晶体的光电效应 北京航空航天大学基础物理实验讲义

晶体的电光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：+++=20bE aE n n (1)式中n 0是没有外加电场（E =0）时的折射率，a 和b 是常数，其中电场一次项引起的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的变化称为二次电光效应，由Kerr 在1875年发现，也称Kerr 效应，在无对称中心晶体中，一次效应比二次效应显著得多，所以通常讨论线性效应。

尽管电场引起折射率的变化很小，但可用干涉等方法精确地显示和测定，而且它有很短的响应时间，所以利用电光效应制成的电光器件在激光通信、激光测距、激光显示、高速摄影、信息处理等许多方面具有广泛的应用。

[实验目的]研究铌酸锂晶体的横向电光效应，观察锥光干涉图样，测量半波电压；学习电光调制的原理和实验方法，掌握调试技能；了解利用电光调制模拟音频光通信的一种实验方法；[实验原理]1． 晶体的电光效应 按光的电磁理论，光在介质中传播的速度为210)(−==µεn c c ，ε为介电系数，是对称的二阶张量，即ji ij εε=，由此建立的D 和E 的关系为：j j i i E D ε= （3,2,1,=j i ) (2)即： 333232131332322212323132121111E E E D E E E D E E E D εεεεεεεεε++=++=++=在各向同性的介质中，εεεε===332211，D 和E 成简单的线性关系，光在这类介质中以某一确定速度传播；但在各向异性的介质中，一般情况下各方向的折射率却不再相同，所以各偏振态的光传播速度也不同，将呈现双折射现象。

如果光在晶体中沿某方向传播时，各个方向的偏振光折射率都相等，则该方向称为晶体的光轴。

若晶体只含有一个这样的方向，则称为单轴晶体。

通常用折射率椭球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的关系。

0.664
0.546
-1
0.1
0.1
0.1
0.0
0.1
0
0.2
0.2
0.5
0.2
0.2
1
0.5
0.5
1.1
0.6
0.5
2
0.7
0.8
1.8
1.1
0.9
3
1.0
1.1
2.4
1.4
1.2
4
1.2
1.4
2.9
1.8
1.5
5
1.4
1.6
3.5
2.1
1.7
6
1.7
1.9
3.9
2.3
1.9
7
1.9
2.1
4.4
2.6
式中，A为金属的逸出功， 为光电子获得的初始动能。
由该式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳极电位比阴极电位低时也会有电子落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电压，光电流才为零，此时有关系：
eU0 （2）
阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的升高，阳极对阴极发射的电子的收集作用越强，光电流随之上升；当阳极电压高到一定程度，已把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极，再增加UAK时I不再变化，光电流出现饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比。
13.0
6.3
4.3
43
7.3
6.5
13.1
6.3
4.3
44
7.4
6.6
13.2
6.3
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45
7.4
6.7
13.3
6.3
4.4
46
7.5

图2光电流与入射光强度的关系实验四 光 电 效 应在物理学史上,光电效应现象的发现,对光的本性------波粒二象性的认识,具有极为重要的意义，它给量子论以直观，明确的论证.光电效应有助于学习和理解量子理论。

【实验目的】1、 了解光的量子性，光电效应的规律，加深对光的量子性的理解。

2、 验证爱因斯坦方程，并测定普朗克常数h 。

3、 学习作图法处理数据。

【实验仪器】1、 光源用高压汞灯做光源，配以专用镇流器，光谱范围为320.3nm~872.0nm 可用谱线为365.0nm 、404.7nm 、435.8nm 、546.1nm 、577.0nm 共五条强线谱线。

2、 滤光片滤光片的主要指标时半宽度和透过率。

透过某种谱线的滤光片不允许其附近的谱线透过（我们精心设计制作了一组高性能的滤光片，保证了在测量某一谱显时无其他谱线干扰，避免了谱线相互干扰带来的测量误差）。

高压汞灯发出的可见光中，强度较大的谱线有5条，仪器配以相应的5种滤光片。

3、光电管暗盒采用测h 专用光电管，由于采用了特殊结构，使光不能直接照射到阳极，由阴极发射照到阳极的光也很少，加上采用新型的阴、阳极材料及制造工艺，使得阳极反向电流大大降低，暗电流也很低（≤2×10-12A ）。

4、微电流测量仪在微电流测量中采用了高精度集成电路构成电流放大器，对测量回路而言，放大器近似于理想电流表，对测量回路无影响，使测量仪具有高灵敏度（电流测量范围10-18~10-13A ）搞稳定性（零漂小于满刻度的0.2%），从而使测量精度、准确度大大提高。

测量结果由三位半LED 显示。

5、 光电管工作电源普朗克常数测量仪提供了两组光电管工作电源（-2~+2V,-2~+30V ），连续可调，精度为0.1%,最小分辨率为0.01伏，电压值由三位半LED 数显。

【实验原理】光电效应实验原理如图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，由于阴极与阳极是断路，所以检流计G 中无电流通过，当用一波长比较短的单色光照射到阴极K 上时，将形成光电流，光电流随加速电位差U 变化的伏安特性曲线如图2所示。

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 =221 （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 +=221 （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），hAv =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 ji 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 。