近代物理实验报告第三次.doc

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1、第三次近代物理实验 PN结正向压降与温度关系研究 全息光学 迈克尔逊干涉仪 PN结正向压降与温度关系研究一、 实验目的1.了解PN结正向压降与正向电流的基本关系，测定PN结特性曲线及玻尔兹曼常数。2.测绘PN结正向压降随温度变化的关系曲线，确定其灵敏度及PN结材料的禁带宽度。3.学会用PN结测量温度的一般方法。二、 实验原理 1.半导体物理学中有PN结正向电流与正向电压满足如下关系： E为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。为反向饱和电流，是一个与PN结材料禁带宽度和温度有关的系数，不睡电压变化而变化。在常温下，于是有： 这就是关系，如果测得关系曲线，则可以求出e/kT，测得温度T后就

2、可以求出玻尔兹曼常数k。 2.PN结禁带宽度的测量 物理学中有如下结论，PN结材料禁带宽度是绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶间的电势差，二极管反向饱和电流有如下关系： r是常数，C是与PN结面积、掺杂浓度有关的常数，取对数后可得： 其中 式中有非线性项，可以证明当温度变化范围不大（-50150）时，引起的误差可以忽略不计。因此在恒流供电条件下，PN结的正向压降主要依赖于线性项。 这一结论仅适用于杂质全部电离，本征激发可以忽略温度区间。如果温度过高或过低，则杂质电离因子减少或本征载流子迅速增加，关系的非线性变化更加严重，这说明特性还与PN结的材料有关。为了消去非线性项的影响，可以令管的两个b

3、e结在不同的电流下供作，得到如下关系： 根据，略去非线性项 可得 ，为摄氏温标与开尔文温标之差，S为正向压降随温度变化灵敏度。三、 实验结果 玻尔兹曼常数k的测量01234561404845005165225245267891011122053053554054554754956230405060708090573581586591595599602 将所得数据绘成下图 再用matlab拟合函数可以得到如下表达式： 即： 注意这里的单位取值 对比 可以得到 温度为26.5， 计算值 标准值 误差 1.75% 误差分析：1.读数不准确，仪器示数跳动 2.拟合时a的误差较大 禁带宽度的测量0102

4、030405021.526.030.635.039.744.06070809010048.452.857.061.565.9将所得数据绘图如下 利用MATLAB拟合结果如下：即得：将上述结果结果代入注意：这里的实际上是负值，故代入时应取 公认值 误差 0.57% 四、思考题 1.是否可以直接测量PN结二极管的电流电压关系来验证？为什么？答：不可以。因为二极管正向电流中不仅含有扩散电流，还有其他成分如耗尽层复 合电流、表面电流等，导致测量不够精确。 2.试验中为何要求测曲线而不是曲线？测和的目的是什 么？答：为常数时，近似为线性关系，用做线性拟合更为精确。测 和是为了根据计算禁带宽 度。 3.测

5、曲线为什么按得变化读取T，而不是按T读取？答：实验中T变化较快，且不容易控制，误差较大。迈克尔逊干涉仪一、 实验目的1、 了解迈克耳孙干涉仪的结构和原理，掌握调节方法；2、 用迈克耳孙干涉仪测量钠光波长和精细结构。二、 仪器用具迈克耳孙干涉仪，钠光灯，透镜等。三、 实验原理 迈克尔逊干涉仪原理如图所示，从光源S发出的一束光摄在分束板G1上，将光束分为两部分：一部分从G1半反射膜处反射，射向平面镜M2；另一部分从G1透射，射向平面镜M1。因G1和全反射平面镜M1、M2均成45角，所以两束光均垂直射到M1、M2上。从M2反射回来的光，透过半反射膜；从M2反射回来的光，为半反射膜反射。二者汇集成一束

6、光，在F处即可观察到干涉条纹。光路中另一平行平板G2与G1平行，其材料厚度与G1完全相同，以补偿两束光的光程差，称为补偿板。 在光路中，M1是M1被G1半反射膜反射所形成的虚像，两束相干光相当于从M1和M2反射而来，迈克尔逊干涉仪产生的干涉条纹如同M2和M1之间的空气膜所产生的干涉条纹一样。 两平面平行我们可以得到等倾干涉，两平面有夹角我们可以得到等厚干涉。若光源是点光源，可以得到非定域干涉。本实验中光程差可用下式表示： 如果两面平行，可得等倾干涉，干涉条纹是一组同心圆环，d增加半个波长则中心“冒出”一个条纹；减少半个波长则“缩进”一个条纹。故有： 精细结构测量： 视见度定义： 实验所用的光源

7、并不是纯单色光源，入射光中包含两种波长和的光波。这时观察到的条纹就是两组干涉条纹的叠加。光程差改变时，两组条纹会错开。当满足时，视见度最低。从某一次视见度最低的位置开始，到下一次视见度最低的位置。光程差为则有： 由此解出： 四、实验数据 钠光波长的测量次数N初读数/mm末读数/mm/mm/nm/nm15030.7513230.736340.01498599.2596.7210030.7342830.704280.03000600.035030.6946930.679920.01477590.8 标准值 误差 1.25% 精细结构测量 误差 0.83% 声光效应的研究一、 实验目的1、 了解声光

8、效应的原理；2、 测量声光器件的衍射效率及对光偏转的研究；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作时间上和空间上的周期性的变化，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。 光被弹性声波衍射有两种类型，频率较高时产生布拉格衍射，频率较低市场，产生Raman-Nath衍射。由于光速大约是声速的倍，在光波通过的时间内介质在空间上的周期变化可看成是固定的。对于布拉格衍射，入射光满足布拉格

9、条件 为声波波长。当声波为行波时，只有+1或-1级衍射光。且衍射效率极高。图3 布喇格衍射对于布拉格衍射，当很小时，衍射光偏转角， 一级衍射效率为 L、H为超声转换器的长和宽，M2是反映声光介质本身性质的常数。 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，记为。对于其他频率的超声波其衍射效率将降低。规定衍射效率（或衍射光的相对光强）下降3db（即衍射效率降到最大值的1/时），两频率间的间隔为声光器件的带宽。 四、实验数据光强与频率 I=100mA频率81.096083.018585.003687.015689.021791.024893.1206光强3.323.714.

10、034.334.544.634.65频率95.122697.028099.0232101.1284103.0218105.1021光强4.544.374.113.763.363.91将数据整理得到下图 图中红色曲线是用拟合后的结果。可以看到实验数据较好的符合 关系。 其中心频率大约为93.0728MHz，带宽大约为105.1023-81.0960=24.0063MHz超声波频率和偏转角频率80.065282.039587.112592.011897.0824偏转角6.26.36.57.07.3频率102.0148107.0020112.0668117.0324122.0018偏转角7.57.8

11、8.18.69.2将数据整理得到：可以看到，偏转角大致呈线性变化。 零级、一级衍射光强与功率4050607080901004.183.663.082.622.181.821.411.041.392.002.623.223.804.18将数据整理 蓝色代表，绿色代表 可以看到，随着功率逐渐增大，零级衍射光强不断减小，一级衍射光强不断增加，最后一级衍射大于零级衍射。液体中超声波声速的测定一、 实验目的（1）学习声光学实验的设计思想及其基本的观测方法。（2）测定超声波在液体中的传播速度。（3）了解超声波的产生方法。二、 仪器用具分光计，超声光栅盒，高频振荡器，数字频率计，纳米灯。三、 实验原理 将某

12、些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。超声波在液体介质中以纵波的形式传播，其声压使液体分子呈现疏密相同的周期性分布，形成所谓疏密波， 如图1a)所示。由于折射率与密度有关，因此液体的折射率也呈周性变化。若用N0表示介质的平均折射率，t时刻折射率的空间分布为式中N是折射率的变化幅度；s是超声波的波角频率；Ks是超声波的波数

13、，它与超声波波长s的关系为Ks=2/s。图1b是某一时刻折射率的分布，这种分布状态将随时以超声波的速度vs向前推进。如果在超声波前进的方向上垂直放置一表面光滑的金属反射器，那么，到达反射器表面的超声波将被反射而沿反向传播。适当调节反射器与波源之间的距离则可获得一共振驻波（纵驻波）。设前进波与反射波分别沿y轴正方向传播，它们的表达式为其合成波为此式就是驻波的表达式。其中表示合成以后液体媒质中各点都在各自的平衡位置附近作同周期的简谐振动，但各点的振动为，即振幅与位置y有关，振幅最大发生在处，对应的（n=0，1，2，3）这些点称为驻波的波幅，波幅处的振幅为2A，相邻波幅间距离为。振幅最小发生在处，其

14、中，这些点称为波节，如图2中a、b、c、d为节点，相邻波节间的距离也为。可见，驻波的波腹与波节的位置是固定的，不随时间变化。对于驻波的任意一点a，在某一时刻t=0时，它两边的质点都涌向节点，使节点附近成为质点密集区；半周期后，节点两边的质点又向左右散开，使波节附近成为稀疏区。在同一时刻，相邻波节附近质点密集和稀疏情况正好相反。与此同时，随着液体密度的周期变化，其折射率也呈周期变化，密度相等处其折射率也相等，这时折射率的空间分布为从式中可以看出，液体中各点的折射率是按正弦规律分布的，当光从垂直于超声波的传播方向透过超声场后，会产生衍射，这一现象如同光栅衍射，所以超声波作用的这一部分介质可看成是一

15、等效光栅，称为超声光栅。光栅常数为两个相邻等密度处的距离，即超声波的波长s。按照超声频率的高低和受声光作用超声场长度的不同，声光作用可分为两种类型：喇曼-奈斯衍射和布喇格衍射。本实验采用喇曼-奈斯衍射，如图3所示。平行光垂直入射光栅时，将产生多级衍射光，且各级衍射极大（即衍射光强度为最大的位置）对称地分布在零级极大位置的两侧。设第k级衍射极大对应的衍射角为k，则有式中为光波波长。超声波在介质中传播的速度为超声光栅实验的原理如图4所示。在超声光栅盒中的压电晶体两端加高频电压，压电晶体在交变电场作用下发生周期性的压缩伸长，即产生机械振动。当外加交变电场频率达到压电晶体的固有频率时，晶体会发生共振现

16、象，这时机械振动的振幅达到最大值。超声波从晶体表面发射经过待测介质（如水）后在超声盒的反射器反射，适当调节压电晶体与反射器之间的距离，在液体中发射波与反射波叠加形成驻波，构成超声光栅。四、 数据记录衍射条纹的衍射角测量 m左游标蓝2203182035802010.131514.8720.40绿22031220403025.51570.5335.26橙12035220323014.51503.4632.81蓝120345203250101514.8620.41右游标蓝223172358020.51477.9257.35绿2231224020251601.9466.67橙12353 2322014

17、.51503.4731.80蓝12345232609.51594.6059.33液体温度（）32.2C=1535.2740.50实验值=1535.27m/s 经验值 =1514.19m/s 误差 1.39%光学全息照相一、 实验目的1. 了解光学全息照相的基本原理和主要特点；2. 学习静态光学全息照相的实验技术；3. 观察和分析全息全图的成像特性。二、 仪器用具全息台、HeNe激光器及电源、分束镜、全反射镜、扩束透镜、曝光定时器、全息感光底版等。三、 基本原理1、 全息照片的拍摄全息照相是利用光的干涉原理将光波的振幅和相位信息同时记录在感光板上的过程.相干光波可以是平面波也可以是球面波，现以平

18、面波为例说明全息照片拍摄的原理。如图1所示，一列波函数为、振幅为a、频率为、波长为的平面单色光波作为参考光垂直入射到感光板上。另一列同频率、波函数为的相干平面单色光波从物体出发，称为物光，以入射角同时入射到感光板上，物光与参考光产生干涉，在感光板上形成的光强分布为 (1)由此可见，在感光板上形成了明暗相间的干涉条纹。条纹的间距为 (2）可见，在感光底板上的光强分布和干涉条纹间距都受光波的振幅和相位所调制。在实际情况中，物光是来自于物体上的漫反射光，其波阵面很复杂，因此，感光底板上的干涉条纹并不是等间距的平行条纹，而是呈现出非常复杂的干涉图样，只是在极小的范围内可近似看作等间距的平行条纹。 全息

19、照片的拍摄光路如图2所示。激光束经分束镜后分成两束，一束光经反射镜M1反射后又经L1扩束均匀地照在被摄物体上，再从物体表面反射到感光底板上，这束光称为物光。同时使另一束光通过反射镜M2反射后又经L2扩束后直接照在感光底板上，这束光称为参考光。当物光和参考光满足相干条件时，在感光底板上形成干涉图样。由于物光的振幅和相位与物体表面各点的分布和漫反射光的性质有关，所以，干涉图样与被摄物体有一一对应的关系，这种把物光波的全部信息都拍摄下来的方法称为全息照相。2物体的再现由于全息照相在感光底板上形成的是干涉图样，所以，观察全息照片时，必须用与原来参考光完全相同的光束去照射，这束光称为再现光。物体的再现的

20、光路原理如图3所示。对于再现光，全息照片相当于是一个透过率不同的复杂“光栅”，而再现过程实际上是干涉图样的衍射过程。再现光经全息照片衍射后的光强分布为其中c为常数。可见，再现光经全息照片衍射后沿三个方向衍射，第一项为再现光沿原来方向的光波，相当于光栅衍射的零级衍射光波。第二、三项相当于光栅衍射的+1、-1级衍射光波。第一项光强没有变化，不储存信息，所以没有使用价值。第二项光波光强与物光的振幅和相位成正比，传播方向与物光的传播方向相同，这时如将被摄物体移开，眼睛迎着物光的传播方向观察全息照片，就能够在被摄物体的原处观察到被摄物体的虚象。第三项光波光强与第二项光波光强共轭。当物光为发散光时，共轭光

21、为会聚光。如果在被摄物体的对称位置上放一接收屏，可再现被摄物体的实象，此实象与被摄物体共轭，称赝象。3全息照相的特点 全息照相是利用光的干涉和衍射原理，而普通照相则是利用光的透镜成象原理。另外，全息照片上的每一点都记录了整个物体的信息，因此，所以全息照片具有可分割的特点。由于全息照片记录了物光的全部信息，所以再现出的物体的象是一个与被摄物体完全相同的三维立体象。四、 实验结果 根据图中数据，可算出物光和参考光夹角 五、 思考题1.为什么要求光路中参考光和物光的光程尽量相等？答：因为激光的相干长度只有2厘米，如果光程差太大，则会导致干涉图样模糊，甚至没有干涉图样，因此，要求光路中参考光和物光的光

22、程尽量相等。2.为什么光学元件安置不牢，将导致拍摄失败？答：光路受外界影响很大，由于曝光时间为数秒，单光学元件不牢时，外界影响如声音将改变光路，从而导致光路图发生改变，进而导致拍摄失败。3.如何判断所观察到的再现物像是实像还是虚像？答：在接收光路中放一接收屏，看屏幕上是否能接收像，如果能，则为实像，否则为虚像。像面全息图一、 实验目的1、 掌握像面全息的记录和再现原理，学会制作像面全息图；2、观察像面全息图的再现像，比较其与普通三维图像的不同之处。二、 实验原理 1.线模糊 线模糊是由再现光源的空间展宽引起的。不同位置的再现光会产生不同位置的像点，导致再现像空间展宽。 分别是再现像和再现光源早

23、全息图表面的距离， 要观察到清晰的像，要求线模糊量小于人眼的分辨极限。从上式可知，和成正比。当为零时，线模糊量为零。因此可以用扩展光源再现全息图。 2.色模糊 色模糊由再现光源的光谱展宽引起，用不同波长的光照射全息图时，将产生不同的像点，导致再现像展宽。 为物点与原点连线与Z轴夹角。为参考光与Z轴夹角，为像点与原点连线与Z轴夹角。 色模糊量大于人眼分辨极限时，再现像就变得模糊了。从上式可知 如果 此时线模糊、色模糊均为零，可以用复色光扩展光源来再现全息图。三、 实验结果 实验总结本次实验以全息照相和像面全息为主。在实验中，对光学实验的精密性有了进一步认识，对于全息成像的要求也有了更深的理解。尤其是参考光与物光光强比，初次实验物光太强，是底片上留下了清晰物象，影响了全息像的观察效果。在实验过程中还拓展性地研究了二次曝光的影响。通过连续两次曝光，将同一物体不同状态的像集中在一张底片上。实验中在金属片后方放置一倾斜物体，使金属片发生轻微形变，最后看到了金属片上有明暗条纹，且接触点周围比较密集。可以断定，该明暗条纹可以反映金属片内部应力的分布情况。