近代光學(xué)實驗指導(dǎo)書

1、光電器件光譜靈敏度的測定實驗原理：光電器件受光照后產(chǎn)生的光電效應(yīng)不同，可分為三類：應(yīng)用外光電效應(yīng)而制成的器件有光電倍增管；應(yīng)用內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)）而制成的器件有各種光導(dǎo)管（光敏電阻）；應(yīng)用光生伏特效應(yīng)（阻擋層光電效應(yīng)）制成的器件有光電池（硅光電池、硒光電池）、光敏二極管、光敏三極管。光電器件所產(chǎn)生的光電流不僅與被照表面吸收的光通量有關(guān)，還與照射光的波長有關(guān)。在正常條件下，對于同一波長的光，光電器件所產(chǎn)生的光電流（或電壓）與被照表面吸收的光通量成正比；但它對不同波長的光的響應(yīng)不同。如果不考慮照射光的波長，則單位輻射通量引起的光電流的大小稱為響應(yīng)率或積分靈敏度，簡稱靈敏度。如果只對單色光而言，

2、其響應(yīng)靈敏度則叫做光譜靈敏度。對某一單色光，當(dāng)被測光電器件表面所吸收的光通量為，該器件由此而產(chǎn)生的光電流為，與照射到該器件表面上的光通量成正比，其比值即為光譜靈敏度，用來表示由此可見，光譜靈敏度是光電器件接收單位單色輻射功率所產(chǎn)生的光電流，它反映了光電器件對單色光的光電轉(zhuǎn)換能力的大小，即光譜響應(yīng)的大小，因而光譜靈敏度又被稱為“光譜響應(yīng)率”， 曲線被稱為光譜靈敏度分布曲線，或叫做“光譜響應(yīng)曲線”。光譜靈敏度是波長的函數(shù)，而且和也是波長的函數(shù)。各種光電器件的光譜靈敏度分布情況與它們所采用的材料有關(guān)，即各種光電器件的光譜靈敏度的分布有所不同。通常定義當(dāng)光譜靈敏度的數(shù)值下降至靈敏度最大值的時所對應(yīng)的波

3、長，為光電器件的探測極限波長，所對應(yīng)的波長值為光電器件的峰值波長。因此測定出光電器件光譜靈敏度的分布曲線，就可確定其器件探測光波的工作范圍，即該器件的探測范圍，這在實際應(yīng)用中具有重要的指導(dǎo)意義。實驗預(yù)習(xí)內(nèi)容：實驗內(nèi)容預(yù)習(xí)包括以下方面：（1）實驗?zāi)康暮鸵?；?）實驗內(nèi)容和原理或涉及的知識點；（3）實驗儀器與裝置；（4）實驗方法、步驟、操作過程或設(shè)計方案（5）實驗注意事項。實驗測量與要求： 1測量硒光電池不同波長照射下所產(chǎn)生的光電流i()； 2計算出相應(yīng)波長 所對應(yīng)的光譜靈敏度S()，并將所得數(shù)據(jù)歸一化，繪出相應(yīng)的S()-曲線，并在S()-曲線上標(biāo)定出該光電器件的靈敏度峰值波長(即Sm所對應(yīng)的m

4、值)，以及該光電器件所能探測的波長范圍。預(yù)習(xí)思考與討論：1什么是光電器件?其基本工作原理是什么?幾種常用光電器件的使用范圍及工作電路是怎樣的? 光電器件的光譜靈敏度S()的物理含義是什么?測定它的意義是什么？2使用光電器件時要注意些什么?使用光電池時要特別注意什么?激光全息實驗指導(dǎo)書實驗?zāi)康?1. 掌握全息照相的基本原理和實驗方法。2. 熟悉全息照相的記錄與再現(xiàn)過程。實驗內(nèi)容與要求 1. 拍攝菲涅爾全息圖，畫出所設(shè)計的實驗光路圖。2. 再現(xiàn)全息圖，并畫出再現(xiàn)原始像和共軛實像的光路圖。實驗步驟 1. 打開激光電源，設(shè)計和調(diào)整拍攝光路：激光束經(jīng)短焦距透鏡擴束后，其透射光作為照射物體的光 (經(jīng)物體漫

5、反射而成物光)，其反射光作為參考光，使二者均照在底片上. 整個光路系統(tǒng)應(yīng)滿足以下條件： (1)物光和參考光的光程應(yīng)盡可能相等； (2)物光和參考光與底片法線夾角盡可能??； (3)漫反射物光與參考光的光強比取 1:2-1:5 (即被攝物距底片約5cm)。 2. 選定曝光時間(15-20秒),調(diào)好定時曝光器,關(guān)閉曝光快門； 3. 關(guān)閉照明燈，在全暗情況下將全息干板(底片)裝在底片夾上(注意:使感光藥膜面面向激光)，穩(wěn)定1-2分鐘后進行曝光；曝光過程中要避免任何震動。 4.顯影時間1-2分鐘，顯影結(jié)束后在清水中洗一下即可放入定影液，定影在15分鐘以上。定影完畢方可打開照明燈，然后將干板水洗2分鐘，將

6、其晾干。（注意：顯影時間應(yīng)根據(jù)顯影液的濃度、環(huán)境溫度、曝光時間及感光板來確定或調(diào)整）5. 全息再現(xiàn): 將拍好的全息圖按拍攝時的放置方法置于底片夾上，用與參考光相同的激光束照射全息圖，迎著光線觀察，就能在物體的原位置上重現(xiàn)物體原始的立體象；用平行光或激光細(xì)光束照射全息圖，用光屏接收，可觀察到物體的共軛實象。注意事項: 1. 正確判斷出全息干板的感光藥膜面，使其對著激光；2. 在曝光的過程中，盡量遠(yuǎn)離拍攝光路，不要講話走動或引起震動；3. 顯影和定影時應(yīng)將底片的感光面朝上，藥液不能太少。 4. 實驗完畢,將藥液分別倒入桶內(nèi),并將藥液盤及漏斗清洗干凈。思考與討論： 1.全息照相與普通照相的異同點有哪

7、些？2.為什么要使物光與參考光的光程盡可能相等?3.菲涅爾全息圖再現(xiàn)像的特點有哪些？如果菲涅爾全息圖破碎了，為什么其中的碎片之一仍然能再現(xiàn)物體完整的像?4.試想記錄在全息圖上的干涉圖樣(相當(dāng)于一個復(fù)雜的光柵)與正弦衍射光柵的不同之處。He-Ne激光模譜分析與測量實驗指導(dǎo)實驗?zāi)康? 了解激光器模式的形成及特點，加深對其物理概念的理解；2 掌握激光模式分析與測量的基本方法，標(biāo)定出激光器的模式頻譜圖的模式結(jié)構(gòu)TEMmnq；3 了解共焦球面干涉儀的工作原理、性能及使用方法。實驗內(nèi)容與方法1 按圖3-1-8的實驗裝置方框圖接好線路，調(diào)整He-Ne激光器、共焦球面干涉儀及光電接收器共軸等高，直至在示波器熒

8、光屏上看到激光模式頻譜圖形。2 用已知腔長的激光器標(biāo)定干涉儀的自由光譜區(qū)SR：采用輸出為基橫模的He-Ne激光器，腔長L=25cm(即q為給出)，測出相鄰兩縱模的頻率間隔q所對應(yīng)的間距xq、自由光譜區(qū)SR所對應(yīng)的間距xSR(即相鄰兩個干涉序中對應(yīng)的同一縱模的間距)，根據(jù)“橫向坐標(biāo)正比于頻率變化”關(guān)系，計算出SR的實驗值（原始數(shù)據(jù)要求測2次）。并根據(jù)實驗室給出的標(biāo)準(zhǔn)值SR=2667MHz，計算出相對誤差，并分析誤差原因。3 用掃描干涉儀分析未知腔長激光器的模式：給定SR=2667MHz，通過分析該激光器那些譜線屬于同一個干涉序，那些是基橫模，那些是高階橫模，測量出相鄰兩個干涉序中對應(yīng)的同一縱模的

9、間距xSR、相鄰兩基橫模的間距xq 和相鄰兩橫模間距xmn，從而計算出q 和相鄰兩橫模頻率間隔mn（原始數(shù)據(jù)要求測次）。4 最后，分別畫出兩支激光器用TEMmnq表示的模式結(jié)構(gòu)圖。(提示:由示波器的橫向坐標(biāo)正比于頻率的關(guān)系可知：)【注意事項】1 激光器工作時電極兩端為高壓，在調(diào)節(jié)激光器時，切勿接觸到電極，以防觸電。2 旋轉(zhuǎn)偏置電壓時一定要緩慢、平穩(wěn)，以免造成掃描干涉儀的損壞。思考與討論：1 觀察示波器顯示屏上的激光模式頻譜圖，分析造成頻譜圖不穩(wěn)定的物理因素，并根據(jù)模式頻譜圖的移動方向和物理原因，來判斷干涉儀的掃描頻譜中頻率增加的方向在示波器的橫向坐標(biāo)左方還是右方？2 實驗中所測數(shù)據(jù)的誤差來源有

10、哪些？本實驗中儀器的精度如何？光速測定實驗指導(dǎo)實驗?zāi)康?掌握光拍頻法測量光速的原理和方法，加深對拍頻波的形成條件與特點的認(rèn)識。2了解拍頻波和駐波各自不同的形成條件與特點，并對聲光效應(yīng)和壓電效應(yīng)有所認(rèn)識。實驗內(nèi)容與方法1接通激光電源，使激光器工作電流為5mA。接通15伏直流穩(wěn)壓電源，預(yù)熱一定時間后，調(diào)節(jié)高頻信號源的頻率為聲光頻移器的工作頻率（即滿足聲駐波條件，調(diào)節(jié)時一定要緩慢），使衍射光最強。2調(diào)整光路,使零級衍射光通過圓孔光闌，依次調(diào)節(jié)各全反鏡和半反鏡的調(diào)整架，使近程和遠(yuǎn)程的所有光束在同一水平面內(nèi)反射、傳播，直至近程光和遠(yuǎn)程光分別垂直照射到光電接收器的光敏面上，在示波器顯示屏上出現(xiàn)相應(yīng)的光拍頻

11、波形（此時再微調(diào)高頻信號源，使拍頻波的振幅最大），高頻信號源的頻率由頻率計數(shù)器測出。3調(diào)節(jié)斬光器的轉(zhuǎn)速，借助示波管的余輝在屏上同時看到近程光和遠(yuǎn)程光的兩個拍頻波形，并使其波形的振幅相等（若振幅不相等，可微調(diào)最后一個半反鏡的傾角或光電接收器的位置）。4移動可動正交反射鏡的位置以改變遠(yuǎn)程光的光程（即改變遠(yuǎn)近兩光束的光程差），當(dāng)二光拍信號同相(二波形重合)時，兩路光的光程差L等于拍頻波長 (從不同方向移動“可動鏡”的位置，要求測量2次或4次)。5計算光速，并與公認(rèn)值 c =299792458m/s相比較，并算出相對誤差，進行誤差分析?！咀⒁馐马棥?激光器的電極兩端為高壓，切忌觸摸激光器的電極，以保證

12、安全。2切忌用手指或其它污穢、粗糙物(如測量時用的鋼卷尺或?qū)Ь€頭)接觸光學(xué)元件的光學(xué)面。3當(dāng)斬光器轉(zhuǎn)動時，切忌觸摸；避免斬光器長時間工作而燒壞小電機。思考與討論：分析本實驗的誤差來源，并討論怎樣提高本實驗的精度。在測量拍頻波長時，移動“可動鏡”尋找兩光拍頻波同相位的位置(即二波形重合)，為什么要求從不同方向移動“可動鏡”并測量多次，試分析這里可能產(chǎn)生什么誤差？屬于偶然誤差還是系統(tǒng)誤差？應(yīng)采取什么措施和方法來減少這種誤差？3比較拍頻波和駐波的形成條件與特點有何異同點？光電器件光譜靈敏度的測定實驗?zāi)康模赫莆展怆娖骷庾V靈敏度的基本原理及測量方法，了解其探測范圍和靈敏度峰值波長。實驗原理：光電器件受

13、光照后產(chǎn)生的光電效應(yīng)不同，可分為三類：應(yīng)用外光電效應(yīng)而制成的器件有光電倍增管；應(yīng)用內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)）而制成的器件有各種光導(dǎo)管（光敏電阻）；應(yīng)用光生伏特效應(yīng)（阻擋層光電效應(yīng)）制成的器件有光電池（硅光電池、硒光電池）、光敏二極管、光敏三極管。光電器件所產(chǎn)生的光電流不僅與被照表面吸收的光通量有關(guān)，還與照射光的波長有關(guān)。在正常條件下，對于同一波長的光，光電器件所產(chǎn)生的光電流（或電壓）與被照表面吸收的光通量成正比；但它對不同波長的光的響應(yīng)不同。如果不考慮照射光的波長，則單位輻射通量引起的光電流的大小稱為響應(yīng)率或積分靈敏度，簡稱靈敏度。如果只對單色光而言，其響應(yīng)靈敏度則叫做光譜靈敏度。對某一單色光，

14、當(dāng)被測光電器件表面所吸收的光通量為，該器件由此而產(chǎn)生的光電流為，與照射到該器件表面上的光通量成正比，其比值即為光譜靈敏度，用來表示：，由此可見，光譜靈敏度是隨波長變化的函數(shù)。換言之，光譜靈敏度是光電器件接收單位單色輻射功率所產(chǎn)生的光電流，它反映了光電器件對單色光的光電轉(zhuǎn)換能力的大小，即光譜響應(yīng)的大小，因而光譜靈敏度又被稱為“光譜響應(yīng)率”， 曲線被稱為光譜靈敏度分布曲線，或叫做“光譜響應(yīng)曲線”。光譜靈敏度是波長的函數(shù)，而且和也是波長的函數(shù)。各種光電器件的光譜靈敏度分布情況與它們所采用的材料有關(guān)，即各種光電器件的光譜靈敏度的分布有所不同。通常定義當(dāng)光譜靈敏度的數(shù)值下降至靈敏度最大值的時所對應(yīng)的波長

15、，為光電器件的探測極限波長，所對應(yīng)的波長值為光電器件的峰值波長。因此測定出光電器件光譜靈敏度的分布曲線，就可確定其器件探測光波的工作范圍。實驗內(nèi)容與要求： 1測定硒光電池的光譜靈敏度的分布曲線S()-，確定該光電器件所能探測的波長范圍，及其靈敏度峰值波長。實驗預(yù)習(xí)內(nèi)容：實驗預(yù)習(xí)包括以下方面：（1）實驗?zāi)康暮鸵?；?）實驗內(nèi)容和原理或涉及的知識點；（3）實驗儀器與裝置；（4）實驗方法、步驟、操作過程或設(shè)計方案（5）實驗注意事項。He-Ne基模激光器的光束特性與發(fā)散角的測量實驗指導(dǎo)書實驗?zāi)康?. 進一步了解基模激光器，掌握其光束傳播特性和橫向光強分布特點；2. 掌握逐點法測量光束橫向光強的分布，

16、以及如何確定光束光斑的尺寸；3. 測量激光器的遠(yuǎn)場發(fā)散角，對其激光發(fā)散角有一個定量的了解。實驗內(nèi)容與要求 1.調(diào)節(jié)光路：使激光束垂直照射到光接收器的平面上，取光束傳播距離大于； 2. 測量光束的光強的分布：首先觀察光強的變化范圍，選擇檢流計合適的量程檔，使其最大電流達(dá)到滿刻度的2/3以上；然后進行精確測量（注意：一定要使小孔掃描沿著通過光斑直徑的方向進行），記錄與位置的數(shù)據(jù)，要求每隔0.5mm 測一個點，并在光強的峰值附近可間隔小一些；3.測量激光的傳播距離（ 在激光器輸出端的平面反射鏡的位置）；4.繪出曲線（令光強最大時，），由曲線按定義確定其光斑的大?。?.計算所測激光器的遠(yuǎn)場發(fā)散角；6.

17、利用和的數(shù)據(jù)，繪出 關(guān)系線，以此驗證該激光束為高斯函數(shù)分布?！咀⒁馐马棥?1.檢流計一般用最大量程 X0.01檔； 若電流太大，可采用“檢流計量程改裝”線路，或直接用并聯(lián)電阻的方法進行分流，但注意的是，測量過程中檢流計不能換檔。 2.測量光強與位置時，應(yīng)使入射光方向與光電接收器移動的方向垂直，并注意使測量點通過光斑中心；測量時，光電接收器應(yīng)沿同一方向移動，中途不得倒轉(zhuǎn)，以免產(chǎn)生回程差，且旋轉(zhuǎn)時要緩慢、平穩(wěn)，避因震動影響檢流計的示數(shù)。 3.若移動檢流計，應(yīng)先關(guān)閉檢流計的儀器開關(guān)旋鈕，或置于“短路”檔，否則易損壞儀器。 4.接通激光器時，應(yīng)注意區(qū)分激光器的正、負(fù)極，切勿接反；激光器工作時電極兩端為

18、高壓，在實驗調(diào)試時切勿接觸激光器的電極,以保證安全。關(guān)閉激光器時，應(yīng)先關(guān)閉激光電源，然后小心取下電極使之短路放電。另外勿用眼直接看激光或經(jīng)全反鏡反射的激光直射到眼睛。思考與討論： 1. 繪曲線時，為什么在光強最大時令，由曲線如何確定其光斑的大小；2.利用繪出的關(guān)系線，為什么說能驗證激光束為高斯光束？ 3. 為什么必須要求測量光斑的直徑上的光強，而不只是測量光斑的半徑上的光強？在光斑的中心附近減小測量間隔是為什么？He-Ne基模激光器的光束特性與發(fā)散角的測量實驗原理激光束的發(fā)散角是激光的重要參數(shù)之一。它反映激光遠(yuǎn)距離傳輸時的發(fā)散特性，是評估激光儀器的品質(zhì)和激光的傳輸質(zhì)量的重要參數(shù)。隨著激光技術(shù)日

19、益廣泛的應(yīng)用，國民經(jīng)濟的許多領(lǐng)域，如激光通訊、激光雷達(dá)、激光測距和空間光通信等都要求激光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角小，特別是精確制導(dǎo)武器和衛(wèi)星導(dǎo)航等，對光源提出了更為嚴(yán)格的要求。（一）高斯光束的電矢量根據(jù)激光原理，采用穩(wěn)定腔的激光器，它所發(fā)射的基橫模激光是高斯光束，對于沿軸方向傳播的高斯光束，其電矢量表達(dá)式為 (1)其中為基模高斯光束的腰斑半徑；為與傳播軸線相交于點的高斯光束等相位面的曲率半徑；是點的電矢量振幅為中心最大值的時離中心的距離，稱為點的光斑尺寸，又叫光斑半徑或有效截面半徑（簡稱光腰）。式(1)中參數(shù)，分別為= (2) = (3)式中，是高斯光束的準(zhǔn)直距離，是指從點（0,0,0）到(0,0,)這

20、段距離內(nèi)可近似看成平行光（因為這段范圍內(nèi)的發(fā)散角很小）。是高斯光束的一個特征參量，由激光器的輸出波長和腔的結(jié)構(gòu)決定。對于共焦腔（兩個反射鏡的曲率半徑與腔長相等），。對于廣泛使用，的平凹腔，其光束的腰斑半徑不僅與激光器的輸出波長和腔長有關(guān)，還與腔鏡的曲率半徑有關(guān)，有= (4)（二）高斯光束光強分布由公式（1）可得基模激光束波陣面上的光強分布 (5)其中是處的波陣面上的光斑中心點的光強，為該波陣面上的光強最大值。對于一個確定的與傳播軸線(即腔軸)相交于點的波陣面，、和的值都是確定的，但波面上的光強是不均勻的，它隨著離開腔軸的距離的增大按高斯指數(shù)而衰減，如圖1（b）所示。而且是以腔軸為中心在半徑為的

21、圓上的各點光強均相同，所以基模激光束波陣面上的光強對于軸心是對稱分布的，其強度集中在軸線及其附近。由于光斑半徑遠(yuǎn)小于該處波陣面的曲率半徑，故激光束的橫截面與其波陣面基本重合，因此通常所說激光束橫截面上光強分布即是指波陣面上的光強分布。在實驗中，就是通過測量光束橫截面上的光強分布來反應(yīng)其波陣面的光強分布。（三）高斯光束的遠(yuǎn)程發(fā)散角公式（2）可改寫為以下的形式 （6）即光斑半徑的軌跡是一組雙曲線，如圖1（a）所示。在光腰處，光斑尺寸最小，隨的增大，光斑尺寸按雙曲線規(guī)律向外擴展，即高斯光束就是以（6）式的雙曲線繞z 軸旋轉(zhuǎn)所構(gòu)成的回轉(zhuǎn)雙曲面為界的光束。(a) (b)圖1 高斯光束由此可見，激光束并不

22、嚴(yán)格平行，它具有一定的發(fā)散度，一般用全發(fā)散角表征它的發(fā)散度： （7）在= 0處，= 0；在的遠(yuǎn)場情況下，光束的發(fā)散角稱為遠(yuǎn)場發(fā)散角，此時有 (8)可見是個定值，它稱為激光束的遠(yuǎn)程發(fā)散角（或稱遠(yuǎn)場發(fā)散角，又直接稱為激光的發(fā)散角）。顯然，高斯光束的遠(yuǎn)程發(fā)散角正是雙曲線的漸近線的夾角，如圖1（a）所示。不難證明，當(dāng)z7時， （9）即在實驗中，只要取大于7，即可認(rèn)為測得的發(fā)散角是遠(yuǎn)程發(fā)散角。（四）高斯光束的等相面高斯光束的相移特性由（1）式中的相位因子決定，位相因子用表示 （10）它描述高斯光束在點（x,y,z）處相對于原點（0，0，0）處的相位移滯后。其中描述幾何相移，arctg描述高斯光束在空間行

23、進距離時相對幾何相移的附加相位超前，因子表示與橫向坐標(biāo)（x,y）有關(guān)的相移，它表明高斯光束的等相面是以為半徑的球面，由（3）式給出。由（3）式可見，等相面的曲率半徑隨著的變化而取不同的值，并且不同位置的等相面的曲率中心也不同，一般不在原點。但在幾種特殊位置時的情況有：當(dāng)=0時，表明光腰所在處的等相面為平面。當(dāng)時，表明離光腰無限遠(yuǎn)處的等相面亦為平面，而且曲率中心就在光腰處。因此，足夠大時，等相面的曲率中心向原點趨近，這就意味著足夠大時高斯光束可以近似看成曲率中心在原點的“球面波”，但值得注意的它是不同于“點光源發(fā)射的均勻球面波”，因為高斯光束等相面上的光強分布為非均勻的高斯分布。 綜上所述，激光器輸出的基模是在共軸穩(wěn)定諧振腔中產(chǎn)生的一種特殊的高斯光束，在其軸線附近可近似看作是一種非均勻的球面波，等相面的曲率中心隨著傳輸過程而不斷改變（因此又稱高斯光束為變心球面波），但等相面上的振幅（或光強）始終保持高斯分布的特性。實驗儀器與裝置基模He-Ne激光器、可讀數(shù)滑軌、光電接收器、檢流計或微電流測試儀、小孔光屏、可調(diào)平面反射境、米尺。高斯光束于發(fā)散角測量的裝置如圖