近代光学实验指导书

光电器件光谱灵敏度的测定实验原理:光电器件受光照后产生的光电效应不同，可分为三类：应用外光电效应而制成的器件有光电倍增管；应用内光电效应（光电导效应）而制成的器件有各种光导管（光敏电阻）；应用光生伏特效应（阻挡层光电效应）制成的器件有光电池（硅光电池、硒光电池）、光敏二极管、光敏三极管。光电器件所产生的光电流不仅与被照表面吸收的光通量有关，还与照射光的波长有关。在正常条件下，对于同一波长的光，光电器件所产生的光电流（或电压）与被照表面吸收的光通量成正比；但它对不同波长的光的响应不同。如果不考虑照射光的波长，则单位辐射通量引起的光电流的大小称为响应率或积分灵敏度，简称灵敏度。如果只对单色光而言，其响应灵敏度则叫做光谱灵敏度。对某一单色光，当被测光电器件表面所吸收的光通量为①（人），该器件由此而产生的光电流为i侦），i（人）与照射到该器件表面上的光通量①（人）成正比，其比值即为光谱灵敏度，用S（人）来表示SS（小血）¥W由此可见，光谱灵敏度s（九）是光电器件接收单位单色辐射功率所产生的光电流，它反映了光电器件对单色光的光电转换能力的大小，即光谱响应的大小，因而光谱灵敏度又被称为“光谱响应率”，S（九）〜人曲线被称为光谱灵敏度分布曲线，或叫做“光谱响应曲线”。光谱灵敏度$（九）是波长的函数，而且①（人）和i（人）也是波长的函数。各种光电器件的光谱灵敏度分布情况与它们所采用的材料有关，即各种光电器件的光谱灵敏度的分布有所不同。通常定义当光谱灵敏度s（人）的数值下降至灵敏度最大值Sm的土时所对应的波长，为光电器件的探测极限波长，S所对应的波长值为光电器件的峰值波长。因此测定出光电器件光谱灵敏度的分布m曲线，就可确定其器件探测光波的工作范围，即该器件的探测范围，这在实际应用中具有重要的指导意义。实验预习内容：实验内容预习包括以下方面：（1）实验目的和要求；（2）实验内容和原理或涉及的知识点；（3）实验仪器与装置；（4）实验方法、步骤、操作过程或设计方案（5）实验注意事项。实验测量与要求：测量硒光电池不同波长入照射下所产生的光电流i（入）；计算出相应波长入所对应的光谱灵敏度S（入），并将所得数据归一化，绘出相应的S（入）-入曲线，并在S（入）-入曲线上标定出该光电器件的灵敏度峰值波长（即S所对应的七值），以及该光电器件所能探测的m波长范围。预习思考与讨论：什么是光电器件?其基本工作原理是什么?几种常用光电器件的使用范围及工作电路是怎样的？光电器件的光谱灵敏度S（入）的物理含义是什么?测定它的意义是什么？.使用光电器件时要注意些什么?使用光电池时要特别注意什么?激光全息实验指导书实验目的掌握全息照相的基本原理和实验方法。熟悉全息照相的记录与再现过程。实验内容与要求拍摄菲涅尔全息图，画出所设计的实验光路图。再现全息图，并画出再现原始像和共轭实像的光路图。实验步骤打开激光电源，设计和调整拍摄光路：激光束经短焦距透镜扩束后，其透射光作为照射物体的光（经物体漫反射而成物光），其反射光作为参考光，使二者均照在底片上.整个光路系统应满足以下条件：（1） 物光和参考光的光程应尽可能相等；（2） 物光和参考光与底片法线夹角尽可能小；（3） 漫反射物光与参考光的光强比取1:2--1:5（即被摄物距底片约5cm）。选定曝光时间（15-20秒），调好定时曝光器，关闭曝光快门；关闭照明灯，在全暗情况下将全息干板（底片）装在底片夹上（注意:使感光药膜面面向激光），稳定1-2分钟后进行曝光；曝光过程中要避免任何震动。显影时间1-2分钟，显影结束后在清水中洗一下即可放入定影液，定影在15分钟以上。定影完毕方可打开照明灯，然后将干板水洗2分钟，将其晾干。（注意：显影时间应根据显影液的浓度、环境温度、曝光时间及感光板来确定或调整）全息再现：将拍好的全息图按拍摄时的放置方法置于底片夹上，用与参考光相同的激光束照射全息图，迎着光线观察，就能在物体的原位置上重现物体原始的立体象；用平行光或激光细光束照射全息图，用光屏接收，可观察到物体的共轭实象。注意事项:正确判断出全息干板的感光药膜面，使其对着激光；在曝光的过程中，尽量远离拍摄光路，不要讲话走动或引起震动；显影和定影时应将底片的感光面朝上，药液不能太少。实验完毕，将药液分别倒入桶内，并将药液盘及漏斗清洗干净。思考与讨论：全息照相与普通照相的异同点有哪些？为什么要使物光与参考光的光程尽可能相等？菲涅尔全息图再现像的特点有哪些？如果菲涅尔全息图破碎了为什么其中的碎片之一仍然能再现物体完整的像？试想记录在全息图上的干涉图样（相当于一个复杂的光栅）与正弦衍射光栅的不同之处。He-Ne激光模谱分析与测量实验指导实验目的了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；2掌握激光模式分析与测量的基本方法，标定出激光器的模式频谱图的模式结构TEM；mnq了解共焦球面干涉仪的工作原理、性能及使用方法。实验内容与方法1按图3-1-8的实验装置方框图接好线路，调整He-Ne激光器、共焦球面干涉仪及光电接收器共轴等高，直至在示波器荧光屏上看到激光模式频谱图形。2用已知腔长的激光器标定干涉仪的自由光谱区△七.：采用输出为基横模的He-Ne激光器，腔长L=25cm（即△%为给出），测出相邻两纵模的频率间隔△%所对应的间距景、自由光谱区△以所对应的间距、（即相邻两个干涉序中对应的同一纵模的间距），根据“横向坐标正比于频率变化”关系，计算出△%.的实验值（原始数据要求测2—3次）。并根据实验室给出的标准值△%#=2667MHz，计算出相对误差，并分析误差原因。3用扫描干涉仪分析未知腔长激光器的模式：给定\vSR=2667MHz，通过分析该激光器那些谱线属于同一个干涉序，那些是基横模，那些是高阶横模，测量出相邻两个干涉序中对应的同一纵模的间距 最酥、相邻两基横模的间距Ax和相邻两横模间距Axmn，从而计算出里勺和相邻两横模频率间隔Avmn（原始数据要求测2—3次）二 '4最后，分别画出两支激光器用TEMmnq表示的模式结构图。（提示：由示波器的横向坐标正比于频率的关系可知： ）【注意事项】1激光器工作时电极两端为高压，在调节激光器时，切勿接触到电极，以防触电。2旋转偏置电压时一定要缓慢、平稳，以免造成扫描干涉仪的损坏。思考与讨论：1观察示波器显示屏上的激光模式频谱图，分析造成频谱图不稳定的物理因素，并根据模式频谱图的移动方向和物理原因，来判断干涉仪的扫描频谱中频率增加的方向在示波器的横向坐标左方还是右方？2实验中所测数据的误差来源有哪些？本实验中仪器的精度如何？光速测定实验指导实验目的掌握光拍频法测量光速的原理和方法，加深对拍频波的形成条件与特点的认识。了解拍频波和驻波各自不同的形成条件与特点，并对声光效应和压电效应有所认识。实验内容与方法接通激光电源，使激光器工作电流为5mA。接通15伏直流稳压电源，预热一定时间后，调节高频信号源的频率为声光频移器的工作频率（即满足声驻波条件，调节时一定要缓慢），使衍射光最强。调整光路，使零级衍射光通过圆孔光阑，依次调节各全反镜和半反镜的调整架，使近程和远程的所有光束在同一水平面内反射、传播，直至近程光和远程光分别垂直照射到光电接收器的光敏面上，在示波器显示屏上出现相应的光拍频波形（此时再微调高频信号源，使拍频波的振幅最大），高频信号源的频率F由频率计数器测出。调节斩光器的转速，借助示波管的余辉在屏上同时看到近程光和远程光的两个拍频波形，并使其波形的振幅相等（若振幅不相等，可微调最后一个半反镜的倾角或光电接收器的位置）。移动可动正交反射镜的位置以改变远程光的光程（即改变远近两光束的光程差），当二光拍信号同相（二波形重合）时，两路光的光程差AL等于拍频波长A（从不同方向移动“可动镜”的位置，要求测量2次或4次）。计算光速，并与公认值c=m/s相比较，并算出相对误差，进行误差分析。【注意事项】激光器的电极两端为高压，切忌触摸激光器的电极，以保证安全。切忌用手指或其它污秽、粗糙物（如测量时用的钢卷尺或导线头）接触光学元件的光学面。当斩光器转动时，切忌触摸；避免斩光器长时间工作而烧坏小电机。思考与讨论：.分析本实验的误差来源，并讨论怎样提高本实验的精度。.在测量拍频波长八时，移动“可动镜”寻找两光拍频波同相位的位置（即二波形重合），为什么要求从不同方向移动〃可动镜”并测量多次，试分析这里可能产生什么误差？属于偶然误差还是系统误差？应采取什么措施和方法来减少这种误差？

3.比较拍频波和驻波的形成条件与特点有何异同点？光电器件光谱灵敏度的测定实验目的：掌握光电器件光谱灵敏度的基本原理及测量方法，了解其探测范围和灵敏度峰值波长。实验原理:光电器件受光照后产生的光电效应不同，可分为三类：应用外光电效应而制成的器件有光电倍增管；应用内光电效应（光电导效应）而制成的器件有各种光导管（光敏电阻）；应用光生伏特效应（阻挡层光电效应）制成的器件有光电池（硅光电池、硒光电池）、光敏二极管、光敏三极管。光电器件所产生的光电流不仅与被照表面吸收的光通量有关，还与照射光的波长有关。在正常条件下，对于同一波长的光，光电器件所产生的光电流（或电压）与被照表面吸收的光通量成正比；但它对不同波长的光的响应不同。如果不考虑照射光的波长，则单位辐射通量引起的光电流的大小称为响应率或积分灵敏度，简称灵敏度。如果只对单色光而言，其响应灵敏度则叫做光谱灵敏度。对某一单色光，当被测光电器件表面所吸收的光通量为①（人），该器件由此而产生的光电流为i（人），i（人）与照射到该器件表面上的光通量①（人）成正比，其比值即为光谱灵敏度，用s（s（人）来表示:o（X）血）s（"w），由此可见，光谱灵敏度s（九）是随波长变化的函数。换言之，光谱灵敏度s（人）是光电器件接收单位单色辐射功率所产生的光电流，它反映了光电器件对单色光的光电转换能力的大小，即光谱响应的大小，因而光谱灵敏度又被称为“光谱响应率”，s（人）〜人曲线被称为光谱灵敏度分布曲线，或叫做“光谱响应曲线”。光谱灵敏度s（人）是波长的函数，而且①（九）和i（）也是波长的函数。各种光电器件的光谱灵敏度分布情况与它们所采用的材料有关，即各种光电器件的光谱灵敏度的分布有所不同。通常定义当光谱灵敏度s（人）的数值下降至灵敏度最大值sm的n时所对应的波长，为光电器件的探测极限波长，sm所对应的波长值为光电器件的峰值波长。因此测定出光电器件光谱灵敏度的分布曲线，就可确定其器件探测光波的工作范围。实验内容与要求：1.测定硒光电池的光谱灵敏度的分布曲线S（入）-入，确定该光电器件所能探测的波长范围AX=X2-X1，及其灵敏度峰值波长人m。实验预习内容：实验预习包括以下方面：（1）实验目的和要求；（2）实验内容和原理或涉及的知识点；（3）实验仪器与装置；（4）实验方法、步骤、操作过程或设计方案（5）实验注意事项。He-Ne基模激光器的光束特性与发散角的测量实验指导书实验目的进一步了解基模激光器，掌握其光束传播特性和横向光强分布特点；掌握逐点法测量光束横向光强的分布，以及如何确定光束光斑的尺寸；测量激光器的远场发散角，对其激光发散角有一个定量的了解。实验内容与要求1•调节光路：使激光束垂直照射到光接收器的平面上，取光束传播距离z大于7z；r.测量光束的光强/的分布：首先观察光强I的变化范围，选择检流计合适的量程档，使其最大电流达到满刻度的2/3以上；然后进行精确测量（注意：一定要使小孔扫描沿着通过光斑直径的方向进行），记录I与位置x的数据，要求每隔0.5mm测一个点，并在光强i的峰值附近可间隔小一些；.测量激光的传播距离z（z=0在激光器输出端的平面反射镜的位置）；.绘出i〜r曲线（令光强I最大时，r=0），由1〜，曲线按定义确定其光斑的大小①（z）；计算所测激光器的远场发散角；6.利用I和r的数据，绘出lnI〜r2关系线，以此验证该激光束为高斯函数分布。【注意事项】1.检流计一般用最大量程X0.01档;若电流太大，可采用“检流计量程改装”线路，或直接用并联电阻的方法进行分流，但注意的是，测量过程中检流计不能换档。2测量光强I与位置x时，应使入射光方向与光电接收器移动的方向垂直，并注意使测量点通过光斑中心；测量时，光电接收器应沿同一方向移动，中途不得倒转，以免产生回程差，且旋转时要缓慢、平稳，避因震动影响检流计的示数。3若移动检流计，应先关闭检流计的仪器开关旋钮，或置于“短路”档，否则易损坏仪器。4接通激光器时，应注意区分激光器的正、负极，切勿接反；激光器工作时电极两端为高压，在实验调试时切勿接触激光器的电极，以保证安全。关闭激光器时，应先关闭激光电源，然后小心取下电极使之短路放电。另外勿用眼直接看激光或经全反镜反射的激光直射到眼睛。思考与讨论：

1.绘/“曲线时，为什么在光强1最大时令r=0，由—曲线如何确定其光斑o(z)的大小；2-利用绘出的lnl〜r2关系线，为什么说能验证激光束为高斯光束？3.为什么必须要求测量光斑的直径上的光强，而不只是测量光斑的半径上的光强？在光斑的中心附近减小测量间隔是为什么？He-Ne基模激光器的光束特性与发散角的测量实验原理激光束的发散角是激光的重要参数之一。它反映激光远距离传输时的发散特性，是评估激光仪器的品质和激光的传输质量的重要参数。随着激光技术日益广泛的应用，国民经济的许多领域，如激光通讯、激光雷达、激光测距和空间光通信等都要求激光束的远场发散角小，特别是精确制导武器和卫星导航等，对光源提出了更为严格的要求。(—)高斯光束的电矢量EG,y,EG,y,z)=Kexp——Iexp[-jw |_w2板)\7 r2|zk[Z+M七[r刀(1)其中w0为基模高斯光束的腰斑半径；R(z)为与传播轴线z相交于(0,0,z)点的高斯光束等相位面的曲率半径；w(z)是(0,0,z)点的电矢量振幅为中心最大值的%时离中心的距离，称为z点的光斑尺寸，e又叫光斑半径或有效截面半径(简称光腰)。式(1)中参数w(z)，R(z)分别为R(z)=z— (3)式中zr=兀W2X，是高斯光束的准直距离，是指从点(0,0,0)U(0,0,z)这段距离内可近似看成平行光(因为这段范围内的发散角很小)。w0是高斯光束的一个特征参量，由激光器的输出波长和腔的结构决定。对于共焦腔(两个反射镜的曲率半径R与腔长L相等)，w0=GL咨。对于广泛使用%=R，R2*的平凹腔，其光束的腰斑半径不仅与激光器的输出波长和腔长有关，还与腔镜的曲率半径有关，有w0=LL(R—L，兀2】4（二）高斯光束光强分布由公式（1）可得基模激光束波阵面上的光强分布（5）其中10是z处的波阵面上的光斑中心（0,0,z）点的光强，为该波阵面上的光强最大值。对于一个确定的与传播轴线（即腔轴）相交于z点的波阵面，z、w（z）和I的值都是确定的，但波面上的光强是不均匀0的，它随着离开腔轴的距离r=\.・X2+y2的增大按高斯指数而衰减，如图1（b）所示。而且是以腔轴为中心在半径为r的圆上的各点光强均相同，所以基模激光束波阵面上的光强对于轴心是对称分布的，其强度集中在轴线及其附近。由于光斑半径w（z）远小于该处波阵面的曲率半径R。），故激光束的横截面与其波阵面基本重合，因此通常所说激光束横截面上光强分布即是指波阵面上的光强分布。在实验中，就是通过测量光束横截面上的光强分布来反应其波阵面的光强分布。（三）高斯光束的远程发散角公式（2）可改写为以下的形式w2（z）z21 ———=1w2 z20 r（6）即光斑半径的轨迹是一组双曲线，如图1（a）所示。在光腰处，光斑尺寸w0最小，随z的增大，光斑尺寸w（z）按双曲线规律向外扩展，即高斯光束就是以（6）式的双曲线绕z轴旋转所构成的回转双曲面(b)(b)(Z\2](Z\2]-1'220=2丝=至

dz 冗w0（7）在z=0处，20=0；在z>>丸W0：，4的远场情况下，光束的发散角称为远场发散角，此时有2。=lim20(乙)=2——… 兀①0可见2"••兀w°是个定值，它称为激光束的远程发散角（或称远场发散角，又直接称为激光的发散角）。显然，高斯光束的远程发散角正是双曲线的渐近线的夹角，如图1（a）所示。不难证明，当z^7七时，2+>99。,，2。（3）一9/。(9)即在实验中，只要取z大于7z,，即可认为测得的发散角是远程发散角。（四）高斯光束的等相面高斯光束的相移特性由（1）式中的相位因子决定，位相因子用中表示(10)它描述高斯光束在点（x,y,z）处相对于原点（0,0,0）处的相位移滞后。其中kz描述几何相移，arctg（z[z）描述高斯光束在空间行进距离z时相对几何相移的附加相位超前，因子kr2/2R表示与横向坐标（x,y）有关的相移，它表明高斯光束的等相面是以R。为半径的球面，R（z）由（3）式给出。由（3）式可见，等相面的曲率半径R（z）随着z的变化而取不同的值，并且不同位置的等相面的曲率中心也不同，一般不在原点。但在几种特殊位置时的情况有：当z=0时，R（z）T8，表明光腰所在处的等相面为平面。当z=±8时，|R（z）Q|z|—3，表明离光腰无限远处的等相面亦为平面，而且曲率中心就在光腰处。因此，z足够大时，等相面的曲率中心向原点趋近，这就意味着《足够大时高斯光束可以近似看成曲率中心在原点的“球面波”，但值得注意的它是不同于“点光源发射的均匀球面波”，因为高斯光束等相面上的光强分布为非均匀的高斯分布。综上所述，激光器输出的基模是在共轴稳定谐振腔中产生的一种特殊的高斯光束，在其轴线附近可近似看作是一种非均匀的球面波，等相面的曲率中心随着传输过程而不断改变（因此又称高斯光束为变心球面波），但等相面上的振幅（或光强）始终保持高斯分布的特性。实验仪器与装置基模He-Ne激光器、可读数滑轨、光电接收器、检流计或微电流测试仪、小孔光屏、可调平面反射境、米尺。高斯光束于发散角测量的装置如图2,将带有小孔光栏的光屏置于迈克尔逊干涉仪的滑轨上，转动丝杆接收屏可左右移动，接收屏上小孔后面紧贴一个光电器件（硅光电池）。激光束经反射锄反射后垂直投射到接收屏上，硅光电池把接收到的光