （1） 式中， d 为光栅常数， ? 为衍射角， ? 为光波波长Y v X d激光平面波位相光栅 图2出射摺曲波阵面然而， 如果由于光栅在 y 方向以速度 v 移动着， 则出射波阵面也以速度 v 在 y 方向移动。 从而，在不同时刻，对应于同一级的衍射光线，它的波阵面上出发点，在 y 方向也有一个 vt 的位移量，见图 3。 T=t 时刻的波前 d sin ? ? n? （1） 这个位移量相应于光波位相的变化量为 ??? (t ) ?2??? ?s ?2??v1 sin ? 2?（2）VT=0 时刻的波前n? （1）代入（2） ： ?? (t ) ? v1 ? d v ? n2? t ? n? a t （3） d式中， ? a ? 2?n 级（T=t）v dθV?t n 级（T=0）现把光波写成如下形式：E ? E0 exp ? ?i ??0t ? ?? (t ) ? ? ?? E0 exp i?? 0 ? n? d ? t （4）显然可见，移动的位相光栅的 n 级衍射光波，相对于静止的位相 光栅有一个：V△S??图3?2 IeveI , w0 ? 2wd ?1IeveI , w0 ? wd 0 IevI , w0 ?1IeveI , w0 ? wd图4? a ? ? 0 ? n? d （5）的多普勒频率，如图 4 所示 2、光拍的获得与检测 光频率甚高为了要从光频w0? 0 中检测出多普勒频移量， 必须采用“拍”的方法。即要把已频移的和未频移的光束互相平行迭加，以形成光拍。本实验形成光拍的方法是采用两片完全相同的光栅平行紧贴，一片 B 静止，另一片 A 相对移动。激 光通过双光栅后所形成的衍射光，即为两种以上光束的平行迭加。如图 5 所示，光栅 A 按 速度 v A 移动起频移作 用，而光栅 B 静止不动 只起衍射作用， 故通过双光栅后出射的 衍射光包含了两种以上 不同频率而又平行的光 束，由于双光栅紧贴， 激光束具有一定宽度故 该光束能平行迭加，这 样直接而又简单地形成 了光拍。当此光拍讯号 进入光电检测器，由于 检测器的平方律检波性 质，其输出光电流可由 下述关系求得： 光束 1：VA VB=0w0 ? wd w0 ? wdw0w0 ? wdw0 w0w0 ? wdw0 w0-wd B w0 w0-wdHe-NeAw0-w图5w0-wdE1 ? E10 cos(? 0t ? ?1 ) 光束 2： E2 ? E20 cos (? 0 ? ? d ) t ? ? 2光电流： I ? ? ( E1 ? E2 ) 2??（取 n ? 1 ）（ ? 为光电转换常数）2 ? E10 cos 2 (? 0t ? ?1 ) ? 2 2 ? ? E20 cos (? 0 ? ? d ) t ? ? 2 ?? ? ? ? E10 E20 cos (? 0 ? ? d ? ? 0 ) t ? (? 2 ? ?1 ) ? ? E10 E20 cos (? 0 ? ? 0 ? ? d ) t ? (? 2 ? ?1 ) ?? ?? ?? ? ? ? ? ? ?（6）因光波频率 ? 0 甚高,不能为光电检测器反应，所以光电检测器只能反应（6）式中第三 项拍频讯号：is ? ? E10 E20 cos?? d t ? (? 2 ? ?1 )???（7）光电检测器能测到的光拍讯号的频率为拍频F拍 ?其 n? ??d vA ? ? v A n? 2? d1 为光栅密度，本实验 n? ? 100条 / mm d3、微弱振动位移量的检测从（7）式可知， F拍 与光频率 ? 0 无关，且当光栅密度 n? 为常数时，只正比于光栅移动 速度 v A 是周期性变化的。所以光拍信号频率 F拍 也是随时间而变化的，微弱振动的位移振幅为：1 1 2 1 2 F (t ) A ? ? v(t )dt ? ? 拍 dt ? 2 0 2 0 n? 2n?T2TTT?F02拍(t )dt式中 T 为音叉振动周期， ? F拍 (t )dt 可直接在示波器的荧光屏上计算波形数而得到，因为0T0? F拍 (t )dt 表示 T/2 内的波的个数，其不足一个完整波形的首数及尾数，需在波群的两端，2可按反正弦函数折算为波形的分数部份，即sin ?1 a sin ?1 b ?
式中，a，b 为波群的首尾幅度和该处完整波形的振幅之比。 （波群指 T/2 内的波形，分数波 形数包括满 1/2 个波形为 0.5，满 1/4 个波形为 0.25）波形数=整数波形数+四、实验内容与步骤1、仪器连接将双踪示波器的 Y1、Y2、X 外触发输入端接至双光栅微弱振动测量仪的 Y1、Y2、X 的输出插座上，开启各自的电源，单踪示波器则不需接 Y2，只观测 Y1 的拍频波。2、操作（1）几何光路调整 小心取下“静光栅架” ， （不可擦伤光栅）稍稍松开激光器顶部的锁紧手轮，用手小心地 上下左右搬动激光器，让光束从安装静止光栅架的孔中心通过。调节光电池架手轮，让某一 级衍射光正好落入光电池前的小孔内。锁紧激光器。 （2）双光栅调整 小心地装上“静光栅架”静光栅尽可能与动光栅接近（不可相碰！ ）用一屏放于光电池 架处，慢慢转动光栅架，务必仔细观察调节，使得二个光束尽可能重合。去掉观察屏，轻轻 敲击音叉，调节示波器，配合调节激光器输出功率，应看到很漂亮的拍频波。 （3）音叉谐振调节 先将“功率”旋钮置于 6-7 点钟附近，调节“频率”旋钮， （500HZ 附近） ，使音叉谐振。 调节时用手轻轻地按音叉顶部，找出调节方向。如音叉谐振太强烈，将“功率”旋钮向小钟 点方向转动，使在示波器上看到的 T/2 内光拍的波数为 10~20 个左右较合适（示波器上显示 的曲线如图 6 和图 7 所示） 。 （4）测出外力驱动音叉时的谐振曲线 固定“功率”旋钮位置，小心调节“频率”旋钮，作出音叉的频率――振幅曲线。图 6：单踪示波器显示的拍频波图 7： 双踪示波器显示的拍频波和音叉驱动波（5）改变音叉的有效质量，研究谐振曲线的变化趋势，并说明原因。 （改变质量可用橡皮泥 或在音叉上吸一小块磁铁。注意，此时信号输出功率不能变） 五、思考题1、如何判断动光栅与静光栅的刻痕已平行？ 2、作外力驱动音叉谐振曲线时，为什么要固定信号功率？ 3、分析该方法测量振动位移出现误差的因素有哪些？白光干涉实验光的干涉现象是光的波动性的一种表现。 当一束光被分成两束， 经过不同路径再相遇时， 如果光程差小于该束光的相干长度， 将会出现干涉现象。 迈克尔逊干涉仪是一种利用分割光 波振幅的方法实现干涉的精密光学仪器。自 1881 年问世以来，迈克尔逊曾用它完成了三个 著名的实验：否定“以太”的迈克尔逊―莫雷实验，光谱精细结构和利用光波波长标定长度单 位。迈克尔逊干涉仪结构简单、光路直观、精度高，其调整和使用具有典型性。根据迈克尔 逊干涉仪的基本原理发展的各种精密仪器已广泛应用于生产和科研领域。 一、实验目的 1、测量钠光 D 双线的波长差； 2、观察白光干涉条纹； 3、测量白光的相干长度。 二、实验仪器 迈克尔逊干涉仪、氦氖激光器、白光光源、钠光灯 三、实验原理 1、迈克尔逊干涉仪的结构原理 迈克尔逊干涉仪的典型光路如图 1 所示。图中 Μ 和1Μ2 是两面平面反射镜，分别装在相互垂直的两臂上。Μ1 位置固定而 Μ2 可通过精密丝杆沿臂长方向移动；Μ2 倾角 固定而 Μ1 的倾角可通过背面螺丝调节。 G1 和 G2 是两块完 全相同的玻璃板，在 G1 的后表面上镀有半透明的银膜， 能使入射光分为振幅相等的反射光和透射光，称为分光 板。G1 和 G2 与 M1 和 M2 成 45℃角倾斜安装。由光源发出 的光束，通过分光板 G1 分成反射光束 1 和透射光束 2，分 别射向 M2 和 M1，并被反射回到 G1。由于两束光是相干 光，从而产生干涉。干涉仪中 G2 称为补偿板，是为了使图1 迈克尔逊于涉仪的典型光路光束 2 也同光束 1 一样地三次通过玻璃板，以保证两光束间的光程差不致过大(这对使用单 。 色性不好的光源是必要的)。 由于 G 银膜的反射，使在 M2 附近形成 M1 的一个虚象 M1＇1因此，光束 1 和光束 2 的干涉等效于由 M2 和 M1＇之间空气薄膜产生的干涉。 2、等倾干涉(定域干涉) 如图 2 所示， 波长为 λ 的光束 y 经间隔为 d 的上下两平 面 M2 和 M1＇反射，反射后的光束分别为 y 和 y2。1设 y 经过的光程为 l，y2 经过的光程为 l+Δl，Δl 即为这1图2 等倾干涉光路图两束光的光程差（ ?l ? AB ? BD ） ，如果入射角为 θ，则?l ? 2d cos ? ，当 ?l ? 2d cos ? ? k ? 时，为亮纹?l ? 2d cos ? ? (2k ? 1)?2时，为暗纹其中k为整数，称干涉级序数，与某条干涉条纹对应。 、M2 上下表面平行时，可以观察到明暗相间的圆形条纹，这种干涉叫等倾干涉。 M1 ＇ M2 镜每移动增加或减少 λ/2 距离，视场中心就吐出一个环纹或吞进一个环纹。视场中干涉 条纹变化或移过的数目 ΔN 与 M2 移动距离 Δd 间的关系是：?d ? ?N ? ? / 2上式表明，已知 M2 移动的距离，并记录 ΔN，就可确定光的波长。（1）观察干涉圆环的环心，如增大 d，k 也增大，环心的级次也增大，环心不断吐出环纹, 环纹增多变密；如减小 d，则发生相反的情景，环心不断吞进环纹，条纹减少变疏。 。 如果 M1＇和 M2 不平行，这时就能观察到等厚直条纹（有时微有弯曲） 3、光谱双线波长差： 如前述的原理，当 M1 与 M2 互相平行时，得到明暗相间的圆形干涉条纹。如果光源是 绝对单色的，则当 M1 镜缓慢移动时，虽然视场中心条纹不断涌出或陷入，但条纹的衬度不 变，所谓条纹的衬度是指条纹的清晰程度，通常定义为：V ?I max ? I min I max ? I min（2）式中Imax和Imin分别为亮纹的光强和暗纹的光强。 如果光源中包含有波长相近的两种光波 λ1 和 λ2，则可遇到这样情况：两列光波（1）和 （2）的光程差恰好为 λ1 的整数倍，而同时又为 λ2 的半整数倍，亦即：1? ? ? ? K1 ?1 ? ? k 2 ? ? ?2 ? 2?（3）这时，λ1 光波成亮环的地方，恰好是光波 λ2 被生成暗环的地方。如果这两列光波强度 相等，则由定义，在这些地方条纹的衬度为零。从某一衬度为到相邻的下一次衬度为零，即 如果第一次衬度为零时，λ1 为亮环，那么第二次它即为暗条纹，也就是光程差的变化△L 对 λ1 是半个波长的奇数倍，同时对 λ2 也是半个波长的奇数倍，又因这两个奇数是相邻的，故 得：?L ? k?12? ? k ? 2??22（4） （5）式中K为奇数，由此得：?1 ?2 2 ?1 ? ? ?2 K ?L ?1?2?L ?于是：?? ? ?1 ? ?2 ??2?L（6）对于视场中心来说，设M1镜在相继两次衬度为零时移动△L应等于2△d， 所以：?? ??2 2?d（7）只要知道两波长的平均值 ? 和 M1 镜移动的距离△d，就可以求出两者的波长差△λ，根据这原理，可以用实验测量钠光 D 双线的波长差。 4、相干长度 ?m 考虑等倾条纹时视场中心处 i ? 0 的情况。 对于任何一种光源， 都存在一个 dm 值， d ? dm 时，视场中干涉场的可见度为零；只有当 d ? dm 时，才能出现干涉条纹。不同光源的 dm 值 不同，即能够产生干涉条纹的最大光程差 ?m ? 2dm 不同。我们称 ?m 为该光源的相干长度。 光源存在一定的相干长度可以这样来解释： 任何光源发射的光波都是一连串有限长的波 列。在迈克尔逊干涉仪中，每个波列由半反膜 A 分成两个分波列。只有当这两个分波列同 时在观察点 E 处并存时，才能叠加形成干涉。当光程差过大时，某一分波列已通过 E 点， 而另一分波列却尚未到达，二者不相遇，因此形不成干涉。光源单色性越好，其发射的波列 就越长，在较大的 ?m 情况下还能形成干涉，即相干长度较长。 上述问题也可理解为：实际光源发射的都不是理想单色光。光的能量分布在 ?0 ? ?? / 2 到 ?0 ? ?? / 2 被段范围内。 ?0 称中心波长， ?? 称谱线宽度。一个光波实际上是由波长在?0 ? ?? / 2 到 ?0 ? ?? / 2 之间的无限多个单色理想谐波组成的。形成干涉时，每一个理想谐波都有自己一套干涉条纹。光程差较小时，各套条纹近于重选在一起，这时条纹亮暗对比明 显；随着 ?m 增大，光程差增大，波长为 ?0 ? ?? / 2 的干涉条纹的次级干涉极大逐渐和波长 为 ?0 ? ?? / 2 的同级干涉极大错开，整个视场的可见度逐渐减小；当两套条纹错开一个条纹 间距时，干涉条纹完全消失，可见度为零。这时有：?m ? k (?0 ? ?? / 2) ? (k ? 1)(?0 ? ?? / 2)（8）由后一等式得 k ? ?0 / ?? ，代入前一等式得： ?m ? ?2 0 / ?? 。这就是相干长度的计算式，定 义光源的相干时间为：?m ?02 （9） ? c c?? 不同光源的相干长度有很大差异。氦氖激光束单色性很好，单纵模氦氖激光束 ?? 只有 tm ?10 ?4 ~ 10 ?7 nm ，相干长度由数米到数公里；普通低压水银灯、钠光灯的准单色光的 ?? 约为10 ?2 nm ，相干长度只有数厘米；钨丝灯发射的光，其 ?? 与 ?0 相近，相干长度仅数微米。四、实验内容与步骤1、了解迈克尔逊干涉仪结构，熟悉每个旋钮的作用。 2、测量钠光D双线的波长差。 （1） 点亮He－Ne激光器使之照射在前面的毛玻璃上，形成均匀的扩展光源。 （2） 把He－Ne激光器换成钠灯，调好等倾干涉条纹后，缓慢移动M1镜，使视场中心的衬 度最小，记下M1镜的位置d1，沿原来方向移动M1镜，直至衬度又最小，记下M1镜的位置d2，即得 ?d ?d2 ? d1 。（3） 重复三次，求△d的平均值 ?d ,代入（2）式，计算钠灯D双线的波长差△λ。?d第一次 第二次 第三次平均值 ?d3、测量白光相干长度 （1） 调节M1和M2＇平行：使细激光束穿过小孔光阑后，再照射到干涉仪的半反射镜上。 调节M1使反射回来的一排光斑中最亮点返回小孔光阑，即可使M2＇与M1平行。在 弧形条纹变为圆条纹的调整过程中，应仔细考察条纹的变化情况，根据条纹形状来 判断M2、M1间的相对倾斜，从而确定调节哪几个螺丝，是放松还是拧紧等等。 （2） 移动M1镜使M1镜与M2＇大致重合，调M2的微调螺丝，使M2＇与M1有一很小的夹角， 视场中出现直线干涉条纹，干涉条纹的间距与夹角成反比，夹角太大，条纹变得很 密，甚至观察不到干涉条纹，这时我们看到的就是定域干涉现象中的等厚条纹了。 取条纹的间距为1mm左右，移动M1镜，观看干涉条纹从弯曲变直再变弯曲的过程。 （3） 观察白光条纹白光相干长度很短，仅当两束光程差接近于零时，白光条纹才出现， 所以一定要找出的 ? ? 0 时，M2镜的位置。以扩束激光束为光源，在E处置一纸屏，调出弯曲的干涉条纹后，旋动细调手轮，使条纹向环心收缩，也就是让M2镜向光程 差为零的位置移动。随着 ? 的减小，干涉环的弯曲程度逐渐减轻，当条纹接近直线 时，由读数窗记下读数a。继续沿同一方向旋动手轮，可以看到条纹由弯向左边（或 右边）而变直，再弯向右边（左边） 。这表示M2镜已越过 ? 的位置，记下这时M2的 位置读数b，可知 ? 的位置在a、b之间。用此法可将零点位置限制在约0.5mm范围之 内。 （4） 换用白光光源，用微调手轮由b向a旋动，则可在ab间的某一位置看到Ｅ处纸屏上出 现彩色的白光条纹。 花纹的中心就是M2＇ 、 M1的交线， 此时M1镜的位置准确地和M2＇ 镜重合，由于白光干涉条纹只有数条，所以必须耐心细致地才能观察到，如果M1镜 移动得太快，就会一晃而过。 （5） 测量白光相干长度，可用等厚干涉条纹来测量，缓慢移动M1镜在即将出现彩色的直 线条纹时，记录M1镜的位置X1，然后沿原来的移动方向，改变M1镜的位置在彩色直 线条纹消失时，记录M1镜的位置X2，求出白光的相干长度 ?m 。按上述方法重复三 次，取平均值，取白光λ0=580nm，求白光源的相干长度和相干时间。 ?m 的测量只 取1～2位有效数字。 （注：相干长度： ? m ?X1 ? X22；在测量时M1镜只能朝单方向移动，否则会给测量引入螺距误差。 ）X1第一次 第二次 第三次 五、思考题X1 平均值X2X2 平均值Δm1、本实验中所用的麦克尔逊干涉仪粗调转动一圈代表 M2 镜移动多少距离？微调转动一圈 又代表 M2 镜移动多少距离？ 2、在迈克尔逊干涉仪中，补偿板的作用是什么？ 3、试设计一个实验，利用迈克尔逊干涉仪测量薄玻璃片的折射率。外光电效应及光电管伏安特性测量一、实验目的 1、通过光电效应实验了解光的量子性。 2、测量光电管的弱电流特性，找出不同光频率下的截止电压。 3、验证爱因斯坦方程，并由此求出普朗克常数。 二、实验仪器4 56图一1、 微电流指示 2、电压指示 3、电流换档开关 4、微电流表调零 5、调满度（校表的基准） 6、电压调节 7、电压表量程换档图二电压输出2、电压输出3、电源开关 4、220V插座、保险丝 5、微电流输入一、使用时请按照如下接线： 光电暗盒上A端和地端，接在“电压输出” 正负极上，光电暗盒上K端接在背板的“电 流输入Q9头”上，接通交流220V电源，预热20分钟左右，把“电流换档开关”拨至“调 零” ，然后调节“调零旋钮”至电流表读数为零，接着把“电流换档开关”拨至“满度” ，然 后调节“满度旋扭”至电流表读数为-100.0时，再把“电流换档开关”拨至10-5mA 档，然后 调节“调零旋钮”至电流表读数为零，接着把“电流换档开关”拨至“满度” ，然后调节“满 度旋扭”至电流表读数为-100.0，再这样反复几次，直至拨“电流换档开关”至10-5mA 档和 满度时，电流表分别指示为零和-100.0时为止。PE-II型 普朗克常数测定仪 K ○ 光 电 管 暗 盒G ○A ○图三光电暗盒面板图K――光电流输出；A――阳极；G――地 三、实验原理 量子论是近代物理的基础之一，而光电效应则可以给予量子论以直观鲜明的物理解释， 随着科学技术的发展，光电效应已广泛用于工农业生产、国防和许多科技领域。普朗克常数 公认值为h=6.6JS，是自然界中一个很重要的普适常数，它可以用光电效应法简 单而又较准确地求出， 所以， 进行光电效应实验并通过实验求取普朗克常数有助于学生理解 量子理论和更好地认识h这个普适常数。 1887年H.赫兹在验证电磁波存在时意外发现， 一束光入射到金属表面， 会有电子从金属 表面溢出，这个物理现象被称为光电效应。 1888年以后，W.哈耳瓦克斯，A.T.斯托列托夫.P.勒纳德等人对光电效应作了长时间的研 究，并总结出了光电效应的基本实验事实（1）光电发射率与光强成正比（图四：a、b） ； （2） 光电效应存在一个阈频率（或称截止频率） ，当入射光的频率低于某一阈值υ时，不论光的 强度如何，都没有电子产生（图四：c） ； （3）光电子的动能与光强无关，但与入射的频率成 正比（图四、d） ； （4）光电效应是瞬时效应，一经光线照射，立刻产生光电子，然而麦克斯 韦的经典理论无法对上述实验事实作出完整的解释。 1905年，.A.爱因斯坦大胆地把1900年M.普朗克在进行黑体辐射研究过程中提出的辐射 能量不连续观点应用于光辐射，提出“光量子”概念，从而给光电效应以正确的理论解释。 对于爱因斯坦的假设，许多学者（诸如剑桥大学的A.体斯，普林斯顿大学的Q.理查逊， K.T.康普顿等）都做了许多工作，企图验证爱因斯坦的正确性。然而卓有成效的工作应该属 于芝加哥大学莱尔逊实验室研究的R.A.密立根， 他从1905年爱因斯坦的论文问世后即对光电 效应开展全面的详尽的实验研究， 经过十年艰苦卓越的工作， 1916年密里根发表了详细的论 文，证实了爱因斯坦方程的正确，并精确测出了普朗克常数h=6.56×10-27crg.scc.它与M.普朗 克按绝对黑体辐射律中的常数计算完全一致。 A.爱因斯坦和R.A密立根都因光电效应等方面的贡献， 分别于1921年和1923年获得了诺 贝尔奖金。I 饱和 P增加 ImIm0 (a) Us 斜率k=h/eU0 (b) I υP0 ψsυ0υ 0 (c)图四 关于光电效应的几个特性U (d)爱因斯坦认为一点发出的光不是按麦克斯韦电磁学说指出的那样以连续分布的形式把 能量传播到空间，而是频率为υ的光以hυ为能量单位（光量子）的形式一份一份地向外辐 射。至于光电效应，是具有能量为hυ的一个光子作用于金属中的一个自由电子，并把它的 全部能量交给这个电子造成的。如果电子脱离金属表面耗费的能量为Ws 的话，则由光电效 应打出速度V的电子的动能为 E=hυ-Ws,或1/2mV2=hυ-Ws （1） -34 其中：h-普朗克常数公认值为6.62916×10 J.scc υ-入射光的频率 m-电子的质量 V-光电子逸出金属表面时的初速度 Ws-受电子照射的金属的逸出功（或功函数） 在式 （1） 中， 1/2mV2是没有受到电荷阻止， 从金属中逸出的电子的最大初动能。 由 （ 1） 式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子最大初动能必然也越大，如图四、d。 正因为光电子具有很大初动能， 所以即使阳极不加电压也会有光电子落入而形成电流， 甚至 阳极相对于阴极的电位低时也会有光电子落到阳极， 直到阳极电位低于某一个数值时， 光电 子都不能到达阳极，光电流为零 (图四、a) 。这个相对于阴极为负值的阳极电位Us被称为 光电效应的截止电位（或截止电压） 。 显然，此时有eUs-1/2mV2=0 （2） 代入（1）式即有eUs=hυ- Ws （3）由于金属材料的溢出功Ws是金属的固有属性，对于给定的金属材料Ws是一定值，它 与入射光的频率无关，令Ws=hυ0 ，υ0为频率，即具有频率υ0的光子恰恰具有溢出功Ws。 而没有多余的动能，将（3）式改定为 Us=hυ/e-Ws/e=h(υ-υ0)/e （4） （4）式表明，截止电压Us是入射光频率υ的线性函数，当入射光的频率υ=υ0时，截 止电压Us=0时，没有光电子释放出（图四、C） 。上式的斜率k=h/e是一个正常数。 h=ek （5） 可见，只要用实验方法作出不同频率下的Us-υ曲线，并求出本曲线的斜率K，就可以 通过（5）式求出普朗克常数h的数值，其中e=1.60×10-19c是电子电荷量。频率为υ 强度为P A + K IkaU + Us 0 Uak图五、实验原理图图六、光电管的起始I-V特性图五是用光电管进行光电效应实验，测量普朗克常数的实验原理图。 频率为υ，强度为P的光线照射到光电管阴极上，既有光电子从阴极溢出，如图所示 在阴极K和阳极A之间加有反向电压Uka,它使电极K、A之间建立起的电场对光电阴极溢出的 光电子起减速的作用，随着电位Uka的增加，到达阳极的光电子（光电流）将逐渐减小。 当Uka=Us时电流降为零，见图六光电管的起始I-V特性，不同频率光照射，可以得到与 之相对应的I-V特性曲线和对应的Us电压值。在直角坐标系中作出Us-υ关系曲线，如果它是 一根直线，就证明了爱因斯坦光电效应方程的正确。而由该直线的斜率K则可求出普朗克常 数（h=ek） 。另外，由该直线与坐标横轴的交点可求出该光电阴极的截止频率（υ0） ，该直 线的延线与坐标纵轴的交点又可求出光电阴极的溢出电位Φs（见图四、C） 。 必须指出，爱因斯坦方程是在同金属做发射（阴极）和接收体（阳极）的情况下导出 的。在用光电管进行光电效应实验，测量普朗克常数时，应该考虑接触电位带来的影响。 我们知道，两种金属接触的地方存在“接触电位差” 。接触电位差的大小与这些金属的 溢出功有关。光电管大都用溢出功大的做阳极，用溢出功小的做阴极（例如镍Wn=4.96cV 钾，Wk=1.6eV 即WrΦa&Φk） 。将光电管的电路改画成图五之后可以看出，光电管两电极间 的电位Uka跟两电极之间的溢出电位Φa、Φk及外加电压U′ka之间有下列的关系： Uka=U@ka+Φa-Φk 在截止电压情况下 Us=U@s+Φa-Φk 代入（3）式得e U@s+eΦa-eΦk =hυ-eΦkU@s=hυ/e-Φa反应到I-V特性曲线上是电流作了Φak平移（图六、a）,而在Us-v关系曲线中则是频率轴 。U@s-v特性曲线与Us轴的交点Φs代表的不是阴极溢出电位Φsk。 作了Φak的平移（图六、b） 所以，欲知阴极溢出电位Φsk和截止频率υ0k,必须先清楚，两极之间的接触Us电位差Φak。 I′kaIkaUsVoa Us′0′0 ΦakΦak Φa0 Φk 0 Φs′υokUs图七：光电管极间接触电位差的影响在用工业光电管来进行此项实验时，由于制作工艺等原因，阳极均沾染了阴极材料， 并且无法去除，此时，可以认为Φk=Φa，并且有Us= U@s，Us-v曲线与纵、横坐标轴的交点 可以认为是阴极材料的溢出电位Φsk和截止频率υok。 （1） GD-27型光电管：阳极为镍圈，阴极为银-氧-钾（Ag-O-K）,光谱响应范围 A， 光窗为无铅多硼硅玻璃， 最高灵敏波长?， 阴极光灵敏度约1μA/LM， 暗电流很小几乎为0。为了避免杂散光和外界电磁场对微弱光电流的干扰，光电管安装暗盒 中，暗盒窗口可以安放Φ5mm的光阑和Φ36mm的各种带通滤光片。 （2）光源采用50W高压汞灯，在 ?的谱线范围内有3650 ?，4047 ?，4358 ?， 4916 ?，5461 ?，5770 ?等谱线可供实验使用。 （3） 滤光片： 是一组外径为Φ36mm的宽带通型有 色玻璃组合滤色片， 它具有滤选3650 ?，4047 ?，4358 ?，5461 ?，5770 ?等谱线的能力。 （4）PE-II 型微电流测量放大器：电流测量范围在 10-6-10-13A，分六档十进变换，机内 设有稳定度&1%，精密连续可调的光电管工作电源，电压量程分 0～±2V，0～±24V 两档， 读数精度为 0.01V，测量放大器可以连续工作 8 小时以上。 四、实验内容与步骤 1、测试前的准备 （1）认真阅读PE-II型普朗克常数测定仪使用说明书中的使用方法和注意事项部分。 （2）安放好仪器，用遮光罩罩住光电管暗盒的光窗，插上电源预热20-30分钟，然后调 整测量放大器的零点和满度（按照第2页接线） 。 2、调整 （1）将测量范围旋钮调到“短路” ，除去光电暗盒上遮光孔罩，使汞灯照在光电管阳极 圈中央部位，然后将遮光盖盖好。（2）把“电流换档开关”拨至10-5mA 档，然后旋转“调零”旋钮使放大器短路电流显 示为“00.0”，将“测量范围”旋钮转至“满度” ，旋转“满度”旋钮使电流值显示为”100.00” 再把“电流换档开关”拨至10-5mA 档。 （3）测量光电管的暗电流 ①测量放大器“倍率”旋钮置“10-5” ，此时在“10-5”档调零，在满度档调满度-100。 盖上高压汞灯出光口和光电暗盒接光口的遮光盖， 连接好光电暗盒与测量放大器之间的屏蔽 电缆、地线和阴极电源线。 ②将仪器主机后背的键进开关弹出，此时输入的是反向电压。微电流表头显示的读数 为暗电流。将主面板右下的电压测量量程键进开关弹出，此时选择2V量程。 ③缓慢旋转“电压调节”旋钮，并适当地改变“电压量程” ，仔细记录从不同电压读得 的光电管的暗电流（注：暗电流很小，在不同的电流档分别按照以上步骤测量） 。 4、测量光电管的I-V特性 （1）让光出射孔对准暗盒窗口，并使暗盒离开光30-45cm，在测量放大器“倍率”置 ×10 档，分别调零调满度后，换上滤光片，取去遮光罩， “电压调节”从0V调起，缓慢增 加，先观察一遍不同滤色片下的电流变化情况，记下电流明显变化的电压值以便精测。 （2）在粗测的基础上进行精测记录，从短波长滤色片起小心地逐次换上滤色片，仔细 读出不同频率的入射光照射下的光电流。并记录在表一（在电流开始变化的地方多读几个 值） 。 （3）盖上遮光盖，换上滤色片读出微电流数值，此数值为本底电流，记录下来设为I0， 打开遮光盖，此时电流值为光电流， “电压调节”从0V调起，缓慢增加，直到电流表数值为 I0 ，此时电压表读数为截止电压US，分别换上不同的滤色片，并将截止电压US记录在表二。 （4）把不同频率下的截止电压描绘在方格纸上，如果光电效应遵从爱因斯坦方程，则 Us=f(v)关系曲线应该是一条直线，求出直线的斜率： K=Δu/Δυ，代入（5）式求出普朗 克常数h=e?k=e(Usi-Usj)/(υi-υj),i、j分别为第i、j个滤色片，并算出所测值与公认值之间的误 差。 （5）改变光源与暗盒的距离L或光阑孔Φ，重做上述实验。 （6）本光电管阴极是平面电极，阳极采用环状结构，其阴极电流上升很快，反向电流 较小，特性曲线与横轴的交点可近似当作遏止电压，这种方法称为“交点法” 。 表一：距离 L= 365nm Uka(V) 1ka(×10-11A) Uka(V) 1ka(×10-11A) Uka(V) 1ka(×10-11A) Uka(V) 1ka(×10-11A) Uka(V) 1ka(×10-11A) cm 光阑孔Φ= mm cm 光阑孔Φ= mm-5405nm436nm546nm577nm表二：距离 L=波长(nm) 频率（×10-14Hz） Us（V）365 8.22405 7.41436 6.88546 5.49577 5.20h×10-34jsδ （%）五、思考题 1、简述光电效应 2、使用不同的光阑孔 频率（f）和截止电压（Vs）曲线有什么变化 注意事项 1、应注意不能使光照在光电管阳极上。 2、测试时，如遇环境湿度较大，应将光电管和微电流放大器进行干燥处理，以减少漏 电流的影响。 3、测定截止电压时，先把汞灯遮光罩盖上，换上滤色片，电压为0V时的电流值为I0， 再调节电压电位器，调节应平衡、缓慢，并以光电流为I0时反向电压的最小值为该波长的截 止电压。因为存在光电管本底电流、暗电流，所以在电流档测试时，慢慢调节加速电压，应 使光电流显示为I0，此时所显示的电压值即为该单色光照射时的截止电压-U0 。 4、每次实验结束时，应将电压调节电位器调至最小，平时应将光电管保存在干燥暗箱 内，实验时也应尽量减少光照，实验后用遮光盖将进光孔盖住。 5、对精密仪器应注意防震、防尘、防潮。光电倍增管及发光二极管特性测试一、实验目的 掌握发光二极管光谱特性及其光电倍增管特性测量。二、实验仪器 单色仪一台、恒流源一台、光电倍增管测量仪一套、标准发光二极管一只、被测发光二 极管一只。三、实验原理 发光二极管、光电倍增管工作原理请参见附录资料。 光源的光谱测量通常可通过专用光谱仪来完成， 用这种方法来测量光源的光谱， 对光谱 仪的要求较高，测量的精度主要取决于光谱仪。另外还有一种相对光谱测量方法，相对测量 法是指在已知同种标准光源光谱分布的情况下， 通过相互比对来获得被测光源的光谱分布的 方法。 假设波长为λ的标准光源的光谱响应为 P λ标 ，被测光源的光谱响应为 P λ被 ，在同等 条件下(相同的测量装置、相同的测量位置、相同的环境、相同的驱动电流等)，对应同一光 谱测量设备，标准光源的光谱响应电流为 Iλ标 ，被测光源的光谱响应电流为 Iλ被 ，则下列 等式成立：P λ被 P λ标=Iλ被 Iλ标P λ被 = P λ标 .Iλ被 Iλ标绝对测量法对光谱仪的要求较为严格， 测量的精度主要取决于光谱仪。 相对测量法要求 有进行比对用的标准光源，且该器件的光谱分布为己知，而对光谱仪要求相对较少，只要求 光谱仪的波长响应范围足够， 且保持一定的稳定性。 相对测量法还要求被测光源和标准光源 的测量保持同等条件。 四、实验内容与步骤 1、发光二极管相对光谱分布检测： Ａ、待测管（１号）光谱输出值 I（λ） 的测量： 1 实验装置图如图 1 所示。发光管的工作电流取 1０ｍＡ，光电倍增管工作电压为 5００ Ｖ，按６００、６１０、６２０、６３０、６４０、６４５、６５０、６５５、６６０、６ ７０、６７５、６８０、６９０、７００、７１０、７２０、７３０、７４０ｎｍ的波长间 隔分别读出光电倍增管对应的输出电流 三遍取平均值。I（λ） I 1 λ） 1 max ，测 ，并找出峰值波长及相响应电流 （恒流源 LED单色仪高压电源光电倍增管 图1Ｂ、将标准管（２号）取代１号管，注意尽量保持和 1 号管相同的工作条件。重复Ａ步骤， 测出２号管的光谱响应电流 I 2 及 I2 。 （λ） （λ） max Ｃ、 ∵： P ? （λ）相 1P （λ） 1 P （λ） 1 max P2 （λ） P2 max （λ）（1）P2 （λ）相 ?（2）P （λ）相 1 P2 （λ）相?I（λ）相 1 I2 （λ）相I（λ） 1 I（λ） 1 max I2 （λ） I2 （λ） max（3）I（λ）相 ? 1（4）I2 （λ）相 ?（5）I（λ） 1∴： P ? P2 （λ）相 1 （λ）相 .I（λ） 1 max I2 （λ） I2 （λ） max（6）根据（6）式求出待测管（１号）对最大光谱响应归一的相对光谱分布，并画出曲线。 Ｄ、标准管（２号）相对光谱分布如下表所示： 波长 （ｎｍ） 600 610 620 630 640 P2(λ)相 0.181 0.343 0.360 0.397 0.460 波长 （ｎｍ） 645 650 655 660 665 P2(λ)相 0.538 0.628 0.769 0.895 1.000 波长 （ｎｍ） 670 675 680 685 690 P2(λ)相 0.921 0.718 0.523 0.397 0.361 波长 （ｎｍ） 700 710 720 730 740 P2(λ)相 0.328 0.307 0.288 0.233 0.1892、光电倍增管特性测试： １、测量放大倍数与偏置电压工作关系： 将２号管作为光源（工作电流为 10mA） ，调节单色仪使光电倍增管输出最大（峰 值波长处） ，改变光电倍增管偏压从 200Ｖ一 700Ｖ，每隔１００Ｖ测一点，测三遍取平 均值。作出光电倍增管输出电流对应高压的Ｉ一Ｖ曲线。 ２、测量光电倍增管的光电特性： 将２号管作为光源，倍增管偏压为 5００Ｖ，调节单色仪使其处于发光二极管峰值波长 处，将２号管工作电流分别调至 1ｍＡ、2ｍＡ、3ｍＡ、4ｍＡ、5ｍＡ、6ｍＡ、7ｍＡ、8 ｍＡ、9ｍＡ、10ｍＡ并读出对应的倍增管响应电流值 I 光电 ，重复二遍求平均值。画出发光 二极工作电流 I LED 对应光电倍增管响应电流 I 光电 的曲线。五、思考题 １、请问采用本实验方法测量发光二极管相对光谱能量分布对光电倍增管的光谱响应 度有什么要求？为什么？ ２、采用本实验方法测量发光二极管相对光谱能量分布的主要误差来源是什么？ ３、若要测量光电倍增管的光谱响应曲线， 应如何进行？请画出简要装置图， 并叙述主 要步骤。 注意事项 １、请注意高压发生器的使用，不要给光电倍增管加过高电压！ ！ ２、调节单色仪手轮时不要用力过猛！ ３、实验完成后，请在实验卡片上签上本人班级、姓名、实验日期，整理好实验装置， 切断电源，经老师检查、签字后方可离开！液晶调制实验一、实验目的 1． 了解液晶的工作原理和特性。 2． 了解光电二极管的工作原理和工作条件。测量液晶在特定条件下的衍射情况，推算液晶 材料的结构尺寸。 二、实验仪器 光学实验导轨、二维可调半导体激光、偏振片、液晶合、液晶驱动电源、光功率指示计、 白屏、光电二极管探头、导轨滑块、钢板尺 三、实验原理 液晶是一种即具有液体的流动性又具有类似于晶体的各向异性的特殊物质（材料） ，它 是在 1888 年内奥地利植物学家首先发现的。在我们的日常生活中，适当浓度的肥皂水溶液 就是一种液晶。目前人们发现、合成的液晶材料已近十万种之多，有使用价值的也有 4-5 千 种。随着液晶在平板显示器等领域的应用和不断发展，以及市场的巨大需求。人们对它的研 究也进入了一个空前的状态。 本实验希望通过一些基本的观察和研究， 对液晶材料的光学性 质及物理结构有一个基本了解。并利用现有的物理知识进入初步的分析和解释。 大多数液晶材料都是由有机化合物构成的。这些有机化合物分子多为细长的棒状结构， 长度为数 nm，粗细约为 0.1nm 量级，并按一定规律排列。根据排列的方式不同，液晶一般 被分为三大类 1）近晶相液晶，结构大致如图 1，图1 图2 图3 这种液晶的结构特点是：分子分层排列，每一层内的分子长轴相互平衡。且垂直或倾斜 于层面。2、向列相液晶，结构如图 2。这种液晶的结构特点是：分子的位置比较杂乱，不 再分层排列。 但各分子的长轴方向仍大致相同,光学性质上有点像单轴晶体。 3、 胆甾相液晶， 结构大致如图 3。分子也是分屏排列，每一层内的分子长轴方向基本相同。并平行于分层面, 但相邻的两个层中分子长轴的方向逐渐转过一个角度,总体来看分子长轴方向呈现一种螺旋 结构。 以上的液晶特点大多是在自然条件下的状态特征，当我们对这些液晶施加外界影响时， 他们的状态将会发生改变，从而表现出不同的物理光学特性。 下面我们以最常用的向列液晶为例，分析了解它在外界人为作用下的一些特性和特点。 我们在使用液晶的时候往往会将液晶材料夹在两个玻璃基片之间，并对四周进行密封。 为了我们的使用目的，将会对基片的内表面进行适当的处理，以便影响液晶分子的排列。这 里介绍相关的三个处理步骤。1、涂覆取向膜，在基片表面形成一种膜。2、摩擦取向，用棉 花或绒布按一个方向摩擦取向膜。3、涂覆接触剂。经过这三个步骤后，就可以控制紧靠基 片的液晶分子， 使其平行于基片并按摩擦方向排列。 如果我们使上下两个基片的取向成一定 角度，则两个基片间的液晶分子就会形成许多层。如图 4 的情况(取向成 90 度)。即每一层内的分子取向基本一致， 且平行于层面。 相邻层分子的取向逐渐转动一个角度。 从而形成一种被称为扭曲向列的排列方式。这种排列方式和天然胆甾相液晶的主要区别是： 扭曲向列的扭曲角是人为可控的，且“螺距”与两个基片的间距和扭曲角有关。而天然胆甾 相液晶的螺距一般不足 1um，不能人为控制。 扭曲向列排列的液晶对入射光会有一个重要的作用， 他会使入射的线偏振光的偏振方向 顺着分子的扭曲方向旋转，类似于物质的旋光效应。在一般条件下旋转的角度(扭曲角)等于 两基片之间的取向夹角。 由于液晶分子的结构特性,其极化率和电导率等都具有各向异性的特点，当大量液晶分 子有规律的排列时,其总体的电学和光学特性,如介电常数、折射率也将呈现出各向异性的特 点。如果我们对液晶物质施加电场，就可能改变分子排列的规律。从而使液晶材料的光学特 性发生改变，1963 年有人发现了这种现象。这就是液晶的电光效应。 为了对液晶施加电场， 我们在两个玻璃基片的内侧镀了一层透明电极。 我们将这个由基 片电极、取向膜、液晶和密封结构组成的结构叫做液晶合。当我们在液晶合的两个电极之间 加上一个适当的电压时我们来看一下液晶分子会发生什么变化。根据液晶分子的结构特点。 我们假定液晶分子没有固定的电极。 但可被外电场极化形成一种感生电极矩。 这个感生电极 矩也会有一个自己的方向， 当这个方向以外电场的方向不同时， 外电场就会使液晶分子发生 转动，直到各种互相作用力达到平衡。液晶分子在外电场作用下的变化，也将引起液晶合中 液晶分子的总体排列规律发生变化。 当外电场足够强时， 两电极之间的液晶分子将会变成如 图 5 中的排列形式。图4 图5 这时，液晶分子对偏振光的旋光作用将会减弱或消失。通