近代物理實驗報告第三次

1、第三次近代物理實驗 PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系研究 全息光學(xué) 邁克爾遜干涉儀 PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系研究1、 實驗?zāi)康?.了解PN結(jié)正向壓降與正向電流的基本關(guān)系，測定PN結(jié)特性曲線及玻爾茲曼常數(shù)。2.測繪PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的關(guān)系曲線，確定其靈敏度及PN結(jié)材料的禁帶寬度。3.學(xué)會用PN結(jié)測量溫度的一般方法。2、 實驗原理 1.半導(dǎo)體物理學(xué)中有PN結(jié)正向電流與正向電壓滿足如下關(guān)系： E為電子電荷，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。為反向飽和電流，是一個與PN結(jié)材料禁帶寬度和溫度有關(guān)的系數(shù)，不睡電壓變化而變化。在常溫下，于是有： 這就是關(guān)系，如果測得關(guān)系曲線，則可以求出e/kT，測得溫度T后就

2、可以求出玻爾茲曼常數(shù)k。 2.PN結(jié)禁帶寬度的測量 物理學(xué)中有如下結(jié)論，PN結(jié)材料禁帶寬度是絕對零度時PN結(jié)材料的導(dǎo)帶底和價帶頂間的電勢差，二極管反向飽和電流有如下關(guān)系： r是常數(shù)，C是與PN結(jié)面積、摻雜濃度有關(guān)的常數(shù)，取對數(shù)后可得： 其中 式中有非線性項，可以證明當(dāng)溫度變化范圍不大（-50150）時，引起的誤差可以忽略不計。因此在恒流供電條件下，PN結(jié)的正向壓降主要依賴于線性項。 這一結(jié)論僅適用于雜質(zhì)全部電離，本征激發(fā)可以忽略溫度區(qū)間。如果溫度過高或過低，則雜質(zhì)電離因子減少或本征載流子迅速增加，關(guān)系的非線性變化更加嚴(yán)重，這說明特性還與PN結(jié)的材料有關(guān)。為了消去非線性項的影響，可以令管的兩個b

3、e結(jié)在不同的電流下供作，得到如下關(guān)系： 根據(jù)，略去非線性項 可得 ，為攝氏溫標(biāo)與開爾文溫標(biāo)之差，S為正向壓降隨溫度變化靈敏度。3、 實驗結(jié)果 玻爾茲曼常數(shù)k的測量01234561404845005165225245267891011122053053554054554754956230405060708090573581586591595599602 將所得數(shù)據(jù)繪成下圖 再用matlab擬合函數(shù)可以得到如下表達(dá)式： 即： 注意這里的單位取值 對比 可以得到 溫度為26.5， 計算值 標(biāo)準(zhǔn)值 誤差 1.75% 誤差分析：1.讀數(shù)不準(zhǔn)確，儀器示數(shù)跳動 2.擬合時a的誤差較大 禁帶寬度的測量 010

4、2030405021.526.030.635.039.744.06070809010048.452.857.061.565.9將所得數(shù)據(jù)繪圖如下 利用MATLAB擬合結(jié)果如下：即得：將上述結(jié)果結(jié)果代入注意：這里的實際上是負(fù)值，故代入時應(yīng)取 公認(rèn)值 誤差 0.57% 四、思考題 1.是否可以直接測量PN結(jié)二極管的電流電壓關(guān)系來驗證？為什么？答：不可以。因為二極管正向電流中不僅含有擴(kuò)散電流，還有其他成分如耗盡層復(fù) 合電流、表面電流等，導(dǎo)致測量不夠精確。 2.試驗中為何要求測曲線而不是曲線？測和的目的是什 么？答：為常數(shù)時，近似為線性關(guān)系，用做線性擬合更為精確。測 和是為了根據(jù)計算禁帶寬 度。 3.

5、測曲線為什么按得變化讀取T，而不是按T讀??？答：實驗中T變化較快，且不容易控制，誤差較大。邁克爾遜干涉儀1、 實驗?zāi)康?、 了解邁克耳孫干涉儀的結(jié)構(gòu)和原理，掌握調(diào)節(jié)方法；2、 用邁克耳孫干涉儀測量鈉光波長和精細(xì)結(jié)構(gòu)。2、 儀器用具邁克耳孫干涉儀，鈉光燈，透鏡等。3、 實驗原理 邁克爾遜干涉儀原理如圖所示，從光源S發(fā)出的一束光攝在分束板G1上，將光束分為兩部分：一部分從G1半反射膜處反射，射向平面鏡M2；另一部分從G1透射，射向平面鏡M1。因G1和全反射平面鏡M1、M2均成45°角，所以兩束光均垂直射到M1、M2上。從M2反射回來的光，透過半反射膜；從M2反射回來的光，為半反射膜反射。

6、二者匯集成一束光，在F處即可觀察到干涉條紋。光路中另一平行平板G2與G1平行，其材料厚度與G1完全相同，以補(bǔ)償兩束光的光程差，稱為補(bǔ)償板。 在光路中，M1是M1被G1半反射膜反射所形成的虛像，兩束相干光相當(dāng)于從M1和M2反射而來，邁克爾遜干涉儀產(chǎn)生的干涉條紋如同M2和M1之間的空氣膜所產(chǎn)生的干涉條紋一樣。 兩平面平行我們可以得到等傾干涉，兩平面有夾角我們可以得到等厚干涉。若光源是點光源，可以得到非定域干涉。本實驗中光程差可用下式表示： 如果兩面平行，可得等傾干涉，干涉條紋是一組同心圓環(huán)，d增加半個波長則中心“冒出”一個條紋；減少半個波長則“縮進(jìn)”一個條紋。故有： 精細(xì)結(jié)構(gòu)測量： 視見度定義：

7、實驗所用的光源并不是純單色光源，入射光中包含兩種波長和的光波。這時觀察到的條紋就是兩組干涉條紋的疊加。光程差改變時，兩組條紋會錯開。當(dāng)滿足時，視見度最低。從某一次視見度最低的位置開始，到下一次視見度最低的位置。光程差為則有： 由此解出： 四、實驗數(shù)據(jù) 鈉光波長的測量次數(shù)N初讀數(shù)/mm末讀數(shù)/mm/mm/nm/nm15030.7513230.736340.01498599.2596.7210030.7342830.704280.03000600.035030.6946930.679920.01477590.8 標(biāo)準(zhǔn)值 誤差 1.25% 精細(xì)結(jié)構(gòu)測量 誤差 0.83% 聲光效應(yīng)的研究1、 實驗?zāi)康?/p>

8、1、 了解聲光效應(yīng)的原理；2、 測量聲光器件的衍射效率及對光偏轉(zhuǎn)的研究；3、 利用聲光效應(yīng)測量聲波在介質(zhì)中的傳播速度。2、 實驗儀器He-Ne 激光電源，聲光器件，CCD 光強(qiáng)分布儀，高頻功率信號源，示波器，頻率計。三、實驗原理當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時，將引起介質(zhì)的彈性應(yīng)變作時間上和空間上的周期性的變化，并且導(dǎo)致介質(zhì)的折射率也發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)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(yīng)。 光被彈性聲波衍射有兩種類型，頻率較高時產(chǎn)生布拉格衍射，頻率較低市場，產(chǎn)生Raman-Nath衍射。由于光速大約是聲速的倍，在光波通過的時間內(nèi)介質(zhì)在空間上的周期變化可看成是固定的。對于布拉格衍射，入

9、射光滿足布拉格條件 為聲波波長。當(dāng)聲波為行波時，只有+1或-1級衍射光。且衍射效率極高。圖3 布喇格衍射對于布拉格衍射，當(dāng)很小時，衍射光偏轉(zhuǎn)角， 一級衍射效率為 L、H為超聲轉(zhuǎn)換器的長和寬，M2是反映聲光介質(zhì)本身性質(zhì)的常數(shù)。 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，記為。對于其他頻率的超聲波其衍射效率將降低。規(guī)定衍射效率（或衍射光的相對光強(qiáng)）下降3db（即衍射效率降到最大值的1/時），兩頻率間的間隔為聲光器件的帶寬。 四、實驗數(shù)據(jù)光強(qiáng)與頻率 I=100mA頻率81.096083.018585.003687.015689.021791.024893.1206光強(qiáng)3.3

10、23.714.034.334.544.634.65頻率95.122697.028099.0232101.1284103.0218105.1021光強(qiáng)4.544.374.113.763.363.91將數(shù)據(jù)整理得到下圖 圖中紅色曲線是用擬合后的結(jié)果?？梢钥吹綄嶒灁?shù)據(jù)較好的符合 關(guān)系。 其中心頻率大約為93.0728MHz，帶寬大約為105.1023-81.0960=24.0063MHz超聲波頻率和偏轉(zhuǎn)角頻率80.065282.039587.112592.011897.0824偏轉(zhuǎn)角6.26.36.57.07.3頻率102.0148107.0020112.0668117.0324122.0018偏轉(zhuǎn)

11、角7.57.88.18.69.2將數(shù)據(jù)整理得到：可以看到，偏轉(zhuǎn)角大致呈線性變化。 零級、一級衍射光強(qiáng)與功率4050607080901004.183.663.082.622.181.821.411.041.392.002.623.223.804.18將數(shù)據(jù)整理 藍(lán)色代表，綠色代表 可以看到，隨著功率逐漸增大，零級衍射光強(qiáng)不斷減小，一級衍射光強(qiáng)不斷增加，最后一級衍射大于零級衍射。液體中超聲波聲速的測定一、 實驗?zāi)康模?）學(xué)習(xí)聲光學(xué)實驗的設(shè)計思想及其基本的觀測方法。（2）測定超聲波在液體中的傳播速度。（3）了解超聲波的產(chǎn)生方法。二、 儀器用具分光計，超聲光柵盒，高頻振蕩器，數(shù)字頻率計，納米燈。三、

12、實驗原理 將某些材料（如石英、鈮酸鋰或鋯鈦酸鉛陶瓷等）的晶體沿一定方向切成晶片，在其表面上加以交流電壓，在交變電場作用下，晶片會產(chǎn)生與外加電壓頻率相同的機(jī)械振動，這種特性稱為晶體的反壓電效應(yīng)。把具有反壓電效應(yīng)的晶片置于液體介質(zhì)中，當(dāng)晶片上加的交變電壓頻率等于晶片的固有頻率時，晶片的振動會向周圍介質(zhì)傳播出去，就得到了最強(qiáng)的超聲波。超聲波在液體介質(zhì)中以縱波的形式傳播，其聲壓使液體分子呈現(xiàn)疏密相同的周期性分布，形成所謂疏密波， 如圖1a)所示。由于折射率與密度有關(guān)，因此液體的折射率也呈周性變化。若用N0表示介質(zhì)的平均折射率，t時刻折射率的空間分布為式中N是折射率的變化幅度；s是超聲波的波角頻率；Ks

13、是超聲波的波數(shù)，它與超聲波波長s的關(guān)系為Ks=2/s。圖1b是某一時刻折射率的分布，這種分布狀態(tài)將隨時以超聲波的速度vs向前推進(jìn)。 如果在超聲波前進(jìn)的方向上垂直放置一表面光滑的金屬反射器，那么，到達(dá)反射器表面的超聲波將被反射而沿反向傳播。適當(dāng)調(diào)節(jié)反射器與波源之間的距離則可獲得一共振駐波（縱駐波）。設(shè)前進(jìn)波與反射波分別沿y軸正方向傳播，它們的表達(dá)式為 其合成波為此式就是駐波的表達(dá)式。其中表示合成以后液體媒質(zhì)中各點都在各自的平衡位置附近作同周期的簡諧振動，但各點的振動為，即振幅與位置y有關(guān)，振幅最大發(fā)生在處，對應(yīng)的（n=0，1，2，3）這些點稱為駐波的波幅，波幅處的振幅為2A，相鄰波幅間距離為。振

14、幅最小發(fā)生在處，其中，這些點稱為波節(jié)，如圖2中a、b、c、d為節(jié)點，相鄰波節(jié)間的距離也為?？梢姡v波的波腹與波節(jié)的位置是固定的，不隨時間變化。對于駐波的任意一點a，在某一時刻t=0時，它兩邊的質(zhì)點都涌向節(jié)點，使節(jié)點附近成為質(zhì)點密集區(qū)；半周期后，節(jié)點兩邊的質(zhì)點又向左右散開，使波節(jié)附近成為稀疏區(qū)。在同一時刻，相鄰波節(jié)附近質(zhì)點密集和稀疏情況正好相反。與此同時，隨著液體密度的周期變化，其折射率也呈周期變化，密度相等處其折射率也相等，這時折射率的空間分布為從式中可以看出，液體中各點的折射率是按正弦規(guī)律分布的，當(dāng)光從垂直于超聲波的傳播方向透過超聲場后，會產(chǎn)生衍射，這一現(xiàn)象如同光柵衍射，所以超聲波作用的這一

15、部分介質(zhì)可看成是一等效光柵，稱為超聲光柵。光柵常數(shù)為兩個相鄰等密度處的距離，即超聲波的波長s。按照超聲頻率的高低和受聲光作用超聲場長度的不同，聲光作用可分為兩種類型：喇曼-奈斯衍射和布喇格衍射。本實驗采用喇曼-奈斯衍射，如圖3所示。平行光垂直入射光柵時，將產(chǎn)生多級衍射光，且各級衍射極大（即衍射光強(qiáng)度為最大的位置）對稱地分布在零級極大位置的兩側(cè)。設(shè)第k級衍射極大對應(yīng)的衍射角為k，則有式中為光波波長。超聲波在介質(zhì)中傳播的速度為超聲光柵實驗的原理如圖4所示。在超聲光柵盒中的壓電晶體兩端加高頻電壓，壓電晶體在交變電場作用下發(fā)生周期性的壓縮伸長，即產(chǎn)生機(jī)械振動。當(dāng)外加交變電場頻率達(dá)到壓電晶體的固有頻率時

16、，晶體會發(fā)生共振現(xiàn)象，這時機(jī)械振動的振幅達(dá)到最大值。超聲波從晶體表面發(fā)射經(jīng)過待測介質(zhì)（如水）后在超聲盒的反射器反射，適當(dāng)調(diào)節(jié)壓電晶體與反射器之間的距離，在液體中發(fā)射波與反射波疊加形成駐波，構(gòu)成超聲光柵。4、 數(shù)據(jù)記錄衍射條紋的衍射角測量 m左游標(biāo)藍(lán)2203°18203°580°2010.131514.8720.40綠2203°12204°030°25.51570.5335.26橙1203°52203°230°14.51503.4632.81藍(lán)1203°45203°250°10

17、1514.8620.41右游標(biāo)藍(lán)223°1723°580°20.51477.9257.35綠223°1224°020°251601.9466.67橙123°53 23°220°14.51503.4731.80藍(lán)123°4523°260°9.51594.6059.33液體溫度（）32.2°C=1535.2740.50實驗值=1535.27m/s 經(jīng)驗值 =1514.19m/s 誤差 1.39%光學(xué)全息照相一、 實驗?zāi)康?. 了解光學(xué)全息照相的基本原理和主要特點；2.

18、學(xué)習(xí)靜態(tài)光學(xué)全息照相的實驗技術(shù)；3. 觀察和分析全息全圖的成像特性。二、 儀器用具全息臺、HeNe激光器及電源、分束鏡、全反射鏡、擴(kuò)束透鏡、曝光定時器、全息感光底版等。三、 基本原理1、 全息照片的拍攝全息照相是利用光的干涉原理將光波的振幅和相位信息同時記錄在感光板上的過程.相干光波可以是平面波也可以是球面波，現(xiàn)以平面波為例說明全息照片拍攝的原理。如圖1所示，一列波函數(shù)為、振幅為a、頻率為、波長為的平面單色光波作為參考光垂直入射到感光板上。另一列同頻率、波函數(shù)為的相干平面單色光波從物體出發(fā)，稱為物光，以入射角同時入射到感光板上，物光與參考光產(chǎn)生干涉，在感光板上形成的光強(qiáng)分布為 (1)由此可見，

19、在感光板上形成了明暗相間的干涉條紋。條紋的間距為 (2）可見，在感光底板上的光強(qiáng)分布和干涉條紋間距都受光波的振幅和相位所調(diào)制。 在實際情況中，物光是來自于物體上的漫反射光，其波陣面很復(fù)雜，因此，感光底板上的干涉條紋并不是等間距的平行條紋，而是呈現(xiàn)出非常復(fù)雜的干涉圖樣，只是在極小的范圍內(nèi)可近似看作等間距的平行條紋。 全息照片的拍攝光路如圖2所示。激光束經(jīng)分束鏡后分成兩束，一束光經(jīng)反射鏡M1反射后又經(jīng)L1擴(kuò)束均勻地照在被攝物體上，再從物體表面反射到感光底板上，這束光稱為物光。同時使另一束光通過反射鏡M2反射后又經(jīng)L2擴(kuò)束后直接照在感光底板上，這束光稱為參考光。當(dāng)物光和參考光滿足相干條件時，在感光底

20、板上形成干涉圖樣。由于物光的振幅和相位與物體表面各點的分布和漫反射光的性質(zhì)有關(guān)，所以，干涉圖樣與被攝物體有一一對應(yīng)的關(guān)系，這種把物光波的全部信息都拍攝下來的方法稱為全息照相。2物體的再現(xiàn)由于全息照相在感光底板上形成的是干涉圖樣，所以，觀察全息照片時，必須用與原來參考光完全相同的光束去照射，這束光稱為再現(xiàn)光。物體的再現(xiàn)的光路原理如圖3所示。對于再現(xiàn)光，全息照片相當(dāng)于是一個透過率不同的復(fù)雜“光柵”，而再現(xiàn)過程實際上是干涉圖樣的衍射過程。再現(xiàn)光經(jīng)全息照片衍射后的光強(qiáng)分布為 其中c為常數(shù)?？梢姡佻F(xiàn)光經(jīng)全息照片衍射后沿三個方向衍射，第一項為再現(xiàn)光沿原來方向的光波，相當(dāng)于光柵衍射的零級衍射光波。第二、三

21、項相當(dāng)于光柵衍射的+1、-1級衍射光波。第一項光強(qiáng)沒有變化，不儲存信息，所以沒有使用價值。第二項光波光強(qiáng)與物光的振幅和相位成正比，傳播方向與物光的傳播方向相同，這時如將被攝物體移開，眼睛迎著物光的傳播方向觀察全息照片，就能夠在被攝物體的原處觀察到被攝物體的虛象。第三項光波光強(qiáng)與第二項光波光強(qiáng)共軛。當(dāng)物光為發(fā)散光時，共軛光為會聚光。如果在被攝物體的對稱位置上放一接收屏，可再現(xiàn)被攝物體的實象，此實象與被攝物體共軛，稱贗象。3全息照相的特點 全息照相是利用光的干涉和衍射原理，而普通照相則是利用光的透鏡成象原理。另外，全息照片上的每一點都記錄了整個物體的信息，因此，所以全息照片具有可分割的特點。由于全息照片記錄了物光的全部信息，所以再現(xiàn)出的物體的象是一個與被攝物體完全相同的三維立體象。4、 實驗結(jié)果 根據(jù)圖中數(shù)據(jù)，可算出物光和參考光夾角 5、 思考題1.為什么要求光路中參考光和物光的光程盡量相等？答：因為激光的相干長度只有2厘米，如果光程差太大，則會導(dǎo)致干涉圖樣模糊，甚至沒有干涉圖樣，因此，要求光路中參考光和物光的光程盡量相等。2.為什么光學(xué)元件安置不牢，將導(dǎo)致拍攝失?。看穑汗饴肥芡饨缬绊懞艽?，由于曝光時間為數(shù)秒，單光學(xué)元件