基础物理实验研究性报告晶体的电光效应Crystal electro-optic effect
作学学者:
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2012年5月8日
目录
摘要： (1)
Abstract (1)
一、
实验目的 (1)
二、
实验仪器 (1)
三、
实验原理 (2)
1.电光晶体和泡克耳斯效应 (2)
2.电光调制 (3)
四、
实验步骤 (8)
1.调整光路系统 (8)
2.依据
LiNbo晶体的透过率曲线(即T-V曲线)，选择工作点。测半波电压。
3
(10)
3.用相位补偿法测量晶体快慢轴相位差 (12)
实验数据的记录及处理 (12)
五、
1.原始数据记录 (12)
2.数据处理 (14)
六、
有关实验误差的讨论 (17)
1.输出波形畸变产生原因 (17)
2.实验数据误差产生的原因 (17)
研究性实验 (18)
七、
1.利用李萨如图形特性观察调制器性能 (18)
2.利用电光效应测量双轴晶体的O光折射率 (20)
结语 (21)
八、
九、
参考文献 (22)
摘要：
本文以“晶体的电光效应”实验为主要内容，先介绍了实验的基本原理与实验步骤，进行了数据处理与相对误差分析，然后根据实验结果分析误差产生的原因。根据实电光实验原理，我设计了两个相关实验，并且去实验室验证了它的可行性。
Abstract
Crystal electro-optic effect experiments, first introduced the basic principle of the experiment and experimental procedures, data processing and the relative error analysis, analysis of causes of error are based on the experimental results. According to the principle of the solid electro-optical experiments, I designed two experiments to the laboratory to verify its feasibility.
关键词：电光效应激光调制半波电压
一、
实验目的
掌握晶体电光调制的原理和实验方法；
（1）
（2）
了解电光效应引起的晶体光学性质的变化，观察汇聚偏振光的干涉现象；
（3）
学习晶体半波电压和光电常数的实验方法；
二、
实验仪器
偏振片、扩束镜、铌酸锂电光晶体、光电二极管、光电池、晶体驱动电源、光功率计、1/4玻片、双踪示波器。
1
2
实验原理
三、1.电光晶体和泡克耳斯效应
介质因电场作用而引起折射率变化的现象称为电光效应，介质折射率和电场的关系可表示为：
式中n0是没有外加电场（E=0）时的折射率，a 和b 是常数，其中电场一次项aE 引起的折射率变化称为线性电光效应，由Pokels 于1893年发现，故也称为Pokels 效应；由电场的二次项引起bE 2的折射率变化称为二次电光效应，由Kerr 在1875年发现，也称平方电光电效应Kerr 效应。一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应则可能存在与任何物质中。在无对称中心晶体中，一次应比二次效应显著得多，所以通常讨论线性效应。
晶体的电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应。纵向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体中的传播方向平行时产生的电光效应；横向光电效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体中的传播垂直时产生的电光效应。观察纵向电光
效应最常用的晶体是磷酸二氢钾（KDP ），
而观察横向电光效应则常用铌酸锂
（L i N b O 3）类型的晶体。晶体的坐标轴如
图-1所示。 本是主要研究铌酸锂晶体的一次电光效应，用铌酸锂的横向调制
+++=20bE aE n n
(1)
图- 1
装置测量晶体的半波电压及电光系数，并用两种方法改变调制器的工作点，观察相应的输出特性。
在未加电场之前，铌酸锂是单轴晶体。当线偏振光沿光轴（z轴）方向通过晶体时，不会产生双折射。但是如在铌酸锂晶体的x轴施加电场，晶体将由单轴晶体变为双轴晶体。这时沿z轴传播的偏振光应该按照特定的晶体感应轴X’和Y’进行分解，因为光沿着两个方向偏振的折射率不同（传播速度不同）。类似于双折射中关于o光和e光的偏正态的讨论，由于沿X’和Y’的偏振分量存在相位差，出射光一般将成为椭圆偏振光。由晶体光学可以证明：
n x′=n0?n03r22E x
2, n y′=n0?n03r22E x
2
式中，n0和r22是晶体的o光折射率和电光系数，E x=V/d是方向所加的外电场。
2.电光调制
在无线电通信中，为了把语育、音乐或图像等信息发送出去，总是通过表征电磁波特性的振幅、频率或相位受被传递信号的控制来实现的。这种控制过程称为调制；而接收时，则需要把所要的信息从调制信号中还原出来，这个过程称为解调。
电光调制根据所施加的电场方向的不同，可分为纵向电光调制和横向电光调制。利用纵向电光效应的调制叫纵向电光调制，利用横向电光效应的调制叫横向电光调制。本实验用铌酸锂晶体做横向调制实验。
横向电光调制
（4）
3
4
铌酸锂晶体的横向电光调制过程如图5.7.2所示。图中1是入射激光束；2是起偏器，偏振方向平行于电光晶体的X 轴；3是铌酸锂电光晶体，晶体在X 方向加电场，激光束沿晶体的Z 方向（长度Z ）传播；4是1/4波片，其“快轴’’平行电光晶体的X'方向，“慢轴”平行晶体的Y'方向；5是检偏器，偏振方向平行于y 轴；6代表出射光束。入射光经起偏器后变为振动方向平行于X 轴的线性偏振光，晶体的电光效应可按光矢量的分解与合成来处理。进入晶体时，X 偏振的线偏振光按感应轴X'和Y'分解，它们的振幅和相位相等，电矢量可以分别记为
E x′=A cos wt, E y′=A cos wt
图- 2
为方便计算，用复振幅的表示方法，省去时间的简谐因子e jwt ，这时位于晶体表面（Z=0）的光波表示为：
E x （0）=A,
E y (0)=A 所以入射光的强度
I i ∝|E x (0)|2+|E y (0)|2
=2A 2
当光通过长为l 的电光晶体后，因折射率的不同，x ’和y ’
两分量之
间将产生相位差δ，于是
E x‘(0)=Ae iδ0,E y(0)=Ae i(δ0?δ)通过检偏器出射的光，是该分量在Y轴上的投影之和
（E y）
0=
√2
e?iδ?1）e iδ0）
输出光强
I t∝[（E y）
0?（E y）
?
]=
A2
[(e iδ?1)(e?iδ?1)]=2A2sin2
δ
光强的透过率T为
T=I t
I i
=sin2
δ
2
因为E x=V/d，所以
δ=2π
(n Y′?n x′)l=
2π
n03r22V
l
由此可见，δ与V有关。当电压增加到某一值时，x’、y’方向的偏振光经过晶体后产生λ/2的光程差。相位差δ= π，T=100%，这一电压叫半波电压，通常用Vπ或以Vλ
2
表示。
Vπ是描述晶体电光效应的重要参数。在实验中，这个电压越小越好。因为Vπ小表示较小的调制信号就会有较大的响应；用做快速电光开关时，Vπ小意味着用比较小的电压就可以实现光开关的动作。根据半波电压值，可以估计出控制电光效应所需的电压。由式
Vπ=
λ
2n03r22
（
d
l）
式中，d、l分别为晶体的厚度和长度。由此可见，横向电光效应的半
5
6
波电压与晶体的几何尺寸有关。如果减少电极之间的距离d ，而增加通光方向的长度l ，则同样的晶体横向电光效应的半波电压V π将会下降，而纵向电光效应的半波电压为λ
2n 03r 22，不能靠尺寸调整。
因此，横向效应的电光晶体都加工成
细长的扁长方体。
因为δ=πV
V π，V =V 0+V m sin wt （V 0是直流偏压, V m sin wt 是交流调
制信号，V m 是调制信号的振幅，ω是
调制的角频率），则：
T =sin 2
π2V πV =sin 2
π2V π(V 0 +V m sin wt) 由此可以看出，改变V 0或V m ，输出特性将相应发生变化。对单色光，πn 03r 22λ又为常数，因而T 将随晶体上所加的电压变化，如图-3所示，T 与V 的关系是非线性的。如果工作点V 0选择不当，刚会使输出 信号发生畸变；但在V π/2附近有一近似直线的部分，
这一直线部分称为线性工作区。不难看出，当V=V π/2时，δ=π2，T=50%。 直流偏压对输出特性的影响
（5）①当V=V π/2时，工作点落在线性工作区中部，此时，可获得
较高效率的线性调制。
图-3.PA
正交时正弦信号的电光调
7
?????????? ??+=??
???????? ??+-=??
???????? ??+=t V V t V V t V V T m m m ωπωππωπππππsin sin 121sin 2cos 121sin 24sin 2
当V m ?V π时
T ≈1（1+πV m π
sin wt ） 即T ≈V m sin wt 。这时，调制器输出的波形和调制信号的频率相同，即线性调制。
②当V 0=0，V m ?V π时
T ≈1(πV m π
)2
（1?cos 2wt ） 即T ∝cos 2wt 。这时，调制器输出的波形是调制信号频率的两倍，即产生“倍频”失真。
当V 0=V π，V m ?V π时，类似的可得
T ≈1?18(πV m V π
)2
（1?cos 2wt ） 仍将看到“倍频”失真现象。流偏压V 0在0 V 附近或变化时，由于工作点不在线性工作区，故输出波形将失真。
③当V 0=V π/2且V m >V π/2时，调制器的工作点虽然选定在线性
工作区的中心但不满足小信号调制的要求，此时的透射率函数
为
T=1
2
(1+
πV m
Vπ
sin wt)=2[J1
πV m
Vπ
sin wt+J2
πV m
Vπ
sin2wt+J3
πV m
Vπ
sin3wt]
可以看出，输出的光束包括交流的基波，还有奇次谐波。由于调制信号的振幅较大，奇次谐波不能忽略，因此，这时虽然工作点选定在线性区，输出波形仍然失真。
实验步骤
四、
1.调整光路系统
1.调节三角导轨底角螺丝，使其稳定于调节台上。在导轨上放置好半导体光源部分滑块，将小孔光栏置于导轨上，在整个导轨上拉动滑块，近场远场都保证整个光路基本处于一条直线，即使光束通过小孔。
放上起偏振器，使其表面与激光束垂直，且使光束在元件中心穿过。再放上检偏器，使其表面也与激光束垂直，转动检偏器，使其与起偏器正交，即，使检偏器的主截面与起偏器的主截面垂直，这时光点消失，即所谓的消光状态。
2.将铌酸锂晶体置于导轨上，调节晶体使其x轴在铅直方向，使其通光表面垂直于激光束（这时晶体的光轴与入射方向平行，呈正入射），这时观察晶体前后表面查看光束是否在晶体中心，若没有，则精细调节晶体的二维调整架，保证使光束都通过晶体，且从晶体出来的反射像与半导体的出射光束重合。
3.拿掉四分之一波片，在晶体盒前端插入毛玻璃片，检偏器后
8
9
放上像屏。光强调到最大，此时晶体偏压为零。这时可观察到晶体的单轴锥光干涉图，即一个清楚的暗十字线，它将整个光场分成均匀的四瓣，如果不均匀可调节晶体上的调整架。如图-4所示
4.旋转起偏器和检偏器，使其两个相互平行，此时所出现的单轴锥光图与偏振片垂直时是互补的。如图-5所示
图-4 图-5
6.晶体加上偏压时呈现双轴锥光干涉图，说明单轴晶体在电场作用下变成双轴晶体，即电致双折射。如图-6所示
7.改变晶体所加偏压极性，锥光图旋转90度。如图-7所示
图-6 图-7
8 只改变偏压大小时，干涉图形不旋转，只是双曲线分开的距离发生变化。这一现象说明，外加电场只改变感应主轴方向的主折射率的大小、折射率椭球旋转的角度和电场大小无关。
2.依据
3
LiNbo晶体的透过率曲线(即T-V曲线)，选择工作点。测半波电压。
1．极值法
晶体上只加直流电压，不加交流信号，并把直流偏压从小到大逐渐改变时，示波器上可看到输出光强出现极小值和极大值。
具体做法：取出毛玻璃，撤走白屏，接收器对准出光点，加在晶体上的电压从零开始，逐渐增大这时可看到示波器上光强极大和极小有一明显起落，直流偏压值由电源面板上的三位半数字表上读出。先
测对应于V
>0时，当光强最大时，测一组最大值，然后改变极性，最大时再测一组数据，两个极大之间对应的电压之和就是半波电压的两倍，多次测量取平均值，可以减少误差。
2．调制法
晶体上直流电压和交流正弦信号同时加上，当直流电压调到输出光强出现极小值或极大值对应时，输出的交流信号出现倍频失真，通过示波器可看出。出现相邻倍频失真对应的直流电压之差就是半波电压。
具体做法是：把电源前面板上的调制信号“输出”接到双踪示波器
的y
1上，经放大后的调制器的输出信号接到示波器的y
2
上，把y
1,
y
2
上
的信号做比较，将检偏器旋转90度，当晶体上加的直流电压缓慢增加到半波电压时，输出出现倍频失真；改变晶体上电压的极性后，电压加到半波电压时，又出现倍频失真，相继两次出现倍频失真时对应的
10
直流电压值之差就是半波电压。这种方法比极值法更精确，因为用极
值法测半波电压时，视觉很难准确的定位极大和极小值，因而误差较大。
3．改变直流偏压，选择不同的工作点，观察正弦波电压的调制特性。
电源面板上的信号选择琴键开关可以提供三种不同的调制信号，按下“正弦”键，机内单一频率的正弦波振荡器工作，此信号经放大后，加到晶体上。同时，通过面板上的“输出”孔，输出此信号，把它接到
双踪示波器的y
1
上，作为参考信号。改变直流偏压，使调制器工作在
不同的状态，把被调制信号经光电转换，放大后接到双踪示波器y
2
上，
和y
1上的参考信号比较。工作点选定在曲线的直线部分，即
2
V V
π
=附
近时线性调制；工作点选在曲线的极小值（或极大值）附近时，输出信号“倍频”失真；工作点选定在极小值（或极大值）附近时输出信号失真，观察时调制信号幅度不能太大，否则调制信号本身失真，输出信号的失真无法判断有什么原因引起，把观察到的波形描下来，并和前面的理论分析做比较。做这步实验时把电源上的调制幅度、调制器上的输入光强、放大器的输出、示波器的增益(或衰减)这四部分调好，才能观察到很好的输出波形。
4．用14波片来改变工作点，观察输出特性。
在上述实验中，去掉晶体上加的直流偏压，把14波片置入晶体和偏振片之间，绕光轴缓慢旋转时，可以看到输出波形随着发生变化。
11
当波片的快慢轴平行于晶体的感应轴方向时，输出光线性调制；当波片的快慢轴分别平行于晶体的x,y轴时，输出光失真，出现“倍频”失真。因此，把波片旋转一周时，出现四次线性调制和四次“倍频”失真。
实验证明，通过晶体上加直流偏压可以改变调制器的工作点，也可以用14波片选择工作点，其效果是一样的，但两种方法的机理是不同的。
3.用相位补偿法测量晶体快慢轴相位差
利用本实验装置测量云母片（1/4玻片）快慢轴间的相位差。
实验数据的记录及处理
五、
1.原始数据记录
○1改变直流偏压，选择不同工作点，观察正弦波调制特性
a.波形失真最小
b.波形振幅最大
c.“倍频”失真点
12
13
V=275v V=472v V=825v
○
2用1/4玻片改变工作点，观察输出特性a.波形失真最小
b.波形振幅最大
c.“倍频”失真点 φ1=36 °
φ1=26 °φ1=52 °φ2=159 °φ2=96 °φ2=136 °
○
3用1/4玻片改变工作点，固定1/4玻片转角，改变直流偏压，观察两次连续“倍频”现象
V 1=200V
V 2=960V 用相位补偿法测量晶体快慢轴相位差
（3）○
1试验方法在实验中，选择一固定电压，把1/4波片置入晶体和偏振片之
间，绕光轴缓慢旋转时，可以看到输出信号随着发生变化，完成实验旋转1/4玻片一周，观察示波器中出现“倍频”失真现象的次数。每出现一次则说明相位差改变了π/2。
○
2实验现象旋转1/4
玻片一周，观察到两次“倍频”失真，两次波形失真度
最小。
2.数据处理
（1）
电光调制器T-V工作曲线的测量
○1W-V曲线
○2T-V曲线
14
由图可知：
当V=70 v时，输出功率最小；当V=730 v时，输出功率最大。所以，Vπ=730?70=600 V
由公式r22=λ
2n03Vπ（d
l
）得
r22=632.8×10?9m
2×(2.286)3×660×5×10?3
30×10?3
=6.09×10?12 m/v
又因为V
π理=700v，所以r
22理
=6.31×10?12 m/v
则相对误差：
E=|r22?r
22理
|
22理
×102=6.0%
动态法观察调制器性能
（2）
○1改变直流偏压，选择不同的工作点，观察正弦波电压的调制特性
○2同一电压，用1/4玻片改变工作点，观察输出特性
倍频失真点：V=875v , ?φ=84°
波形振幅最大：V=472v, ?φ=70°
15
16
波形失真最小：V =275v , ?φ=123°
规律：在同一电压下，用1/4玻片改变工作点，1/4玻片的转角约为90°，因为1/4玻片快慢轴分别平行于晶体的x 、y 轴时，出现“倍频”失真，即每旋90°，出现一次“倍频”失真。
○
31/4玻片不动，改变工作电压，观察两次“倍频”失真V π=(960?720)v =760v
由公式r 22=
λ2n 03V π（d l ）得 r 22=632.8×10?9m 2×(2.286)3×760×5×10?330×10?3=5.81×10?12 m/v 则相对误差：
E =|r 22?r 22理|
22理×102=7.9%
用相位补偿法测量晶体快慢轴相位差
（3）旋转1/4玻片一周，观察到两次“倍频”失真，两次线性调制。 因为加入1/4玻片后：
T =sin 2
(δ2+πV m 2V πsin wt)=sin 2?π2V π(2V πδπ+V m sin wt)? 所以对比公式
T =sin 2
ππV =sin 2ππ(V 0+V m sin wt) 可知2V πδπ=V 0
从“倍频”失真到线性调制的过程中，1/4玻片旋转了90°，即相应的“V 0”改变了V
m 2。所以
2Vπδ
=Vπ
=? δ=
π
所以，云母片（1/4）快慢轴间的相位差为π/2。
有关实验误差的讨论
六、
1.输出波形畸变产生原因
根据理论计算，当V=0时，T应当为极小值（T=0），然而从实验测量出的T-V图中可以发现，当V=o时，
T不为零，且极小值也不出现在V=0处，对此我们可以归纳出以下几种可能原因：
○1光路调节存在缺陷，没有严格的与导轨平行，使光严格没有垂直入射。所以，有一部分光线透过，使曲线右移。
○2由于在调试前后两个偏振片过程中，难以保证其起偏方向完全垂直，这就导致了极小值点偏离V=0点。
○3由于工艺上的原因，前后两个偏振片即使在完全垂直的情况下，也不可能完全消光，总会有光线透过，因此，极小值点之值大于零。
○4晶体自身生长不均匀，入射光通过时光路改变造成零值点右移。
2.实验数据误差产生的原因
○1光路调节不好，偏振片偏正方向在正交时消光不完全，使实验结果产生误差；
17
○2仪器引起的误差。如电压源输出电压不稳定，在实验过程中（个人，不知道是不是普遍现象），在不受控制的情况下，有不断退回的情况（有一次从620v一直退回到100v，并且还有退回的趋势）。在电压退回后，调节电压到原电压值，所测得的功率值较退回前明显偏低，造成实验误差。
○3测量误差。在动态法观测调制器调制特性试验中，最小失真点、振幅最大点、倍频失真点的测量存在一个波动范围，造成测量误差。
七、
研究性实验
1.利用李萨如图形特性观察调制器性能
（1）实验目的
○1.利用李萨如图形的频率特性观察激光调制实验的线性调制和“倍频”失真现象，并测定与之相对应的静态工作电压。
○2熟悉模拟示波器的使用
（2）实验设备
与电光效应实验设备相同
（3）实验原理
利用李萨如图形的特性，观察激光调制试验中线性调制和“倍频”失真的实验现象与变化过程。
根据李萨如图形的特性可知，当x轴和y轴信号的频率呈整数比时，则合成运动有稳定的闭合轨道。
在激光调制过程中，线性调制时，y轴频率与调制信号频率之比
18
应物31 吕博成学号：10
塞曼效应 1896年，荷兰物理学家塞曼（）在实验中发现，当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条光谱线会分裂成几条光谱线，分裂的条数随能级类别的不同而不同，且分裂的谱线是偏振光。这种效应被称为塞曼效应。 需要首先指出的是，由于实验先后以及实验条件的缘故，我们把分裂成三条谱线，裂距按波数计算正好等于一个洛伦兹单位的现象叫做正常塞曼效应（洛伦兹单位 mc eB L π4=）。而实际上大多数谱线的塞曼分裂谱线多于三条，谱线的裂距可以大于也可 以小于一个洛伦兹单位，人们称这类现象为反常塞曼效应。反常塞曼效应是电子自旋假设的有力证据之一。通过进一步研究塞曼效应，我们可以从中得到有关能级分裂的数据，如通过能级分裂的条数可以知道能级的J 值；通过能级的裂距可以知道g 因子。 塞曼效应至今仍然是研究原子能级结构的重要方法之一，通过它可以精确测定电子的荷质比。 一．实验目的 1.学习观察塞曼效应的方法观察汞灯发出谱线的塞曼分裂； 2.观察分裂谱线的偏振情况以及裂距与磁场强度的关系； 3.利用塞曼分裂的裂距，计算电子的荷质比e m e 数值。 二．实验原理 1、谱线在磁场中的能级分裂 设原子在无外磁场时的某个能级的能量为0E ，相应的总角动量量子数、轨道量子数、自旋量子数分别为S L J 、、。当原子处于磁感应强度为B 的外磁场中时，这一原子能级将分裂为12+J 层。各层能量为 B Mg E E B μ+=0 （1） 其中M 为磁量子数，它的取值为J ，1-J ，...，J -共12+J 个；g 为朗德因子；B μ为玻尔磁矩（m hc B πμ4= ）；B 为磁感应强度。 对于S L -耦合 ） （） （）（）（121111++++-++ =J J S S L L J J g （2） 假设在无外磁场时，光源某条光谱线的波数为 ）（010201~E E hc -=γ （3） 式中 h 为普朗克常数；c 为光速。
液晶电光效应实验报告 【实验目的】 1．在掌握液晶光开关的基本工作原理的基础上，测量液晶光开关的电光特性曲线，并由电光特性曲线得到液晶的阈值电压和关断电压。 2．测量驱动电压周期变化时，液晶光开关的时间响应曲线，并由时间响应曲线得到液晶的上升时间和下降时间。 3．测量由液晶光开关矩阵所构成的液晶显示器的视角特性以及在不同视角下的对比度，了解液晶光开关的工作条件。 4．了解液晶光开关构成图像矩阵的方法，学习和掌握这种矩阵所组成的液晶显示器构成文字和图形的显示模式，从而了解一般液晶显示器件的工作原理。 【实验仪器】 液晶电光效应实验仪一台，液晶片一块 【实验原理】 1．液晶光开关的工作原理 液晶的种类很多，仅以常用的TN型液晶为例，说明其工作原理。 TN型光开关的结构：在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶，液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度在十几埃，直径为4～6埃，液晶层厚度一般为5-8微米。玻璃板的内表面涂有透明电极，电极的表面预先作了定向处理，这样，液晶分子在透明电极表面就会
躺倒在摩擦所形成的微沟槽里；电极表面的液晶分子按一定方向排列，且上下电极上的定向方向相互垂直。上下电极之间的那些液晶分子因般为1～2伏)，在静电场的作用下，除了基片附近的液晶分子被基片“锚定”以外，其他液晶分子趋于平行于电场方向排列。于是原来的扭曲结构被破坏，成了均匀结构。从P1透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中传播时不再旋转，保持原来的偏振方向到达下电极。这时光的偏振方向与P2正交，因而光被关断。 由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过，加上电场的时候光被关断，因此叫做常通型光开关，又叫做常白模式。若P1和P2的透光轴相互平行，则构成常黑模式。 液晶可分为热致液晶与溶致液晶。热致液晶在一定的温度定变化。 2．液晶光开关的电光特性 对于常白模式的液晶，其透射率随外加电压的升高而逐渐降低，在一定电压下达到最低点，此后略有变化。可以根据此电光特性曲线图得出液晶的阈值电压和关断电压。 3．液晶光开关的时间响应特性 加上驱动电压能使液晶的开关状态发生改变，是因为液晶的分子排序发生了改变，这种重新排序需要一定时间，反映在时间响应曲线上，用上升时间τr和下降时间τd描述。给液晶开关加上一个周期性变化的电压，就可以得到液晶的时间响应曲线，上升时间和下降时间。上升时间：透过率由10%升到90%所需时间；下降时间：透过率由90%降到10%所需时间。液晶的响应时间越短，显示动态图像的效果
南昌大学物理实验报告 学生姓名：黄晨学号：5502211059 专业班级：应用物理学111班班级编号：S008实验时间：13时00 分第3周星期三座位号：07 教师编号：T003成绩： 光电效应 一、实验目的 1、研究光电管的伏安特性及光电特性；验证光电效应第一定律； 2、了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解； 3、验证爱因斯坦方程，并测定普朗克常量。 二、实验仪器 普朗克常量测定仪 三、实验原理 当一定频率的光照射到某些金属表面上时，有电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应，从金属表面逸出的电子叫光电子。实验示意图如下 图中A,K组成抽成真空的光电管，A为阳极，K为阴极。当一定频率v的光射到金属材料做成的阴极K上，就有光电子逸出金属。若在A、K两端加上电压后光电子将由K定向的运动到A，在回路中形成电流I。 当金属中的电子吸收一个频率为v的光子时，便会获得这个光子的全部能量，如果这些能量大于电子摆脱金属表面的溢出功W，电子就会从金属中溢出。按照能量守恒原理有
南昌大学物理实验报告 学生姓名：黄晨学号：5502211059 专业班级：应用物理111 班级编号：S008实验时间：13 时00分第03周星期三座位号：07 教师编号：T003成绩：此式称为爱因斯坦方程，式中h为普朗克常数，v为入射光频。v存在截止频率，是的 吸收的光子的能量恰好用于抵消电子逸出功而没有多余的动能，只有当入射光的频率大于截止频率时，才能产生光电流。不同金属有不同逸出功，就有不同的截止频率。 1、光电效应的基本实验规律 （1）伏安特性曲线 当光强一定时，光电流随着极间电压的增大而增大，并趋于一个饱和值。 （2）遏制电压及普朗克常数的测量 当极间电压为零时，光电流并不等于零，这是因为电子从阴极溢出时还具有初动能，只有加上适当的反电压时，光电流才等于零。
北京航空航天大学物理研究性实验报告 分光仪的调整及其应用 第一作者：所在院系：就读专业：第二作者：所在院系：就读专业：
目录 目录 一.报告简介 (1) 二.实验原理 (1) 实验一.分光仪的调整 (1) 实验二.三棱镜顶角的测量 (3) 实验三.最小偏向角法测棱镜折射率 (1) 二．实验仪器 (1) 三.实验主要步骤 (2) 实验1.分光仪的调整 (2) 1.调整方法 (2) 2.要求 (4) 实验2.三棱镜顶角的测量 (4) 1.调整要求 (4) 2.实验操作 (5) 实验3.棱镜折射率的测定（最小偏向角法） (6) 四.实验数据记录 (6) 五.数据处理 (7) 实验2.反射法测三棱镜顶角 (7) 实验3.最小偏向角法测棱镜折射率 (7) 六.误差分析 (8) 七.分析总结 (8) 八.实验改进 (9) 九.实验感想 (10) 十.参考文献及图片附件： (11)
一.报告简介 本报告以分光仪的调整、三棱镜顶角和其折射率的测量为主要内容，先介绍了实验的基本原理与过程，而后进行了数据处理与不确定度计算。并以实验数据对误差的来源进行了分析。同时还给出了调节分光仪的经验总结与方法，并对现有实验仪器和试验方法提出了改进的意见。 二.实验原理 实验一.分光仪的调整 分光仪的结构因型号不同各有差别，但基本原理是相同的，一般都由底座、刻度读数盘、自准直望远镜、平行光管、载物平台5部分组成。 1-狭缝套筒；2-狭缝套筒紧固螺钉；3-平行光管；4-制动架；5-载物台；6-载物台调平螺钉；7-载物台锁紧螺钉；8-望远镜；9-望远镜锁紧螺钉；10-阿贝式自准直目镜；11-目镜；12-仰角螺钉；13-望远镜光轴水平螺钉；14-支臂；15-望远镜转角微调螺钉；16-读数刻度盘止动螺钉；17-制动架；18-望远镜止动螺钉；19底座；20-转座；21-
【数据处理】 表1 水平方向电压-透射率数据表 由上表数据画出液晶开关的电光特征曲线如下图:
由上图截取90％和10％分别得到可知液晶的阈值电压为1.00V，关断电压为1.51V 由上表数据画出液晶开关的电光特征曲线如下图:
由上图可知截取90％和10％分别得到阈值电压为0.94V,关断电压为1.44V。 图像分析： 水平方向和垂直方向图像基本走向是相同的，在0.00v~0.90v之间基本保持不变，在0.90v~1.8v之间变化很快，最后达到2.0v后基本不变达到饱和状态，透射率变为0。 但是我们可以从图像中看出，两种方法放置时他们的阀值电压和关断电压都略有区别，我们可以看出水平放置时阀值电压和关断电压都大于垂直放置的，饱和电压也有一定的区别。 2．根据光开关电光响应曲线得出液晶上升时间Δt1和下降时间Δt2。 由数字示波器得出上升时间和下降时间分别为50.0ms和
31ms。 【思考与讨论】 1．试说明液晶光开关的工作原理。 答：如图所示，在未施加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片P1后只剩下平行于透光轴的线偏振光，该线偏振光到达输出面时期偏振面旋转了90度。这时光偏振面与P2的透光轴平行，因而有光通过。 再施加足够的电压情况下（一般1~2V），在静电场的吸引下除了基片附近的液晶分子被基片“锚定”以外，其他液晶分子趋于平行于电场方向排列，于是，原来的扭曲结构被破坏，成了均匀结构，如图右图所示。从P1透射出来的偏振光的偏振方向在液晶传播时不再旋转，保持原来的偏振方向传播下去，到达下一个电极，这时光的偏振方向与P2正交，因而光被关断。 2．如何调节激光接收装置，使得准直激光垂直入射到液晶屏上？答：检查在静态0v供电电压条件下，透过率显示是否为100%。和未放屏幕时
光电效应和普朗克常量的测定 创建人：系统管理员总分：100 实验目的 了解光电效应的基本规律，学会用光电效应法测普朗克常量；测定并画出光电管的光电特性曲线。 实验仪器 水银灯、滤光片、遮光片、光电管、光电效应参数测试仪。 实验原理 光电效应： 当光照射在物体上时，光子的能量一部分以热的形式被物体吸收，另一部分则转换为物体中一些电子的能量，是部分电子逃逸出物体表面。这种现象称为光电效应。爱因斯坦曾凭借其对光电效应的研究获得诺贝尔奖。在光电效应现象中，光展示其粒子性。 光电效应装置： S为真空光电管。内有电极板，A、K极板分别为阳极和阴极。G为检流计（或灵敏电流表）。无光照时，光电管内部断路，G中没有电流通过。U为电压表，测量光电管端电压。 由于光电管相当于阻值很大的“电阻”，与其相比之下检流计的内阻基本忽略。故检流计采用“内接法”。 用一波长较短（光子能量较大）的单色光束照射阴极板，会逸出光电子。在电源产生的加速电场作用下向A级定向移动，形成光电流。显然，如按照图中连接方式，U越大时，光电流
I 势必越大。于是，我们可以作出光电管的伏安特性曲线，U=I 曲线关系大致如下图： 随着U 的增大，I 逐渐增加到饱和电流值IH 。 另一方面，随着U 的反向增大，当增大到一个遏制电位差Ua 时，I 恰好为零。此时电子的动能在到达A 板时恰好耗尽。 光电子在从阴极逸出时具有初动能2 2 1mv ，当U=Ua 时，此初动能恰好等于其克服电场力所做的功。即： ||2 12 a U e mv = 根据爱因斯坦的假设，每粒光子有能量hv =ε。式中h 为普朗克常量，v 为入射光波频率。 物体表面的电子吸收了这个能量后，一部分消耗在克服物体固有的逸出功A 上，另一部分则转化为电子的动能，让其能够离开物体表面，成为光电子。 于是我们得到爱因斯坦的光电效应方程：A m hv += 2 v 2 1 由此可知，光电子的初动能与入射光频率成线性关系，而与光强度无关。（光强度只对单位时间内逸出物体表面的光电子的个数产生影响） 光电效应的光电阈值： 红限：当入射光频率v 低于某一值0v 时，无论用多强的光照都不会发生光电效应。由光电效应方程易得这个频率h A v /0=，称为红限。 测量普朗克常量的方法： 用光波频率为的单色光照射阴极板，测量其遏制电位差Ua 。 于是有： A U e hv a +=|| 所以： e A v -= e h |U |a 这表明了截止电压|U |a 和光波频率v 成正比。 实验中获得单色光的方法： 使用水银灯发出稳定白光作为光源，再使用不同颜色的滤光片罩在光电管的入光口以得到相应颜色的单色光，还可以使用不同透光度的遮光片罩在水银灯的出光口以得到不同强度的
第0页 本人声明 我声明，本论文为本人独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 3903·2415 高等工程学院 李柏
第1页 晶体的电光效应的深入剖析 第一作者：李柏（自主独立完成） 摘要 本文基于作者在认真做过实验并对内容的深刻理解，旨在对该实验从原理到操作流程以及实验数据处理进行更加深入的剖析。 在正文的第一部分，本文从一名大二本科生的角度对实验原理进行了系统地重新表述，查阅资料并补充了部分《大学物理·光学》的必要知识（例如1/4玻片、单轴晶体的定义）力求让下一届的学生们能彻底理解原理部分，部分素材也可适当补充进新版的《物理实验》课本中。 在第二部分，本文细致地描述了实验操作的各个流程，从等高共轴的调节方法开始，给出了有理有据的调节方法，可以作为今后教师指导学生的基本判据。 在第三部分，本文重新安排了数据处理，采用了更加翔实的原始数据，但必须指出本文的缺陷：依然未能定量地得出产生误差的原因。 在第四部分，包含作者对试验中一些现象的理论层面的深入剖析，以及实验感想、建议等等。 最后的最后，是完成本文参阅资料的声明。 关键词：晶体电光效应电光调制大学物理实验论文测量半波电压
第2页 第一章：实验原理的重新表述 1.1电光效应与一次电光效应 晶体在外电场作用下折射率会产生变化，这种现象称为电光效应。这种效应由于n 随电场变化而变化时间极短，甚至能跟得上1010Hz的电场变化频率，故可制成响应迅速的各种光电设备（例如斩波器、激光测距仪）。仅仅在同一教室内的光纤陀螺寻北的陀螺仪中就有电光效应制成的元件，可见电光效应的广泛应用。 电场引起折射率变化可表示为n - n0 = aE0 + bE02+…… 由一次项aE0 引起的变化称为一次电光效应，也称泡耳克斯效应。一次效应又区分纵横方向，以加载电场的取向决定。本实验研究铌酸锂晶体的一次纵向电光效应。 光在晶体中传播时，在不平行于光轴方向上，由于e光和o光传播速度不同，而出现两个不同折射率的光的像，这种现象叫做双折射现象（图1-1）。只有一个光轴的晶体就叫单轴晶体，铌酸锂原本是单轴晶体，但晶体外加电场后，将变成双轴晶体，导致与双折射类似的结果，出射光可能为椭圆偏振光。 图1-1 双折射原理示意图 1.2电光调制 在无线电通信中，为了传递信息，总是通过表征电磁波特性的正弦波性质受传递信号控制来实现，这种控制过程被称作调制。接收时，逆过程则称为解调。本实验采用强
塞曼效应实验报告 一、实验目的与实验仪器 1. 实验目的 （1）学习观察塞曼效应的方法，通过塞曼效应测量磁感应强度的大小。 （2）学习一种测量电子荷质比的方法。 2.实验仪器 笔形汞灯+电磁铁装置，聚光透镜，偏振片，546nm滤光片，F-P标准具，标准具间距（d=2mm），成像物镜与测微目镜组合而成的测量望远镜。 二、实验原理 （要求与提示：限400字以内，实验原理图须用手绘后贴图的方式） 1.塞曼效应 （1）原子磁矩和角动量关系 用角动量来描述电子的轨道运动和自旋运动，原子中各电子轨道运动角动量的矢量和即原子的轨道角动量L，考虑L-S耦合（轨道-自旋耦合），原子的角动量J =L +S。量子力学理论给出各磁矩与角动量的关系： L = - L，L = S = - S，S = 由上式可知，原子总磁矩和总角动量不共线。则原子总磁矩在总角动量方向上的分量 为： J = g J，J = J L为表示原子的轨道角量子数，取值：0，1，2… S为原子的自旋角量子数，取值：0,1/2,1,3/2，2,5/2… J为原子的总角量子数，取值：0,1/2,1,3/2… 式中，g=1+为朗德因子。 （2）原子在外磁场中的能级分裂 外磁场存在时，与角动量平行的磁矩分量J与磁场有相互作用，与角动量垂直的磁矩分量与磁场无相互作用。由于角动量的取向是量子化的，J在任意方向的投影(如z方向)为： = M，M=-J,-(J-1),-(J-2),…,J-2,J-1,J 因此，原子磁矩也是量子化的，在任意方向的投影(如z方向)为： =-Mg 式中，玻尔磁子μB =，M为磁量子数。
具有磁矩为J的原子，在外磁场中具有的势能（原子在外磁场中获得的附加能量）： ΔE = -J·=Mg B 则根据M的取值规律，磁矩在空间有几个量子化取值，则在外场中每一个能级都分裂为等间隔的（2J+1）个塞曼子能级。原子发光过程中，原来两能级之间电子跃迁产生的一条光谱线也分裂成几条光谱线。这个现象叫塞曼效应。 2.塞曼子能级跃迁选择定则 （1）选择定则 未加磁场前，能级E2和E1之间跃迁光谱满足： hν = E2 - E1 加上磁场后，新谱线频率与能级之间关系满足： hν’= (E2+ΔE2) – (E1+ΔE1) 则频率差：hΔν= ΔE2-ΔE1= M2g2 B -M1g1B= (M2g2- M1g1)B 跃迁选择定则必须满足： ΔM = 0，±1 （2）偏振定则 当△M=0时，产生π线，为振动方向平行于磁场的线偏振光，可在垂直磁场方向看到。 当△M=±1时，产生σ谱线，为圆偏振光。迎着磁场方向观察时，△M=1的σ线为左旋圆偏振光，△M=-1的σ线为右旋圆偏振光。在垂直于磁场方向观察σ线时，为振动方向垂直于磁场的线偏振光。 3. 能级3S13P2 L01 S11 J12 g23/2 M10-1210-1-2 Mg20-233/20-3/2-3汞原子的绿光谱线波长为，是由高能级{6s7s}S1到低能级{6s6p}P2能级之间的跃迁，其上下能级有关的量子数值列在表1。3S1、3P2表示汞的原子态，S、P分别表示原子轨道量子数L=0和1，左上角数字由自旋量子数S决定，为（2S+1）,右下角数字表示原子的总角动量量子数J。 在外磁场中能级分裂如图所示。外磁场为0时，只有的一条谱线。在外场的作用下，上能级分裂为3条，下能级分裂为5条。在外磁场中，跃迁的选择定则对磁量子数M的要求为：△M=0，±1，因此，原先的一条谱线，在外磁场中分裂为9条谱线。 9条谱线的偏振态，量子力学理论可以给出：在垂直于磁场方向观察，9条分裂谱线的强度(以中心谱线的强度为100)随频率增加分别为，，75，75，100，75，75，，. 标准具 本实验通过干涉装置进行塞曼效应的观察。我们选择法布里-珀罗标准具(F-P标准具)作为干涉元件。F-P标准具基本组成：两块平行玻璃板，在两板相对的表面镀有较高反射率的薄膜。 多光束干涉条纹的形成
光电效应测普朗克常量 姓名：梁智健 学院：材料成型及控制工程166班 学号：5901216163 台号：22 时间：2017-10-16 实验教室：309 【实验目的】 1、验证爱因斯坦光电效应方程，并测定普朗克常量h。 2、了解光电效应规律，加深对光的量子性的理解。 3、学会用作图法处理数据。 4、研究光电管的伏安特性及光电特性。 【实验仪器】 1.光电效应测定仪 2.光电管暗箱 3.汞灯灯箱以及汞灯电源箱。 【实验原理】 1、当光照射在物体上时，光的能量只有部分以热的形式被 物体所吸收，而另一部分则转换 为物体中某些电子的能量，使这 些电子逸出物体表面，这种现象 称为光电效应。在光电效应这一 现象中，光显示出它的粒子性， 所以深入观察光电效应现象，对 认识光的本性具有极其重要的意 义。普朗克常数h是1900年普朗克 为了解决黑体辐射能量分布时提 出的“能量子”假设中的一个普
适常数，是基本作用量子，也是粗略地判断一个物理体系是否需要用量子力学来描述的依据。 1905年爱因斯坦为了解释光电效应现象，提出了“光量子”假设，即频率为v 的光子其能量为h v ?。当电子吸收了光子能量h v ?之后，一部分消耗与电子的逸出功W ，另一部分转换为电子的动能212 m v ?，即爱因斯坦光电效应方程 212m hv mv W =+(1) 2、光电效应的实验示意图如图1所示，图中GD 是光电管， K 是光电管阴极，A 为光电管阳 极，G 为微电流计，V 为电压表， E 为电源，R 为滑线变阻器，调 节R 可以得到实验所需要的加 速电位差AK U 。不同的电压AK U ，回路中有不同的电流I 与之对 应，则可以描绘出如图2所示的 AK U -I 伏安特性曲线。 （1）饱和电流的强度与光强成 正比 加速电压AK U 越大，电流I 越大，当AK U 增加到一定值后，电流达到最大值H I ，H I 称为饱和电流，而且H I 的大小只与光强成正比。 （2）遏制电压的大小与照射光的频率成正比 如图3所示，电源E 反向连接，即当加速电压AK U 变为负值时，电流I 会迅速较少，当加速电压AK U 负到一定值Ua 时，电流0I =，这个电压Ua 叫做遏制电压，4所示。 212 a mv e U =?(2)
北航基础物理研究性报告讲解
北航基础物理实验研究性报告1051 电位差计及其应用 140221班 2015-12-13 第一作者:邓旭锋14021014 第二作者:吴聪14021011
目录 1.引言 (4) 2.实验原理 (5) 2.1补偿原理 (5) 2.2 UJ25型电位差计 (8) 3.实验仪器 (10) 4.实验步骤 (10) 4.1自组电位差计 (10) 4.2 UJ25型箱式电位差计 (11) 5.实验数据处理 (12) 5.1 实际测量Ex的大小 (13) 5.2 不确定度的计算 (13) 5.3 测量结果最终表述 (14) 5.4 实验误差分析 (14) 6.实验改进与意见 (14) 6.1 实验器材的改进 (8) 6.2 实验方法改进 (10) 6.3 实验内容的改进 (10)
7.实验感想与体会 (21) 【参考文献】 (24) 摘要:将电位差计实验中的补偿法原理应用于电学物理量的测量中，该方法可以用来精确测量电流、电阻、电压等电学量，也可以利用电位差计，获得比较精确的二极管伏安特性曲线可以避免了因电表的内阻而引起的测量误差。利用实验室现有仪器设计了一些切实可行的新实验。 关键字：电位差计；补偿法；UJ23型电位差计；电阻；系统误差。 1.引言 电位差计是电压补偿原理应用的典型范例，它是利用电压补偿原理使电位差计变成一内阻无穷大的电压表，用于精密测量电势差或者电压。同理，利用电流补偿原理也可以制作一内阻为零的电流表，用于电流的精密测量。 电位差计的测量精确度高，且避免了测量的接入误差，但它的操作比较复杂，也不易实现测量的自动化。在数字仪表迅速发展的今天，电压
1、前言和实验目的 1.了解和掌握WPZ-Ⅲ型塞曼效应仪和利用其研究谱线的精细结构。 2.了解法布里-珀罗干涉仪的的结构和原理及利用它测量微小波长差值。 3.观察汞546.1nm （绿色）光谱线的塞曼效应，测量它分裂的波长差，并计算电子的荷质比的实验值和标准值比较。 2、实验原理 处于磁场中的原子，由于电子的j m 不同而引起能级的分裂，导致跃迁时发出的光子的频率产生分裂的现象就成为塞曼效应。下面具体给出公式推导处于弱磁场作用下的电子跃迁所带来的能级分裂大小。 总磁矩为 J μ 的原子体系，在外磁场为B 中具有的附加能为： E ?= -J μ *B 由于我们考虑的是反常塞曼效应，即磁场为弱磁场，认为不足以破坏电子的轨道-自旋耦合。则我们有： E ?= -z μB =B g m B J J μ 其中z μ为J μ 在z 方向投影，J m 为角动量J 在z 方向投影的磁量子数，有12+J 个值，B μ= e m eh π4称为玻尔磁子，J g 为朗德因子，其值为 J g =) 1(2) 1()1()1(1++++-++ J J S S L L J J 由于J m 有12+J 个值，所以处于磁场中将分裂为12+J 个能级，能级间隔为B g B J μ。当没有磁场时，能级处于简并态，电子的态由n,l,j （n,l,s ）确定，跃迁的选择定则为Δs=0, Δl=1±.而处于磁场中时，电子的态由n,l,j,J m ，选择定则为Δs=0，Δl=1±，1±=?j m 。 磁场作用下能级之间的跃迁发出的谱线频率变为： )()(1122' E E E E hv ?+-?+==h ν+(1122g m g m -)B μB 分裂的谱线与原谱线的频率差ν?为： ν?=' ν-ν=h B g m g m B /)(1122μ-、 λ?= c ν λ?2 =2λ (1122g m g m -)B μB /hc =2 λ (1122g m g m -)L ~
液晶电光效应实验 一、实验目的 1、了解液晶的特性和基本工作原理； 2、掌握一些特性的常用测试方法； 3、了解液晶的应用和局限。 二、实验原理： 液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。一般的液体内部分子排列是无序的，而液晶既具有液体的流动性，其分子又按一定规律有序排列，使它呈现晶体的各向异性。当光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应。 由于液晶分子的结构特性,其极化率和电导率等都具有各向异性的特点，当大量液晶分子有规律的排列时,其总体的电学和光学特性,如介电常数、折射率也将呈现出各向异性的特点。如果我们对液晶物质施加电场，就可能改变分子排列的规律。从而使液晶材料的光学特性发生改变，1963年有人发现了这种现象。这就是液晶的的电光效应。 为了对液晶施加电场，我们在两个玻璃基片的内侧镀了一层透明电极。我们将这个由基片电极、取向膜、液晶和密封结构组成的结构叫做液晶盒。当我们在液晶盒的两个电极之间加上一个适当的电压时我们来看一下液晶分子会发生什么变化。根据液晶分子的结构特点。我们假定液晶分子没有固定的电极。但可被外电场极化形成一种感生电极矩。这个感生电极矩也会有一个自己的方向，当这个方向以外电场的方向不同时，外电场就会使液晶分子发生转动，直到各种互相作用力达到平衡。液晶分子在外电场作用下的变化，也将引起液晶合中液晶分子的总体排列规律发生变化。当外电场足够强时，两电极之间的液晶分子将会变成如图2中的排列形式。本实验希望通过一些基本的观察和研究，对液晶材料的光学性质及物理结构有一个基本了解。并利用现有的物理知识进入初步的分析和解释。 这时，液晶分子对偏振光的旋光作用将会减弱或消失。通过检偏器，我们可以清晰地观察到偏振态的变化。大多数液晶器件都是这样工作的。以上的分析只是对液晶盒在“开关”两种极端状态下的情况作了一些初步的分析。 若将液晶盒放在两片平行偏振片之间，其偏振方向与上表面液晶分子取向相同。不加电压时，入射光通过起偏器形成的线偏振光，经过液晶盒后偏振方向随液晶分子轴旋转90o，不能通过检偏器；施加电压后，透过检偏器的光强与施加在液晶盒上电压大小的关系见图5；其中纵坐标为透光强度，横坐标为外加电压。最大透光强度的10%所对应的外加电压值称为阈值电压(U th)，标志了液晶电光效应有可观察反应的开始(或称起辉)，阈值电压小，是电光效应好的一个重要指标。最大透光强度的90%对应的外加电压值称为饱和电压(U r)，标志了获得最大对比度所需的外加电压数值，U r小则易获得良好的显示效果，且降低显示功耗，对显示寿命有利。对比度D r=I max/I min，其中I max为最大观察(接收)亮度(照度)，I min为最小亮度。陡度β=U r/U th即饱和电压与阈值电压之比。 以上的分析只是对液晶盒在“开关”两种极端状态下的情况作了一些初步的分析。而对于这两个状态之间的中间状态。我们还没有一个清晰的认识，其实在这个中间状态，有着极其丰富多彩的光学现象。在实验中我们将会一一观察和分析。
试验名称:光电效应法测普朗克常量h 实验目的:是了解光电效应的基本规律。并用光电效应方法测量普朗克常量和测定光电管的 光电特性曲线。 实验原理 光电效应实验原理如图8.2.1-1所示。其中S 为真空光电管，K 为阴极，A 为阳极。当无光照射阴极时，由于阳极与阴极是断路，所以检流计G 中无电流流过，当用一波长比较短的单色光照射到阴极K 上时，形成光电流，光电流随加速电位差U 变化的伏安特性曲线如图8.2.1-2所示。 1． 光电流与入射光强度的关系 光电流随加速电位差U 的增加而增加，加速电位差增加到一定量值后，光电流达到饱和值和值I H ，饱和电流与光强成正比，而与入射光的频率无关。当U= U A -U K 变成负值时，光电流迅速减小。实验指出，有一个遏止电位差U a 存在，当电位差达到这个值时，光电流为零。 2． 光电子的初动能与入射频率之间的关系 当U=U a 时，光电子不再能达到A 极，光电流为零。所以电子的初动能等于它克服电场力作用的功。即 a eU mv =2 2 1 （1） 根据爱因斯坦关于光的本性的假设，每一光子的能量为hv =ε，其中h 为普朗克常量，ν为光波的频率。所以不同频率的光波对应光子的能量不同。光电子吸收了光子的能量h ν之后，一部分消耗于克服电子的逸出功A ，另一部分转换为电子动能。由能量守恒定律可知 A mv hv += 22 1 （2） 式（2）称为爱因斯坦光电效应方程。
3． 光电效应有光电存在 实验指出，当光的频率0v v <时，不论用多强的光照射到物质都不会产生光电效应，根据式（2）， h A v = 0，ν0称为红限。 爱因斯坦光电效应方程同时提供了测普朗克常量的一种方法：由式（1）和（2）可得： A U e hv +=0，当用不同频率（ν1，ν2，ν3，…，νn ）的单色光分别做光源时，就有 A U e hv +=11 A U e hv +=22 ………… A U e hv n n += 任意联立其中两个方程就可得到 j i j i v v U U e h --= )( （3） 由此若测定了两个不同频率的单色光所对应的遏止电位差即可算出普朗克常量h ，也可由ν-U 直线的斜率求出h 。 因此，用光电效应方法测量普朗克常量的关键在于获得单色光、测得光电管的伏安特性曲线和确定遏止电位差值。 实验内容 通过实验了解光电效应的基本规律，并用光电效应法测量普朗克常量。 1． 在577.0nm 、546.1nm 、435.8nm 、404.7nm 四种单色光下分别测出光电管的伏安特性曲线，并根据此曲线确定遏止电位差值，计算普朗克常量h 。 本实验所用仪器有：光电管、单色仪（或滤波片）、水银灯、检流计（或微电流计）、直流电源、直流电压计等. j i j i v v U U e h --= )(,求斜率,得到普朗克常量h. 入射光波长λ/nm 365nm
塞 曼 效 应 实 验 报 告 应物31 吕博成学号：2120903010
塞曼效应 1896年，荷兰物理学家塞曼（P.Zeeman ）在实验中发现，当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条光谱线会分裂成几条光谱线，分裂的条数随能级类别的不同而不同，且分裂的谱线是偏振光。这种效应被称为塞曼效应。 需要首先指出的是，由于实验先后以及实验条件的缘故，我们把分裂成三条谱线，裂距按波数计算正好等于一个洛伦兹单位的现象叫做正常塞曼效应（洛伦兹单位 mc eB L π4=）。而实际上大多数谱线的塞曼分裂谱线多于三条，谱线的裂距可以大于也可 以小于一个洛伦兹单位，人们称这类现象为反常塞曼效应。反常塞曼效应是电子自旋假设的有力证据之一。通过进一步研究塞曼效应，我们可以从中得到有关能级分裂的数据，如通过能级分裂的条数可以知道能级的J 值；通过能级的裂距可以知道g 因子。 塞曼效应至今仍然是研究原子能级结构的重要方法之一，通过它可以精确测定电子的荷质比。 一．实验目的 1.学习观察塞曼效应的方法观察汞灯发出谱线的塞曼分裂； 2.观察分裂谱线的偏振情况以及裂距与磁场强度的关系； 3.利用塞曼分裂的裂距，计算电子的荷质比e m e 数值。 二．实验原理 1、谱线在磁场中的能级分裂 设原子在无外磁场时的某个能级的能量为0E ，相应的总角动量量子数、轨道量子数、自旋量子数分别为S L J 、、。当原子处于磁感应强度为B 的外磁场中时，这一原子能级将分裂为12+J 层。各层能量为 B Mg E E B μ+=0 （1） 其中M 为磁量子数，它的取值为J ，1-J ，...，J -共12+J 个；g 为朗德因子；B μ为玻尔磁矩（m hc B πμ4= ）；B 为磁感应强度。 对于S L -耦合 ） （） （）（）（121111++++-++ =J J S S L L J J g （2） 假设在无外磁场时，光源某条光谱线的波数为
液晶电光效应实验实验报告 【实验目的】 1．在掌握液晶光开关的基本工作原理的基础上，测量液晶光开关的电光特性曲线，并由电光特性曲线得到液晶的阈值电压和关断电压。 2．测量驱动电压周期变化时，液晶光开关的时间响应曲线，并由时间响应曲线得到液晶的上升时间和下降时间。 3．测量由液晶光开关矩阵所构成的液晶显示器的视角特性以及在不同视角下的对比度，了解液晶光开关的工作条件。 4．了解液晶光开关构成图像矩阵的方法，学习和掌握这种矩阵所组成的液晶显示器构成文字和图形的显示模式，从而了解一般液晶显示器件的工作原理。 【实验仪器】 液晶电光效应实验仪一台，液晶片一块 【实验原理】 1．液晶光开关的工作原理 液晶的种类很多，仅以常用的TN（扭曲向列）型液晶为例，说明其工作原理。 TN型光开关的结构：在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶，液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度在十几埃（1埃＝10-10米），直径为4～6埃，液晶层厚度一般为5-8微米。玻璃板的内表面涂有透明电极，电极的表面预先作了定向处理（可用软绒布朝一个方向摩擦，也可在电极表面涂取向剂），这样，液晶分子在透明电极表面就会躺倒在摩擦所形成的微沟槽里；电极表面的液晶分子按一定方向排列，且上下电极上的定向方向相互垂直。上下电极之间的那些液晶分子因范德瓦尔斯力的作用，趋向于平行排列。然而由于上下电极上液晶的定向方向相互垂直，所以从俯视方向看，液晶分子的排列从上电极的沿－45度方向排列逐步地、均匀地扭曲到下电极的沿＋45度方向排列，整个扭曲了90度。 理论和实验都证明，上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质，即偏振光从上电极表面透过扭曲排列起来的液晶传播到下电极表面时，偏振方向会旋转90度。 取两张偏振片贴在玻璃的两面，P1的透光轴与上电极的定向方向相同，P2的透光轴与下电极的定向方向相同，于是P1和P2的透光轴相互正交。 在未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片P1后只剩下平行于透光轴的线偏振光，该线偏振光到达输出面时，其偏振面旋转了90°。这时光的偏振面与P2的透光轴平行，因而有光通过。 在施加足够电压情况下(一般为1～2伏)，在静电场的作用下，除了基片附近的液晶分子被基片“锚定”以外，其他液晶分子趋于平行于电场方向排列。于是原来的扭曲结构被破坏，成了均匀结构。从P1 透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中传播时不再旋转，保持原来的偏振方向到达下电极。这时光的偏振方向与P2正交，因而光被关断。 由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过，加上电场的时候光被关断，因此叫做常通型光开关，又叫做常白模式。若P1和P2的透光轴相互平行，则构成常黑模式。 液晶可分为热致液晶与溶致液晶。热致液晶在一定的温度范围内呈现液晶的光学各向异性，溶致液晶是溶质溶于溶剂中形成的液晶。目前用于显示器件的都是热致液晶，它的特性随温度的改变而有一定变化。 2．液晶光开关的电光特性
旋光色散 【实验目的】：观察旋光色散现象。 【实验仪器】：旋光色散演示仪。 【实验原理】： 图1 旋光色散原理图 旋光色散是研究光学活性材料的偏振角随波长变化的一种色散效应。当偏振光通过某些物质(如石英、氯酸钠等晶体或食糖水溶液、松节油等)，光矢量的振动面将以传播方向为轴发生转动，这一现象称为旋光现象。 本实验利用糖溶液的旋光性演示旋光现象及影响旋光效应的因素。糖溶液放在两个偏振片中间，一个偏振片用于起偏，另一个偏振片用于检偏。单色偏振光通过液态旋光物质时，振动面转过的角度即旋光度ΔΦ与旋光物质的性质、偏振光在旋光物质中经过的距离L、溶液浓度C有关，其关系为 ΔΦ=αCL 比例系数α称溶液的旋光率，它是与入射光波长有关的常数。旋光度大致与入射偏振光波长的平方成反比，这种旋光度随波长而变化的现象称为旋光色散。 【实验步骤】：
图2 旋光色散实验装置图 1、配置溶液。大约用300克蔗糖，玻璃管内的溶液大约占整个容器的2/3左右为妥，将溶液摇匀。 2、打开仪器灯箱光源，连续缓慢转动前端偏振片，可观察到玻璃管下半部有糖溶液的地方透过来的光的颜色赤橙黄绿青兰紫依次变化；管的上部没有糖溶液的地方仅有明暗的变化。 3、在光源和装有糖溶液的玻璃管之间加上滤色片，旋转偏振片，观察玻璃管上下半部的变化情况。 4、换用另一种颜色的滤色片，重复3的操作。 5、实验结束，关闭电源。 【实验应用】： 1、半定量地测量不同波长的光对偏振面旋转角度的影响。 在光源和装有糖溶液的玻璃管之间加上滤色片，旋转检偏器，记录下从玻璃管上方看视场最暗时检偏器的角度；再旋转检偏器，再记下从玻璃管下方看视场最暗时检偏器的角度；上述两个测量角位置之差就是糖溶液的旋光角度。 2、旋光法可用于各种光学活性物质的定量测定或纯度检验。 将样品在指定的溶剂中配成一定浓度的溶液，由测得的旋光度算出比旋光度，与标准比较，或以不同浓度溶液制出标准曲线，求出含量。在旋光计的基础上还发展了一种糖量计，专门用于测量蔗糖含量。用白光为光源，以石英楔抵消蔗糖溶液对不同波长光的色散，并将石英楔校正，标以蔗糖的百分含量，即可直接测出浓度，简便迅速，常用于制糖工业。
近代物理实验报告 塞曼效应实验 学院 班级 姓名 学号 时间 2014年3月16日
塞曼效应实验实验报告 【摘要】： 本实验通过塞曼效应仪与一些观察装置观察汞（Hg）546.1nm谱线（3S1→3P2跃迁）的塞曼分裂，从理论上解释、分析实验现象，而后给出横效应塞满分裂线的波数增量，最后得出荷质比。 【关键词】：塞曼效应、汞546.1nm、横效应、塞满分裂线、荷质比 【引言】： 塞曼效应是原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象，是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的。首先他发现，原子光谱线在外磁场发生了分裂；随后洛仑兹在理论上解释了谱线分裂成3条的原因，这种现象称为“塞曼效应”。在后来进一步研究发现，很多原子的光谱在磁场中的分裂情况有别于前面的分裂情况，更为复杂，称为反常塞曼效应。 塞曼效应的发现使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解，塞曼效应证实了原子磁矩的空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径，被认为是19世纪末20世纪初物理学最重要的发现之一。利用塞曼效应可以测量电子的荷质比。在天体物理中，塞曼效应可以用来测量天体的磁场。本实验采取Fabry-Perot（以下简称F-P）标准具观察Hg的546.1nm谱线的塞曼效应，同时利用塞满效应测量电子的荷质比。 【正文】： 一、塞曼分裂谱线与原谱线关系 1、磁矩在外磁场中受到的作用 (1)原子总磁矩在外磁场中受到力矩的作用： 其效果是磁矩绕磁场方向旋进，也就是总角动量（P J）绕磁场方向旋进。 (2)磁矩在外磁场中的磁能：
由于或在磁场中的取向量子化，所以其在磁场方向分量也量子化： ∴原子受磁场作用而旋进引起的附加能量 M为磁量子数 g为朗道因子，表征原子总磁矩和总角动量的关系，g随耦合类型不同（LS耦合和jj耦合）有两种解法。在LS耦合下： 其中： L为总轨道角动量量子数 S为总自旋角动量量子数 J为总角动量量子数 M只能取J，J-1，J-2 …… -J（共2J+1）个值，即ΔE有(2J+1)个可能值。 无外磁场时的一个能级，在外磁场作用下将分裂成（2J+1）个能级，其分裂的能级是等间隔的，且能级间隔 2、塞曼分裂谱线与原谱线关系： (1) 基本出发点：
光电效应 实验目得： (1)了解光电效应得规律，加深对光得量子性得理解 (2)测量普朗克常量h。 实验仪器： ZKY-GD-4 光电效应实验仪 1 微电流放大器 2 光电管工作电源 3 光电管 4 滤色片 5 汞灯 实验原理： 原理图如右图所示：入射光照射到光电管阴极K上，产生 得光电子在电场得作用下向阳极A迁移形成光电流。改变外加 电压V AK，测量出光电流I得大小，即可得出光电管得伏安特 性曲线。 1）对于某一频率，光电效应I-V AK关系如图所示。从图 中可见，对于一定频率，有一电压V0，当V AK≤V0时，电流为 0，这个电压V0叫做截止电压。 2)当V AK≥V0后，电流I迅速增大，然后趋于饱与，饱与 光电流IM得大小与入射光得强度成正比。 3）对于不同频率得光来说，其截止频率得数值不同，如右图： 4) 对于截止频率V0与频率得关系图如下所示。V0与成正比关系。当入射光得频率 低于某极限值时，不论发光强度如何大、照射 时间如何长，都没有光电流产生。 5）光电流效应就是瞬时效应。即使 光电流 得发光强度非常微弱，只要频率大于，在开始照射后立即就要光电子产生，所经过得时间之多为10-9s得数量级。 实验内容及测量： 1 将4mm得光阑及365nm得滤光片祖昂在光电管暗箱光输入口上，打开汞灯遮光盖。从低到高调节电压（绝对值减小），观察电流值得变化，寻找电流为零时对应得V AK值，以其绝对值作为该波长对应得值，测量数据如下： 波长/nm 365 404、7 435、8 546、1 577 频率8、214 7、408 6、897 5、49 5、196
/ 截止电压/V 1、679 1、335 1、107 0、557 0、434 频率与截止电压得变化关系如图所示： 由图可知：直线得方程就是:y=0、4098x-1、6988 所以: h/e=0、4098×, 当y=0，即时，，即该金属得截 止频率为。也就就是说，如果入射光如果频率低于上值时，不管光强多大 也不能产生光电流；频率高于上值，就可以产生光电流。 根据线性回归理论： 可得：k=0、40975，与EXCEL给出得直线斜率相同。 我们知道普朗克常量, 所以，相对误差： 2 测量光电管得伏安特性曲线 1）用435、8nm得滤色片与4mm得光阑 实验数据如下表所示： 435、8nm 4mm光阑 I-V AK得关系 V AK I V AK I V AK I V AK I V AK I V AK I 0、040 1、9 0、858 4、2 2、300 9、3 6、600 19、5 12、000 27、3 22、000 35、8 0、089 2、1 0、935 4、4 2、500 10 6、800 19、9 12、500 27、7 22、700 36、2 0、151 2、3 1、096 4、9 2、700 10、6 7、200 20、5 13、000 28、3 24、100 37 0、211 2、4 1、208 5、3 2、900 11、1 7、800 21、5 14、200 29、4 25、700 37、9 0、340 2、7 1、325 5、6 3、200 12 8、700 23 15、000 30、1 26、800 38、3 0、395 2、9 1、468 6、1 3、800 13、9 9、100 23、6 16、100 31、1 27、500 38、7 0、470 3、1 1、637 6、7 4、200 14、8 9、800 24、6 16、600 31、6 29、500 39、5