实验安排及要求及讲义-光电子技术实验-20111207-电子信息08、09、应用物理09.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流实验安排及要求及讲义-光电子技术实验-20111207-电子信息08、09、应用物理09.精品文档.光电子技术实验汪涛 编重庆大学物理实验中心2011年12月光电子技术实验安排及要求 为了同学们养成良好的习惯,培养严谨的实验态度,特要求如下:一、实验过程1. 实验前:实验预习(按要求完成实验报告如下两部分内容) 1.1 实验目的 1.2 理解并论述实验原理实验原理的论述要求采用自己的语言描述完成实验内容的相关物理原理,要求包括重要的公式、图形、表格,达到的标准是让他人能理解你的实验原理。2. 实验中: 2.1 填写好实验原始记录表格前面几行的
2、实验及个人信息; 2.1 在实验操作之前,熟悉实验仪器,除了记录实验所需仪器及器材外,更重要的是记录下测量仪器或工具的量程、最小量、估读误差等信息,因为这是测量中记录数据有效数字的依据。系列实验中主要有示波器、功率表、电压表、米尺、角度测量仪器等 2.3 记录数据要按有效数字记录,版面尽量整洁; 实验现象用简短的文字或图形描述 2.4 实验完成后实验数据要教师签字后,整理完仪器才能离开教室。3. 实验后: 3.1 实验步骤的要求同实验原理; 3.2 实验仪器及数据记录部分要按照原始记录整理下来,不得空白,这种习惯在实际工作时是必要而有益的,因为原始记录在存放一段时间后,往往因为书写不够整洁、没
3、有条理、缺少相应说明文字等原因而看不懂,整理的过程正是要弥补这一缺陷。 3.3 数据处理部分要严格按有效数字处理,能够计算误差或不确定度更好,这将影响成绩的评定。有些实验现象的分析、实验后教师特别要求完成的思考题也在此处完成。 3.4 讨论部分包括误差的分析,问题的提出,实验的建议等内容,不硬性要求。4. 实验报告的提交:每份应包含原始记录,由学习委员统一收上来,最终学校存档。二、实验内容:实验1磁致旋光法拉第效应实验2 压电陶瓷特性及振动的干涉测量实验3 液晶的电光效应实验4 晶体的电光效应三、实验地点:DS1215预习、完成下一次实验报告1.1,1.2完成实验报告3.1,3.2,3.3,3
4、.4熟悉仪器,完成要求2.1,2.2提交上一次实验报告实验,记录数据现象,见2.3教师签字整理仪器、离开教室实验前实验中实验后实验流程总结四、实验分组:每个班分为4组,见分组表。五、轮换方法:第一次1-4组依次做实验1-4,然后按下面顺序轮换,实验1实验2实验3实验4六、实验时间:上午下午晚上上午下午晚上11周2应物0112周4应物02应物0113周2电子注:上午 8:3011:30 下午14:3017:30 晚上19:0022:00分 组 表序号学号姓名班组别序号学号姓名班组别1 10电子0111 10应物0112 10电子0112 10应物0113 10电子0113 10应物0114 10
5、电子0114 10应物0115 10电子0115 10应物0116 10电子0116 10应物0117 10电子0117 10应物0128 10电子0118 10应物0129 10电子0129 10应物01210 10电子01210 10应物01211 10电子01211 10应物01212 10电子01212 10应物01213 10电子01213 10应物01314 10电子01214 10应物01315 10电子01215 10应物01316 10电子01216 10应物01317 10电子01317 10应物01318 10电子01318 10应物01319 10电子01319 10应
6、物01420 10电子01320 10应物01421 10电子01321 10应物01422 10电子01322 10应物01423 10电子01323 10应物01424 10电子01424 10应物01425 10电子01426 10电子01427 10电子01428 10电子01429 10电子01430 10电子014序号学号姓名班组别1 10应物0212 10应物0213 10应物0214 10应物0215 10应物0216 10应物0217 10应物0228 10应物0229 10应物02210 10应物02211 10应物02212 10应物02213 10应物02314 10应
7、物02315 10应物02316 10应物02317 10应物02318 10应物02319 10应物02320 10应物02421 10应物02422 10应物02423 10应物02424 10应物02425 10应物0242610应物024实验1 磁致旋光法拉第效应光束从具有磁矩的物质反射或透射后,光的偏振状态会发生变化,这种物理现象称为磁光效应。已知的磁光效应包括透射的法拉第效应、科顿穆顿效应和反射的克尔效应等。它们不是由于磁场与光直接相互作用的结果,而是由于磁场对正在吸收或反射光的物质的影响造成的。 磁光效应可用来阐明固体的能谱,即可用来研究与磁化有关的能级结构;磁光效应亦可用来观察
8、磁性表面和透射磁性晶体内部的磁化强度分布(磁畴结构)。应用磁光效应可以或可望制成磁光盘存储器、磁光开关和调制器等各种磁光器件,它们在计算机技术、激光通讯、信息处粒中将发挥重要作用。本实验通过对磁光材料样品法拉第旋转的测量,了解法拉第磁光效应和磁光调制的基本原理;掌握测量法拉第旋转(或法拉第旋转谱)的实验方法。实验目的:1. 观察法拉第效应并认识其规律。2. 学习测量费尔德常数的方法,测量物质的费尔德常数与波长的关系曲线。实验原理:1845年,法拉第(Michael Faraday)发现,将一块玻璃放入强磁场中,它将使平行于磁场方向的线偏振光偏振面发生旋转,此现象被称为法拉第效应。它第一次揭示了
9、光与电磁现象之间的联系。之后,费尔德(Verdet)对许多介质的磁致旋光进行了研究,发现法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。在法拉第效应中,偏振面旋转的角度q与光在介质中通过的距离L及平行于光传播方向的磁感应强度B成正比: (1)其中,比例系数V为费尔德(Verdet)常数,由材料本身和光波长决定,它表示在单位磁场强度下线偏振光通过单位长度的磁光介质后偏振面旋转的角度。一般物质的费尔德常数都非常小,下表列出了一些物质的Verdet常数(弧度/厘米特斯拉):物 质(nm)V(弧度/厘米特斯拉)水589.31.31102CS2589.34.17102轻火石玻璃589.33.17102重火石玻璃5
10、89.3810102铈磷酸玻璃500.03.26102YIG830.02.04106(YTb)IG12703.78103对于法拉第旋光现象的物理原因,可解释为外加磁场使介质分子的磁矩定向排列,当一束线偏振光通过它时,分解为两个频率相同、初相位相同的两个圆偏振光,其中一个圆偏振光的电矢量是顺时针方向旋转,称为右旋圆偏振光,而另一个圆偏振光是逆时针方向旋转的,称为左旋圆偏振光。这两个圆偏振光在介质中的折射率不同,分别以两种不同的速度和无相互作用地传播,当它们通过厚度为L的介质之后产生的相位延迟分别为: (2) (3)因此两束偏振光之间存在一相位差: (4)O A AALAL图1AR当它们通过介质之
11、后,又合成为一线偏振光,其偏振方向相对于入射光旋转了一个角度q。如图1所示,OA表示入射介质的线偏振光的振动方向,将振幅A分解为左旋和右旋两矢量AL和AR,假设介质的长度L使右旋矢量AR刚转回到原来的位置,此时左旋光矢量(由于)转到AL,于是通过介质后重新合成的线偏振光A相对于入射光的偏振方向转了一个角度q,此值等于d角的一半,即 (5) 可以看出,A的偏振方向将随着光波的传播向右旋转,称为右旋光效应(如图1所示)。 由经典电子论对色散的解释可得出介质的折射率和入射光频率w的关系为: (6)式中是电子的固有频率,磁场作用使电子固有频率改变为,(是电子轨道在外磁场中的进动频率)。于是介质的折射率
12、变为: (7)式中的正负号分别对应着两个园偏振光折射率,即和。通常,和n相差很小,故有。将此式代入(5)式,并略去项(因)得: (8)又由式(7)可得: (9)将(9)代入(8)式得: (10)与(1)式相比可知中括号项就是费尔德常数,它与介质在无磁场时的色散率、入射光波长等有关。法拉第效应产生的旋光现象与晶体的自然旋光现象有所不同。如1/2波片和石英旋光片的旋光方向与光传播的方向有关,若一束线偏振光从自然旋光材料左侧射到右侧再原路反射回来,则无论光束沿正逆方向传播,迎着光束射过来的方向看去,偏振面总是向右旋转,因此两次传播中偏振面的旋转方向相反,互相抵消,总的情况是偏振面并没有旋转(如图2所
13、示)。而法拉第效应产生的旋光现象,其偏振面旋转方向只与磁场方向有关,而同光传播的方向无关。如果沿磁场方向传播时偏振面向右旋,那么光束沿逆方向传播时,迎着传播方向看去振动面将向左旋,因此只要磁场方向不变,旋转角都朝一个方向增加,表现为旋转角增大1倍,而不是互相抵消(如图3所示)。此现象表明磁致旋光效应是一个不可逆的光学过程,利用此原理可以制成光学隔离器或单通光闸等器件。图2 自然晶体旋光图3 磁致旋光反射镜反射镜反射光入射光右旋右旋入射光右旋磁场左旋磁场反射光实验仪器:光学导轨,半导体激光器(或He-Ne激光器),汞灯,滤光片1组,凸透镜两个,偏振片(起偏器,检偏器)各一个,电磁线圈+旋光材料,
14、FLD-1法拉第效应驱动电源,OPT-1A功率指示计,光功率探头。激光器 起偏器电磁线圈和旋光材料检偏器 光功率计图4 光路布置图与实拍光路实验内容:一、旋转角q和磁感应强度B(电流)的关系1. 在光学实验导轨上按下图布置光路并调整光路,使光束可穿过电磁线圈中心的磁致旋光材料。2. 旋转检偏器,使功率计指示值最小,这时起偏器和检偏器相互垂直,处于消光状态。打开线圈驱动电源,将驱动电源电流调到0.5A,此时功率指示值将发生变化。3. 重新旋转检偏器,使功率指示值尽可能的小,系统重新进入消光状态,记下此时的电流值和检偏器的角度变化值和方向。按一定间隔增大电流,记下相应的电流值和检偏器的角度变化值。
15、4. 根据电流与电磁线圈中磁场的关系和以上实验数据,检验与B(正比于i)的线性关系(采用最小二乘法求出相关系数g,g值总在0与1之间。g值越接近1,说明两者的线性关系越好)。二、观察偏振面旋转方向与磁场方向的关系1. 将激光器和光功率探头位置互换,使光束从电磁线圈的另一端穿过磁致旋光材料,按一定间隔(0.5A)改变励磁电流大小,观察旋光方向和旋转角,并与实验一中的旋光方向和进行比较。2. 将激光器和光功率探头换回原位置,交换法拉第效应驱动电源的电流输出导线,改变电磁线圈中的电流方向,按一定的间隔改变电流大小,观察旋光方向并与实验一中的旋光方向作比较,分析其中原因。三、测量费尔德常数与波长的关系
16、1. 在光学实验导轨上按下图摆放器件。激光器 起偏器电磁线圈和旋光 L1材料检偏器 L2 光功率计滤光片图5 测量费尔德常数与波长关系的光路图2.由(10)可知,费尔德常数,其中为荷质比,c为光速,n为光在透明介质中的折射率,它是波长的函数n(),因此费尔德常数与波长和材料有关。保持励磁电流不变(B不变),采用汞灯光源,在光源后加上不同波长的滤光片,测量不同波长下的旋转角,计算费尔德常数,画出V-关系图。实验报告要求:1. 根据电流与电磁线圈中磁场的关系和以上实验数据,检验与B(正比于i)的线性关系(采用最小二乘法求出相关系数g)。2. 说明偏振面旋转方向与磁场方向的关系。问题与思考:1. 根
17、据法拉第效应设计一个光学隔离器。2. 如何利用实验中的仪器实现磁光调制?3. 如何消除自然旋光和双折射等对实验准确性的影响?4. 在实验内容一中,如果两个偏振器上都没有转动角度刻度,还能测出随电流i(正比于B)的变化关系吗? 参考文献:1.赵凯华,钟锡华.光学.北京:北京大学出版社,19842.游璞,光学.北京:高等教育出版社,20033.周殿清,黄晓华,招倩儿,光学实验:武汉大学出版社,1994.1.14.高以智,激光实验选编5.李允中,现代光学实验实验2 压电陶瓷特性及振动的干涉测量压电陶瓷是一种具有电致伸缩特性的功能陶瓷,即材料在电场的作用下,其几何尺寸会发生变化。一般其变化量非常微小。
18、每伏*厘米的变化量通常在这个量级,这种微小的变化量非常适合于微小位移控制、操作和精微加工。因此广泛地被应用在生物医学、超精密机械等超微小尺寸的操控等领域。实验目的:1. 掌握利用干涉法测量压电陶瓷压电常量及振动特性的方法。2. 了解迈克尔逊干涉仪的干涉原理及其结构。实验原理:1880年,居里兄弟(J.Curie和P.Curie)在研究热电现象和晶体对称性的时候,发现在石英单晶切片的电轴方向施加机械应力时,可以观测到在垂直于电轴的两个表面上出现大小相等、符号相反的电荷;此后,在1881年,居里兄弟又发现了前者的逆效应,即在上述晶体相对表面施加外加电场时,在该晶体垂直于电场的方向上产生应变和应力。
19、通常把上述的现象称为压电效应,前者称为正压电效应,后者则称为逆压电效应(或称电致伸缩效应)。目前压电材料的发展极为迅速,其应用越来越广泛,已经深入到电子技术、光学、超声、精密机械、航天等领域。如压电陶瓷驱动器就是利用逆压电效应制作的新型固态执行器件,在精密光学、微机械电子(MEMS)技术、纳米技术等高新技术领域得到广泛应用。压电陶瓷压电特性的测量研究对探索材料的压电机理,开发新型材料以及改进和充分利用现有材料都具有十分重要的意义。图1 实验用的圆管形压电陶瓷312 具有压电效应的物体称为压电体,现已发现具有压电特性的多种物体,其中有单晶,多晶(多晶陶瓷)及某些非晶固体,压电体为纳米研究的重要材
20、料。本实验选用的是一种圆管形的压电陶瓷,其外形结构如图1所示,它由锆钛酸铅Pb(Zr、Ti)O3制成,圆管的内外表面镀银作为电极,接上引出导线,就可对其施加电压。实验表明,当在它的外表面加上电压(内表面接地)时,圆管伸长,反之,加负电压时,它就缩短。 设用E表示圆管加上电压后,在内外表面间形成的径向电场的电场强度,用e 表示圆管轴向的应变,a表示压电陶瓷在准线性区域内的电致伸缩系数,即压电常数,于是 (1) 若压电陶瓷的原始长度为l0,加在压电陶瓷内外表面的电压为V,加电压后长度为l,圆管的壁厚为(均以mm为单位),则按式(C2-1),有(2)所以(3)在上式中,可以用游标尺测量,电压V可由数
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- 实验 安排 要求 讲义 光电子 技术 20111207 电子信息 08 09 应用 物理
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