近代光學實驗指導書

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生的光電效應不同，可分為三類：應用外光電效應而制成的器件有光電倍增管；應用內光電效應（光電導效應）而制成的器件有各種光導管（光敏電阻）；應用光生伏特效應（阻擋層光電效應）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。光電器件所產生的光電流不僅與被照表面吸收的光通量有關，還與照射光的波長有關。在正常條件下，對于同一波長的光，光電器件所產生的光電流（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、其響應靈敏度則叫做光譜靈敏度。對某一單色光，當被測光電器件表面所吸收的光通量為，該器件由此而產生的光電流為，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生的光電流，它反映了光電器件對單色光的光電轉換能力的大小，即光譜響應的大小，因而光譜靈敏度又被稱為“光譜響應率”， 曲線被稱為光譜靈敏度分布曲線，或叫做“光譜響應曲線”。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，即各種光電器件的光譜靈敏度的分布有所不同。通常定義當光譜靈敏度的數(shù)值下降至靈敏度最大值的時所對應的波

3、長，為光電器件的探測極限波長，所對應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，這在實際應用中具有重要的指導意義。實驗預習內容：實驗內容預習包括以下方面：（1）實驗目的和要求；（2）實驗內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生的光電流i()； 2計算出相應波長 所對應的光譜靈敏度S()，并將所得數(shù)據(jù)歸一化，繪出相應的S()-曲線，并在S()-曲線上標定出該光電器件的靈敏度峰值波長(即Sm所對應的m

4、值)，以及該光電器件所能探測的波長范圍。預習思考與討論：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?激光全息實驗指導書實驗目的 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。實驗內容與要求 1. 拍攝菲涅爾全息圖，畫出所設計的實驗光路圖。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，設計和調整拍攝光路：激光束經短焦距透鏡擴束后，其透射光作為照射物體的光 (經物體漫

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)應滿足以下條件： (1)物光和參考光的光程應盡可能相等； (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),調好定時曝光器,關閉曝光快門； 3. 關閉照明燈，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，盡量遠離拍攝光路，不要講話走動或引起震動；3. 顯影和定影時應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,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(相當于一個復雜的光柵)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實驗目的1 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，標定出激光器的模式頻譜圖的模式結構TEMmnq；3 了解共焦球面干涉儀的工作原理、性能及使用方法。實驗內容與方法1 按圖3-1-8的實驗裝置方框圖接好線路，調整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所對應的間距xq、自由光譜區(qū)SR所對應的間距xSR(即相鄰兩個干涉序中對應的同一縱模的間距)，根據(jù)“橫向坐標正比于頻率變化”關系，計算出SR的實驗值（原始數(shù)據(jù)要求測2次）。并根據(jù)實驗室給出的標準值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表示的模式結構圖。(提示:由示波器的橫向坐標正比于頻率的關系可知：)【注意事項】1 激光器工作時電極兩端為高壓，在調節(jié)激光器時，切勿接觸到電極，以防觸電。2 旋轉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？光速測定實驗指導實驗目的1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，并對聲光效應和壓電效應有所認識。實驗內容與方法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，預熱一定時間后，調節(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，調節(jié)時一定要緩慢），使衍射光最強。2調整光路,使零級衍射光通過圓孔光闌，依次調節(jié)各全反鏡和半反鏡的調整架，使近程和遠程的所有光束在同一水平面內反射、傳播，直至近程光和遠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)相應的光拍頻

11、波形（此時再微調高頻信號源，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調節(jié)斬光器的轉速，借助示波管的余輝在屏上同時看到近程光和遠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程光的光程（即改變遠近兩光束的光程差），當二光拍信號同相(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導線頭)接觸光學元件的光學面。3當斬光器轉動時，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，試分析這里可能產生什么誤差？屬于偶然誤差還是系統(tǒng)誤差？應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目的：掌握光電器件光譜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、光照后產生的光電效應不同，可分為三類：應用外光電效應而制成的器件有光電倍增管；應用內光電效應（光電導效應）而制成的器件有各種光導管（光敏電阻）；應用光生伏特效應（阻擋層光電效應）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。光電器件所產生的光電流不僅與被照表面吸收的光通量有關，還與照射光的波長有關。在正常條件下，對于同一波長的光，光電器件所產生的光電流（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率或積分靈敏度，簡稱靈敏度。如果只對單色光而言，其響應靈敏度則叫做光譜靈敏度。對某一單色光，

14、當被測光電器件表面所吸收的光通量為，該器件由此而產生的光電流為，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生的光電流，它反映了光電器件對單色光的光電轉換能力的大小，即光譜響應的大小，因而光譜靈敏度又被稱為“光譜響應率”， 曲線被稱為光譜靈敏度分布曲線，或叫做“光譜響應曲線”。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，即各種光電器件的光譜靈敏度的分布有所不同。通常定義當光譜靈敏度的數(shù)值下降至靈敏度最大值的時所對應的波長

15、，為光電器件的探測極限波長，所對應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。實驗預習內容：實驗預習包括以下方面：（1）實驗目的和要求；（2）實驗內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書實驗目的1. 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. 測量激光器的遠場發(fā)散角，對其激光發(fā)散角有一個定量的了解。實驗內容與要求 1.調節(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??；5.計算所測激光器的遠場發(fā)散角；6.

17、利用和的數(shù)據(jù)，繪出 關系線，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，光電接收器應沿同一方向移動，中途不得倒轉，以免產生回程差，且旋轉時要緩慢、平穩(wěn)，避因震動影響檢流計的示數(shù)。 3.若移動檢流計，應先關閉檢流計的儀器開關旋鈕，或置于“短路”檔，否則易損壞儀器。 4.接通激光器時，應注意區(qū)分激光器的正、負極，切勿接反；激光器工作時電極兩端為

18、高壓，在實驗調試時切勿接觸激光器的電極,以保證安全。關閉激光器時，應先關閉激光電源，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?。?.利用繪出的關系線，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。它反映激光遠距離傳輸時的發(fā)散特性，是評估激光儀器的品質和激光的傳輸質量的重要參數(shù)。隨著激光技術日

19、益廣泛的應用，國民經濟的許多領域，如激光通訊、激光雷達、激光測距和空間光通信等都要求激光束的遠場發(fā)散角小，特別是精確制導武器和衛(wèi)星導航等，對光源提出了更為嚴格的要求。（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，是高斯光束的準直距離，是指從點（0,0,0）到(0,0,)這

20、段距離內可近似看成平行光（因為這段范圍內的發(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構決定。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，還與腔鏡的曲率半徑有關，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其波陣面的光強分布。（三）高斯光束的遠程發(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 軸旋轉所構成的回轉雙曲面為界的光束。(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；在的遠場情況下，光束的發(fā)散角稱為遠場發(fā)散角，此時有 (8)可見是個定值，它稱為激光束的遠程發(fā)散角（或稱遠場發(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z7時， （9）即在實驗中，只要取大于7，即可認為測得的發(fā)散角是遠程發(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（x,y）有關的相移，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=0時，表明光腰所在處的等相面為平面。當時，表明離光腰無限遠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、可調平面反射境、米尺。高斯光束于發(fā)散角測量的裝置如圖