高級物理實驗報告 光學全息照相 聲光效應 電子逸出功測定

PAGEPAGE2高級物理實驗報告一——聲光效應——電子逸出功測定——光學全息照相姓名：班級：學號：實驗一：聲光效應的研究光通過某一受到超聲波擾動的介質(zhì)時，會發(fā)生衍射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為聲光效應。利用聲光效應可以制成的聲光器件，如聲光調(diào)制器、聲光偏轉(zhuǎn)器和諧調(diào)濾光器等。聲光效應還可用于控制激光束的頻率、方向和強度等方面。在激光技術(shù)、光信號處理和集成光通訊技術(shù)等方面有著重要的應用。實驗目的了解聲光效應的原理；測量聲光器件的衍射效率和帶寬及對光偏轉(zhuǎn)的研究；利用聲光效應測量聲波在介質(zhì)中的傳播速度。實驗儀器He-Ne激光電源，聲光器件，CCD光強分布測量儀，高頻功率信號源，示波器，頻率計。三、實驗原理當超聲波在介質(zhì)中傳播時，將引起介質(zhì)的彈性應變，這種應變在時間上和空間上是周期性的變化，并且導致介質(zhì)的折射率也發(fā)生相應的變化。當光束通過有超聲波的介質(zhì)后就會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，這就是聲光效應。有超聲波傳播的介質(zhì)如同一個相位光柵。光被彈性聲波衍射有二種類型，當超聲波頻率較高時，產(chǎn)生布拉格（Bragg）型衍射；當超聲波頻率較低時，產(chǎn)生喇曼―奈斯（Raman-Nath）型衍射。Bragg衍射相當于體光柵情況，而Raman-Nath衍射相當于薄光柵情況。兩種光柵情況如圖1所示。由于光波速度遠大于聲波速度約105倍，所以在光波通過介質(zhì)的時間內(nèi)，介質(zhì)在空間上的周期變化可看成是固定的。對于Bragg衍射，當聲光的距離滿足，而且入射光束相對于超聲波波面以θ角斜入射時，入射光滿足Bragg條件式中λ為光波的波長，為聲波的波長，固體介質(zhì)的折射率為n。Bragg衍射只存在1級的衍射光。當聲波為聲行波時，只有+1級或-1級衍射光,如圖2所示。當聲波為聲駐波時，±1級衍射光同時存在，而且衍射效率極高。只要超聲功率足夠高，Bragg衍射效率可達到100%。所以實用的聲光器件一般都采用Bragg衍射。而對于Raman-Nath衍射，滿足條件時出現(xiàn)衍射極大。式中m為衍射級數(shù)。Raman-Nath衍射效率低于Bragg衍射效率。其中1級衍射光的衍射效率最大不超過35%，但這種衍射沒有Bragg條件的限制，所以對入射角要求不嚴格，調(diào)整方便。圖2Bragg衍射對于Bragg衍射，當Bragg角θ很小時，衍射光相對于入射光的偏轉(zhuǎn)角Φ為（3）式中vs為超聲波的波速，fs為超聲波的頻率。在Bragg衍射下，一級衍射的光衍射效率為（4）式中Ps為超聲波的功率，L和H為超聲換能器的長和寬，M2為反映聲光介質(zhì)本身性質(zhì)的一常數(shù)，，ρ為介質(zhì)密度，P為光彈系數(shù)。以上討論的是超聲行波衍射的情況，實際上，介質(zhì)中也可能出現(xiàn)超聲駐波衍射的情況。超聲駐波對光的衍射也產(chǎn)生Raman-Nath衍射和Bragg衍射，而且各衍射光的方向的方位角和超聲波的頻率的關(guān)系與超聲行波的情況相同。由（3）式和（4）式可以看出，采用Bragg衍射，通過改變超聲波的頻率和功率，可分別實現(xiàn)對激光束方向的控制和強度的調(diào)制。聲光器件本實驗采用的聲光器件中的聲光介質(zhì)為鉬酸鉛，吸聲材料的作用是吸收通過介質(zhì)傳播到端面的超聲波以建立超聲行波。壓電換能器又稱超聲發(fā)生器，是由鈮酸鋰壓電晶體制成。它的作用是將高頻功率信號源的電功率轉(zhuǎn)換成聲功率，并在聲光介質(zhì)中建立超聲場。聲光器件有一個衍射效率最大的工作頻率，此頻率稱為聲光器件的中心頻率fco，對于其他頻率的超聲波，其衍射效率將降低。一般認為衍射效率（或衍射光的相對光強）下降3dB(即衍射效率降到最大值的)時兩頻率間的間隔為聲光器件的帶寬。高頻功率信號源S02000功率信號源的頻率范圍為80-120MHz，最大輸出功率1W。面板上的毫安表讀數(shù)可作功率指示用，讀數(shù)值×10等于毫瓦數(shù)。CCD光強分布測量儀LM601CCD光強分布測量儀是一個線陣CCD器件，它可在同一時刻顯示、測量各級衍射光的相對光強分布，不受光源強度跳變、漂移的影響。對于衍射角度的測量有很高的精度。四、實驗內(nèi)容觀察超聲衍射現(xiàn)象按圖3布置光路，調(diào)整激光器使光束經(jīng)光闌后通過聲光器件，觀察Raman-Nath衍射和Bragg衍射，比較兩種衍射的實驗條件和特點。測量介質(zhì)中超聲的聲速在Bragg衍射下，測量衍射光相對于入射光的偏轉(zhuǎn)角Φ與超聲波頻率（即電信號頻率）fs的關(guān)系曲線，并計算聲速vs。（注：由于實驗采用的聲光器件性能不夠完善，Bragg衍射不是理想的，可能會出現(xiàn)高級次衍射光等現(xiàn)象。所以，在調(diào)節(jié)Bragg衍射時使1級衍射光最強即可。）測量聲光器件的帶寬和中心頻率在Bragg衍射下，固定超聲波功率，測量衍射光相對于零級衍射光相對強度與超聲波頻率的關(guān)系曲線，并定出聲光器件的帶寬和中心頻率。將超聲波頻率固定在中心頻率上，測出衍射光強與超聲波功率的關(guān)系曲線。五：實驗數(shù)據(jù)記錄及處理在布喇格衍射下，固定超聲波功率，測量衍射光相對于0級衍射光的相對強度與超聲波的頻率，作出其關(guān)系曲線圖，并確定聲光器件的中心頻率及帶寬。數(shù)據(jù)記錄如下：90.06.6294.57.80100.09.36105.08.0391.56.9196.08.32100.49.40106.57.5792.07.0897.58.80102.09.03108.07.0293.07.3899.09.18103.58.52110.06.60繪制出關(guān)系曲線圖如下：

從而確定出聲光器件的中心頻率=100.4MHz(儀器銘牌給出參考值為=100.0MHz)帶寬（衍射效率降到最大值的時）=[(100.4-90.2)+(109.8-100.4)]/2=9.8MHz3.在布喇格衍射下，將功率信號源的超聲波頻率固定在聲光器件的中心頻率上，記錄衍射0級光光強（I0）和1級光光強度（I1）以及超聲波功率（）,并作出其其相對聲光調(diào)制曲線（近似地用功率信號源的板流標征）。數(shù)據(jù)記錄如下：I0I1I0I17.004.763.98506.32104.144.80606.022.30203.455.34705.712.86303.016.22805.233.26403.106.3090繪制出關(guān)系曲線圖如下：實驗二:電子逸出功測定【實驗目的】1、了解熱電子發(fā)射規(guī)律。2、掌握逸出功的測量方法。3、學習一種數(shù)據(jù)處理方法?！緦嶒炘怼繄D1-4-1真空二極管工作原理若真空二極管的陰極(用被測金屬鎢做成)通以電流加熱，并在陽極上加正電壓，則在連結(jié)兩個電極的外電路中就有電流通過，如圖1-4-1所示。這種電子從加熱金屬中發(fā)射出來的現(xiàn)象，稱熱電子發(fā)射。研究熱電子發(fā)射的目的之一，就是要選擇合適的陰極材料。逸出功是金屬的電子發(fā)射的基本物理量。1、電子的逸出功根據(jù)固體物理學中金屬電子理論，金屬中傳導電子的能量分布按費米-狄拉克(Fermi-Dirac)分布，即：(1-4-1)式中WF稱費米能級。圖1-4-2費米能量分布曲線圖1-4-3金屬表面勢壘在絕對零度時，電子的能量分布如圖1-4-2中的曲線(1)所示。此時電子所具有的最大動能為WF。當溫度升高時，電子的能量分布如圖1-4-2中的曲線(2)所示。其中少數(shù)電子具有比WF高的能量，并以指數(shù)規(guī)律衰減。由于金屬表面與外界(真空)之間存在勢壘W(wǎng)b，如圖1-4-3。電子要從金屬逸出，必須至少有能量Wb。從圖1-4-3可看出，在絕對零度時，電子逸出金屬表面，至少需要得到能量W0＝Wb一WF＝eφ（1-4-2）W0(eφ)稱為金屬電子的逸出功，常用單位為電子伏特(eV)。它表征要使處于絕對零度下的具有最大能量的電子逸出金屬表面所需給予的能量。為電子電荷，φ稱逸出電位。可見，熱電子發(fā)射，就是利用提高陰極溫度的辦法，改變電子的能量分布，使其中一部分電子的能量大于Wb，從金屬中發(fā)射出來。因此逸出功的大小，對熱電子發(fā)射的強弱具有決定性的作用。2、熱電子發(fā)射公式

根據(jù)費米-狄拉克能量分布公式(1-4-1)，可以推導出熱電子發(fā)射公式，稱里查遜-杜什曼(Richardson-Dushman)公式。(1-4-3)式中：I0-熱電子發(fā)射的電流強度(A)S-陰極金屬的有效發(fā)射面積(cm2)k-玻爾茲曼常數(shù)T-絕對溫度eφ-金屬的逸出功A-與陰極化學純度有關(guān)的系數(shù)原則上，只要測出I0，A，S，T，便可由(1-4-3)式計算出逸出功eφ，但困難的是A和S是難以直接測量的，所以，在實際測量中，常用下述的里查遜直線法確定eφ，以設(shè)法避開A和S的測量。3、里查遜直線法將(1-4-3)式兩邊除以T2，再取對數(shù)，得到(1-4-4)從(1-4-4)式可以看出，與成線性關(guān)系。如果以為縱坐標軸，為橫坐標軸作圖，從得到的直線斜率即可求出電子的逸出功eφ值。A和S的影響只是使―直線平移。4、發(fā)射電流I0的測量(1-4-3)式中的I0是不存在外電場時的陰極熱發(fā)射電流。無外場時，電子不斷地從陰極發(fā)射出來，在飛向陽極的途中，必然形成空間電荷，空間電荷在陰極附近形成的電場，正好阻止熱電子的發(fā)射，這就嚴重地影響發(fā)射電流的測量。為了消除空間電荷的影響，在陽極加一正電壓，于是陽極和陰極之間形成一加速電場Ea，使電子加速飛向陽極。然而由于Ea的存在，使陰極發(fā)射電子得到助力，發(fā)射電流較無電場時大。這一現(xiàn)象稱肖特基(Schottky)效應。根據(jù)二極管理論，可以證明，在加速電場Ea的作用下，陰極發(fā)射的電流為(1-4-5)式中Ia和I0分別是加速電場為Ea和零時的陰極發(fā)射電流。對(1-4-5)式取對數(shù)，則(1-4-6)考慮到陰極和陽極共軸，且是園柱形，并忽略接觸電勢差和其它影響，則加速電場可表示為(1-4-7)式中r1和r2分別為陰極和陽極的半徑；Ua為陽極電壓。將(1-4-7)式代入(1-4-6)式，得到(1-4-8)圖1-4-41gIa—關(guān)系曲線由(1-4-8)式可見，溫度T一定時，1gIa與成線性關(guān)系。如圖1-4-4所示。此直線的截距為1gI0。由此便得到溫度為T，電場為零時的發(fā)射電流I0。5、溫度T的測量由(1-4-3)式可知，陰極發(fā)射電流與T有關(guān)，指數(shù)項中含有T，對發(fā)射電流的影響很大。溫度測量誤差對結(jié)果影響很大。測量陰極溫度的方法雖然不少，但精度都不高。本實驗是以測量加熱電流的方法來確定溫度。給陰極通以電流If，在產(chǎn)生熱量的同時，陰極還輻射熱量。在發(fā)熱功率和輻射功率達到平衡時，陰極達到一定的溫度。電流If與溫度T有一定函數(shù)關(guān)系。有人已對純鎢絲的比加熱電流作過精確的測量。比加熱電流為，其中為長為1cm，直徑為1cm的陰極(稱單位陰極)在一定溫度下輻射的功率；為單位陰極的電阻；表示把單位陰極加熱到一定溫度所需的電流，單位為A/cm。對于直徑為D的陰極，在一定溫度下，加熱電流為。對于我們所用的真空二極管，其加熱電流與溫度的關(guān)系已測定，見表1-4-1。表1-4-1標準二極管的加熱電流與溫度的關(guān)系If/A0.500.550.600.650.700.750.80T/K1720180018801960204021202200綜上所述，要測定某金屬材料的逸出功，應首先將其做成二極管陰極，然后測定加熱電流If，查得對應的溫度T，再測得陽極電壓Ua和發(fā)射電流I0的關(guān)系，通過數(shù)據(jù)處理，得到I0，最后用里查遜直線法求得逸出功。【實驗裝置】實驗裝置（WF—1型）如圖1-4-5所示，包括標準二極管，燈絲加熱電源，電流表，高壓電源，檢流計（微安表）和分流器等。圖1-4-5實驗裝置連接圖1、標準二極管本實驗所用的是一個特殊設(shè)計的直熱式真空二極管，陰極用純鎢做成，陽極是與陰極共軸的園筒。為消除陰極的冷端效應和電場不均勻的邊緣效應，在陽極兩端各裝一個保護環(huán)。工作時，保護環(huán)與陽極等電勢，但其電流不被測量。2、燈絲電源是連續(xù)可調(diào)的低壓穩(wěn)定電源，供給二極管陰極加熱電流If，高壓穩(wěn)壓電源，經(jīng)分壓器分壓，提供陽極電壓Ua。3、微安表(G)用來測量陰極發(fā)射電流Ia。4、分流器：由于測量中Ia的變化范圍較大，在微安表上并聯(lián)一個分流器，用來擴大量程。分流器的刻度為1，0.5，0.1，0.05，……等，表示流過微安表的電流為總電流的若干分之一，而被測的總電流為微安表示值的1／0.5，1／0.1，……倍。【實驗內(nèi)容】1、按圖1-4-5接好線路，經(jīng)檢查無誤后，接通電源予熱10分鐘。2、取不同的燈絲電流If(即對應于不同的溫度T)，從0.50A開始，每隔0.05A測一次。對每一電流If，測陽極電壓為20，30，40，……，120伏時的電流Ia。注意，If不能超過0.80A，以延長二極管壽命。每改變一次電流值，要恒溫5發(fā)鐘，使陰極達到熱平衡。3、用單對數(shù)坐標紙作lgIa－直線，求出截距1gI0，即求出不同電流If下的I0，查出對應的溫度T。4、作－直線。求直線的斜率Δ()/Δ()。計算鎢的逸出功eφ。5、與公認值時e=4.54eV比較，作誤差分析?！緮?shù)據(jù)處理】表1測定鎢的逸出功√UaIf/A0.600.620.640.660.680.700.724Ia/A3.20E-055.20E-058.50E-051.35E-042.10E-043.19E-044.78E-04lgIa-4.49485-4.284-4.07058-3.86967-3.67778-3.49621-3.320575Ia/A3.30E-055.40E-058.70E-051.38E-042.16E-043.29E-044.95E-04lgIa-4.48149-4.26761-4.06048-3.86012-3.66555-3.4828-3.305396Ia/A3.40E-055.60E-059.00E-051.42E-042.22E-043.39E-045.05E-04lgIa-4.46852-4.25181-4.04576-3.84771-3.65365-3.4698-3.296717Ia/A3.50E-055.70E-059.10E-051.45E-042.26E-043.45E-045.14E-04lgIa-4.45593-4.24413-4.04096-3.83863-3.64589-3.46218-3.289048Ia/A3.50E-055.80E-059.30E-051.47E-042.30E-043.51E-045.23E-04lgIa-4.45593-4.23657-4.03152-3.83268-3.63827-3.45469-3.28159Ia/A3.60E-055.90E-059.50E-051.50E-042.34E-043.57E-045.32E-04lgIa-4.4437-4.22915-4.02228-3.82391-3.63078-3.44733-3.2740910Ia/A3.70E-056.00E-059.60E-051.52E-042.38E-043.63E-045.40E-04lgIa-4.4318-4.22185-4.01773-3.81816-3.62342-3.44009-3.2676111Ia/A3.70E-056.10E-059.80E-051.55E-042.41E-043.71E-045.48E-04lgIa-4.4318-4.21467-4.00877-3.80967-3.61798-3.43063-3.26122由圖可知：0.60V時logI0=-4.474;0.62V時logI0=-4.262;0.64V時logI0=-4.055;0.66V時logI0=-3.855;0.68V時logI0=-3.660;0.70V時logI0=--3.479;0.72V時logI0=-3.307;If/A0.600.620.640.660.680.700.72logIo-4.474-4.262-4.055-3.855-3.66-3.479-3.307Io3.36E-055.47E-058.81E-050.000140.0002190.0003320.000493T1880191419451978201020402074log(Io/T^2)-11.0223-10.8259-10.6328-10.4475-10.2664-10.0983-9.940621/T0.0005320.0005220.0005140.0005060.0004980.000490.000482根據(jù)表中數(shù)據(jù)作圖如上：直線斜率：m=-21987逸出電勢：Φ=m-5.04*逸出功：eV=4.36eV與逸出功公認值4.54eV比較，誤差Er=3.96%表3陽極電壓Ua與Ic關(guān)系表Ua/v1.002.003.004.005.006.00Ic/A0.1100.1360.1560.1750.1930.211Ic20.0121000.0184960.0243360.0306250.0372490.044521斜率：K=155.6；陽極內(nèi)半徑a=3.9*10-3;線圈長度：l=1.47*10-2;;線圈數(shù)：N=990匝；線圈內(nèi)半徑：r1=0.021m;線圈外半徑：r2=0.028m;真空磁導率：4μ荷質(zhì)比e/m=1.7588*1011（c/Kg）K’=0.0197;K=em*a^28KK=155.6;所以e/m=2.108*1011；實驗三：光學全息照相【實驗目的】

1了解全息照相的基本原理；

2.學習全息照相的實驗技術(shù)，拍攝合格的全息圖；

3.了解攝影暗室技術(shù)。

【實驗儀器】

JQX－1型激光全息實驗臺，He-Ne激光器，光開關(guān)及DBD－I電腦多功能曝光定時器，分束鏡一個，擴束鏡兩個，全反射鏡兩個，被攝物體（如：小雞，小鴨等）及放置物體的底座，全息干版及底架，暗室技術(shù)使用的設(shè)備?！緦嶒灩饴穲D】

【實驗原理】

全息照相的基本原理早在1948年就由伽伯（D.Gabor）發(fā)現(xiàn)，但是由于受光源的限制（全息照相要求光源有很好的時間相干性和空間相干性），在激光出現(xiàn)以前，對全息技術(shù)的研究進展緩慢，在60年代激光出現(xiàn)以后，全息技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。目前，全息技術(shù)在干涉計量、信息存儲、光學濾波以及光學模擬計算等方面得到了越來越廣泛的應用。伽伯也因此而獲得了1971年度的諾貝爾物理學獎。

一、全息照相與全息照相術(shù)

在介紹全息照相的基本原理之前，我們首先來看一下全息照相和普通照相有什么區(qū)別?？偟膩碚f，全息照相和普通照相的原理完全不同。普通照相通常是通過照相機物鏡成像，在感光底片平面上將物體發(fā)出的或它散射的光波（通常稱為物光）的強度分布（即振幅分布）記錄下來，由于底片上的感光物質(zhì)只對光的強度有響應，對相位分布不起作用，所以在照相過程中把光波的位相分布這個重要的信息丟失了。因而，在所得到的照片中，物體的三維特征消失了，不再存在視差，改變觀察角度時，并不能看到像的不同側(cè)面。全息技術(shù)則完全不同，由全息術(shù)所產(chǎn)生的像是完全逼真的立體像（因為同時記錄下了物光的強度分布和位相分布，即全部信息），當以不同的角度觀察時，就象觀察一個真實的物體一樣，能夠看到像的不同側(cè)面，也能在不同的距離聚焦。

全息照相在記錄物光的相位和強度分布時，利用了光的干涉。從光的干涉原理可知：當兩束相干光波相遇，發(fā)生干涉疊加時，其合強度不僅依賴于每一束光各自的強度，同時也依賴于這兩束光波之間的相位差。在全息照相中就是引進了一束與物光相干的參考光，使這兩束光在感光底片處發(fā)生干涉疊加，感光底片將與物光有關(guān)的振幅和位相分別以干涉條紋的反差和條紋的間隔形式記錄下來，經(jīng)過適當?shù)奶幚?，便得到一張全息照片?/p>

二、全息照相的基本過程

具體來說，全息照相包括以下兩個過程：

（一）波前的全息記錄

利用干涉的方法記錄物體散射的光波在某一個波前平面上的復振幅分布，這就是波前的全息記錄。通過干涉方法能夠把物體光波在某波前的位相分布轉(zhuǎn)換成光強分布，從而被照相底片記錄下來，因為我們知道，兩個干涉光波的振幅比和位相差決定著干涉條紋的強度分布，所以在干涉條紋中就包含了物光波的振幅和位相信息。典型的全息記錄裝置如圖2所示：從激光器發(fā)出的相干光波被分束鏡分成兩束，一束經(jīng)反射、擴束后照在被攝物體上，經(jīng)物體的反射或透射的光再射到感光底片上，這束光稱為物光波；另一束經(jīng)反射、擴束后直接照射在感光底片上，這束光稱為參考光波。由于這兩束光是相干的，所以在感光底片上就形成并記錄了明暗相間的干涉條紋。干涉條紋的形狀和疏密反映了物光的位相分布的情況，而條紋明暗的反差反映了物光的振幅，感光底片上將物光的信息都記錄下來了，經(jīng)過顯影、定影處理后，便形成與光柵相似結(jié)構(gòu)的全息圖

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全息照片。所以全息圖不是別的，正是參考光波和物光波干涉圖樣的記錄。顯然，全息照片本身和原