近代物理实验讲义第五版

1、近代物理实验(第五版温州大学物理与电子信息学院近代物理实验讲义编写组二零零九年二月目录前言 (3实验一夫兰克一赫兹实验 (4实验二半导体激光器实验 (9实验三近红外分光光度计实验 (21实验四激光全息照相实验 (27实验五原子发射光谱实验(一 (35实验六原子发射光谱实验(二 (39实验七光磁共振实验 (44实验八功能材料制备实验 (51实验九卢瑟福散射实验 (57实验十原子力显微镜实验 (62实验十一核磁共振实验 (74实验十二微波自动测量线实验 (81实验十三X射线发射谱实验 (86实验十四塞曼效应实验 (97实验十五功能材料测试实验 (103实验十六全息平面光栅制作实验 (106实验十七

2、喇曼光谱实验 (111实验十八生物倒置显微镜实验 (119实验误差与数据处理 (126参考文献 (138后记 (140前言实验是物理学发展的基础,又是检验物理理论的唯一手段。特别是现代物理学的兴起,更和实验有着密切的联系。正是实验技术的发展,不断地揭示和发现各种新的物理学现象,日益加深人们对客观世界规律的认识,从而推动着物理学的向前发展。近代物理实验是继普通物理实验和电子电工实验之后为物理系高年级学生开设的一门重要的实验课程。在近代物理实验要做的十多个实验中,有在近代物理学发展史上堪称里程碑的著名实验,也有与现代科学技术中常用实验方法或现代技术有关的实验。与普通物理实验相比,近代物理实验所涉及

3、的知识面很广,具有较强的综合性和技术性。我们开设近代物理实验,一方面使同学们进一步认识物理实验对近代物理规律发现和近代物理理论的建立所起的重大作用,加深对近代物理概念和规律的理解。另一方面,使同学们能掌握近代物理及现代技术中的一些常用实验方法和实验技能,进一步培养良好的实验习惯和严谨的科学作风,使同学们获得一定程度的用实验方法和技术研究物理问题的独立工作能力。因此,学好近代物理实验是十分重要的。为了完成好近代物理实验,除了一般物理实验要求之外,特别要求同学们做到以下二点:第一,认真做好预习。与普通物理实验相比,各个近代物理实验的原理和使用的仪器设备都要复杂、精密得多。因此要求同学们一定要化足够

4、时间做好预习,可以先到近物实验室看看,预先了解各实验仪器设备的特性与使用方法。不预先懂得实验原理,不掌握实验仪器的特性、操作要领和实验步骤等,是断然做不好近代物理实验的。第二,在教师指导下,要独立完成实验。培养独立工作能力,是开设近代物理实验的重要目的之一,也是大学高年级学生应具备的能力之一。教师只是起指导作用。从每个实验的原理了解,每台仪器特性掌握,到实验步骤确定,实验数据记录、实验结果分析等,都要求同学们能独立完成。同学们要认真阅读本讲义,也要查阅、研究其他文献资料,还要积极思考、不断探索,独立解决遇到各种问题。最后,祝同学们顺利完成近代物理实验课程!近代物理实验室一九九八年六月实验一夫兰

5、克赫兹实验1931年,尼²玻尔在描绘氢原子光谱规律经验公式的基础上建立了新的原子结构理论,提出原子只能较长久地停留在一些稳定状态(称为定态,每一定态,对应一定的能量,叫能级。玻尔认为:各定态的能量是分立的,原子跃迁时只能吸收或辐射相当于二定态能量差的能量。1941年,夫兰克和赫兹使用慢电子与稀薄汞气体的汞原子碰撞而进行一定能量的交换,测量出汞原子的激发电势,从而直接证明了原子能级的存在,清晰地显示了原子能级的图像,为玻尔理论提供依据。夫兰克赫兹实验成为探索原子结构的一个重要实验。几年来,夫兰克赫兹实验已作了改进,不用汞原子蒸气而用氩原子气体,在常温下氩是气体,因此实验时不需加热。本实

6、验采用的氩气体。一、实验目的1、学会测量氩原子的第一激发电位的方法。2、了解本实验的设计思想和方法。3、通过本实验,证明原子能级的存在,加深对对夫兰克赫兹实验原理与原子结构的了解。二、实验原理1、夫兰克赫兹实验的原理如图一所示。 图一夫兰克赫兹管原理图本实验使用的夫兰克赫兹管内充氩原子气体。阴级K 加热后发射电子,电子在K 与栅极G 之间的正向电压U GK 的作用下被加速。板极A 和栅极G 之间的反向电压U AG 对电子起阻档作用。当电子通过KG 空间进入GA 空间时,如果具有较大的能量,就会冲过反向拒斥电场而达到板极,形成板流,由微电流计I P 测出。如果电子在KG 空间与氩原子碰撞,把自己

7、全部能量给了氩原子而使后者激发的话,电子本身所剩余的能量就接近零,以致通过栅极后已不足以克服拒斥电场,而被折到栅极。这时,通过电流计I P 的电流就将显著减少。设电子在KG 空间与氩原子碰撞,正好把自己全部能量给了氩原子而使后者激发的电势差是V 1,E 1和E 2表示氩原子基态和第一激发态的能量,则eV 1 = E 2 - E 1 因此测得V 1就可以知道氩原子第一激发态与基态的能量差,V 1称做第一激发电势。 图二 氩原子的I P U GK 曲线 如果U GK 增大一些,使电子获得的能量eU GK >eV 1,电子与氩原子发生碰撞,将部分能量传给氩原子使之激发,碰撞后的电子还剩余部分动

8、能,它在正向作用下仍被加速并继续与原子发生碰撞。如果电子能量达2eV 1,它可继续使第二个氩原子同样激发,这时通过I P 的电流又显著下降。其余类推。图二所示的曲线反映了氩原子在KG 空间与电子进行能量交换的情况,当KG 空间电压逐渐增加时,电子在KG 空间被加速而取得越来越大的能量。但起始阶段,由于电压较低,电子能量较少,即使在运动过程中,它与原子相碰撞也只有微小的能量交换(为弹性碰撞穿过栅极的电子所形成的板流IP 将随栅极电压UGK的增加而增大。(如图二中的oa段。当KG间的电压达到氩原子的第一激发电位V1时,电子在栅极附近与氩原子相碰撞,将自己从加速电场中获得的能量交给后者,并使后者从基

9、态激发到第一激发态。而电子本身由于把能量给了氩原子,即使穿过了栅极也不能克服反向拒斥电场而被折回栅板。所以板极电流IP 将显著减小(如图三中的ab段。随着栅板电压UGK的增加,电子的能量也随之增加,在与氩原子相撞后,还留下足够的能量,可以克服反向拒斥电场而达到板极A。这时,电流又开始上升(bc段。直到KG电压是二倍氩原子的第一激发电位2V1时,电子在KG间又会因二次碰撞而失去能量,因而又造成了第二次板极电流的下降(如图三中的cd段。同理,当UGK =NV1(n=1,2,3时,IP都会明显下降。IP UGK曲线的规则起伏变化,形象方便地证明了原子能级的存在。用这种简单而巧妙的方法,能很方便地测量

10、出氩的第一激发电势。曲线上二相邻的极小值(谷或极大值(峰所对应的UGK 之差就等于氩原子的第一激发电势V1,即:Un+1-Un=V1实际实验的夫兰克赫兹管内在栅极附近增加另一栅极G1,见图三。栅极G1的作用是为了消除电子在阴极附近的堆积效应,起着控制电子流大小的作用。 图三双栅极的夫兰克赫兹管结构三、实验仪器介绍(FD-FH-1仪。FD-FH-1型夫兰克-赫兹仪的面板结构如图四所示。各部分说明如下:(1电压指示表头,通过波段开关分别表示Vf 、VG1、VP、 VG2.(2电压指示波段开关:改变电压表指示的电压。(3电源指示灯。(4 IP电流波段开关,其量程有:1A,100nA,10nA,1nA

11、.(5 IP电流指示表头,电流=波段开关提示值³电压值。(6 VG2输出(衰减10倍。(7 VG2扫瞄速度开关。(8 VG2扫瞄开关,有手调与扫瞄二档。(9各电压(Vf 、VG1、VP、 VG2的调节电位器。(10夫兰克赫兹管各电极输入接线柱。(顺时针电压增大。(11各电压输出接线柱:红色为正。(12I P输出:接示波器、记录仪或计算机接口。 图四 FD-HF-1夫兰克赫兹仪面板说明图仪器性能指标电源电压:220±10%, Vf调节范围:1-6V,V G1调节范围:0-12V, VP调节范围:0-6V,VG2调节范围:0-100V,峰值数:5。四.实验内容1.熟悉夫兰克赫兹

12、仪的各表头、旋扭的用法。2.调好Vf 、VG1、VP最佳初时值。3.由于测VG2的电压表头读数不大准确,实际测量时用一条电线将VG2输出端(衰减10倍(即图四上(6与万用表连起来,从万用表上读出VG2数据。4.将 VG2从0慢慢增加到约10伏(已衰减10倍,及时记录下各电流峰值、中间值、谷值所对应的电压VG2值。(约有7个峰值与7个谷值,连中间值一起,共要测出约28个数据。5.对电压VG2的7个峰值或7谷值数据作数据处理,以求出氩原子第一激发电势。要采用逐差法求出第一激发电势的平均值。6.作出IP 与 VG2的关系曲线。五.注意事项1.开机前各旋扭旋至0(即旋扭逆时针到底,然后再开机实验。2.

13、按规定设置好Vf 、VG1、VP初始值。其中Vf初值不能太大,否则夫兰克赫兹管会发生电离,电流会自发增大直至烧毁。一旦发生IP负值打表或正值打表,应立即关机,将Vf调小,5分钟后再开机重新测量。3.开机约10分钟待IP电流稳定后开始测量。4.当 VG2从0增加到约10伏(已衰减10倍时,要一口气测下去,不要倒退。5.实验结束,关机前各电压旋扭旋至0。实验二半导体激光器实验一、实验目的通过实验,要求达到如下目的:(一、了解半导体激光器的发明和发展。(二、了解半导体激光器的基本原理。1、半导体激光器的结构2、半导体激光产生的条件(三、掌握半导体激光器性能的测试方法。1、发光功率的测量(P-I曲线2

14、、消光比的测量(E R-I曲线3、光谱的测量(观测光谱形状变化、 P-I二、实验原理(一、半导体激光器的产生和发展大家知道,激光的产生需要工作物质、激励能源和谐振腔。半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的一类激光器,亦称为半导体激光二极管(简写为SLDSemiconductor Laser Diode,是六十年代初发展起来的一种新型光源。它发光原理是通过正向偏压下p-n结中空间电荷区附近形成的载流子(电子反转分布“激活区”的个别自发发射感应受激辐射而发出相干光。发射波长在0.33-100 m的范围。激励方式有p-n结注入电流激励、电子束激励、光激励和碰撞电离激励等4种。我们最常用的p-n 结

15、注入式,这是最为成熟的。使用的工作物质有GaAS、InGaAsP等直接带隙半导体材料。半导体激光器由于构成材料的不同分为同质结激光器和异质结激光器。如果p-n结是由相同的半导体材料通过不同的掺杂而构成,称为同质结;否则称为异质结。激光器的出现可以追溯到1958年,接着固体红宝石激光器和He-Ne气体激光器分别在1960年5月和1960年12月运行成功。1960年前后,激光器的研究工作进展很快。而在电子技术领域中p-n 结器件的研究工作是进展最快的。这些研究的焦点是通过p-n 结注入非平衡载流子来产生受激发射。冯·纽曼(V on Newman 在1953年提出了利用p-n 结注入激发半

16、导体受激发射产生光放大的可能性。1962年初纳斯莱多夫(Nasledov 等报道了在77 K 下GaAs 二极管的电子发光谱在电流密度为1.52310cm A 时变窄的现象。他们利用了解理面作为谐振腔的反射镜面,而没有专门制作谐振腔。1962年9月霍尔等发现了加正偏压的GaAs 的p-n 结的相干光发射,推断为为受激发射,把此类由单一半导体材料组成的激光器称为同质结激光器。继霍尔之后,霍伦雅克和贝瓦奎(Bavacqua 在77K 情况下实现了脉冲注入受激发射。首次制作了-族固溶体的注入型激光器,并实现了可见光发射(0.7 m 。在证明了同质结激光器中的p-n 结受激发射后,人们开始关注温度对阈

17、值电流的影响及其它几种激光二极管,增添了-族化合物作为新材料。而同质结注入型激光器有一个共同的致命弱点,即室温受激发射的阈值电流特别高,通常5000A /cm 2。许多研究工作只有在液氮温度(77K 或更低温度下才能进行。进入20世纪80年代以来,由于吸取了半导体物理研究的新成果,同时晶体外延生长新工艺包括分子束外延(MBE 、金属有机化学气相沉积(MOCVD 和化学束外延(CBE 等取得重大的成就,使得半导体激光器成功地采用了双异质结构、量子阱和应变量子阱结构、垂直腔面发射以及激光器列阵等新结构。克服了同质结激光器的致命弱点,获得了极低阈值、单频、高调制速率、扩展新波长以及高效率激射等优点。

18、总之,半导体激光器的发明使光信息技术产生了里程碑式的飞跃,它的发展不过30多年,却已经取得了举世瞩目的成就,各项性能参数有很大的提高,应用领域日益扩大。随着科学技术的发展,半导体激光器的研究必将向纵深的方向推进。至于半导体激光器本身,在拓展发射波长范围、降低阈值电流密度、提高量子效率、增加输出功率、提高调制频率、压窄线宽、降低噪声等方面始终都是追求的目标。以激光器为核心的半导体光电子技术必将在未来的信息社会取得更大的发展,发挥更大的作用。(二、研究半导体激光器的功率、光谱及消光比等性能的意义研究半导体激光器的功率、光谱及消光比对了解半导体激光器的性能具有很重要的意义。对于一个给定的半导体激光器

19、,在使用之前必须了解它的工作特性。半导体激光器和放大器的增益对波长和注入电流有一定的依赖关系,确定这种关系,即测量增益曲线,对于预测激光器和放大器的工作性能是必要的。首先可以通过测量P-I曲线,求出激光器的阈值。根据阈值调节激光器工作在自发发射状态还是在受激光发射状态。通过观察激光器的光谱,可以了解激光器在某一特定电流工作时输出光谱的波长范围和占主导地位的激发模式所处的波长及功率,以及输出谱的质量,据此来判断激光器性能的好坏,作为应用或进一步研究的基础。半导体激光二极管的结构种类很多,图1是垂直腔面发射半导体激光二极管的基本结构及发光束形状示意图。 图1 垂直腔面发射半导体激光二极管的基本结构

20、及发光束形状示意图。(三、半导体激光器的发光原理最简单的异质结半导体激光器由带隙能量较高的p型和n型半导体材料中间夹一层很薄(0.1m的带隙能量较低的另一种半导体材料而构成,图2给出了一个这种异质结结构激光器的示意图,激光由激活区的两个解理端面输出,尽管在垂直于结平面的方向上载流子和光子都被限制在很窄的范围(双异质结的性能,但在平行于结平面的方向上光子和载流子几乎没有受到限制,因此输出的光斑具有椭圆的形状(如图1所示,这种激光器称为宽面半导体激光器。由于电流是沿整个平行于结的激活区平面注入,所以这种激光器的阈值电流很高。利用某种方法使平行于结平面的激活区由平面结构变成条型结构,即在输出平面(横

21、截面的横向上再对载流子和光子进行限制,使载流子和光子都被局限在一个较窄(2 m和很薄的条形区域内,以提高载流子和光子浓度,降低激光器的阈值,相对于宽面激光器,这种激光器称为条形激光器。目前,条形激光器采用了增益导引和折射率导引两种结构。一个具有少数载流子(复合补偿掺杂区的有源平面波导,由于折射率高于周围介质可将光束约束在其内部,而构成了激光二极管的激活区。在同质结中,载流子的复合发生在较宽的范围(110微米,由载流子的扩散长度决定,因此载流子浓度较低,发光效率不高。后来在p型和n型材料中间加入一薄层带隙比两端的p型和n型材料窄的半导体材料,折射率的突变使光约束大为增强,强的约束使异质结激光器在

22、室温下比同质结激光器有高得多的发射效率。如果该夹层是p型或n型半导体,这种结构成为双异质结。 图2 半导体激光器的发光原理。实用的半导体激光器通常制成模块结构,用光纤输出,如图3所示。 图3 半导体激光器的模块。三、实验内容和方法(一、半导体激光器的输出功率与工作电流的关系典型的半导体激光器的输出功率与工作电流的关系曲线(P-I 特性曲线如图4所示。当激光器的正向偏置有注入电流时就开始有光输出,一开始输出光效率很低,即曲线的斜率很小,这一阶段是自发辐射发光阶段。电流增加到一定值后,发光效率开始增加,P-I 曲线开始弯曲向上,斜率增大,表明受激辐射发光开始起作用并逐渐加大比重,这一阶段的发光称为

23、超辐射发光。当电流进一步增加,即粒子数反转达到光子在腔内所得到的增益与受到的损耗相等时,光子才能获得净增益并在腔内振荡激射,此后,光输出功率随电流陡峻上升。光子在谐振腔内振荡开始出现和增益所必须满足的条件称为阀值条件,这时的电流值被称为阀值电流,用I th表示,阀值电流密度用J th表示,阀值增益用g th表示。改变温度可以得到不同的P-I曲线。图4是某一半导体激光二极管不同温度下的P-I特性曲线。 图4 P-I特性曲线示意图。(二、光谱特性半导体激光器谐振腔的质量优劣可用品质因素Q来描述。对于所给模式的Q值定义为Q=2W E/P x。其中是模的频率,W E是集中于某一模的辐射能量,P x是模

24、的总损耗,包括单位时间内从谐振腔发射到腔外的光辐射。Q与谱的线宽有关,即Q=/。随着电流密度增加,激光器有源区的粒子数反转增强,集中在某一模式的光功率增加。首先对那些具有高Q值的模激射。这些模式的频率接近于增益谱特性的峰值,因而对应光谱的峰宽减少。谐振腔的品质因素Q值增加,这个过程一直持续到总的光功率集中到几个最有利的模式为止。实际上,典型的折射率导引型半导体激光器的光谱特性常常比较宽,因为有时候发射的光波中包含着若干个模的组合,形成这种多模特性有两个原因。首先有源区粒子数反转分布在空间上不均匀,谐振腔内激励的驻波干扰着粒子数反转分布也叫空间烧孔效应,这是参与辐射复合的载流子浓度空间分布不均匀

25、的结果,这叫光谱空间烧孔效应。其次,对于给定频率模式的增益降低,对应于新的粒子反转数反转分布,这样另一个有利的模式被激励的几率就增加了。此时下一个驻波被建立,以此循环达到平衡。相邻边模被激励的第二种机制与吸收的非线性有关。随着辐射功率进一步集中某个模,对应于这个模的品质因素Q会降低。这个模式就不再是优先的了,而另一个模式将被激励。(三、光谱的测量把半导体激光器发出的光用光纤引入光谱分析仪,然后通过内部的计算机处理,就能把光谱直观地显示到显示屏上,便于观察分析。特别注意观察峰位、峰宽的变化。测量时要把不同条件对应的光谱保存到磁盘上。下列图形是测得的半导体激光器在不同工作电流下发出的光谱。 (a

26、I=6mA,中心波长1539.800 nm。(b I=8mA,中心波长1538.00 nm。 (c I=8.5mA,中心波长1536.400 nm。(d I=10mA,中心波长1536.300 nm。 (e I=12mA ,中心波长 1536.400 nm 。(f I=15mA ,中心波长 1537.900 nm 。图5 半导体激光器在不同工作电流下发出的光谱。下图是所测量的某半导体激光器光谱的峰值波长和光谱的3dB 带宽与工作电流的关系。 图6 半导体激光器光谱的峰值波长和3dB 带宽与工作电流的关系。(四、消光比的定义不同条件下工作的半导体激光器,输出的光是由不同模式组成的。因为各个模式的

27、能量不同,所以输出的平均光功率会随着工作条件的改变而变化。消光比的测试是根据布儒斯特定律进行的。P max 表示某个偏振方向上最高的平均输出光功率,P min 表示某个偏振方向上最低的平均输出光功率。则消光比定义为:E X =10lg(P max /P min 注意在实验测量的过程中,可以直接从消光比测试仪的读书中得到消光比。测试仪内狭缝的偏转自动进行,因而显示数据会涨落。纪录结果时要取一段时间内(约20秒变化数据的算术平均值。 图7 半导体激光器在不同温度下消光比随工作电流的变化。四、半导体激光器的功率、光谱及消光比的测量方法实验仪器:ILXLIGHT WA VE OM-6810B OPTI

28、CALMULTMETER光多用仪;ADV ANTEST Q8384 OPTICAL SPECTRUM ANAL YZER光谱分析仪;EXTINCTION RATIO METER消光比仪。实验原理:本实验中,采用直流稳压电源给激光器加上偏置电流后,在功率计上即可显示出相应的激光器在一定电流下端面输出功率的大小。将电流从小到大(或反向连续变化,我们就可以得到激光器输出功率与偏置电流的关系,可以借此绘出曲线(P-I曲线,并可以利用外推法从图中求出激光器阈值电流的大小。采用光谱分析仪可以测量到激光器在一定电流下的输出光谱,可以测出各个电流的中心波长,这样可以了解激光器的模式结构和光谱形状,求出在一定电

29、流下的激光器的增益等一系列参数。利用消光比仪测出各个电流的消光比。实验步骤:(一功率的测量:1、将各仪器按照要求连接好;2、打开直流稳压电源,打开光多用仪;3、将激光器的偏置电流输入插头接于稳压电源的电流输出端;4、将激光器与光多用仪的输入端相连并使探头正好对激光器输出端,打开光多用仪;5、缓慢增加激光器输入电流(0mA130mA,从功率计观察输出大小随电流变化的情况;6、记录数据;7、绘图绘成曲线。(二光谱的测量:1、将各仪器按照要求连接好;2、打开电源,打开光谱分析仪;3、逐步调节电流值(0mA130mA;4、电流调至由P-I曲线测量出的阈值电流以上;5、测出各点的中心(峰值波长,并保存光

30、谱图。(三消光比的测量:1、将激光器的输出端连接到消光比仪上;2、逐步调节电流值(0mA130mA;3、记录各点的消光比。五、实验结果的处理与分析以光功率P为纵轴,I为横轴作图,描成曲线如图4,找出线性部分的切线,并延长到与I轴相交,交点就是阈值电流I th,区分各段的发光类型。以峰值波长P为纵轴, I为横轴作图,描成曲线如图6,指出P随I的变化趋势,结合光谱形状变化说明原因。以消光比E R为纵轴,I为横轴作图,描成曲线如图7,指出各段E R随I的变化趋势,分析原因。表1 发光功率P、峰值波长P、消光比E R与电流I的对应关系数据。电流(mA 功率(w 峰值波长(nm 消光比(dB102030

31、405060708090100110120130140150六、结论实验得到了半导体激光器的功率、光谱峰值波长及消光比与工作电流的关系。结论:温度不变时,随注入电流的增大,半导体激光器经历了自发辐射、受激辐射(直至逐步饱和的过程,输出功率随注入电流的增大而增大。从图P-I中可以看出,在阈值电流以下,随着电流强度的增加,各输出功率的增加不明显,曲线比较平缓。此时半导体激光器为自发发射,光谱形状反映各波长处的模式功率无明显差别。超过阀值时,随着电流的增加,输出功率明显增加,曲线陡然上升。从图 P -I中可见,随着电流增加,光谱形状反映部分模式突显出来,而其周围的模式基本不变,这种趋势随电流增加越加

32、明显。从E R-I图中发现,在阀值电流之前,消光比增加幅度比较大,大于阀值电流之后则比较平缓。原因分析:当工作电流较小时,光辐射几乎全部被激光内部存在的吸收过程所吸收。随着电流的增加,当有足够的光子来抵消这一吸收损耗后,激光器的有源区变为“吸收透明”,开始产生光增益,既光辐射放大。在激光器端面得到光输出,但这时的光输出并非激光的输出,而是宽带的自发辐射输出。只有当工作电流继续增大到阈值以上时,光子数足够多,才能产生激光输出。七、参考文献1 江剑平,半导体激光器.北京:电子工业出版社,2000.2 韦文生,张春熹,冯丽爽,周克足, 王天民,1.55m-MQW-SLD连续工作状态下的性能,红外,2

33、004年第2期:10-16.3韦文生,张春熹,冯丽爽,马静,周克足, 王天民,1.3m-MQW-SLD的性能与注入电流和温度的关系,激光与红外,V ol.34, No.2(2004:119-123实验三近红外分光光度计实验一、实验目的与要求1、红外线及其应用简介红外线是介于可见光红端与微波之间的电磁辐射,其波长范围从0.75微米至1000微米。为人眼不可见光线部分。它在信息技术与通讯、保健与生命科学、国防与太空、科研与教育等领域中发挥出越来越重要的作用。根据红外辐射在地球大气层中传输特性的不同,可分为:近红外:波长范围0.753微米中红外:波长范围36微米远红外:波长范围615微米极远红外:波

34、长范围151000微米近红外波段在通讯、药物检测、资源探测等领域存在大量应用。大家熟悉的是用于光纤通信和光纤传感。近红外光谱的判读和数据处理,特别是在近红外光谱化学计量学、近红外光谱在各领域应用的定标建模,研制和开发特种用途的近红外光谱分析技术及配套仪器。还有近红外光谱在生物医学、纺织品、农药、化工合成、生物制品中的应用,如茶叶及茶制品近红外光谱分析技术的研究、安乃近等药物成分近红外光谱的分析、人参等中药材成分近红外光谱的分析等。中、远红外波段这两个波段是目前使用得最多的红外波段,在国防和民用上得到广泛使用。如车库、电梯门的安全传感器、电视机遥控器、便携式红外温度计、夜间起作用的光电电灯开关、

35、PC计算机到键盘及打印机的红外耦合,以及在公共厕所中自动开关水龙头的红外开关等。根据天色开关城市街灯的光电开关已用了50多年。自动红外感应传感器已用在公共厕所中开关水龙头和抽水马桶。极远红外波段;该红外波段是发展最不成熟的阶段,基于它在生物组织和掩埋物体检测等领域的应用前景。医用红外技术涉及的领域:红外诊断技术,红外热成像仪可对人体各部位多种疾病,如头部的偏头痛、面瘫和脑血管、颈部的甲状腺肿瘤,胸部的肺癌,心肌梗塞和乳腺癌,腹部的肿瘤,炎症和胃肠道疾病以及脊柱的腰椎间盘突出症,颈肩腰腿痛和周围血管疾病等作出热像图诊断。本实验设备用于制备窄带宽、多波长、可调谐滤波器件的测试,可以对物理专业开设近

36、红外光学测量、电子信息专业开设光电技术及其应用等实验2、实验目的与要求通过本实验的学习和实际操作,了解实验系统的组成,理解仪器光学系统各部分的组成部件、工作原理、物理参量的测量方法和实现过程,能用所学的物理知识给予解释说明,掌握对样品用反射和透射方法进行光谱测量的方法,并能对实验曲线进行必要的数据处理,从实验结果得到样品的特点和可能的应用,对样品的制备提供依据。二、实验内容1、了解TJ270-60近红外分光光度计的组成结构和工作原理2、学习用近红外分光光度计测量材料的近红外吸收光谱的波长和强度3、探索研究材料在制备红外光电器件中的应用三、实验设备TJ270-60双光束近红外分光光度计一台,计算

37、机一台,打印机一台,镀有ITO薄膜的玻璃片若干,匹配液样品若干。四、仪器的组成结构与工作原理TJ270-60双光束近红外分光光度计的工作原理包括光学系统、电子系统、计算机系统和中文操作软件四个部分。 图一TJ270-60双光束近红外分光光度计光路图W:钨灯SI:入射狭缝S2:出射狭缝G:衍射光栅M:扇形镜P:硫化铅1光学系统仪器的光学系统由光源系统、单色器系统、光度计系统和接收系统组成。系统光源为卤钨灯。单色器系统采用高性能平面光栅。接收器件采用硫化铅。光路图见图一。1不同波长光的取得:由可转动的衍射光栅来完成,当入射复色光通过光栅衍射后,满足光栅方程的波长光被反射,转动光栅,相当于改变入射角

38、,能衍射光的波长也随之改变,从而得到不同波长的光。衍射光栅的转动通过步进电动机带动连杆移动来实现,示意图见下图。 步进电机A 的参数为:57BYG 型 12V/相 32/相 0.38A/相 1.8º/步2双光束的产生:用扇形镜旋转实现,工作原理见下图。设备中驱动扇形镜的电机 图二 参数为:45TZL2型磁滞同步电机,110V50Hz ,1500转/分钟,2W3滤光片的作用:三个滤光片,分别透过波长范围为8001100nm 、11002000nm 、20002500nm 的光谱,驱动步进电机:43BY10,12V 0.17A ,速比1/50,15º/步4光源:卤钨灯发出的光5

39、接收系统:硫化铅光电转换器2电子系统电子系统由电源系统、放大器系统、驱动系统、I/0系统和A/D转换系统组成。图三为电子系统电路图。电源系统将交流电变成直流电,为光源、放大器、驱动电路、I/O电路、步进电机等提供电源。硫化铅探测器将照射在光敏面上的经过调制的单色光信号,转换为相应的光信号。 图三TJ270-60双光束近红外分光光度计电路图硫化铅输出的电信号,经前置放大器后,由相位检测器控制,经过模拟开关,分成R、S、D(R:参比光信号、S:样品光信号、D:暗电流信号三路信号,分别进行放大后,由计算机控制分别送入A/D转换器,将模拟信号转换成数字信号后由计算机进行处理。I/O电路是计算机与分光光

40、度计进行联系控制的信号通道。波长扫描、狭缝转换、滤光片转换等都由计算机发出指令,通过I/O电路输出控制信号经驱动电路驱动执行。狭缝、波长扫描初始零点位置信号也由I/O电路输入到计算机中。3计算机系统计算机系统采用通用计算机,配备通用激光打印机。双光束近红外分光光度计的所有控制和信号处理均由计算机完成。计算机进行控制和信号处理工作主要有:系统初始化、波长扫描、狭缝切换、滤光片切换、参数设置、光谱扫描、光谱处理、光谱打印等。4中文操作软件中文操作软件是双光束近红外分光光度计的控制核心。本近红外仪器的一切操作均由操作软件来完成。中文操作软件采用C+语言编写,标准WINDOWS界面。中文操作软件中主菜

41、单项有:文件(六项、测量方式(四项、数字处理(六项、系统操作(五项、帮助(一项。五、样品测量与数据处理1、仪器基本操作1.1仪器开机TJ270-60双光束近红外分光光度计正常开机步骤为:先开打印机电源,再开计算机电源,在WINDOWS98中运行近红外中文操作软件,当计算机屏幕出现“请打开TJ270-60近红外分光光度计电源,按“确定”进行系统复位”提示时,开启近红外主机电源。注意:待仪器预热30分钟稳定后,才进行基线扫描和光谱扫描。1.2仪器关机TJ270-60近红外分光光度计正常关机步骤为:停止红外仪器正在进行的任何操作,选择文件菜单中“退出系统”,当计算机屏幕出现“请关闭TJ270-60近

42、红外分光光度计电源,按“确定”退出系统”提示时,关闭光度计主机电源,然后关闭计算机电源,最后关闭打印机电源。1.3系统初始化当计算机提示打开仪器电源时,打开近红外仪器电源开关,按“确定”按钮,近红外仪器主机开始进行系统初始化,屏幕显示画面为:TJ270-60近红外分光光度计系统初始化,滤光片复位、狭缝复位、波长复位。近红外仪器系统初始化如果全部项目检测正确,直接进入红外仪器操作软件主画面。1.4 测量基本操作测量模式:透过率、吸光度、能量扫描速度:快速、中速、慢速扫描方式:重叠扫描、连续扫描、时间扫描(定波长扫描扫描波长范围:800nm2500nm2 样品测量2.1透射测量要测量液体样品的透射

43、谱,先在透射式样品池的一路中放入待测样品,进行基准基线扫描测量,相当于测量背景光强,然后进行光谱扫描测量,系统软件会自动扣除背景光强,得到样品的透过率;2.2反射测量要测量镀膜样品的反射光谱,先将两块没有薄膜的基片放在反射式样品盒的两个窗口上进行基准基线扫描测量,再将一个窗口换为有薄膜的样品,进行光谱扫描测量,得到样品的反射谱。测量时光线路径见图四所示。 图四反射法测量光线路径示意图2.3 数据处理与存盘打印。六、实验报告将测量的光谱曲线贴在观测记录处,回答下列思考题1怎样实现波长的改变2 双光束如何实现3 光电管接收不同波长的光谱时得到的电压是否相同,与爱因斯坦的光电效应理论是否一致4 扫描

44、中步长的含义是什么,如何实现不同的扫描速度5 能否用本设备测量气体透射光谱?若能,写出测量方法。实验四激光全息照相实验【实验目的】1.理解全息照相的记录原理与再现原理以及全息照相的特点。2.掌握离轴菲涅耳全息照相的拍摄方法与再现方法。【仪器及用具】防震全息台及附件(光学平台,HeNe激光器,分束镜,反射镜3片,扩束镜2片,调节支架若干,米尺,曝光定时器及快门,全息干板,定时钟,照相冲洗设备等。【实验原理】英籍匈牙利科学家丹尼斯 盖伯(Dennis Gabor在1948年提出全息照相的思想开始一直到50年代末期,全息照相都是采用汞灯作为光源,是同轴全息图;1960年激光的出现,提供了一种高相干性

45、光源。1962年美国科学家利思(Leith和乌帕特尼克斯(Upatnieks将通信理论中的载波概念推广到空域中,提出了离轴全息术。以后又出现其他各种类型的全息照相及相应的理论分析。并在全息干涉计量、光学信息存储、防伪标志及全息光学元件等各方面提出了广泛应用。在光学全息的启发下,微波、X光及超声波各种全息技术也相继问世。在普通照相中,从物体发出或反射出的光经透镜成像,用感光底片记录下的是实像的光强分布,处理后成为负片。光强正比于光波振幅的平方,光波的位相信息则全部丢失,翻印后的正片只能给出平面图像。而在拍摄全息照相时,要另外引入参考光与来自物体的光波相干,用高分辨感光底片记录下干涉条纹,条纹的对

46、比度反映了物光波振幅大小,而干涉条纹的疏密与形状则取决于光波位相差的分布,并在大多情况中不需用透镜成像后再记录。 图151 最简单的全息图为简明起见,我们考察最简单的情形:物光是由点物于O处发出的球面波简称O光,参考光于R处发出为正入射到底片H上的平面波简称R光,见图151。不难看出,H平面上的干涉条纹是许多同心圆,离O点的投影点Q较近处,O光与R光几乎同方向,条纹较疏,此处的全息图可称为同轴全息图。在离Q较远的A处,O光与R光有一定夹角,此处的全息图称为离轴全息图。A处附近小范围内的条纹可近H 似地看成取向垂直于QA 的平行条纹,平均间距为 sin =d OQr tg A = 条纹可见度V

47、定义为mM m M I I I I +-,I 为干涉后光强,可以证明 212+=V (152 为物光振幅O A 与参考光振幅R A 之比。接近于1时,V 接近于1;为了保证再现像能反映原物的亮暗程度,O R=取大于1的值。比方说2,此时光强比为4。在适当曝光后经过显影、定影,所记录的干涉条纹就是全息图,在本例中这些亮暗相间的同心圆也可能为全息波带片。当用平行光照在全息波带片上时,这此条纹起到光栅的作用,用同一种激光在全息波带片上各处不同方向、不同间距的光栅上发生衍射,在光栅后有透射光、正一级和负一级衍射光。所有零级光的集合就是总的透射光。各处衍射角遵循光栅方程=sin d 。不难证明,离Q 点

48、r 处光栅后衍射角就等于记录全息图时 该处物光与参考光夹角,正一级衍射光恰似从全息片后一点P 发出,称原始像,正一级衍射光束的总体即为原始像发出的光波;而所有负一级光束会聚到'P 点,这是共轭像,负一级光束的总体是共轭光波。如不同平行光,而是发散光束光照射,仍有原始像与共轭像,但距离有所改变;用会聚光束去照射,也有相应的变化。换句话说,照明光波前曲率半径的改变可以改变再现像的距离(如果不是物点,那么像的大小也随之改变,另一方面,参考用别的颜色激光作照射,即照明不等于记录,则像的距离、大小以及颜色就变了,如几种同时照射,那么看到的是色模糊的像,甚至无法辨认。如图形卡151与图152中还可

49、看出,在Q 位置记录的全息图,在再现时透射光、原始光与共轭光在同一方向(原始像与共轭像也在这个方向,观察时它们混在一起,因而称同轴全息图,这就是丹尼斯盖伯 图152(b (Dennis Gabor最初的全息图。而在A 处记录的全息图,在再现时透射光与原始光、共轭光的方向各异,在适当的角度观察就可避免互相干扰,困而称为离轴全息图。另外,全息照相是靠衍射起成像作用的,如把全息波带片翻拍一次成为正片,其各处光栅取向间距仍是同样的,起的衍射作用也不变,因而全息照相无所谓正负片。记录时条纹对比度高的地方再现时给出的光也较亮,因此再现的光有强弱,有方向,也就是说重建了波前。任意物体是由许多独立发光点组成,

50、从物体上出来的光波,用复函数表达比较方便,为简单起见,设记录时到达全息片的物光与参考光的光振动分别为t i e y x O t y x O ,(,(=t i e y x R t y x R ,(,(= 式中,(0,(,(y x i O ey x O y x O =,(0,(,(y x i R e y x R y x R =即为复振幅,到达底片的光强为 *2,(RO OR RR OO R O y x I +=+=(00(002020O R R O i i e R O e R O R O -+= (154(为简明起见括号内x ,y 均省略了,经过显影、定影后,底片上各点振幅透射率关系为20,(R

51、O t y x t +=,这是对底片作另一种曝光曲线:t E 曲线上线性段的直线方程(图153。当用照明光照在全息片上,其后光场的复振幅分布为20R O C Ct Ct A += R CO COR R O C Ct *220(+= (155 式中第一、第二项为透射光,方向与C 相同,强度减弱。第三项为原始光波,第四项为共轭光波,如照明光即为拍摄时 的参考光,第三项、第四项分别为23R O A =,*4RRO A = (1563A 为原始光波,它肯定给出原始像;4A 为共轭光波,但共轭像的存在情 况比较复杂;如用与原参考光共轭的照明光去照射,则原始光波比较复杂,而共轭像就产生在物体的位置上。为了

52、具体考察点物再现像的特性,应建立坐标系,设物点、参考点源、照明点源坐标分别为(O O O z y x ,、(R R R z y x ,及(C C C z y x ,(图154,可以证明,再现像点坐标为i C C R R OO i z z x z x z x x +±= i C C R R OO i z z y z y z y y +±= 1111- ±=C R O i z z z z 有±号处,上面一组适用于原始像,下面一组适用于共轭像,i z >0为虚像,i z <0为实像,如照明点源的z 坐标不同于参考点源,则再现像的横向放大率x M 、

53、y M 与纵向放大率z M 分别为O i O i x z z x x M ±= x O i y M y y M = 2x Oi z M z z M ±= 因此在再现时,当全息片离开照明点光源远一些,像就会放大。另外,如再现时所用光波波长大于记录时波长也可使像大于原物。菲涅耳全息照相与传统照相相比,具有下列显著特点:(1全息图具有光栅结构,照明后有透射光、有二束成像光,原始像与共轭像共存,不象几何光学中透镜成像那样只有唯一的像。(2全息图再现的是带有位相、振幅的光波,因此给出三维的立体图像,有视觉、纵深效应,而普通照相只给出二维的平面图像,其他以普通照相为基础的立体照相(体视

54、镜等也无法有这样的立体效果。(3拍摄全息照相时,物体每点发出的光波都遍及全息片各处;因此再现时,可图154以从局部全息片上再现物体的全貌(但视场有所缩小,分辨率有所下降。(4用激光拍摄,用激光再现,无所谓正负片。这些特点的根本原因在于全息片记录的是物光波,再现的也是物光波。而传统照相记录的是光强分布,再现的也是光强分布只反映了振幅,位相丢失了。上述全息图是在菲涅耳衍射区内记录的, 图155因而称为菲涅耳全息图。全息图还有别的类型,其特点有所不同,但记录波前、再现波前的根本特点是一致的。图155(a为记录透明物的夫琅和费衍射,再现时经过透镜变换获得透明物的内容,此种全息图本身较小,不再现立体像,

55、称为夫琅和费全息图或傅里叶变换全息图,可存贮。图155(b在记录时用透镜成像,但透镜前有一个狭缝,这种全息图可用白光再现,但照明角度不同时,图像上呈现不同颜色,因而称为彩虹全息图。图155(c中物在全息片之后,入射的激光与物体上反射的光形成驻波型干涉,所记录的是千层饼型的结构,这种全息图可在白光下再现。(b、(c这两种全息图都不能从局部全息图再现全部像。【实验内容】1.检查全息台的稳定性。按图156所示光路在防震全息台上布置迈克耳逊型的干涉仪。如在远大于曝光所需的时间内(比如说,半分钟屏上干涉条纹“涌出”或“陷入”少于四分之一环,说明该全息防震台性能可以满足需要。如吞吐的条纹多条时,说明在曝光

56、期间,干板上记录不到清晰的干涉条纹,而是一片模糊。实验用全息台(光学平台有隔震作用,各光学元件固定在支架上,而支架用磁钢座吸附在平台上。且曝光期间不能走动,更不能去碰平台。 图1562.布置与调整全息光路。图157中所示是拍摄离轴全息的一个例子,布置与调节光路时,应注意: (1先在干板架H 处装上光屏(供观察光强时用,在平台上摆好分束镜BS ,平面镜1M 、2M 及物体O ,自BS 起分别是参考光路BS 2M H 及物光路BS 1M O H 各自的总光程,二者差别应小于cm 5;如光程差较大,可移动BS ,或1M 或2M 的位置并再次测量光程差。另外,O 与H 应比较接近,落在H 上的物光与参考光夹角 不宜太大,可在 30 60左右。 从干板架方向朝物体看去,物体应正面对干板且处在前侧光照