高级物理实验报告一

                       ——声光效应

——电子逸出功测定

                            ——光学全息照相

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实验一：声光效应的研究

光通过某一受到超声波扰动的介质时，会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。利用声光效应可以制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器和谐调滤光器等。声光效应还可用于控制激光束的频率、方向和强度等方面。在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要的应用。

一、 实验目的

1． 了解声光效应的原理；

2． 测量声光器件的衍射效率和带宽及对光偏转的研究；

3． 利用声光效应测量声波在介质中的传播速度。

二、 实验仪器

He-Ne激光电源，声光器件，CCD光强分布测量仪，高频功率信号源，示波器，频率

计。

三、实验原理

当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变，这种应变在时间上和空间上是周期性的变化，并且导致介质的折射率也发生相应的变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。有超声波传播的介质如同一个相位光栅。

光被弹性声波衍射有二种类型，当超声波频率较高时，产生布拉格（Bragg）型衍射；当超声波频率较低时，产生喇曼—奈斯（Raman-Nath）型衍射。

Bragg衍射相当于体光栅情况，而Raman-Nath衍射相当于薄光栅情况。两种光栅情况如图1所示。由于光波速度远大于声波速度约10⁵倍，所以在光波通过介质的时间内，介质在空间上的周期变化可看成是固定的。对于Bragg衍射，当声光的距离满足，而且入射光束相对于超声波波面以θ角斜入射时，入射光满足Bragg条件

                   

式中λ为光波的波长，为声波的波长，固体介质的折射率为n。Bragg衍射只存在1级的衍射光。当声波为声行波时，只有+1级或-1级衍射光,如图2所示。当声波为声驻波时，±1级衍射光同时存在，而且衍射效率极高。只要超声功率足够高，Bragg衍射效率可达到100%。所以实用的声光器件一般都采用Bragg衍射。而对于Raman-Nath衍射，满足条件

            

时出现衍射极大。式中m为衍射级数。

Raman-Nath衍射效率低于Bragg衍射效率。其中1级衍射光的衍射效率最大不超过35%，但这种衍射没有Bragg条件的限制，所以对入射角要求不严格，调整方便。

图2   Bragg衍射

对于Bragg衍射，当Bragg角θ很小时，衍射光相对于入射光的偏转角Φ为

                                   （3）

式中v_s 为超声波的波速，f_s  为超声波的频率。在Bragg衍射下，一级衍射的光衍射效率为               （4）

式中P_s 为超声波的功率，L和H为超声换能器的长和宽，M₂ 为反映声光介质本身性质的一

常数，，ρ为介质密度，P为光弹系数。

    以上讨论的是超声行波衍射的情况，实际上，介质中也可能出现超声驻波衍射的情况。

超声驻波对光的衍射也产生Raman-Nath衍射和Bragg衍射，而且各衍射光的方向的方位角

和超声波的频率的关系与超声行波的情况相同。

    由（3）式和（4）式可以看出，采用Bragg衍射，通过改变超声波的频率和功率，可分

别实现对激光束方向的控制和强度的调制。

1．     声光器件

本实验采用的声光器件中的声光介质为钼酸铅，吸声材料的作用是吸收通过介质传播到端面的超声波以建立超声行波。压电换能器又称超声发生器，是由铌酸锂压电晶体制成。它的作用是将高频功率信号源的电功率转换成声功率，并在声光介质中建立超声场。

声光器件有一个衍射效率最大的工作频率，此频率称为声光器件的中心频率f_co，对于其他频率的超声波，其衍射效率将降低。一般认为衍射效率（或衍射光的相对光强）下降3dB ( 即衍射效率降到最大值的 ) 时两频率间的间隔为声光器件的带宽。

2． 高频功率信号源

S02000功率信号源的频率范围为80-120MHz，最大输出功率1W。面板上的毫安表读数

可作功率指示用，读数值×10等于毫瓦数。

3． CCD光强分布测量仪

LM601 CCD光强分布测量仪是一个线阵CCD器件，它可在同一时刻显示、测量各级衍

射光的相对光强分布，不受光源强度跳变、漂移的影响。对于衍射角度的测量有很高的精度。

四、实验内容

1． 观察超声衍射现象

按图3布置光路，调整激光器使光束经光阑后通过声光器件，观察Raman-Nath衍射和Bragg衍射，比较两种衍射的实验条件和特点。

2． 测量介质中超声的声速

在Bragg衍射下，测量衍射光相对于入射光的偏转角Φ与超声波频率（即电信号频

率）f_s的关系曲线，并计算声速v_s。（注：由于实验采用的声光器件性能不够完善，Bragg   

衍射不是理想的，可能会出现高级次衍射光等现象。所以，在调节Bragg衍射时使1     

级衍射光最强即可。）

3． 测量声光器件的带宽和中心频率

在Bragg衍射下，固定超声波功率，测量衍射光相对于零级衍射光相对强度与超声波频率的关系曲线，并定出声光器件的带宽和中心频率。

将超声波频率固定在中心频率上，测出衍射光强与超声波功率的关系曲线。

五：实验数据记录及处理

1.  在布喇格衍射下，固定超声波功率，测量衍射光相对于0级衍射光的相对强度与超声波的频率，作出其关系曲线图，并确定声光器件的中心频率及带宽。

数据记录如下：

绘制出关系曲线图如下：

 

 

从而确定出声光器件的中心频率=    100.4MHz  (仪器铭牌给出参考值为=    100.0MHz)           

 带宽（衍射效率降到最大值的时）=[(100.4-90.2)+(109.8-100.4)]/2=9.8MHz

3.  在布喇格衍射下，将功率信号源的超声波频率固定在声光器件的中心频率上，记录衍射0级光光强（I₀）和1级光光强度（I₁）以及超声波功率（）,并作出其其相对声光调制曲线（近似地用功率信号源的板流标征）。

     数据记录如下：

绘制出关系曲线图如下：

 

实验二: 电子逸出功测定

【实验目的】

1、了解热电子发射规律。

2、掌握逸出功的测量方法。

3、学习一种数据处理方法。

【实验原理】

若真空二极管的阴极(用被测金属钨做成)通以电流加热，并在阳极上加正电压，则在连结两个电极的外电路中就有电流通过，如图1-4-1所示。这种电子从加热金属中发射出来的现象，称热电子发射。研究热电子发射的目的之一，就是要选择合适的阴极材料。逸出功是金属的电子发射的基本物理量。

1、 电子的逸出功

根据固体物理学中金属电子理论，金属中传导电子的能量分布按费米-狄拉克(Fermi-Dirac)分布，即：

                  (1-4-1)

式中W_F称费米能级。

在绝对零度时，电子的能量分布如图1-4-2中的曲线(1)所示。此时电子所具有的最大动能为W_F。当温度升高时，电子的能量分布如图1-4-2中的曲线(2)所示。其中少数电子具有比W_F高的能量，并以指数规律衰减。

由于金属表面与外界(真空)之间存在势垒W_b，如图1-4-3。电子要从金属逸出，必须至少有能量W_b。从图1-4-3可看出，在绝对零度时，电子逸出金属表面，至少需要得到能量

W₀＝W_b一W_F＝eφ                         （1-4-2）

W₀(eφ)称为金属电子的逸出功，常用单位为电子伏特(eV)。它表征要使处于绝对零度下的具有最大能量的电子逸出金属表面所需给予的能量。为电子电荷，φ称逸出电位。

可见，热电子发射，就是利用提高阴极温度的办法，改变电子的能量分布，使其中一部分电子的能量大于W_b，从金属中发射出来。因此逸出功的大小，对热电子发射的强弱具有决定性的作用。

2、热电子发射公式

    根据费米-狄拉克能量分布公式(1-4-1)，可以推导出热电子发射公式，称里查逊-杜什曼(Richardson-Dushman)公式。

                              (1-4-3)

式中：I₀-热电子发射的电流强度(A)

S-阴极金属的有效发射面积(cm²)

k-玻尔兹曼常数

T-绝对温度

eφ-金属的逸出功

A-与阴极化学纯度有关的系数

原则上，只要测出I₀，A，S，T，便可由(1-4-3)式计算出逸出功eφ，但困难的是A和S是难以直接测量的，所以，在实际测量中，常用下述的里查逊直线法确定eφ，以设法避开A和S的测量。

    3、里查逊直线法

    将(1-4-3)式两边除以T²，再取对数，得到

              (1-4-4)

从(1-4-4)式可以看出，与成线性关系。如果以为纵坐标轴，为横坐标轴作图，从得到的直线斜率即可求出电子的逸出功eφ值。A和S的影响只是使—直线平移。

4、发射电流I₀的测量

(1-4-3)式中的I₀是不存在外电场时的阴极热发射电流。无外场时，电子不断地从阴极发射出来，在飞向阳极的途中，必然形成空间电荷，空间电荷在阴极附近形成的电场，正好阻止热电子的发射，这就严重地影响发射电流的测量。为了消除空间电荷的影响，在阳极加一正电压，于是阳极和阴极之间形成一加速电场E_a，使电子加速飞向阳极。然而由于E_a的存在，使阴极发射电子得到助力，发射电流较无电场时大。这一现象称肖特基(Schottky)效应。

根据二极管理论，可以证明，在加速电场E_a的作用下，阴极发射的电流为

                           (1-4-5)

式中I_a和I₀分别是加速电场为E_a和零时的阴极发射电流。对(1-4-5)式取对数，则

                       (1-4-6)

    考虑到阴极和阳极共轴，且是园柱形，并忽略接触电势差和其它影响，则加速电场可表示为

                             (1-4-7)

式中r₁和r₂分别为阴极和阳极的半径；U_a为阳极电压。将(1-4-7)式代入(1-4-6)式，得到

                         (1-4-8)

由(1-4-8)式可见，温度T一定时，1g I_a与成线性关系。如图1-4-4所示。此直线的截距为1gI₀。由此便得到温度为T，电场为零时的发射电流I₀。

5、温度T的测量

由(1-4-3)式可知，阴极发射电流与T有关，指数项中含有T，对发射电流的影响很大。温度测量误差对结果影响很大。测量阴极温度的方法虽然不少，但精度都不高。本实验是以测量加热电流的方法来确定温度。给阴极通以电流I_f，在产生热量的同时，阴极还辐射热量。在发热功率和辐射功率达到平衡时，阴极达到一定的温度。电流I_f与温度T有一定函数关系。有人已对纯钨丝的比加热电流作过精确的测量。比加热电流为，其中为长为1cm，直径为1cm的阴极(称单位阴极)在一定温度下辐射的功率；为单位阴极的电阻；表示把单位阴极加热到一定温度所需的电流，单位为A/cm。对于直径为D的阴极，在一定温度下，加热电流为。对于我们所用的真空二极管，其加热电流与温度的关系已测定，见表1-4-1。

表1-4-1标准二极管的加热电流与温度的关系

综上所述，要测定某金属材料的逸出功，应首先将其做成二极管阴极，然后测定加热电流I_f，查得对应的温度T，再测得阳极电压U_a和发射电流I₀的关系，通过数据处理，得到I₀，最后用里查逊直线法求得逸出功。

【实验装置】

实验装置（WF—1型）如图1-4-5所示，包括标准二极管，灯丝加热电源，电流表，高压电源，检流计（微安表）和分流器等。

1、标准二极管

    本实验所用的是一个特殊设计的直热式真空二极管，阴极用纯钨做成，阳极是与阴极共轴的园筒。为消除阴极的冷端效应和电场不均匀的边缘效应，在阳极两端各装一个保护环。工作时，保护环与阳极等电势，但其电流不被测量。

2、灯丝电源是连续可调的低压稳定电源，供给二极管阴极加热电流I_f，高压稳压电源，经分压器分压，提供阳极电压U_a。

3、微安表(G)用来测量阴极发射电流I_a。

4、分流器：由于测量中I_a的变化范围较大，在微安表上并联一个分流器，用来扩大量程。分流器的刻度为1，0.5，0.1，0.05，……等，表示流过微安表的电流为总电流的若干分之一，而被测的总电流为微安表示值的1／0.5，1／0.1，……倍。

【实验内容】

1、按图1-4-5接好线路，经检查无误后，接通电源予热10分钟。

2、取不同的灯丝电流I_f (即对应于不同的温度T)，从0.50A开始，每隔0.05A测一次。对每一电流I_f，测阳极电压为20，30，40，……，120伏时的电流I_a。

注意，I_f不能超过0.80A，以延长二极管寿命。每改变一次电流值，要恒温5发钟，使阴极达到热平衡。

3、用单对数坐标纸作lgI_a－直线，求出截距1g I₀，即求出不同电流I_f下的I₀，查出对应的温度T。

4、作－直线。求直线的斜率Δ()/Δ()。计算钨的逸出功eφ。

5、与公认值时e=4.54eV比较，作误差分析。

【数据处理】

由图可知：0.60V时logI₀=-4.474; 0.62V时logI₀=-4.262; 0.64V时logI₀=-4.055; 0.66V时logI₀=- 3.855;

0.68V时logI₀=- 3.660; 0.70V时logI₀=-- 3.479; 0.72V时logI₀=- 3.307;

根据表中数据作图如上：直线斜率：m=-21987

逸出电势：Φ==4.36  eV

逸出功：eV=4.36  eV

与逸出功公认值4.54eV比较，误差Er=3.96% 

斜率：K=155.6；

阳极内半径a=3.9*10^-3;线圈长度：l=1.47*10^-2;;线圈数：N=990匝；线圈内半径：r₁=0.021m;线圈外半径：r₂=0.028m;真空磁导率：4μ

荷质比e/m=1.7588*10¹¹（c/Kg）

K’=0.0197;K=*K’;

K=155.6;

所以e/m=2.108*10¹¹；

             实验三：光学全息照相

【实验目的】 

1    了解全息照相的基本原理；

2.    学习全息照相的实验技术，拍摄合格的全息图；

3.    了解摄影暗室技术。

【实验仪器】

   JQX－1型激光全息实验台，He-Ne激光器，光开关及DBD－I电脑多功能曝光定时器，分束镜一个，扩束镜两个，全反射镜两个，被摄物体（如：小鸡，小鸭等）及放置物体的底座，全息干版及底架，暗室技术使用的设备。

【实验光路图】

【实验原理】

全息照相的基本原理早在1948年就由伽伯（D.Gabor）发现，但是由于受光源的限制（全息照相要求光源有很好的时间相干性和空间相干性），在激光出现以前，对全息技术的研究进展缓慢，在60年代激光出现以后，全息技术得到了迅速的发展。目前，全息技术在干涉计量、信息存储、光学滤波以及光学模拟计算等方面得到了越来越广泛的应用。伽伯也因此而获得了1971年度的诺贝尔物理学奖。

一、全息照相与全息照相术

在介绍全息照相的基本原理之前，我们首先来看一下全息照相和普通照相有什么区别。总的来说，全息照相和普通照相的原理完全不同。普通照相通常是通过照相机物镜成像，在感光底片平面上将物体发出的或它散射的光波（通常称为物光）的强度分布（即振幅分布）记录下来，由于底片上的感光物质只对光的强度有响应，对相位分布不起作用，所以在照相过程中把光波的位相分布这个重要的信息丢失了。因而，在所得到的照片中，物体的三维特征消失了，不再存在视差，改变观察角度时，并不能看到像的不同侧面。全息技术则完全不同，由全息术所产生的像是完全逼真的立体像（因为同时记录下了物光的强度分布和位相分布，即全部信息），当以不同的角度观察时，就象观察一个真实的物体一样，能够看到像的不同侧面，也能在不同的距离聚焦。

全息照相在记录物光的相位和强度分布时，利用了光的干涉。从光的干涉原理可知：当两束相干光波相遇，发生干涉叠加时，其合强度不仅依赖于每一束光各自的强度，同时也依赖于这两束光波之间的相位差。在全息照相中就是引进了一束与物光相干的参考光，使这两束光在感光底片处发生干涉叠加，感光底片将与物光有关的振幅和位相分别以干涉条纹的反差和条纹的间隔形式记录下来，经过适当的处理，便得到一张全息照片。

二、全息照相的基本过程

具体来说，全息照相包括以下两个过程：

（一）  波前的全息记录

利用干涉的方法记录物体散射的光波在某一个波前平面上的复振幅分布，这就是波前的全息记录。通过干涉方法能够把物体光波在某波前的位相分布转换成光强分布，从而被照相底片记录下来，因为我们知道，两个干涉光波的振幅比和位相差决定着干涉条纹的强度分布，所以在干涉条纹中就包含了物光波的振幅和位相信息。典型的全息记录装置如图2所示：从激光器发出的相干光波被分束镜分成两束，一束经反射、扩束后照在被摄物体上，经物体的反射或透射的光再射到感光底片上，这束光称为物光波；另一束经反射、扩束后直接照射在感光底片上，这束光称为参考光波。由于这两束光是相干的，所以在感光底片上就形成并记录了明暗相间的干涉条纹。干涉条纹的形状和疏密反映了物光的位相分布的情况，而条纹明暗的反差反映了物光的振幅，感光底片上将物光的信息都记录下来了，经过显影、定影处理后，便形成与光栅相似结构的全息图 —— 全息照片。所以全息图不是别的，正是参考光波和物光波干涉图样的记录。显然，全息照片本身和原是物体没有任何相似之处。

（二）物光波前的再现
物光波前的再现利用了光波的衍射，如图3所示。用一束参考光（在大多数情况下是与记录全息图时用的参考光波完全相同）照射在全息图上，就好像在一块复杂光栅上发生衍射，在衍射光波中将包含有原来的物光波，因此当观察者迎着物光波方向观察时，便可看到物体的再现像。这是一个虚像，它具有原始物体的一切特征。此外还有一个实像，称为共轭像。应该指出，共轭波所形成的实像的三维结构与原物并不完全相似。

三、全息照相的主要特点和应用

全息照片具有许多有趣的特点：
1． 片上的花纹与被摄物体无任何相似之处，在相干光束的照射下，物体图像却能如实重现。
2．立体感很明显（三维再现性），如某些隐藏在物体背后的东西，只要把头偏移一下，也可以看到。视差效应很明显。
3． 全息图打碎后，只要任取一小片，照样可以用来重现物光波。犹如通过小窗口观察物体那样，仍能看到物体的全貌。这是因为全息图上的每一个小的局部都完整地记录了整个物体的信息（每个物点发出的球面光波都照亮整个感光底片，并与参考光波在整个底片上发生干涉，因而整个底片上都留下了这个物点的信息）。当然，由于受光面积减少，成像光束的强度要相应地减弱；而且由于全息图变小，边缘的衍射效应增强而必然会导致像质的下降。

4．在同一张照片上，可以重叠数个不同的全息图。在记录时或改变物光与参考光之间的夹角，或改变物体的位置，或改变被摄的物体等等，一一曝光之后再进行显影与定影，再现时能一一重现各个不同的图像。由于具有这些特点，全息照相术现在已经得到了广泛的应用。如前面提到的全息信息存储和全息干涉分析就是分别应用了所述的第三和第四个特点。

【实验记录】

物光   84.8cm+25.5cm+10.4cm=120.7cm

参考光      84.8cm+35.5cm=119.9cm

曝光时间：2s

显影时间：25s

定影时间：3min

【实验结果分析】

拍出来的全息照片图像模糊，而且曝光范围小，基本算失败。

分析实验失败原因有：

1．     在设置光路扩束时，没有很好地把激光源发出的光扩束为平行光，导致相干效果下降，图像不清晰。

2．     光路中使用过多反光镜导致光强过小，从而影响干涉效果。

3．     曝光时间没有控制得很好，估计是曝光过短，导致成像不清晰。

4．     在用清水清洗干版时水温没有严格控制在30-32，影响实验结果。

使用异丙醇显影定影时，冲洗时间不够，导致成像范围过小，成像不清晰