近代物理實驗

（第五版）

溫州大學物理與電子信息學院

近代物理實驗講義編寫組

二零零九年二月

目錄

前言......................................................................3

實驗一夫蘭克―赫茲實驗...............................................4

實驗二半導體激光器實驗...............................................9

實驗三近紅外分光光度計實驗...........................................21

實驗四激光全息照相實驗...............................................27

實驗五原子發射光譜實驗（一）............................................35

實驗六原子發射光譜實驗（二）.............................................39

實驗七光磁共振實驗....................................................44

實驗八功能材料制備實驗................................................51

實驗九盧瑟福散射實驗.................................................57

實驗十原子力顯微鏡實驗...............................................62

實驗十一核磁共振實驗...................................................74

實驗十二微波自動測量線實驗.............................................81

實驗十三X射線發射譜實驗...............................................86

實驗十四塞曼效應實驗...................................................97

實驗十五功能材料測試實驗...............................................103

實驗十六全息平面光柵制作實驗...........................................106

實驗十七喇曼光譜實驗...................................................111

實驗十八生物倒置顯微鏡實驗.............................................119

實驗誤差與數據處理.......................................................126

參考文獻..................................................................138

后記......................................................................140

、八一

刖S

實驗是物理學發展的基礎，乂是檢驗物理理論的唯一手段。特別是現代物理學的興

起，更和實驗有著密切的聯系。正是實驗技術的發展，不斷地揭示和發現各種新的物理

學現象，日益加深人們對客觀世界規律的認識，從而推動著物理學的向前發展。

近代物理實驗是繼普通物理實驗和電子電工實驗之后為物理系高年級學生開設的

一門重要的實驗課程。在近代物理實驗要做的十多個實驗中，有在近代物理學發展史上

堪稱里程碑的著名實驗，也有與現代科學技術中常用實驗方法或現代技術有關的實驗。

與普通物理實驗相比，近代物理實驗所涉及的知識面很廣，具有較強的綜合性和技術性。

我們開設近代物理實驗，一方面使同學們進一步認識物理實驗對近代物理規律發現和近

代物理理論的建立所起的重大作用，加深對近代物理概念和規律的理解。另一方面，使

同學們能掌握近代物理及現代技術中的一些常用實驗方法和實驗技能，進一步培養良好

的實驗習慣和嚴謹的科學作風，使同學們獲得一定程度的用實驗方法和技術研究物理問

題的獨立工作能力。因此，學好近代物理實驗是十分重要的。

為了完成好近代物理實驗，除了一般物理實驗要求之外，特別要求同學們做到以下

-~占-八、、.?

第一，認真做好預習。

與普通物理實驗相比，各個近代物理實驗的原理和使用的儀器設備都要復雜、精密

得多。因此要求同學們一定要化足夠時間做好預習，可以先到近物實驗室看看，預先了

解各實驗儀器設備的特性與使用方法。不預先懂得實驗原理，不掌握實驗儀器的特性、

操作要領和實驗步驟等，是斷然做不好近代物理實驗的。

第二，在教師指導下，要獨立完成實驗。

培養獨立工作能力，是開設近代物理實驗的重要目的之一，也是大學高年級學生應

具備的能力之一。教師只是起指導作用。從每個實驗的原理了解，每臺儀器特性掌握，

到實驗步驟確定，實驗數據記錄、實驗結果分析等，都要求同學們能獨立完成。同學們

要認真閱讀本講義，也要查閱、研究其他文獻資料，還要積極思考、不斷探索，獨立解

決遇到各種問題。

最后，祝同學們順利完成近代物理實驗課程！

近代物理實驗室

一九九八年六月

實驗一夫蘭克―赫茲實驗

1931年，尼?玻爾在描繪氫原子光譜規律經驗公式的基礎上建立了新的原子結構

理論，提出原子只能較長久地停留在一些穩定狀態（稱為定態），每一定態，對應一定

的能量，叫能級。玻爾認為：各定態的能量是分立的，原子躍遷時只能吸收或輻射相當

于二定態能量差的能量。1941年，夫蘭克和赫茲使用慢電子與稀薄汞氣體的汞原子碰

撞而進行一定能量的交換，測量出汞原子的激發電勢，從而直接證明了原子能級的存在,

清晰地顯示了原子能級的圖像，為玻爾理論提供依據。夫蘭克―赫茲實驗成為探索原子

結構的一個重要實驗。兒年來，夫蘭克―赫茲實驗已作了改進，不用汞原子蒸氣而用氮

原子氣體，在常溫下氮是氣體，因此實驗時不需加熱。本實驗采用的氨氣體。

一、實驗目的

1、學會測量僦原子的第一激發電位的方法。

2、了解本實驗的設計思想和方法。

3、通過本實驗，證明原子能級的存在，加深對對夫蘭克一赫茲實驗原理與原子結

構的了解。

二、實驗原理

1、夫蘭克―赫茲實驗的原理如圖一所示。

圖一夫蘭克一赫茲管原理圖

本實驗使用的夫蘭克―赫茲管內充氮原子氣體。陰級K加熱后發射電子，電子在K

與柵極G之間的正向電壓UGK的作用下被加速。板極A和柵極G之間的反向電壓Ik對電

子起阻檔作用。當電子通過KG空間進入GA空間時，如果具有較大的能量，就會沖過反

向拒斥電場而達到板極，形成板流，由微電流計L，測出。如果電子在KG空間與僦原子

碰撞，把自己全部能量給了氮原子而使后者激發的話，電子本身所剩余的能量就接近零,

以致通過柵極后已不足以克服拒斥電場，而被折到柵極。這時，通過電流計L的電流就

將顯著減少。

設電子在KG空間與氮原子碰撞，正好把自己全部能量給了僦原子而使后者激發的

電勢差是V”Ei和E?表示氫原子基態和第一激發態的能量，則

eV,=E2-E,(1)

因此測得％就可以知道家原子第一激發態與基態的能量差，%稱做第一激發電勢。

圖二氮原子的?UGK曲線

如果加增大一些，使電子獲得的能量eUQeV”電子與氮原子發生碰撞，將部分能

量傳給藏原子使之激發，碰撞后的電子還剩余部分動能，它在正向作用下仍被加速并繼

續與原子發生碰撞。如果電子能量達2eV”它可繼續使第二個氨原子同樣激發，這時

通過。的電流又顯著下降。其余類推。

圖二所示的曲線反映了氮原子在KG空間與電子進行能量交換的情況，當KG空間電

壓逐漸增加時，電子在KG空間被加速而取得越來越大的能量。但起始階段，由于電壓

較低，電子能量較少，即使在運動過程中，它與原子相碰撞也只有微小的能量交換（為

彈性碰撞）穿過柵極的電子所形成的板流將隨柵極電壓UCK的增加而增大。（如圖二

中的。a段）。當KG間的電壓達到僦原子的第一激發電位片時，電子在柵極附近與僦原

子相碰撞，將自己從加速電場中獲得的能量交給后者，并使后者從基態激發到第一激發

態。而電子本身由于把能量給了氮原子，即使穿過了柵極也不能克服反向拒斥電場而被

折回柵板。所以板極電流IP將顯著減小（如圖三中的ab段）。隨著柵板電壓UCK的增加，

電子的能量也隨之增加，在與鼠原子相撞后，還留下足夠的能量，可以克服反向拒斥電

場而達到板極A。這時，電流又開始上升（be段）。直到KG電壓是二倍敏原子的第一

激發電位2Vl時，電子在KG間又會因二次碰撞而失去能量，因而又造成了第二次板極電

流的下降（如圖三中的cd段）。同理，當UcK=N%（n=l,2,3…）時，I,都會明顯下降。I

「?U,；K曲線的規則起伏變化，形象方便地證明了原子能級的存在。用這種簡單而巧妙的

方法，能很方便地測量出晁的第一激發電勢。曲線上二相鄰的極小值（谷）或極大值（峰）

所對應的UCK之差就等于僦原子的第一激發電勢片,即：

U.”—U.=V|（2）

實際實驗的夫蘭克一赫茲管內在柵極附近增加另一柵極G”見圖三。柵極G的作用

是為了消除電子在陰極附近的堆積效應，起著控制電子流大小的作用。

圖三雙柵極的夫蘭克―赫茲管結構

三、實驗儀器介紹（FD-FH-1儀）。

FD-FH-1型夫蘭克―赫茲儀的面板結構如圖四所示。各部分說明如下:

（1）電壓指示表頭，通過波段開關分別表示%、%、%、Vfi2.

（2）電壓指示波段開關:改變電壓表指示的電壓。

（3）電源指示燈。

（4）L,電流波段開關，其量程有：IpiA,lOOnA,10nA,InA.

（5）L電流指示表頭，電流=波段開關提示值X電壓值。

（6）%輸出（衰減10倍）。

（7）加掃瞄速度開關。

（8）“掃瞄開關，有‘手調'與，掃瞄，二檔。

（9）各電壓（V.、V,“、力、Vfi2）的調節電位器。

（10）夫蘭克―赫茲管各電極輸入接線柱。（順時針電壓增大）。

（11）各電壓輸出接線柱：紅色為正。

（12）L輸出：接示波器、記錄儀或計算機接口。

圖四FD-HFT夫蘭克一赫茲儀面板說明圖

儀器性能指標

電源電壓：220±10臨V,調節范圍：1-6V,

V。調節范圍：0-12V,%調節范圍：0-6V,

一調節范圍:0-100V,

峰值數：25。

四.實驗內容

1.熟悉夫蘭克一赫茲儀的各表頭、旋扭的用法。

2.調好/、VG1>VP最佳初時值。

3.由于測加的電壓表頭讀數不大準確，實際測量時用一條電線將加輸出端（衰

減10倍?）（即圖四上（6））與萬用表連起來，從萬用表上讀出加數據。

4.將%從0慢慢增加到約10伏（已衰減10倍），及時記錄下各電流峰值、中間

值、谷值所對應的電壓Vc2值。（約有7個峰值與7個谷值，連中間值一起，共

要測出約28個數據。）

5.對電壓外的7個峰值或7谷值數據作數據處理，以求出僦原子第一激發電勢。

要采用逐差法求出第一激發電勢的平均值。

6.作出IP與Va的關系曲線。

五.注意事項

1.開機前各旋扭旋至0（即旋扭逆時針到底），然后再開機實驗。

2.按規定設置好V「、L、/初始值。其中V,初值不能太大，否則夫蘭克―赫茲管會

發生電離，電流會自發增大直至燒毀。一旦發生L,負值打表或正值打表，應立

即關機，將Vf調小，5分鐘后再開機重新測量。

3.開機約10分鐘待。電流穩定后開始測量。

4.當心從0增加到約10伏（已衰減10倍）時，要一口氣測下去，不要倒退。

5.實驗結束，關機前各電壓旋扭旋至0。

實驗二半導體激光器實驗

一、實驗目的

通過實驗，要求達到如下目的：

（一）、了解半導體激光器的發明和發展。

（二）、了解半導體激光器的基本原理。

1、半導體激光器的結構

2、半導體激光產生的條件

（三）、掌握半導體激光器性能的測試方法。

1、發光功率的測量（P-I曲線）

2、消光比的測量（ER-I曲線）

3、光譜的測量（觀測光譜形狀變化、Xp-I）

二、實驗原理

（一）、半導體激光器的產生和發展

大家知道，激光的產生需要工作物質、激勵能源和諧振腔。半導體激光器是指以半

導體材料為工作物質的一類激光器，亦稱為半導體激光二極管（簡寫為SLD——

SemiconductorLaserDiode）,是六十年代初發展起來的一種新型光源。它發光原理是通

過正向偏壓下p-n結中空間電荷區附近形成的載流子（電子）反轉分布“激活區”的個

別自發發射感應受激輻射而發出相干光。發射波長在0.33-100的范圍。激勵方式有

p-n結注入電流激勵、電子束激勵、光激勵和碰撞電離激勵等4種。我們最常用的p-n

結注入式，這是最為成熟的。使用的工作物質有GaAS、InGaAsP等直接帶隙半導體材

料。半導體激光器由于構成材料的不同分為同質結激光器和異質結激光器。如果p-n結

是由相同的半導體材料通過不同的摻雜而構成，稱為同質結；否則稱為異質結。

激光器的出現可以追溯到1958年，接著固體紅寶石激光器和He-Ne氣體激光器分

別在1960年5月和1960年12月運行成功。1960年前后，激光器的研究工作進展很快。

而在電子技術領域中p-n結器件的研究工作是進展最快的。這些研究的焦點是通過p-n

結注入非平衡載流子來產生受激發射。馮?紐曼（VonNewman）在1953年提出了利用

p-n結注入激發一一半導體受激發射產生光放大的可能性。1962年初納斯萊多夫

（Nasledov）等報道了在77K下GaAs二極管的電子發光譜在電流密度為1.5x103A/cm2

時變窄的現象。他們利用了解理面作為諧振腔的反射鏡面,而沒有專門制作諧振腔。1962

年9月霍爾等發現了加正偏壓的GaAs的p-n結的相干光發射，推斷為為受激發射，把

此類由單一半導體材料組成的激光器稱為同質結激光器。

繼霍爾之后，霍倫雅克和貝瓦奎（Bavacqua）在77K情況下實現了脈沖注入受激

發射。首次制作了HI-V族固溶體的注入型激光器，并實現了可見光發射（0.7pim）。

在證明了同質結激光器中的p-n結受激發射后，人們開始關注溫度對閾值電流的影

響及其它幾種激光二極管，增添了IV-VI族化合物作為新材料”而同質結注入型激光器

有??個共同的致命弱點，即室溫受激發射的閾值電流特別高，通常KOOOA/cn?。許多

研究工作只有在液氮溫度（77K）或更低溫度下才能進行。

進入20世紀80年代以來，由于吸取了半導體物理研究的新成果，同時晶體外延生

長新工藝包括分子束外延（MBE）、金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）和化學束外延

（CBE）等取得重大的成就，使得半導體激光器成功地采用了雙異質結構、量子阱和應

變量子阱結構、垂直腔面發射以及激光器列陣等新結構。克服了同質結激光器的致命弱

點，獲得了極低閾值、單頻、高調制速率、擴展新波長以及高效率激射等優點。

總之，半導體激光器的發明使光信息技術產生了里程碑式的飛躍，它的發展不過

30多年，卻已經取得了舉世矚目的成就，各項性能參數有很大的提高，應用領域日益

擴大。隨著科學技術的發展，半導體激光器的研究必將向縱深的方向推進。至于半導體

激光器本身，在拓展發射波長范圍、降低閾值電流密度、提高量子效率、增加輸出功率、

提高調制頻率、壓窄線寬、降低噪聲等方面始終都是追求的目標。以激光器為核心的半

導體光電子技術必將在未來的信息社會取得更大的發展，發揮更大的作用。

（二）、研究半導體激光器的功率、光譜及消光比等性能的意義

研究半導體激光器的功率、光譜及消光比對了解半導體激光器的性能具有很重要的

意義。對于一個給定的半導體激光器，在使用之前必須了解它的工作特性。半導體激光

器和放大器的增益對波長和注入電流有一定的依賴關系，確定這種關系，即測量增益曲

線，對于預測激光器和放大器的工作性能是必要的。首先可以通過測量P-I曲線，求出

激光器的閾值。根據閾值調節激光器工作在自發發射狀態還是在受激光發射狀態。通過

觀察激光器的光譜，可以了解激光器在某一特定電流工作時輸出光譜的波長范圍和占主

導地位的激發模式所處的波長及功率，以及輸出譜的質量，據此來判斷激光器性能的好

壞，作為應用或進?步研究的基礎。

半導體激光二極管的結構種類很多，圖1是垂直腔面發射半導體激光二極管的基本

結構及發光束形狀示意圖。

VCSEL:

VerticalCavitySurfaceEmittingLaser

(垂直瞳孔表面？光Laser)

CompositionofVCSELChip?40-30-20-10010203040

BeamAngle(Degrees)

圖1垂直腔面發射半導體激光二極管的基本結構及發光束形狀示意圖。

（三）、半導體激光器的發光原理

最簡單的異質結半導體激光器由帶隙能量較高的p型和n型半導體材料中間夾一層

很薄（?O.lpim）的帶隙能量較低的另一種半導體材料而構成，圖2給出了一個這種異質

結結構激光器的示意圖，激光由激活區的兩個解理端面輸出，盡管在垂直于結平面的方

向上載流子和光子都被限制在很窄的范圍（雙異質結的性能），但在平行于結平面的方

向上光子和載流子幾乎沒有受到限制，因此輸出的光斑具有橢圓的形狀（如圖1所示）,

這種激光器稱為寬面半導體激光器。由于電流是沿整個平行于結的激活區平面注入，所

以這種激光器的閾值電流很高。利用某種方法使平行于結平面的激活區由平面結構變成

條型結構，即在輸出平面（橫截面）的橫向上再對載流子和光子進行限制，使載流子和

光子都被局限在一個較窄（~2pim）和很薄的條形區域內，以提高載流子和光子濃度，

降低激光器的閾值，相對于寬面激光器，這種激光器稱為條形激光器。目前，條形激光

器采用了增益導引和折射率導引兩種結構。

一個具有少數載流子（復合補償摻雜區）的有源平面波導，由于折射率高于周圍介

質可將光束約束在其內部，而構成了激光二極管的激活區。在同質結中，載流子的復合

發生在較寬的范圍（1?10微米），由載流子的擴散長度決定，因此載流子濃度較低，發

光效率不高。后來在p型和n型材料中間加入一薄層帶隙比兩端的p型和n型材料窄的

半導體材料，折射率的突變使光約束大為增強，強的約束使異質結激光器在室溫下比同

質結激光器有高得多的發射效率。如果該夾層是p型或n型半導體，這種結構成為雙異

質結。

1+

Metallayer

I-

圖2半導體激光器的發光原理。

實用的半導體激光器通常制成模塊結構，用光纖輸出，如圖3所示。

圖3半導體激光器的模塊。

三、實驗內容和方法

（一）、半導體激光器的輸出功率與工作電流的關系

典型的半導體激光器的輸出功率與工作電流的關系曲線（P-1特性曲線）如圖4所示。

當激光器的正向偏置有注入電流時就開始有光輸出，一開始輸出光效率很低，即曲線的

斜率很小，這一階段是自發輻射發光階段。電流增加到一定值后，發光效率開始增加，

P-1曲線開始彎曲向上，斜率增大，表明受激輻射發光開始起作用并逐漸加大比重，這

i階段的發光稱為超輻射發光。當電流進?步增加，即粒子數反轉達到光子在腔內所得

到的增益與受到的損耗相等時，光子才能獲得凈增益并在腔內振蕩激射，此后，光輸出

功率隨電流陡峻上升。光子在諧振腔內振蕩開始出現和增益所必須滿足的條件稱為閥值

條件，這時的電流值被稱為閥值電流，用〃表示，閥值電流密度用力,表示，閥值增益

用g6表示。改變溫度可以得到不同的P-I曲線。圖4是某一半導體激光二極管不同溫

度下的P-I特性曲線。

2000

1600

1200

-

od800

m

o400

0

020406080100120

OperationCurrent(mA)

圖4P-I特性曲線示意圖。

(二)、光譜特性

半導體激光器諧振腔的質量優劣可用品質因素Q來描述。對于所給模式的Q值定

義為Q=2QWE/PX。其中v是模的頻率，WE是集中于某一模的輻射能量，Px是模的總損

耗，包括單位時間內從諧振腔發射到腔外的光輻射。Q與譜的線寬Av有關，即Q=v/Avo

隨著電流密度增加，激光器有源區的粒子數反轉增強，集中在某一模式的光功率增加。

首先對那些具有高Q值的模激射。這些模式的頻率接近于增益譜特性的峰值，因而對

應光譜的峰寬減少。諧振腔的品質因素Q值增加，這個過程一直持續到總的光功率集

中到兒個最有利的模式為止。

實際上，典型的折射率導引型半導體激光器的光譜特性常常比較寬，因為有時候發

射的光波中包含著若干個模的組合，形成這種多模特性有兩個原因。首先有源區粒子數

反轉分布在空間上不均勻，諧振腔內激勵的駐波干擾著粒子數反轉分布——也叫空間燒

孔效應，這是參與輻射復合的載流子濃度空間分布不均勻的結果，這叫光譜空間燒孔效

應。其次，對于給定頻率模式的增益降低，對應于新的粒子反轉數反轉分布，這樣另一

個有利的模式被激勵的兒率就增加了。此時下一個駐波被建立，以此循環達到平衡。相

鄰邊模被激勵的第二種機制與吸收的非線性有關。隨著輻射功率進一步集中某個模，對

應于這個模的品質因素Q會降低。這個模式就不再是優先的了，而另一個模式將被激

勵。

（三”光譜的測量

把半導體激光器發出的光用光纖引入光譜分析儀，然后通過內部的計算機處理，就

能把光譜直觀地顯示到顯示屏上，便于觀察分析。特別注意觀察峰位、峰寬的變化。測

量時要把不同條件對應的光譜保存到磁盤上。下列圖形是測得的半導體激光器在不同工

作電流下發出的光譜。

(a)I=6mA,中心波長1539.800nm。(b)I=8mA,中心波長1538.00nm。

(c)1=8.5mA,中心波長1536.400nm。(d)1=10mA,中心波長1536.300nm。

(e)1=12mA,中心波長1536.400nm?(01=15mA,中心波長1537.900nm?

圖5半導體激光器在不同工作電流卜發出的光譜。

下圖是所測量的某半導體激光器光譜的峰值波長和光譜的3dB帶寬與工作電流的

關系。

C

10o

E9oBNI

EA:at296.0Ku

u、8o

、B:at298.2K

三7oat296.0K

￡C:at299.5Kp

16pm6o:at298.2K

eu5o:at299.5K

q4o

0)CCDP3o

-BE

A

M204060801100'120'140

E

20406080100120OprationCurrent/mA

ad)OperationCurrentfmA

圖6半導體激光器光譜的峰值波長和3dB帶寬與工作電流的關系。

(四)、消光比的定義

不同條件下工作的半導體激光器，輸出的光是由不同模式組成的。因為各個模式的

能量不同，所以輸出的平均光功率會隨著工作條件的改變而變化。

消光比的測試是根據布儒斯特定律進行的。Pmax表示某個偏振方向上最高的平均輸

出光功率，Pmin表示某個偏振方向上最低的平均輸出光功率。則消光比定義為：

Ex=101g(Pmax/Pmin)

注意在實驗測量的過程中，可以直接從消光比測試儀的讀書中得到消光比。測試儀內狹

縫的偏轉自動進行，因而顯示數據會漲落。紀錄結果時要取一段時間內（約20秒）變

化數據的算術平均值。

2O、

18

—

16

—

14U

—O

12

—--U5

do4

iX

nQ山

021.

1020406080100120

OperationCurrent/mA

圖7半導體激光器在不同溫度下消光比隨工作電流的變化。

四、半導體激光器的功率、光譜及消光比的測量方法

［實驗儀器］:

①ILXLIGHTWAVEOM-6810BOPTICALMULTMETER光多用儀；

（2）ADVANTESTQ8384OPTICALSPECTRUMANALYZER光譜分析儀；

（3）EXTINCTIONRATIOMETER消光比儀。

［實驗原理］：

本實驗中，采用直流穩壓電源給激光器加上偏置電流后，在功率計上即可顯示出相

應的激光器在一定電流下端面輸出功率的大小。將電流從小到大（或反向）連續變化,

我們就可以得到激光器輸出功率與偏置電流的關系，可以借此繪出曲線（P-I曲線），并

可以利用外推法從圖中求出激光器閾值電流的大小。

采用光譜分析儀可以測量到激光器在一定電流下的輸出光譜，可以測出各個電流的

中心波長，這樣可以了解激光器的模式結構和光譜形狀，求出在一定電流下的激光器的

增益等一系列參數。利用消光比儀測出各個電流的消光比。

［實驗步驟］:

（一）功率的測量：

1、將各儀器按照要求連接好；

2、打開直流穩壓電源，打開光多用儀；

3、將激光器的偏置電流輸入插頭接于穩壓電源的電流輸出端；

4、將激光器與光多用儀的輸入端相連并使探頭正好對激光器輸出端，打開光多用

儀；

5、緩慢增加激光器輸入電流（0mA?130mA）,從功率計觀察輸出大小隨電流變化

的情況；

6、記錄數據；

7、繪圖繪成曲線。

（二）光譜的測量：

1、將各儀器按照要求連接好；

2、打開電源，打開光譜分析儀；

3、逐步調節電流值（0mA?130mA）；

4、電流調至由P-I曲線測量出的閾值電流以上；

5、測出各點的中心（峰值）波長，并保存光譜圖。

（三）消光比的測量：

1、將激光器的輸出端連接到消光比儀上；

2、逐步調節電流值（0mA~130mA）；

3、記錄各點的消光比。

五、實驗結果的處理與分析

以光功率P為縱軸，I為橫軸作圖，描成曲線如圖4,找出線性部分的切線，并

延長到與I軸相交，交點就是閾值電流Lh，區分各段的發光類型。以峰值波長入P為縱軸,

I為橫軸作圖，描成曲線如圖6,指出九P隨I的變化趨勢，結合光譜形狀變化說明原因。

以消光比ER為縱軸，I為橫軸作圖，描成曲線如圖7,指出各段ER隨I的變化趨勢，分

析原因。

表1發光功率P、峰值波長入P、消光比ER與電流I的對應關系數據。

電流(mA)功率(piw)峰值波長(nm)~~消光比(dB)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

六、結論

實驗得到了半導體激光器的功率、光譜峰值波長及消光比與工作電流的關系。

結論：溫度不變時，隨注入電流的增大，半導體激光器經歷了自發輻射、受激輻射

(直至逐步飽和)的過程，輸出功率隨注入電流的增大而增大。從圖P-I中可以看出，

在閾值電流以下，隨著電流強度的增加，各輸出功率的增加不明顯，曲線比較平緩。此

時半導體激光器為自發發射，光譜形狀反映各波長處的模式功率無明顯差別。超過閥值

時，隨著電流的增加，輸出功率明顯增加，曲線陡然上升。從圖入P-I中可見，隨著電流

增加，光譜形狀反映部分模式突顯出來，而其周圍的模式基本不變，這種趨勢隨電流增

加越加明顯。從ER-I圖中發現，在閥值電流之前，消光比增加幅度比較大，大于閥值

電流之后則比較平緩。

原因分析：當工作電流較小時，光輻射兒乎全部被激光內部存在的吸收過程所吸收。

隨著電流的增加，當有足夠的光子來抵消這一吸收損耗后，激光器的有源區變為“吸收

透明”，開始產生光增益，既光輻射放大。在激光器端面得到光輸出，但這時的光輸出

并非激光的輸出，而是寬帶的自發輻射輸出。只有當工作電流繼續增大到閾值以上時，

光子數足夠多，才能產生激光輸出。

七、參考文獻

[1]江劍平，半導體激光器.北京：電子工業出版社，2000.

[2]韋文生，張春熹，馮麗爽，周克足，王天民，L55pm-MQW-SLD連續工作狀態下的

性能，紅外，2004年第2期：10-16.

[3]韋文生，張春熹，馮麗爽，馬靜，周克足，王天民，L3nm-MQW-SLD的性能與注入

電流和溫度的關系，激光與紅外，Vol.34,No.2(2004)：119-123

實驗三近紅外分光光度計實驗

一、實驗目的與要求

1、紅外線及其應用簡介

紅外線是介于可見光紅端與微波之間的電磁輻射，其波長范圍從0.75微米至1000

微米。為人眼不可見光線部分。它在信息技術與通訊、保健與生命科學、國防與太空、

科研與教育等領域中發揮出越來越重要的作用。根據紅外輻射在地球大氣層中傳輸特性

的不同，可分為：

近紅外：波長范圍0.75?3微米

中紅外：波長范圍3?6微米

遠紅外：波長范圍6?15微米

極遠紅外：波長范圍15?1000微米

近紅外波段在通訊、藥物檢測、資源探測等領域存在大量應用。大家熟悉的是用于

光纖通信和光纖傳感。近紅外光譜的判讀和數據處理,特別是在近紅外光譜化學計量學、

近紅外光譜在各領域應用的定標建模，研制和開發特種用途的近紅外光譜分析技術及配

套儀器。還有近紅外光譜在生物醫學、紡織品、農藥、化工合成、生物制品中的應用，

如茶葉及茶制品近紅外光譜分析技術的研究、安乃近等藥物成分近紅外光譜的分析、人

參等中藥材成分近紅外光譜的分析等。中、遠紅外波段這兩個波段是目前使用得最多的

紅外波段，在國防和民用上得到廣泛使用。如車庫、電梯門的安全傳感器、電視機遙控

器、便攜式紅外溫度計、夜間起作用的光電電燈開關、PC計算機到鍵盤及打印機的紅

外耦合，以及在公共廁所中自動開關水龍頭的紅外開關等。根據天色開關城市街燈的光

電開關已用了50多年。自動紅外感應傳感器已用在公共廁所中開關水龍頭和抽水馬桶。

極遠紅外波段；該紅外波段是發展最不成熟的階段，基于它在生物組織和掩埋物體檢測

等領域的應用前景。醫用紅外技術涉及的領域：紅外診斷技術，紅外熱成像儀可對人體

各部位多種疾病，如頭部的偏頭痛、面癱和腦血管、頸部的甲狀腺腫瘤，胸部的肺癌，

心肌梗塞和乳腺癌，腹部的腫瘤，炎癥和胃腸道疾病以及脊柱的腰椎間盤突出癥，頸肩

腰腿痛和周圍血管疾病等作出熱像圖診斷。

本實驗設備用于制備窄帶寬、多波長、可調諧濾波器件的測試，可以對物理專業開

設近紅外光學測量、電子信息專業開設光電技術及其應用等實驗

2、實驗目的與要求

通過本實驗的學習和實際操作，了解實驗系統的組成，理解儀器光學系統各部分的

組成部件、工作原理、物理參量的測量方法和實現過程，能用所學的物理知識給予解釋

說明，掌握對樣品用反射和透射方法進行光譜測量的方法，并能對實驗曲線進行必要的

數據處理，從實驗結果得到樣品的特點和可能的應用，對樣品的制備提供依據。

二、實驗內容

1、了解TJ270—60近紅外分光光度計的組成結構和工作原理

2、學習用近紅外分光光度計測量材料的近紅外吸收光譜的波長和強度

3、探索研究材料在制備紅外光電器件中的應用

三、實驗設備

TJ270-60雙光束近紅外分光光度計一臺，計算機一臺，打印機一臺，鍍有ITO薄

膜的玻璃片若干，匹配液樣品若干。

四、儀器的組成結構與工作原理

TJ270—60雙光束近紅外分光光度計的工作原理包括光學系統、電子系統、計算機

系統和中文操作軟件四個部分。

圖一TJ270-60雙光束近紅外分光光度計光路圖

W：鴇燈SI：入射狹縫S2：出射狹縫

G：衍射光柵M：扇形鏡P：硫化鉛

1光學系統

儀器的光學系統由光源系統、單色器系統、光度計系統和接收系統組成。系統光源

為鹵鶴燈。單色器系統采用高性能平面光柵。接收器件采用硫化鉛。光路圖見圖一。

1）不同波長光的取得：由可轉動的衍射光柵來完成，當入射復色光通過光柵衍射后，

滿足光柵方程的波長光被反射，轉動光柵，相當于改變入射角，能衍射光的波長也隨之

改變，從而得到不同波長的光。衍射光柵的轉動通過步進電動機帶動連桿移動來實現，

示意圖見下圖。

步進電機A的參數為：57BYG型12V/相32Q/相0.38A/相1.8°/步

2）雙光束的產生：用扇形鏡旋轉實現，工作原理見下圖。設備中驅動扇形鏡的電機

圖二雙：扇型鏡M主圖

參數為:45TZL2型磁滯同步電機，110V50HZ,1500轉/分鐘,2W

3）濾光片的作用：三個濾光片，分別透過波長范圍為800-1100nm>1100~2000nm.

2000?2500nm的光譜，驅動步進電機：43BY10,12V0.17A,速比1/50,15°/步

4）光源：鹵鋁燈發出的光

5）接收系統：硫化鉛光電轉換器

2電子系統

電子系統由電源系統、放大器系統、驅動系統、I/O系統和A/D轉換系統組成。圖

三為電子系統電路圖。

電源系統將交流電變成直流電，為光源、放大器、驅動電路、I/O電路、步進電機等

提供電源。

硫化鉛探測器將照射在光敏面上的經過調制的單色光信號，轉換為相應的光信號。

圖三TJ270-60雙光束近紅外分光光度計電路圖

硫化鉛輸出的電信號，經前置放大器后，由相位檢測器控制，經過模擬開關，分成

R、S、D（R：參比光信號、S：樣品光信號、D：暗電流信號）三路信號，分別進行放

大后，由計算機控制分別送入A/D轉換器，將模擬信號轉換成數字信號后由計算機進

行處理。

I/O電路是計算機與分光光度計進行聯系控制的信號通道。波長掃描、狹縫轉換、

濾光片轉換等都由計算機發出指令，通過I/O電路輸出控制信號經驅動電路驅動執行。

狹縫、波長掃描初始零點位置信號也由I/O電路輸入到計算機中。

3計算機系統

計算機系統采用通用計算機，配備通用激光打印機。雙光束近紅外分光光度計的所

有控制和信號處理均由計算機完成。計算機進行控制和信號處理工作主要有：系統初始

化、波長掃描、狹縫切換、濾光片切換、參數設置、光譜掃描、光譜處理、光譜打印等。

4中文操作軟件

中文操作軟件是雙光束近紅外分光光度計的控制核心。本近紅外儀器的一切操作均

由操作軟件來完成。中文操作軟件采用C++語言編寫，標準WINDOWS界面。中文操

作軟件中主菜單項有：文件（六項）、測量方式（四項）、數字處理（六項）、系統操作

（五項）、幫助（一項）。

五、樣品測量與數據處理

1、儀器基本操作

1.1儀器開機

TJ270-60雙光束近紅外分光光度計正常開機步驟為：先開打印機電源，再開計算

機電源，在WIND0WS98中運行近紅外中文操作軟件，當計算機屏幕出現“請打開TJ270-60

近紅外分光光度計電源，按''確定”進行系統復位”提示時，開啟近紅外主機電源。

注意：待儀器預熱30分鐘穩定后，才進行基線掃描和光譜掃描。

1.2儀器關機

TJ270-60近紅外分光光度計正常關機步驟為：停止紅外儀器正在進行的任何操作,

選擇文件菜單中“退出系統”，當計算機屏幕出現“請關閉TJ270-60近紅外分光光度計

電源，按“確定”退出系統”提示時，關閉光度計主機電源，然后關閉計算機電源，最

后關閉打印機電源。

1.3系統初始化

當計算機提示打開儀器電源時，打開近紅外儀器電源開關，按“確定”按鈕，近紅外

儀器主機開始進行系統初始化，屏幕顯示畫面為：TJ270-60近紅外分光光度計系統初

始化，濾光片復位、狹縫復位、波長復位。近紅外儀器系統初始化如果全部項目檢測正

確，直接進入紅外儀器操作軟件主畫面。

1.4測量基本操作

1.4.1參數設置用于測量條件的設置，主要包括

測量模式：透過率、吸光度、能量

掃描速度：快速、中速、慢速

掃描方式：重疊掃描、連續掃描、時間掃描（定波長掃描）

掃描波長范圍：800nm~2500nm

1.4.2光譜掃描由于儀器測量環境、樣品或空白等不同，每次測試樣品光譜之前，先

進行基線掃描，再進行光譜掃描，其中基線掃描的基線光譜作為背景從光譜掃描中扣除。

1.4.3峰值檢索進行檢索光譜峰值的數據處理。當輸入峰值高度后，計算機搜索出符

合條件的光譜峰制。

1.4.4波長檢索儀器的波長快速移到設置的波長處

1.4.5刻度擴展修改光譜的波長范圍和測量范圍。

1.4.6數據處理對光譜數據進行各種處理，包括光譜數據與常數之間的加、減、乘、

除四則運算和對光譜數據進行一次、二次、三次、四次微分運算。

2樣品測量

2.1透射測量

要測量液體樣品的透射譜，先在透射式樣品池的一路中放入待測樣品，進行基準基

線掃描測量，相當于測量背景光強，然后進行光譜掃描測量，系統軟件會自動扣除背景

光強，得到樣品的透過率；

2.2反射測量

要測量鍍膜樣品的反射光譜，先將兩塊沒有薄膜的基片放在反射式樣品盒的兩個窗

口上進行基準基線掃描測量，再將一個窗口換為有薄膜的樣品，進行光譜掃描測量，得

到樣品的反射譜。測量時光線路徑見圖四所示。

圖四反射法測量光線路徑示意圖

2.3數據處理與存盤打印。

六、實驗報告

將測量的光譜曲線貼在觀測記錄處，回答下列思考題

1怎樣實現波長的改變

2雙光束如何實現

3光電管接收不同波長的光譜時得到的電壓是否相同，與愛因斯坦的光電效應理論是否

一致

4掃描中步長的含義是什么，如何實現不同的掃描速度

5能否用本設備測量氣體透射光譜？若能，寫出測量方法。

實驗四激光全息照相實驗

【實驗目的】

1.理解全息照相的記錄原理與再現原理以及全息照相的特點。

2.掌握離軸菲涅耳全息照相的拍攝方法與再現方法。

【儀器及用具】

防震全息臺及附件(光學平臺)，He-Ne激光器，分束鏡，反射鏡3片，擴束鏡2

片，調節支架若干，米尺，曝光定時器及快門，全息干板，定時鐘，照相沖洗設備等。

【實驗原理】

英籍匈牙利科學家丹尼斯?蓋伯(DennisGabor)在1948年提出全息照相的思想開

始一直到50年代末期,全息照相都是采用汞燈作為光源,是同軸全息圖；1960年激光的

出現,提供了一種高相干性光源。1962年美國科學家利思(Leith)和烏帕特尼克斯

(Upatnieks)將通信理論中的載波概念推廣到空域中，提出了離軸全息術。以后又出

現其他各種類型的全息照相及相應的理論分析。并在全息干涉計量、光學信息存儲、防

偽標志及全息光學元件等各方面提出了廣泛應用。在光學全息的啟發下，微波、X光

及超聲波各種全息技術也相繼問世。

在普通照相中，從物體發出或反射出的光經透鏡成像，用感光底片記錄下的是實像

的光強分布，處理后成為負片。光強正比于光波振幅的平方，光波的位相信息則全部丟

失，翻印后的正片只能給出平面圖像。而在拍攝全息照相時，要另外引入參考光與來自

物體的光波相干，用高分辨感光底片記錄下干涉條紋，條紋的對比度反映了物光波振幅

大小，而干涉條紋的疏密與形狀則取決于光波位相差的分布，并在大多情況中不需用透

鏡成像后再記錄。

為簡明起見，我們考察最簡單的情形：物光是由點物于。處發出的球面波簡稱。光,

參考光于火處發出為正入射到底片，上的平面波簡稱R光，見圖15-k

不難看出，H平面上的干涉條紋是許多同心圓，離。點的投影點。較近處，。光與

火光幾乎同方向，條紋較疏，此處的全息圖可稱為同軸全息圖。在離0較遠的/處，

。光與火光有一定夾角，此處的全息圖稱為離軸全息圖。N處附近小范圍內的條紋可近

似地看成取向垂直于的平行條紋，平均間距為

(15—1)

條紋可見度"定義為,"一，"'，/為干涉后光強，可以證明

(15—2)

￡為物光振幅2。與參考光振幅ZR之比。夕接近于1時，廠接近于1；為了保證再現像能反映原

物的亮暗程度，￡=茴取大于1的值。比方說2,此時光強比為4。

在適當曝光后經過顯影、定影，所記錄的干涉條紋

就是全息圖，在本例中這些亮暗相間的同心圓也可能

為全息波帶片。當用平行光照在全息波帶片上時，這

此條紋起到光柵的作用，用同一種激光在全息波帶片

上各處不同方向、不同間距的光柵上發生衍射，在光

柵后有透射光、正一級和負一級衍射光。所有零級光

的集合就是總的透射光。各處衍射角。遵循光柵方程

圖15—2(a)

dsin。=%。

不難證明，離。點尸處光柵后衍射角6就等于記錄全息圖時

該處物光與參考光夾角a,正一級衍射光恰似從全息片后一點P發出，稱原始像，正一

級衍射光束的總體即為原始像發出的光波；而所有負級光束會聚到P'點，這是共趣

像，負一級光束的總體是共輛光波。如不同平行光，而是發散光束光照射，仍有原始像

與共輾像，但距離有所改變；用會聚光束去照射，也有相應的變化。換句話說，照明光

波前曲率半徑的改變可以改變再現像的距離（如果不是物點，那么像的大小也隨之改

變)，另一方面，參考用別的顏色激光作照射，即照明/I不等于記錄4,則像的距離、

大小以及顏色就變了，如兒種丸同時照射，那么看到的是色模糊的像，甚至無法辨認。

如圖形卡15—1與圖15—2中還可看出，在。位置記錄的全息圖，在再現時透射光、原

始光與共掘光在同一方向(原始像與共輒像也在這個方向)，觀察時它們混在一起，因

而稱同軸全息圖，這就是丹尼斯?蓋伯

圖15—2(b)

(DennisGabor)最初的全息圖。而在/處記錄的全息圖，在再現時透射光與原始光、

共枕光的方向各異，在適當的角度觀察就可避免互相干擾，困而稱為離軸全息圖。另外,

全息照相是靠衍射起成像作用的，如把全息波帶片翻拍一次成為正片，其各處光柵取向

間距仍是同樣的，起的衍射作用也不變，因而全息照相無所謂正負片。記錄時條紋對比

度高的地方再現時給出的光也較亮，因此再現的光有強弱，有方向，也就是說重建了波

刖。

任意物體是由許多獨立發光點組成，從物體上出來的光波，用復函數表達比較方便,

為簡單起見，設記錄時到達全息片的物光與參考光的光振動分別為

O(x,y,t)=O(x,y)eiM〕

?(15—3)

式中O(x,y)=,R(x,y)=凡即為復振幅，到達底片的光強為

Z(x,y)=|<9+7?|2=00*+RR*+OR*+RO*

=O；+火:+0/0小歸久'+。。及小編狙。)(15—4)

(為簡明起見括號內x,y均省略了)，經過顯影、定影后，底片上各點振幅透射率關

系為/(xj)=r0+"O+R『，這是對底片作另一種曝光曲線：/一E曲線上線性段的直線

方程(圖15—3)。當用照明光照在全息片上，其后光場的復振幅分布為

N=G=Go+C￡|0+火/P

0.51

O

E

22

=C/o+C/?(|O|+|/?|)+/ro/?*+PCO'R(15—5)

式中第一、第二項為透射光，方向與C相同，強度減弱。第三項為原始光波，第四項為

共甄光波，如照明光即為拍攝時

圖15-3