光电子实验报告

1 / 16 光电子实验报告 东南大学 实 验 报 告 课程名称：光电子物理基础 实验名称： 激光增益测量、 He-Ne 激光纵横模及线宽测量院 ：电子科学与工程学院 专 业：电子科学与技术 姓 名： 学 号：实 验 室： 实验时间：评定成绩： 审阅教师： 实验一：激光增益的测量 一、 实验目的 1 掌握用腔内损耗法测量激光参数的原理和方法。 2 根据自动测试系统测得的曲线，取适当的数据，编写程序，利用计算机进行计算。 3 通过对激光器增仪等参数的测量，对激光器的工作过程有进一步的了解。 二、 实验原理 在激光器中，小信号增益系数 g0、饱和光强 Is、腔内损耗 ?和最佳输出率 Topt等是决定激光器工作特性的重要参数，它们均可由实验测得，而这些参数的测量均与增益系数的测量有关。由增益系数的定义： G?ln1 lI2 I1 我们可以方便的利用一个激光器和一个与激光器充2 / 16 同样工作物质的放大管直接测出 I1、 I2。由放大管的长度计算出增益系数。但对于本实验所要测量的 He-Ne激 光管的增益系数，由于探测过程中，荧光光强的贡献不能忽略，造成很大的误差。所以本试验采用的是腔内损耗法测量 He-Ne激光器的增益。因而可以消除 这一误差因素，其测量装置的原理图如图 1所示 图 1 在两个全反射镜组成的外腔式 He-Ne 激光器内，置一透明的平行平板作为反射器，该反射器与腔轴相交成某一角度，在满足振荡条件的情况下，反射器两边有一定功率的激光输出。 反射器单个表面对 m的光的反射率 R是入射角 ?的函数，由菲涅尔公式得 tg2?sin?1 R?2?1tg?sin 其中 n为平行材料对激光波长的折射率。 理论推导证明：在不考虑反射器本身的吸收和散射时，反射器的输出率表示为： 1?R2T?1? 1?R 若将反射器绕与激光束相垂直，同时也与放电管布氏窗的发现相垂直的轴线旋转，入射角 ?将连续地变化，因此，该反射器将起一个反射率可变的平面耦合输出镜的作用。 定义 ?为激光腔除输出率以外的光学损耗，成为内损耗，L 为激活介质的长度， g0为小信号增益系数， Pout 为耦合输3 / 16 出功率， P0s 为饱和功率，由于本实验管较长，使纵 模间隔小于碰撞增宽的宽度，因而其增益饱和遵循均匀综型激光器规律，故： Pout?PsT ?T 由此式可知，激光器有一最佳输出率 Topt，这时相应的有最大输出功率，由 ?P/?T?0，得 Topt?1/2? 旋转反射器，增加输出率 T,从而增加谐振腔的总损耗 ,使激光刚好熄灭，这时满足： Tg?Ps?0 ?Tg Tg 为阈值输出率，从而得到： 2g0L?Tg 解和组成的方程组得： 2g0L?2 Tg?2Topt 所以要测得最佳输出率 Topt，再测 得阈值输出率 Tg,由式可得到激光器的增益，再由式可计算得腔内损耗 ?。 由式得： T2?T?0 PsPsP Ps T1?T2?P? Ps 由 ,得： T1?T2?0 由 ,两个线性方程可以作出直线， 图 2 由 T1?T2 对 T1?T2 所作直线的斜率可以确定腔内损耗 ?，再由 P 对 T1?T2所作直线的斜 2 率可以确定饱和功率 Ps，则由 Is?/?o 可以求得饱和光强。 4 / 16 另外由式可以计算出小信号增益系数 go。 根据这 一原理，在实验时对于每一个输出功率 P,可在最佳透过率两侧找到所对应输出功率的两个输出率 T1 和T2，从而有作图计算可得到参量 ?， Is和 g0。 图 3 为平行平板转动过程中，计算机采集记录的输出曲线。 P 为反射器两边反射功率之和， ?为入射角， ?B 为布儒斯特角，其值为， ?opt为最佳输出率对应的入射角， ?g为阈值输出率对应的入射角。 图 3 三、 实验步骤 1. 开启激光器电源开关，缓慢旋转可调变压器直至点燃激光管，约 190210伏左右。 激光器工作电流调 节在 13-14 mA。预热 30分钟左右。 2. 轻轻掀起激光器观察窗口盖至近 90 度位置。观察激光器是否已经输出激光，如果在 分束片上未见到细约 1 mm的红色激光输出，请老师调整。确认有激光输出方可进入测试环节。 3. 在计算机显示器桌面上，找到“ He-Ne 激光增益实验”文件夹”，找到“” 点击，进入“激光增益测量实验”系统。 4. 点击“初始化”按钮，步进电机开始带动平行平板玻璃片转动、扫描；该过程可以 5 / 16 从观察窗口中观察到。 5. 确认步进电机停止转动后，点击“增益曲线”按钮，可以从坐标图中观察到有波峰 的曲线图。同时步进电机带动平行平板玻璃片转回最佳输出位置。 6. 点击“数据存储”按钮，可以把实验数据存储到自带的软盘或 U盘。激光功率的单 位是毫瓦。该数据可以用 Origin、 Matlab、 Excell等程序处理画出曲线。 7. 存储完毕后，点击“退出”按钮，退出实验程序。通过观察窗可以看到，激光器仍 然有红色激光输出。 8. 将激光器电源的可调电压旋转到 零位置，然后关闭电源开关。 四、 实验结果 1. 使用 MATLAB 作图： 实验得到的 .dat 文件用 MATLAB打开 clc; clear; data=load; plot,data); 由测量数据使用 MATLAB作出反射器两边反射功率之6 / 16 和 P 与入射角 ?之间的关系曲线如下： ?opt ?B ?g 由上图直接读出相关参数： ?g= ?opt= ?B= 2. 编写 MATLAB代码求解小信号增益系数和腔内损耗等参数： 函数： function g=func fi=fi*pi/180; x1=tan-asin)/); x2=tan+asin)/); y1=tan-asin)/); y2=tan+asin)/); Rg=x1*x1/; 光电效应 【实验目的】 了解光电效应的规律，加深对光的量子性的 认识。 测量普朗克常量 h。 【实验仪器】 ZKY-GD-4 光电效应实验仪，其组成为：微电流放大7 / 16 器，光电管工作电源，光电管，滤色片，汞灯。如下图所示。 【实验原理】 光电效应的实验原理如图 1 所示。入射光照射到光电管阴极 K上，产生的光电子在电场的作用下向阳极 A迁移构成光电流，改变外加电压，测量出光电流 I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。 光电效应的基本实验事实如下： 对应于某一频率 ,光电效应的 I-有一电压 U0,当电压。 当成正比。 关系如图 2 所示。从图中可见，对一定的频率， 时，电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压U0，被称为截止 后， I 迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流 IM 的大小与入射光的强度 P 对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图 3 所示。 截止电压 U0与频率 的关系如图 4 所示， 与 成正比。当入射光频率低于某极 限值生。 时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光8 / 16 电流产 光电效应是瞬时效应。即使入射光 的强度非常微弱，只要频率大于 ，在开始照 射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为 秒的数量级。 按照爱因斯坦的光量子理论，光能并不像电磁波理论所想象的那样，分布在波阵面上，而是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率的概念，频率为 的光子具有能量 E = h， h为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次被金属中 的电子全部吸收，而无需积累能量的时间。电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，余下的就变为电子离开金属表面后的动能， 按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程： 式中， A 为金属的逸出功，为光电子获得的初始动能。 由该式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳极电位比阴极电位低时也会有电子落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电压，光电流才为零，此时有关系： 阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的升高，9 / 16 阳极对阴极发射的电子的收集作用越强，光电流随之上升；当阳极电压高到一定程度，已把阴极发射的光 电子几乎全收集到阳极，再增加 时 I 不再变化，光电流出现饱和，饱和光电 流 的大小与入射光的强度 P 成正比。 光子的能量 =A/h。 效应的最低频率是 将式代入式可得： 此式表明截止电压 是频率 的线性函数，直线斜率 k = h/e，只要用实 验方法得出不同的频率对应的截止电压，求出直线斜率，就可算出普朗克常数 h。 爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律。 【实验步骤】 1、 测试前准备 1）将实验仪及汞 灯电源接通，预热 20min。 2）调整光电管与汞灯距离为约 40cm并保持不变。 3）用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与实验仪电压输出端连接起来 。 4） 将“电流量程”选择开关置于所选档位，进行测试前调零。调零时应将光电管暗盒电流输出端 K 与实验仪10 / 16 微电流输入端断开，且必须断开连线的实验仪一端。旋转“调零” 旋钮使电流指示为。 5）调节好后，用高频匹配电缆将电流输入连接起来，按“调零确认 /系统清零”键，系统进入测试状态。 如果要动态显示采集曲线，需将实验仪的“信 号输出”端口接至示波器的“ Y”输入端，“同步输出”端口接至示波器的“外触发”输入端。示波器“触发源”开关拨至“外”，“ Y 衰减”旋钮拨至约“ 1V/格”，“扫描时间”旋钮拨至约“ 20 s/格”。此时示波器将用轮流扫描的方式显示 5 个存储区中存储的曲线，横轴代表电压 2、测普朗克常数 h： 测量截止电压时，“伏安特性测试 /截止电压测试”状态键应为截止电压测试状态，“电流量程”开关应处于 1） 手动测量 使“手动 /自动”模式键处于手动模式。 将直径 4mm 的 光阑及的滤色片装在光电管暗盒光输入口上，打开汞灯遮光盖。 A档。 ，纵轴代表电流 I。 此时电压表显示的值，单位为伏；电流表显示与对应的电流值 I，单位为所选择的的值，、键用于选择调节位， 11 / 16 “电流量程”。用电压调节键、可调节、键用于调节值的大小。 从低到高调节电压，观察电流值的变化，寻找电流为零时对应的以其绝对值作为该波长对应的 的值，并将数据记于表 1中。为尽快找到 ， 的值，调节时应 从高位到低位，先确定高位的值，再顺次往低位调节。 依次换上 nm， nm， nm 的滤色片，重复以上测量步骤。 2） 自动测量 按“手动 /自动”模式键切换到自动模式。 此时电流表左边的指示灯闪烁，表示系统处于自动测量扫描范围设置状态，用电压 调节键可设置扫描起始和终止电压。 实验仪设有 5个数据存储区，每个存储区可存储 500组数据，由指示灯表示其状态。灯亮表示该存储区已存有数据，灯不亮为空存储区，灯闪烁表示系统预选的或正在存储数据的存储区。 设置好扫描起始和终止电压后，按动相应的存储区按键，仪器将先清除存储区原有数据，等待约 30 秒，然后按 4mV 的步长自动扫描，并显示、存储相应的电压、电流12 / 16 值。扫描完成后，仪器自动进入数据查询状态，此时查询指示灯亮，显示区显示扫描起始电压和相应的电流值。用电压调节键改变电压值，就可查阅到在测试过程中，扫描电压为当前显示值时相应的电流值。读取电流为零时对应的数据记于表 1中。 表 1 U0 关系光阑孔 = mm ，以其绝对值作为该波长对应的 U 的值，并将 按“查询”键，查询 指示灯灭，系统回复到扫描范围设置状态，可进行下一次测量。将仪器与示波器连接，可观察到 为负值时各谱线在选定的扫描范围内的伏安特性曲线。 3、测光电管的伏安特性曲线： 此时，将“伏安特性测试 /截止电压测试” 状态键切换至伏安特性测试状态。“电流量程”开关应拨至 A档，并重新调零。 将直径 4mm 的光阑及所选谱线的滤色片装在光电管暗盒光输入口上。测伏安特性曲线可 选用“手动 /自动”两种模式之一，测量的最大范围为 -1 50V。手动测量时每隔记录一组数据， 自动测量时步长为 1V。记录所测 及 I 的数据。 13 / 16 从低到高调节电压，记录电流从零到非零点所对应的电压值并作为第一组数据，以 后电压没变化一定值记录一组数据到数据记录表中。 换上 546nm 的滤色片，重复上述实验步骤。 在 为 50V 时，将仪器设置为手动模式，测量记录同一谱线、同一入射距离、光 阑分别为 2mm,4mm,8mm 时对应的电流值于数据记录表中。 在 为 50V 时，将仪器设置为手动模式，测量并记录同一谱线、同一光阑、不同入 射距离时对应的电流值于数据记录表中。 【实验数据处理】 求普朗克常数 实验中测得的数据如下表所示： 光缆孔 ?4mm 与 关系数据记录表 由实验数据得到的截止电压 U0与光频率的关系如下图所示： 截止电压与光频率的关系曲线 光电子实验报告 光敏二极管特性测试 1. 测量暗电流 14 / 16 选取电源电压 U=12V，可变电阻 R=，测得暗电流I= A。 可知其等价暗电阻为 ?暗 60? 。 2. 测量二极管的伏安特性 由于其光强与调节器旋转圈数有关，下面实验均用光照调节器的旋转圈数代替光强。 弱光下 2 4 6 8 10 12 输入电压 /V U/mV R/k 1 1 1 1 1 1 I/uA 14 15 16 16 16 16 输入电压 /V U/mV R/k I/uA 2 1 30 中光下 4 6 8 1 1 1 31 32 10 1 33 12 1 33