整理后的实验(by王亚丽宿舍)

第1页共6页光电技术实验需要掌握的30个问题1、请设计一套可以做单缝衍射相对光强分布的实验装置示意图，并说明所用元件在实验中的作用。激光器：产生散射角很小、发光强度大、方向性好、单色性强、相干性好的激光束复合光栅：提供宽度不同的狭缝，让激光通过，形成衍射硅光电池：将光信号转化为电信号数字检流计：得出光强数据2、请图示我们本学期所做的单缝衍射的光强分布特点，如果把我们实验装置中的狭缝换成直径与狭缝宽度相当的圆孔，则小孔衍射的光强分布应该是什么样？请图示。中央条纹最亮，同时也最宽，约为其他明条纹宽度的两倍。中央条纹两侧，光强度迅速减小，直至第一暗条纹；随后光强又逐渐增大成为第一明条纹，依此类推。分析图中光强条纹与光强图线的对应关系，可见光强条纹的明暗、宽窄都对应着光强图线的高低及宽窄；。3、如图所示是一个矩形光斑，请设计一套光电探测器，将该光斑不同位置处的光强测出来，并简要描述你所涉及的光电探测器在测量光斑不同位置处光强的原理。基于光电效应，热探测器基于材料吸收了光辐射能量后温度升高，从而改变了它的电学性能3、请解释单缝衍射的光强分布特征的形成原理光在传播过程中经过障碍物，一部分光辉传播到几何阴影中去，产生衍射现象，sin0=k入/a，u=kπ，I=0为暗纹5、本学期在至少三个实验中用到了硅光电池，请给出硅光电池的结构，并说明硅光电池可用于测量光强的原理。它实质上是一个大面积的半导体PN结。硅光电池的工作原理是光生伏特效应。当光照射在硅光电池的PN结区时，会在半导体中激发出光生电子一空穴对。PN结两边的光生电子一空穴对，在内电场的作用下，属于多数载流子的不能穿越阻挡层，而少数载流子却能穿越阻挡层。结果，P区的光生电子进入N区，N区的光生空穴进入p区，使每个区中的光生电子一空穴对分割开来。光生电子在N区的集结使N区带负电，光生电子在p区的集结使P区带正电。P区和N区之间产生光生电动势。当硅光电池接人负载后，光电流从P区经负载流至NE，负载中即得到功率输出。6、在单缝衍射的光强分布实验中，我们用到的单缝是一块上面有多重缝的玻璃片（组合光栅），其中仅单缝就有多条，请问你在实验中在几条缝上做过单缝衍射实验？你认为单缝衍射的光强分布特点与缝宽有关系吗？请分析说明。第2页共6页两条有关系。光的衍射仅与缝的宽度有关。缝宽越大，光强度（光的能量）越集中于中央条纹，所形成的图线中央峰窄而高。随着缝宽进一步加大，衍射图线的中央峰将被压缩成一条亮线，基本观察不到衍射波形（主极大的强度决定于光源的亮度和缝宽的平方成正比）7、请用文字描述单缝衍射的光强分布特点（如决定中央亮条纹宽度的要素：缝宽、衍射条纹的对称性：以主极大为中心等间隔、左右对称、衍射角与缝宽的关系：反比，次级大与中央两条纹的关系等：1中央亮条纹的宽度被k=1的两个暗条纹的衍射角所决定，2次级大宽度为主极大的二分之一）。8、单缝衍射是光的衍射现象中的一种，我们把光绕过障碍物继续传播的现象都称之为衍射，因此，除了单缝衍射之外，细丝也可以用于光的衍射实验中，请设计一套细丝衍射的实验装置，并说明其工作原理，并根据单缝衍射的实验结果，推论细丝衍射的条纹分布。如图（俯视）所示，设被测细丝为d，相当于狭缝b，由于我们采用激光作为光源，因此其发散角很小，可认为是平行光。并将衍射屏幕放置在离细丝较远处（譬如l500mm），这样又可免除透镜L2。于衍射场P处仍然可获得一组明暗相间的衍射条纹，只要测得衍射条纹距屏幕中心的距离Sk，便可求得细丝直径d。由于l≫b（即d），此时角很小，故可取：sin=tan=Sk/l由于衍射暗条纹的条件是：sin＝k/b故sin＝Sk/l=k/b于是可得（1）或者由于Sk＝k·S，可得（2）式中：—激光波长；S—条纹间距；k—衍射条纹级次。式（1），（2）为用激光单缝衍射法测量细丝的基本公式，由公式可知：为了测量细丝直径d，可以直接从屏幕上由测出Sk或S来实现。dSlkbkdSlbldSSk平行激光束待测细丝第3页共6页9、请根据你在做光的衍射实验中所获得的衍射知识，设置一套实验装置，测量头发丝的直径，并介绍测量方案。将上题中的细丝换为头发丝即可。10、在单缝衍射实验中，当缝宽增加一倍时，衍射图象的光强和条纹宽度将会怎样改变？如缝宽减半，又怎样改变？缝宽增大一倍，光强增大，条纹宽度减为原来的1/2缝宽减半，光强减小，条纹宽度是原来的2倍11、绘制出双棱镜干涉的实验装置示意图，并说明所用元件在实验中的作用。BCAabLA.半导体激光器：提供光源B.双棱镜：将激光分为两束光，作为进行干涉的虚光源C.凸透镜：辅助成像透镜，用来测量两虚光源S1、S2之间的距离D.CDD光强分布测量仪：测量干涉图样中明暗条纹间距以及虚光源像间距12、在双棱镜干涉实验中，如果干涉条纹数目太少，可以采用什么办法来增加干涉条纹数？如果干涉条纹太细，又可以采取什么办法来使干涉条纹变粗？如果干涉条纹倾斜，又该采取什么办法使得条纹变得竖直？（1）增大双棱镜与光源的距离（2）减小双棱镜与光源的距离或增大双棱镜与白屏的距离（3）微调二维调节架的倾斜度13、在双棱镜干涉实验中，你知道双光束干涉是怎样实现的吗？干涉条纹是怎样分布的？干涉条纹的宽度、数目由哪些因素决定的？（1）用同一光束经过双棱镜分为两束光，由于这两束光振动方向相同，频率相同，相位差固定不变，因此这两束光可以发生干涉。（2）干涉条纹为明暗相间，间距相同的条纹（3）宽度与双棱镜与光源、与白屏的距离有关。数目与双棱镜与光源的距离有关。14、谈一谈你对液晶的认识。液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态，液晶既具有液体的流动性，其分子又按一定规律有序排D第4页共6页列，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。液晶显示器功耗小，体积小，寿命长，环保无辐射。15、我们在液晶的电光效应实验中，测量过液晶的电光特性曲线，你认为获得液晶的电光效应曲线，具有什么意义？可以根据此光电特性曲线得到液晶的阀值电压（透射率90%）和关断电压（10%）曲线越陡，说明阀值电压与关断电压的差值越小，由液晶开关单元构成的显示器件允许的驱动路数就越多。16、从我们在实验中所用到的液晶面板的结构，简述液晶光开关的工作原理。基于偏振性。在未加驱动电压下，光经过偏振片p1后剩下平行于透光轴的线偏振光，到达输出面时，其偏振面旋转了90度，此时光的偏振面与p2的透光轴平行，有光通过；在加足够电压下，静电场作用下，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，保持原来的方向到达下级，此时光的偏振方向与p2正交，光被断开。17、我们在液晶的电光效应实验中，做过液晶光开关的视角特性曲线，你认为测量液晶光开关的视角特性曲线有什么意义？从曲线我们可以看出，液晶的对比度与垂直于水平视角都有关，而且具有非对称性。水平视角范围比垂直视角范围大18、本学期我们做过PN结正向压降随温度变化的实验，并在实验中获得了PN结正向压降随温度变化的基本关系，请解释你所做出曲线的物理意义！19、我们测量PN结正向压降随温度变化的关系，你有没有想过，PN应该是什么样的结构？请绘制PN节的结构图，并简要说明其特点。20、为什么PN节具有单向导电性？当PN结加上正向电压时，P区的空穴与N区的电子在正向电压所建立的电场下相互吸引产生复合现象，导致阻挡层变薄，正向电流随电压的增长按指数规律增长，宏观上呈现导通状态，而加上反向电压时，情况与前述正好相反，阻挡层变厚，电流几乎完全为零，宏观上呈现截止状态。当pn结处于正向偏置时回路中将产生一个较大的正向电流，pn结处于导通状态；当pn结反向偏置时，回路中的反向电流非常小，几乎等于0，pn结处于截止状态。21、在硅光电池的特性研究实验中，我们的主要任务是测量硅光电的特性，你觉得那个实验装置可以用来测量LED的P-I特性曲线吗？为什么？无论是否能测量P-I的特性曲线，都请解释其原因。硅光电池输出接恒定负载时产生的光伏电压与输入光信号关系的测定实验装置可以用来测量LED的P-I特性曲线。原因：LED将是电光转化，硅光电池是光电转化，再将电信号通过I/V转换模块转化为与之成正比的电压信号，通过数显起显示出来。因此，读出的电压与LED的功率存在关系：P=α(U×U/R)α为仪器自身转化系数便可得出LED的P-I特性曲线。（自己写的，可做参考奥）22、在硅光电池的特性曲线中，了解LED发光二极管的驱动电流和输出光功率的关系是该实验的一个重要目的，请大概给出LED发光二极管的驱动电流和输出光功率的关系图，第5页共6页并就你汇出的图形，给出适当的文字说明。随着驱动电流的增大，输出光功率逐渐增大，但当电流较大时，由于PN节不能及时散热，输出光动率趋于饱和。-23、请根据你对硅光电池特性实验的掌握，描述硅光电池的工作原理及负载特性。1、硅光电池工作原理：硅光电池是一个大面积的二极管，能将光能转化为电能。硅光电池的工作原理是光生伏特效应.当光照射在硅光电池的PN结区时,会在半导体中激发出光生电子空穴对.PN结两边的光生电子空穴对,在内电场的作用下,属于多数载流子的不能穿越阻挡层,而少数载流子却能穿越阻挡层.结果,P区的光生电子进入N区,N区的光生空穴进入P区,使每个区中的光生电子一空穴对分割开来.光生电子在N区的集结使N区带负电,光生电子在P区的集结使P区带正电.P区和N区之间产生光生电动势.2、负载特性：当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。24、硅光电池特性实验仪是一台箱式实验装置，我们无法看到该装置的结构，根据你对该实验的了解，请绘出该实验仪在测定硅光电池特性时的工作原理示意图，并辅以文字说明其工作流程。光电池（二极管）—负载—电压显示器LED将输入的电能转化为光能，光电池再将光能转化为电能，光电池产生的光伏电压使负载有电流流过，并通过电压显示器显示。将转化开关打到负载处，在硅光电池输入光强度不变时（取发光二极管静态驱动电流为5mA和15mA），测量当负载在从0.5到9.5千欧范围变化时，光电池输出电压随负载变化关系。25、LED是我们在硅光电池特性实验中所用到的光源，根据你对半导体知识的理解，说出LED的工作原理。LED的工作原理是电光转化。在半导体材料形成的PN节加上正向电压时，由于PN节势垒的降低，P区正电荷向N及扩散，N区电子也向p区扩散，同是在两个区域形成非平衡电荷积累。由于电流注入使得少量载流子不稳定，空穴和电子在PN节复合，多与的能量以光波的形式向外辐射。（空穴和电子的能及差越大，产生的光子能量就越高。能量级差大小不同。产生光的频率和波长不同，相应光的颜色就不同）26、“硅光电池输出接恒定负载时产生的光伏电压与输入光信号关系测定”是硅光电池特性实验中的一项实验内容，在这一项实验内容中，我们用的是实验仪器上已经设定好的负载变化档位，从该负载变化档位中，你可以设置加载到电路中的负载值，根据你对电路知识的了解，你认为这种可变负载档位的结构应该是什么样的？如果让你设计一个可调负载装置，你怎么设计？请给出设计图，并做出文字说明。27、硅光电池在工作时为什么要处于零偏或负偏？因为当处于零偏或负偏时，在pN节结合面耗尽区存在一电场。当没有光照时，光电二极管就相当于普通二极管，其伏安特性为I=Is[exp(eV/kT)-1]第6页共6页对于外加正向电压，I随V指数增长，称为正向电流；当外加电压反向时，在反向击穿电压之内，反向饱和电流基本是常数。当有光照时，入射光子将处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用分别飘移到n型区和p型区，当在pn结两端加负载时就有电流流过，电流为I=Is[exp(eV/kT)-1]+Ip当光电池处于零偏时，V=0,流过pn结的电流I=Ip;当光电池处于负偏时，流过pn结的电流I=Ip-Is，因此当光电池用作光电转化器时，光电池必须处于零偏或者负偏。28、硅光电池对入射光的波长有要求吗？为什么？有要求。因为光电池处于零偏或者负偏时，产生的光电流I