晶体声光效应实验-使用说明书
WGX-21晶体声光效应实验仪使用说明书
天津市拓普仪器有限公司
目录
【概述】 (1)
一、实验目的 (1)
二、实验原理 (1)
三、实验装置及安装使用 (7)
（一）、实验装置 (7)
（二）、仪器技术参数 (12)
（三）、安装和使用 (12)
四、实验内容和步骤 (15)
五、思考与讨论 (18)
声光效应实验
声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。早在本世纪30 年代就开始了声光衍射的实验研究。60 年代激光器的问世为声光现象的研究提供了理想的光源，促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。利用声光效应制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等，在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要的应用。
本实验采用WGX-21型声光效应实验仪，采用了中心频率高达100MHz 的声光器件、100MHz 的功率信号源和分辨率达11μm 的CCD 光强分布测量仪等。
一.实验目的
1. 了解声光效应的原理。
2. .了解喇曼—纳斯衍射和布喇格衍射的实验条件和特点。
3. 通过对声光器件衍射效率，中心频率和带宽等的测量，加深对其概念的理解。
4. ..测量声光偏转和声光调制曲线。
5. ..模拟激光通讯实验。
二、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。有超声波传播着的介质如同一个相位光栅。
声光效应有正常声光效应和反常声光效应之分。在各向同性介质中，声光相互作用不导致入射光偏振状态的变化，产生正常声光效应。在各向异性介质中，声光相互作用可能导致入射光偏振状态的变化，产生反常声光效应。反常声光效应是制造高性能声光偏转器和可调滤光器的物理基础。正常声光效应可用
()y k t S S s s -=ωsin 0()()y k t n n t y n s s -?+=ωsin ,0()
PS n 21?喇曼-纳斯的光栅假设作出解释，而反常声光效应不能用光栅假设作出说明。在
非线性光学中，利用参量相互作用理论，可建立起声光相互作用的统一理论，
并且运用动量匹配和失配等概念对正常和反常声光效应都可作出解释。本实验
只涉及到各向同性介质中的正常声光效应。
设声光介质中的超声行波是沿у方向传播的平面纵波，其角频率为w S ，波
长为λS ，波矢为k S 。入射光为沿х方向传播的平面波，其角频率为w ，在介
质中的波长为λ，波矢为k （如图1）。介质内的弹性应变也以行波形式随声波
一起传播。由于光速大约是声速的 105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。由于应变而引起的介质折射率的变化 由下式决
定：
（1）
式中，n 为介质折射率，S 为应变，P 为光弹系数。通常，P 和S 为二阶张
量。当声波在各向同性介质中传播时，P 和S 可作为标量处理，如前所述，应变
也以行波形式传播，所以可写成
（2）
当应变较小时，折射率作为y 和t 的函数可写作
（3）
()()
()y k t y k t nL k L n k L
t y n k s s s s -Φ+?Φ=-?+==?Φωδωsin sin ,00000()dy e e Ce E y ik t y k i t i b b s s θωδωsin sin 0---Φ?=()()()[]()2
/sin 2/sin sin 00θωωδk mk b B k mk b t
m i m s s s e J Cb E ---∞
Φ=∑式中，n 0为无超声波时的介质折射率，△n 为声波折射率变化的幅值，由（1）
式可求出
设光束垂直入射（k ⊥k S ）并通过厚度为L 的介质，则前后两点的相位差为
（4）
式中，k 0为入射光在真空中的波矢的大小，右边第一项△ф0为不存在超声波时
光波在介质前后二点的相位差，第二项为超声波引起的附加相位差（相位调制），
δф = k 0△n L 。可见，当平面光波入射在介质的前界面上时，超声波使出射光
波的波阵面变为周期变化的皱折波面，从而改变了出射光的传播特征，使光产
生衍射。
设入射面上 的光振动为E i =Ae i t ，A 为一常数，也可以是复数。考虑到在出射面上各点相位的改变和调制，在xy 平面内离出射面很远一点处的
衍射光叠加结果
写成一等式时，
（5） 式中，b 为光束宽度，θ为衍射角，C 为与A 有关的常数，为了简单可取为实数。
利用一与贝塞耳函数有关的恒等式
‘ 式中J m (α)为（第一类）m 阶贝塞耳函数，将（5）式展开并积分得
（6）()()[]dy e A E b b y k L t y n k t i ?---∝2
200sin ,θω2L
x =()θθim m m ia e a J e
∑∞
-∞==sin 0
321
PS n n -=?
()t m i m s e E E ωω-=0()()[]()2/sin 2/sin sin 00
θθδφk mk b k mk b m s s CbJ E --=s s m m k k m λλθ00sin ==)
(20δφm J I =s m i m λ
λθ0sin sin +=上式中与第m 级衍射有关的项为
（7）
（8）
因为函数sin χ/χ在χ= 0 时取极大值，因此有衍射极大的方位角θ
m 由下式决定： （9）
式中，λ0为真空中光的波长，λS 为介质中超声波的波长。与一般的光栅方程
相比可知，超声波引起的有应变的介质相当于一光栅常数为超声波长的光栅。
由（7）式可知，第m 级衍射光的频率w m 为
w m= w-mw s (10)
可见，衍射光仍然是单色光，但发生了频移。由于w>>w s ,这种频移是很小的。
第m 级衍射极大的强度I m 可用（7）式模数平方表示：
(11)
式中，E *
0为E 0的共轭复数，I 0=C 2b 2。
第m 级衍射极大的衍射效率ηm 定义为第m 级衍射光的强度与入射光强度之
比。由(11)式可知，ηm 正比于J 2m (δф)。当m 为整数时，J - m (α)=(-1)m J m (α)。
由（9）式和（11）式表明，各级衍射光相对于零级对称分布。
当光束斜入射时，如果声光作用的距离满足L ＜λS 2 ／2λ，则各级衍射极
大的方位角θm 由下式决定
(12) 式中 i 为入射光波矢k 与超声波波面之间的夹角。上述的超声衍射称为喇曼-
纳斯衍射，有超声波存在的介质起一平面相位光栅的作用。
)
(222*00δ?m m J b C E E I ==
S B i λλ2sin =[]
H L P M S
2220sin λπη=
当声光作用的距离满足L ＞2λS 2／λ，而且光束相对于超声波波面以某一角
度斜入射时，在理想情况下除了0级之外，只出现1级或者-1级衍射。如图2
所示。这种衍射与晶体对X 光的布喇格衍射很类似，故称为布喇格衍射。能产
生这种衍射的光束入射角称为布喇格角。此时的有超声波存在的介质起体积光
栅的作用。可以证明，布喇格角满足
(13)
式中（13）称为布喇格条件。因为布喇格角一般都很小，故衍射光相对于入射
光的偏转角φ为
(14)
式中，νS 为超声波波速，f S 为超声波频率，其它量的意义同前。在布喇格衍射
的情况下，一级衍射光的衍射效率为
(15) 02B s s s
i f V λλλΦ=≈=
式中，P S 为超声波功率，L 和H 为超声换能器的长和宽，M 2为反映声光介质本身
性质的一常数，M 2= n 6P 2/ρνS 3，ρ为介质密度，P 为光弹系数。在布喇格衍射
下，衍射光的频率也由（10）式决定。
理论上布喇格衍射的衍射效率可达到100%，喇曼-纳斯衍射中一级衍射光的
最大衍射效率仅为34%，所以实用的声光器件一般都采用布喇格衍射。
由（14）式和（15）式可看出，通过改变超声波的频率和功率，可分别实
现对激光束方向的控制和强度的调制，这是声光偏转器和声光调制器的物理基
础。从（10）式可知，超声光栅衍射会产生频移，因此利用声光效应还可制成
频移器件。超声频移器在计量方面有重要应用，如用于激光多普勒测速仪等。
以上讨论的是超声行波对光波的衍射。实际上，超声驻波对光波的衍射也产
生喇曼-纳斯衍射和布喇格衍射，而且各衍射光的方位角和超声频率的关系与超
声行波时的相同。不过，各级衍射光不再是简单地产生频移的单色光，而是含
有多个傅里叶分量的复合光。
三.实验装置及安装使用
（一）实验装置
一套完整的声光效应实验仪配有：已安装在测角平台上的 100MHz 声光器
件、半导体激光器、100MHz 功率信号源、LM601 CCD 光强分布测量仪及光具座。
每个器件都带有 ?12mm 的立杆，可以通过滑座安装在通用光具座上。
1.声光器件(声速V = 3632m/s,介质折射率n =
2.386)
声光器件的结构示意图如图3所示。它由声光介质、压电换能器和吸声材
料组成。
图4：转角平台
图3：声光器件的结构 声
波
前
进
方
向
本实验采用的声光器件中的声光介质为钼酸铅，吸声材料的作用是吸收通过介质传播到端面的超声波以建立超声行波。将介质的端面磨成斜面或成牛角状，也可达到吸声的作用。压电换能器又称超声发生器，由妮酸锂晶体或其它压电材料制成。它的作用是将电功率换成声功率，并在声光介质中建立起超声场。压电换能器既是一个机械振动系统，又是一个与功率信号源相联系的电振动系统，或者说是功率信号源的负载。为了获得最佳的电声能量转换效率，换能器的阻抗与信号源内阻应当匹配。声光器件有一个衍射效率最大的工作频率，
f。对于其它频率的超声波，其衍射效此频率称为声光器件的中心频率，记为
c
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1/2）时两频率间的间隔为声光器件的带宽。
声光器件安装在一个金属盒内，置于测角平台上，见图4。盒上有一插座，用于和功率信号源的声光插座相连。金属盒两端各开一个小孔，激光分别从这两个孔射入和射出声光器件，不用时用贴纸封住以保护声光器件。旋转测角平台的螺旋测微头可以微量转动测角平台，从而改变激光射入声光器件的角度。
2.功率信号源
功率信号源专为声光效应实验配套，输出频率范围为80~120MHz,最大输出功率1W。面板上的各输入/输出信号和表头含义如下：
等幅/调幅：做基本的声光衍射实验时，要打在“等幅”位置，否则信号源无输出；做模拟通信实验时，要打在“调幅”位置。
调制：输入信号插座。等幅/调幅开关处于“调幅”位置时，此位置接上“模拟通信发送器”，从“调制”端口输入一个TTL电平的数字信号，就可以对声功率进行幅度调制，频率范围0~20KHz。调制波的解调可用光电池加放大电路组成的“光电池盒”来实现。具体方法是，移去CCD光强分布测量仪，安置上“光电池盒”，“光电池盒”再与“模拟通信接收器”相连。将 1 级衍射光对准“光电池盒”上的小孔，适当调节半导体激光器的功率，就可以用喇叭或示波器还原调制波的信号，进行模拟通信实验。模拟通信收发器的介绍见下文。
声光：输出信号插座。用于连接声光器件，将功率信号源的电信号传入声
光器件，经压电换能器转换为声波后注入声光介质。
测频：输出信号插座。接频率计，用于测量功率信号源输出信号的频率。
频率旋钮：用于改变功率信号源的输出信号的频率，可调范围80~120MHz。逆时针到底是80MHz，顺时针到底是120MHz。
功率旋钮：用于调节功率信号源的输出功率，逆时针减小，顺时针变大。面板上的毫安表读数作功率指示用，读数值×10 约等于功率毫瓦数。*使用时，为保证声光器件的安全，不要长时间处于功率最大位置！
3. LM601 CCD 光强分布测量仪（选配）
用线阵CCD 光强分布测量仪而不是用单个光电池来作光电接收器的好处是：可以在同一时刻实时地显示、测量各级衍射光的相对强度分布，不受光源强度跳变、漂移的影响。在衍射角的测量上也有很高的精度。除在示波器上测量外，也可用计算机来采集处理实验数据（需增购一块CCD 采集卡）CCD 器件是一种可以电扫描的光电二极管列阵，有面阵（二维）和线阵（一维）之分。LM601 CCD 光强仪所用的是线阵CCD 器件，参数见下表。LM601 CCD 光强仪机壳尺寸为150mm×100mm×50mm，CCD 器件的光敏面至光强仪前面板距离为4.5mm。
LM601 光强仪后面板各插孔含义如下，内部电路结构框图见图5，波形图见图5：光敏元数2592 个，光敏元尺寸：11×11μm，光敏元中心距：
11μm ，光敏元线阵有效长：28.67mm ，光谱响应范围：0.35~0.9 μm，
光谱响应峰值：0.56 μm。
“示波器/微机”：当光强仪配接的是CCD 数显示波器或通用示波器时，将此开关打在“示波器”位置，
“同步”：脉冲频率为50Hz；当配接的是按装有CCD 采集卡的微机系统时，把开关打在“微机”位置，“同步”脉冲频率为1~5Hz，“采样”脉冲频率为10~15KHz 左右。启动CCD 器件扫描的触发脉冲，“同步”的含意是“同步扫描”，主要供示波器X 轴外同步触发和采集卡同步用；送往微机时，接电缆线的黄色插头。
“信号”：CCD 器件接受的空间光强分布信号的模拟电压输出端，送往
示波器的测量信号通道；送往微机时，接电缆线的红色插头。
“采样”：每一个脉冲对应于一个光电二极管，脉冲的前沿时刻表示外接
设备可以读取光电管的光电压值， “采样”信号是供CCD 采集卡“采样”同步
和供 SB14 CCD 专用数显示波器作X 位置计数。此脉冲也可作为几何形状测量
时的计数脉冲。接通用示波器时此信号空置；接微机时，接电缆线的蓝色插头。
强的衍射光照射而饱和。饱和的表现为在示波器上没有信号波形或波形曲线顶
端有“削头”现象。使用时，先旋转减光器，能看清 CCD 器件上的一条白线（光
敏元线阵），调整相应部件，使衍射光能照到这条白线上，然后旋转减光器或调节半导体激光器的功率，使在示波器上有一个较满意的波形。
f l - f H
I 1 I 0 I 2
4. 模拟通信收发器（选购件，如未购，则此部分可略过不看）
模拟通信收发器由三件仪器组成：模拟通信发送器、模拟通信接收器和光电池盒。
1）. 模拟通信发送器的各接口及开关描述如下:
调制：输出信号插座。当功率信号源的等幅/调幅开关处于“调幅”位置时（即做模拟通信实验时），此位置接上功率信号源的调制插座，即向功率信号源输出TTL 电平的数字调制信号用于对声功率进行幅度调制。
示波器：如果要在双踪示波器上对比观察本模拟通信实验中发送和接收到的音乐TTL电平的数字信号,则此插座接示波器的一路通道，并作为触发信号；模拟通信接收器的示波器插座接示波器的另一路通道。
喇叭开关：用于选择是否监听发送器送出的音乐TTL信号。
选曲开关：发送器可以送出的音乐TTL信号有两首乐曲，用此开关选择。
2）. 模拟通信接收器的各接口描述如下：
光电池：接光电池盒。
示波器：如果要在双踪示波器上对比观察本模拟通信实验中发送和接收到的音乐TTL电平的数字信号,则此插座接示波器的一路通道；模拟通信发送器的示波器插座接示波器的另一路通道，并作为触发信号。
音量旋钮：调节模拟通信接收器还原出来的音乐TTL信号的音量大小。
3）.光电池盒
取代LM601 CCD光强分布测量仪，与模拟通信接收器的光电池插座连接并向模拟通信接收器传送接收到的带调制信号的衍射光信号。
5．半导体激光器
半导体激光器输出光强稳定，可调焦，寿命长。半导体激光器固定架由二维调整架和激光器套组成。半导体激光器放入激光器套中后，通过锁紧螺钉将其固定。该调整架既可做沿光轴方向的俯仰调整，同时也可以做垂直于光轴方向的偏摆调整。
6．光具座
0.8M 长的铝质导轨上配 3 只滑座，其中一只可横向移动，一般用于安置CCD 光强仪或光电池盒用。将滑座置于光具座上，待各部件位置调节好后，旋紧滑座侧面的旋钮即可完成固定。
7．示波器
声光效应实验只需一台单踪示波器即可，而模拟通信实验需要一台双踪示波器。
（二）仪器技术参数
1．仪器工作电压 DC220V±10％ 50Hz±2Hz
2．仪器工作环境温度：0－40C ，相对湿度：<90%
3. 半导体激光器工作电压：DC5V 输出波长：650nm
偏振性：部分偏振光输出功率稳定度：<5%
光斑直径： <2mm（可调焦）
4. 频率计量程大于150MHz
5. 功率信号源可调范围：80-120MHz
最大输出功率：1W
6.LM601光强分布测量仪光敏元数：2592个
光斑尺寸：11×11μm
光谱响应范围：0.35~0.9 μm
光谱响应峰值：0.56 μm
光敏元中心距：11μm
光敏元线阵有效长：28.67mm
（三）安装和使用
声光效应实验仪可完成基本声光效应实验和在此基础上的声光模拟通信实验，这两种实验的安装、连线分别介绍如下。
1．声光效应实验
图7：声光效应实验安装图（上为示波器型，下为微机型）安装：如图 7 所示。本实验中需用到下列电线或电缆：
功率信号源到测角平台上的声光器件：1 根。其一头为Q9 插头，连接声光器件，一头为莲花插头，连接功率信号源的“声光”插座，此时，功率信号源要打在“等幅”上；当使用模拟通信收发器时，要打在“调幅”上。
使用：使用过程如下：
（1 ）完成安装后，开启除功率信号源之外的各部件的电源；
（2 ）仔细调节光路，使半导体激光器射出的光束准确地由声光器件外金属盒的小孔射入、穿过声光介质、由另一端的小孔射出，再透过偏振减光器，照射到白屏上，这时衍射尚未产生（声光器件尽量靠近激光器）；
（3）此时在白屏上看到一个激光点；
（4）得到满意的光斑后，打开功率信号源的电源；
（5）微调测角平台旋钮，改变激光束的入射角，可获得布喇格衍射或喇曼-纳斯衍射。本实验的声光器件是为布喇格衍射条件设计制造的，并不满足喇曼-纳斯衍射条件。如有条件，最好另配一套中心频率为 10MHz 左右的声光器件和功率信号源，专门研究喇曼-纳斯衍射。这里为降低成本，本实验只对喇曼-纳斯衍射作定性观察；
（6）在布喇格衍射条件下，将功率信号源的功率旋钮置于中间值，固定，旋转频率旋钮而改变信号频率， 0 级光与 1 级光之间的衍射角随信号频率的变化而变化。这是声光偏转；
（7）在布喇格衍射条件下，固定频率旋钮，旋转功率旋钮而改变信号的强度，0 级光与 1 级光的强度分布也随之而变，这是声光调制；
（10）为了获得理想波形，有时须反复调节激光束、声光器件、白屏等之间的几何关系与激光器的功率；
（12）具体实验步骤参见实验讲义。
2．声光模拟通信实验
图9：模拟通信实验安装图
安装：如图9 所示。本实验中需用到下列电线或电缆：
（1）功率信号源和测角平台上的声光器件：1 根。其一头为Q9 插头，连接声光器件，一头为莲花插头，连接功率信号源的“声光”插座，此时，功率信号源要打在“调幅”上。当做声光效应实验时，要打在“等幅”上；
（2）功率信号源和模拟通信发送器：1 根。其一头为Q9 插头，接模拟通信发送器的调制插孔，另一头为Q9 插头，连接功率信号源的调制插座；
（3）摸拟通信发送器和示波器：1 根。其一头为Q9 插头，接模拟通信发送器的示波器插座，另一头为Q9 插头，接示波器的Y1和以Y1 为同步（Y1置1v/格档）；
（4）模拟通信接收器和光电池盒：由光电池盒引出一个莲花插头，接模拟通信接收器的光电池插座；
（5）模拟通信接收器和示波器：1 根。其一头为Q9 插头，接模拟通信接收器的示波器插座，一头为Q9 插头，接示波器的Y2输入信号端口（Y2 置0.1v ~ 0.5v/格档）；
使用：使用过程如下：
（1）完成安装后，开启各部件的电源；功率信号源的输出功率不要太大；
（2）仔细调节光路，使半导体激光器射出的光束准确地由声光器件外金属盒的小孔射入、穿过声光介质、由另一端的小孔射出，仔细调节转角平台旋钮，满足布喇格衍射，并将1 级衍射光射入光电池盒的接收圆孔；
（3）模拟通信发送器的喇叭开关打在“关”上，以避免它对模拟通信接收器还原出的音乐的干扰。此时，模拟通信接收器的扬声器应送出模拟通信发送器的音乐；在示波器上应观察到两路信号的波形相一致或相反；
（4）具体实验步骤参见实验讲义。
四、实验内容和步骤
由于声光效应实验仪采用的中心频率高达100MHz 的声光器件，而喇曼-纳斯衍射发生的条件是声频较低、声波与光波作用长度比较小，因此，本实验主要围绕布喇格衍射展开，对于喇曼-纳斯衍射仅作观察等一般研究。
1．展开仪器，按前所述完成声光效应实验的安装；
2．调出布喇格衍射，
3．在布喇格衍射下，测量衍射光相对于入射光的偏转角φ与超声波频率（即电信号频率）f s的关系曲线，并计算声速ν（注意f S一般取80~110MHz）。测出6—8组（φ，f ）值，在课堂上用计算器作直线拟合求出φ和f S的相关系数。课后作φ和f S的关系曲线。注意式（13）和（14）中的布喇格角i B和偏转角φ都是指介质内的角度，而直接测出的角度是空气中的角度，应进行换算, 声光器件n = 2.386 。由于声光器件的参数不可能达到理论值，实验中布喇格衍射不是理想的，可能会出现高级次衍射光等现象。
调节布喇格衍射时，使 1 级衍射光最强即可。表中D为0 级光与 1 级光
的偏转距离。L 是声光介质的光出射面到白屏；ν 的 计算见式（14）。 请参见图6中左边的波形和关系曲线，即声光偏转测量，其波形是用多点曝光
法获得的。
4．固定超声波功率，并记下功率值P s
。 （1） 测量 1 级衍射光相对于 0 级衍射光的衍射效率η与超声波频率f
的关系曲线（或I 与f 的关系曲线），测5 组。
衍射效率η= 01/I I ，其中，0I 为未发生声光衍射时“0级光”的强度，1I 为
发生声光衍射后1级光的强度。
（2） 测定η
max ，则此时的频率为中心频率f 。 （3） 将ηmax 下降3db ，即 η
= 1/ηmax ，记下此时频率f ，带宽Δ
f b =[(100.4-90.2)+(109.8-100.4)]/2=9.8MHz
5．声光调制测量。将功率信号源频率固定在f ，测出衍射光强度I 与
超声波功率P 的关系曲线，测5 组。
6．（选做实验）按前所述完成声光模拟通信实验的仪器安装和调试；改
变超声波功率，注意观察模拟通信接收器送出的音乐的变化，分析原因。
五、思考与讨论
1． 为什么说声光器件相当于相位光栅？
2． 声光器件在什么实验条件下产生喇曼-纳斯衍射？在什么实验条件下产
生布喇格衍射？两种衍射的现象各有什么特点？
3． 调节喇曼-纳斯衍射时，如何保证光束垂直入射？
4． 声光效应有哪些可能的应用？
最新霍尔效应实验报告96288资料
南昌大学物理实验报告 课程名称： _____________ 普通物理实验（2） ________________ 实验名称： ___________________ 霍尔效应_____________________ 学院： ___________ 专业班级： ____________ 学生姓名： _______ 学号： _________________ 实验地点： __________ 座位号：_________ 实验时间： ______________________ 一、实验目的： 1、了解霍尔效应法测磁感应强度 X的原理和方法； 2、学会用霍尔元件测量通电螺线管轴向磁场分布的基本方法;
实验仪器: 霍尔元件测螺线管轴向磁场装置、多量程电流表2只、电势差计、滑动变阻 器、双路直流稳压电源、双刀双掷开关、连接导线15根。 三、实验原理: 1、霍尔效应 霍尔效应本质上是运动的带电粒子在磁场中受洛仑磁力作用而引起的偏转。 当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横加电场，即霍尔电场I E H . 如果血＜0,贝U说明载流子为电子，则为n型试样；如果血＞0，贝U说明载流子为空穴，即为p型试样。 显然霍尔电场旦是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场 力e E H与洛仑磁力levB相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故有：
e E H =-|evB, 其中E H为霍尔电场，W是载流子在电流方向上的平均速度。若试样的宽 度为b，厚度为d，载流子浓度为n,贝U I = nevbd 由上面两式可得: 即霍尔电压V H (上下两端之间的电压)与|I s B乘积成正比与试样厚度d成反比。 |R H二-称为霍尔系数，它是反应材料霍尔效应强弱的重要参量。只要 比列系数 测出V H以及知道LS、B和d可按下式计算L R±： R H诒1°4 2、霍尔系数R H与其他参量间的关系 根据 R H可进一步确定以下参量: (1) 由应的符号(或霍尔电压的正负)判断样品的导电类型。判别方法是电 间有如下关系 3、霍尔效应与材料性能的关系 由上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是选择霍尔系数大(即迁移率高、电阻率也较高）的材料。因||R H|」P|,金属导体門和巴都很低；而不良导体已虽高，但巴极小，所以这两种材料的霍尔系数都很小，不能用来制造霍尔器件。半导体巴高，日适中，是制造霍尔元件较为理想的材料，由于电子的迁移率比空穴迁移率大，所以霍尔元件多采用n型材料，其次霍尔电压的大 1 I s B c I s B V H = Ewb = --------- =R H ne d d (3) 压为负, R H为负，样品属于n型；反之则为p型。 (2)由应求载流子浓度n.即n = |只］这个关系式是假定所有载流子都具有 相同的漂移速度得到的。 (3)结合电导率的测量, 求载流子的迁移率已与载流子浓度n以及迁移率巴之 a=ne^ 即門=R H。,测出冋值即可求門。
大学物理实验之声光效应
声光效应电子教案 一、实验目的 ①了解声光效应原理 ②了解布拉格衍射现象的实验条件和特点 ③通过对声光器件衍射效率、中心频率和带宽的测量加深对其概念的理解 ④测量声光偏转和声光调制曲线 二、实验原理简述 声光效应就是研究光通过声波扰动的介质时发生散射或衍射的现象。由于弹光效应，当超声纵波以行波形式在介质中传播时会使介质折射率产生正弦或余弦规律变化，并随超声波一起传播，当激光通过此介质时，就会发生光的衍射，即声光衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声波场而变化。其中衍射光偏转角随超声波频率的变化现象称为声光偏转；衍射光强度随超声波功率而变化的现象称为声光调制。主要用途有：制作声光调制器件，制作声光偏转器件，声光调Q开关，可调谐滤光器，在光信号处理和集成光通讯方面的应用。 声光衍射可以分为拉曼-拉斯（Ranman-Nath）衍射和布拉格（Bragg）衍射两种情况。本实验室主要研究钼酸铅晶体介质中的布拉格衍射现象。 布拉格方程：θB=sinθB=λfs/2nvs ，其中θB 为布拉格角，λ为激光波长，n为介质折射率，vs 为超声波在介质中的速率。由此知不同的频率对应不同的偏转角φ=2θB，所以可以通过改变超声波频率实现声光偏转。 布拉格一级衍射效率为：η1=I1/Ii=sin2((π/λ).(LM2Ps/2H)1/2) ，其中Ps为超声波功率，M2为声光材料的品质因素，L、H分别表示换能器的长和宽。由此知当超声功率改变时，η1也随之改变，因而可实现声光调制。 三、实验仪器的结构或原理简图及仪器简介 主要实验仪器如图1所示：有半导体激光器、声光器件及转角平台（图2）、超声波功率信号源、频率计、光强仪、示波器、光具座、支架、导线等附件。各仪器原理、具体型号及参数见声光效应实验讲义。 图1 声光效应主要实验仪器 图2 转角平台和声光器件
霍尔效应实验报告98010
霍尔效应与应用设计 摘要：随着半导体物理学的迅速发展，霍尔系数和电导率的测量已成为研究半导体材料的主要方法之一。本文主要通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。 关键词：霍尔系数，电导率，载流子浓度。 一．引言 【实验背景】 置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，称为霍尔效应。 如今，霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且随着电子技术的发展，利用该效应制成的霍尔器件，由于结构简单、频率响应宽（高达10GHz ）、寿命长、可靠性高等优点，已广泛用于非电量测量、自动控制和信息处理等方面。 【实验目的】 1． 通过实验掌握霍尔效应基本原理，了解霍尔元件的基本结构； 2． 学会测量半导体材料的霍尔系数、电导率、迁移率等参数的实验方法和技术； 3． 学会用“对称测量法”消除副效应所产生的系统误差的实验方法。 4． 学习利用霍尔效应测量磁感应强度B 及磁场分布。 二、实验内容与数据处理 【实验原理】 一、霍尔效应原理 霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。如图1所示。当载流子所受的横电场力与洛仑兹力相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有 B e eE H v = 其中E H 称为霍尔电场，v 是载流子在电流方向上的平均漂移速度。设试样的宽度为b ， ? a
厚度为d ，载流子浓度为n ，则 bd ne t lbde n t q I S v =??=??= d B I R d B I ne b E V S H S H H =?= ?=1 比例系数R H =1/ne 称为霍尔系数。 1． 由R H 的符号（或霍尔电压的正负）判断样品的导电类型。 2． 由R H 求载流子浓度n ，即 e R n H ?= 1 （4） 3． 结合电导率的测量，求载流子的迁移率μ。 电导率σ与载流子浓度n 以及迁移率μ之间有如下关系 μσne = （5） 即σμ?=H R ，测出σ值即可求μ。 电导率σ可以通过在零磁场下，测量B 、C 电极间的电位差为V BC ，由下式求得σ。 S L V I BC BC s ?= σ（6） 二、实验中的副效应及其消除方法： 在产生霍尔效应的同时，因伴随着多种副效应，以致实验测得的霍尔电极A 、A′之间的电压为V H 与各副效应电压的叠加值，因此必须设法消除。 （1）不等势电压降V 0 如图2所示，由于测量霍尔电压的A 、A′两电极不可能绝对对称地焊在霍尔片的两侧，位置不在一个理想的等势面上，Vo 可以通过改变Is 的方向予以消除。 （2）爱廷豪森效应—热电效应引起的附加电压V E 构成电流的载流子速度不同，又因速度大的载流子的能量大,所以速度大的粒子聚集的一侧温度高于另一侧。电极和半导体之间形成温差电偶,这一温差产生温差电动势V E ，如果采用交流电，则由于交流变化快使得爱延好森效应来不及建立，可以减小测量误差。 （3）能斯托效应—热磁效应直接引起的附加电压V N
实验一 声光调制实验
实验一 声光调制实验 早在本世纪30年代就开始了声光衍射的实验研究。60年代激光器的问世为声光衍射现象的研究提供了良好的光源，促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。利用声光效应制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等，在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要应用。声光效应已广泛应用于声学、光学和光电子学。近年来，随着声光技术的不断发展，人们已广泛地开始采用声光器件在激光腔内进行锁膜或作为连续器件的Q 开关。由于声光器件具有输入电压低驱动功率小、温度稳定性好、能承受较大光功率、光学系统简单、响应时间快、控制方便等优点，加之新一代的优质声光材料的发现，使声光器件具有良好的发展前景，它将不断地满足工业、科学、军事等方面的需求。 一、实验目的 1、掌握声光调制的基本原理。 2、了解声光器件的工作原理。 3、了解布拉格声光衍射和拉曼—奈斯声光衍射的区别。 4、观察布拉格声光衍射现象。 二、实验原理 （一）声光调制的物理基础 1、弹光效应 若有一超声波通过某种均匀介质，介质材料在外力作用下发生形变，分子间因相互作用力发生改变而产生相对位移，将引起介质内部密度的起伏或周期性变化，密度大的地方折射率大，密度小的地方折射率小，即介质折射率发生周期性改变。这种由于外力作用而引起折射率变化的现象称为弹光效应。弹光效应存在于一切物质。 2、声光栅 当声波通过介质传播时，介质就会产生和声波信号相应的、随时间和空间周期性变化的相位。这部分受扰动的介质等效为一个“相位光栅”。其光栅常数就是声波波长λs ，这种光栅称为超声光栅。声波在介质中传播时，有行波和驻波两种形式。特点是行波形成的超声光栅的栅面在空间是移动的，而驻波场形成的超声光栅栅面是驻立不动的。 当超声波传播到声光晶体时，它由一端传向另一端。到达另一端时，如果遇到吸声物质，超声波将被吸声物质吸收，而在声光晶体中形成行波。由于机械波的压缩和伸长作用，则在声光晶体中形成行波式的疏密相间的构造，也就是行波形式的光栅。 当超声波传播到声光晶体时，它由一端传向另一端。如果遇见反声物质，超声波将被反声物质反射，在返回途中和入射波叠加而在声光晶体中形成驻波。由于机械波压缩伸长作用，在声光晶体中形成驻波形式的疏密相同的构造，也就是驻波形式的光栅。 首先考虑行波的情况，设平面纵声波在介质中沿x 方向传播，声波扰动介质中的质点位移可写成 ()x k t u u s s -=ωcos 01 (1) μ0是质点振动的振幅，ωs 是声波频率，k s 是声波波矢量的模。相应的应变场是 ()x k t k u x u S s s s -=??-=ωsin 01 (2) 对各向同性介质，折射率分布为
霍尔效应实验方法
实验: 霍尔效应与应用设计 [教学目标] 1. 通过实验掌握霍尔效应基本原理，了解霍尔元件的基本结构； 2. 学会测量半导体材料的霍尔系数的实验方法和技术； 3. 学会用“对称测量法”消除副效应所产生的系统误差的实验方法。 [实验仪器] 1.TH －H 型霍尔效应实验仪，主要由规格为>2500GS/A 电磁铁、N 型半导体硅单晶切薄片式样、样品架、I S 和I M 换向开关、V H 和V σ（即V AC ）测量选择开关组成。 2.TH －H 型霍尔效应测试仪，主要由样品工作电流源、励磁电流源和直流数字毫伏表组成。 [教学重点] 1． 霍尔效应基本原理； 2． 测量半导体材料的霍尔系数的实验方法； 3． “对称测量法”消除副效应所产生的系统误差的实验方法。 [教学难点] 1． 霍尔效应基本原理及霍尔电压结论的电磁学解释与推导； 2． 各种副效应来源、性质及消除或减小的实验方法； 3． 用最小二乘法处理相关数据得出结论。 [教学过程] （一）讲授内容： (1)霍尔效应的发现： 1879，霍尔在研究关于载流导体在磁场中的受力性质时发现： “电流通过金属，在磁场作用下产生横向电动势” 。这种效应被称为霍尔效应。 结论：d B I ne V S H ?=1 (2)霍尔效应的解释： 霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。当载
流子所受的横电场力H e eE f =与洛仑兹力evB f m =相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡， B e eE H v = （1） bd ne I S v = （2） 由 （1）、（2）两式可得： d B I R d B I ne b E V S H S H H =?= ?=1 （3） 比例系数ne R H 1=称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数， (3) 霍尔效应在理论研究方面的进展 1、量子霍尔效应(Quantum Hall Effect) 1980年，德国物理学家冯?克利青观察到在超强磁场（18T ）和极低 温(1.5K ）条件下,霍尔电压 UH 与B 之间的关系不再是线性的，出现一 系列量子化平台。 量子霍尔电阻 获1985年诺贝尔物理学奖！ 2、分数量子霍尔效应 1、1982年，美国AT&T 贝尔实验室的崔琦和 斯特默发现：“极纯的半导体材料在超低温(0.5K) 和超强磁场(25T)下，一种以分数形态出现的量子电 阻平台”。 2、1983 年，同实验室的劳克林提出准粒子理 论模型，解释这一现象。 获1998年诺贝尔物理学奖 i e h I U R H H H 1 2?==3,2,1=i
实验一 声光效应实验
实验 声光效应实验 【学史背景】 声光效应就是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象,这种现象就是光波与介质中声波相互作用的结果。早在本世纪30年代就开始了声光衍射的实验研究。60年代激光器的问世为声光现象的研究提供了理想的光源,促进了声光效应理论与应用研究的迅速发展。声光效应为控制激光束的频率、方向与强度提供了一个有效的手段。利用声光效应制成的声光器件,如声光调制器、声光偏转器、与可调谐滤光器等,在激光技术、光信号处理与集成光通讯技术等方面有着重要的应用。 【实验目的】 1.掌握声光效应的原理与实验规律; 2.了解喇曼－纳斯衍射与布喇格衍射的实验条件与特点; 3.测量不同激光(红光、蓝光、绿光)与红外线通过声光晶体发生布拉格衍射后的衍射角。 【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与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,这就就是声光效应。有 超声波传播的介质如同一个相位光栅。 声光效应有正常声光效应与反常声光效应之分。在 各项同性介质中,声－光相互作用不导致入射光偏振状 态的变化,产生正常声光效应。在各项异性介质中,声－ 光相互作用可能导致入射光偏振状态的变化,产生反常 声光效应。反常声光效应就是制造高性能声光偏转器与 可调滤波器的基础。正常声光效应可用喇曼－纳斯的光 栅假设作出解释,而反常声光效应不能用光栅假设作出 说明。在非线性光学中,利用参量相互作用理论,可建立 起声－光相互作用的统一理论,并且运用动量匹配与失配等概念对正常与反常声光效应都可作出解释。本实验只涉及到各项同性介质中的正常声光效应。 图1 声光衍射
声光效应实验
声光效应实验 一、 实验目的 1．理解声光效应的原理，了解Ramam －Nath 衍射和Bragg 衍射的分别。 2．测量声光器件的衍射效率和带宽等参数，加深对概念的理解。 3．测量声光偏转的声光调制曲线。 4．模拟激光通讯。 二、 实验原理 (一) 声光效应的物理本质——光弹效应 介质的光学性质通常用折射率椭球方程描述 1ij j j x y η= Pockels 效应：介质中存在声场，介质内部就受到应力，发生声应变，从而引起介质光学性质发生变化，这种变化反映在介质光折射率的或者折射率椭球方程系数的变化上。在一级近似下，有 ij ijkl kl P S η?= 各向同性介质中声纵波的情况，折射率n 和光弹系数P 都可以看作常量，得 2 1( )PS n η?=?= 其中应变 0sin()S S kx t =-Ω 表示在x 方向传播的声应变波，S 0是应变的幅值，/s k v =Ω是介质中的声波数，2f πΩ=为角频率，v s 为介质中声速，/s v f Λ=为声波长。P 表示单位应变所应起的2 (1/)n 的变化，为光弹系数。又得 301sin()sin()2 n n PS kx t kx t μ?=-Ω=-Ω ()sin()n x n n n kx t μ=+?=+-Ω 其中3012 n PS μ=是“声致折射率变化”的幅值。考虑如图1的情况，压电换能器将驱动信号U(t)转换成声信号，入射平面波与声波在介质中（共面）相遇，当光通过线度为l 的声
光互作用介质时，其相位改变为： 000()()sin() x n x k l k l kx t φφμ?==?+-Ω 其中002/k πλ=为真空中光波数，0λ是真空中的光波长， 00nk l ?Φ=为光通过不存在超声波的介质后的位相滞后，项 ()0sin k l kx t μ-Ω为由于介质中存在超声 波而引起的光的附加位相延迟。它在x 方向 周期性的变化，犹如光栅一般，故称为位相 光栅。这就是得广播阵面由原先的平面变为 周期性的位相绉折，这就改变了光的传播方 向，也就产生了所谓的衍射。与此同时，光 强分布在时间和空间上又做重新分配，也就 是衍射光强受到了声调制。 (二) 声光光偏转和光平移 从量子力学的观点考虑光偏转和光频移 问题十分方便。把入射单色平面光波近似看作光子和声子。声光相互作用可以归结为光子和声子的弹性碰撞，这种碰撞应当遵守动量守恒和能量守恒定律，前者导致光偏转，后者导致光频移。这种碰撞存在着两种可能的情况——即声子的吸收过程和声子的受激发射过程，在声子吸收的情况下，每产生一个衍射光子，需要吸收一个声子。在声子受激发射的情况下，一个入射声子激发一个散射光子和另一个与之具有相同动量和能量的声子的发射。 d i k k k ±=± d i ωω±=±Ω 声光效应可划分为正常声光效应和反常声光效应两种。 1、入射光和衍射光处于相同的偏振状态，相应的折射率相同，成为正常声光效应。
霍尔效应实验报告
南昌大学物理实验报告 课程名称：普通物理实验（ 2） 实验名称：霍尔效应 学院：专业班级： 学生姓名：学号： 实验地点：座位号： 实验时间：
一、实验目的： 1、了解霍尔效应法测磁感应强度I S的原理和方法； 2、学会用霍尔元件测量通电螺线管轴向磁场分布的基本方法； 二、实验仪器： 霍尔元件测螺线管轴向磁场装置、多量程电流表 2 只、电势差计、滑动变阻器、双路直流稳压电源、双刀双掷开关、连接导线15 根。 三、实验原理： 1、霍尔效应 霍尔效应本质上是运动的带电粒子在磁场中受洛仑磁力作用而引起的偏转。 当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横加电场，即霍尔电场E H . 如果 E H <0，则说明载流子为电子，则为n 型试样；如果 E H >0，则说明载流子为空穴，即为p 型试样。 显然霍尔电场 E H是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场 力 e E H与洛仑磁力 evB 相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故有：
e E H =- evB 其中 E H为霍尔电场， v 是载流子在电流方向上的平均速度。若试样的宽 度为 b，厚度为 d，载流子浓度为n，则I nevbd 由上面两式可得： 1 I S B I S B V H E H b R H（3） ne d d 即霍尔电压 V H（上下两端之间的电压）与I S B乘积成正比与试样厚度 d 成反比。 1 称为霍尔系数，它是反应材料霍尔效应强弱的重要参量。只要比列系数 R H ne 测出 V H以及知道I S、 B 和 d 可按下式计算 R H : R H V H d10 4 I S B 2、霍尔系数 R H与其他参量间的关系 根据 R H可进一步确定以下参量： （ 1）由 R H的符号（或霍尔电压的正负）判断样品的导电类型。判别方法是电压为负， R H为负，样品属于n 型；反之则为 p 型。 （ 2）由 R H求载流子浓度 n.即n1这个关系式是假定所有载流子都具有相 R H e 同的漂移速度得到的。 （ 3）结合电导率的测量，求载流子的迁移率与载流子浓度n以及迁移率之间有如下关系 ne即= R H,测出值即可求。 3、霍尔效应与材料性能的关系 由上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是选择霍尔系数大（即迁移率高、
大学物理实验报告霍尔效应
大学物理实验报告霍尔效应 一、实验名称：霍尔效应原理及其应用二、实验目的：1、了解霍尔效应产生原理；2、测量霍尔元件的、曲线，了解霍尔电压与霍尔元件工作电流、直螺线管的励磁电流间的关系；3、学习用霍尔元件测量磁感应强度的原理和方法，测量长直螺旋管轴向磁感应强度及分布；4、学习用对称交换测量法(异号法)消除负效应产生的系统误差。 三、仪器用具：YX-04 型霍尔效应实验仪(仪器资产编号)四、实验原理：1、霍尔效应现象及物理解释霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直于电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。对于图1 所示。半导体样品，若在x 方向通以电流，在z 方向加磁场，则在y 方向即样品A、A′电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的电场，电场的指向取决于样品的导电类型。显然，当载流子所受的横向电场力时电荷不断聚积，电场不断加强，直到样品两侧电荷的积累就达到平衡，即样品A、A′间形成了稳定的电势差(霍尔电压)。设为霍尔电场，是载流子在电流方向上的平均漂移速度；样品的宽度为，厚度为，载流子浓度为，则有：(1-1) 因为，，又根据，则(1-2)其中称为霍尔系数，是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。只要测出、以及知道和，可按下式计算：(1-3)(1-4)为霍尔元件灵敏度。 根据RH 可进一步确定以下参数。(1)由的符号(霍尔电压的正负)判断样品的导电类型。判别的方法是按图1 所示的和的方向(即测量中的+，+)，若测得的 <0(即A′的电位低于A 的电位)，则样品属N 型，反之为P 型。(2)由求载流子浓度，即。应该指出，这个关系式是假定所有载流子都具有相同的漂移速度得到的。严格一点，考虑载流子的速度统计分布，需引入的修正因子(可参阅黄昆、谢希德著《半导体物理学》)。(3)结合电导率的测量，求载流子的迁移率。电导率与载流子浓度以及迁移率之间有如下关系：(1-5)2、霍尔效应中的副效应及其消除方法上述推导是从理想情况出发的，实际情况要复杂得多。产生上述霍尔效应的同时还伴随产生四种副效应，使的测量产生系统误差，如图 2 所示。 (1)厄廷好森效应引起的电势差。由于电子实际上并非以同一速度v 沿y 轴负向运动，速度大的电子回转半径大，能较快地到达接点3 的侧面，从而导致3 侧面较4 侧面集中较多能量高的电子，结果3、4 侧面出现温差，产生温差电动势。 可以证明。的正负与和的方向有关。(2)能斯特效应引起的电势差。焊点1、2 间接触电阻可能不同，通电发热程度不同，故1、2 两点间温度可能不同，于是引起热扩散电流。与霍尔效应类似，该热扩散电流也会在 3、4 点间形成电势差。 若只考虑接触电阻的差异，则的方向仅与磁场的方向有关。(3)里纪-勒杜克效应产生的电势差。上述热扩散电流的载流子由于速度不同，根据厄廷好森效应同样的理由，又会在3、4 点间形成温差电动势。的正负仅与的方向有关，而与的方向无关。(4)不等电势效应引起的电势差。由于制造上的困难及材料的不均匀性，3、4 两点实际上不可能在同一等势面上，只要有电流沿x 方向流过，即使没有磁场，3、4 两点间也会出现电势差。的正负只与电流的方向有关，而与的方向无关。综上所述，在确定的磁场和电流下，实际测出的电压是霍尔
霍尔效应实验报告
霍尔效应与应用设计 摘要:随着半导体物理学得迅速发展,霍尔系数与电导率得测量已成为研究半导体材料得主要方法之一。本文主要通过实验测量半导体材料得霍尔系数与电导率可以判断材料得导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。 关键词：霍尔系数,电导率，载流子浓度。 一．引言 【实验背景】 置于磁场中得载流体,如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流与磁场得方向会产生一附加得横向电场,称为霍尔效应。 如今,霍尔效应不但就是测定半导体材料电学参数得主要手段,而且随着电子技术得发展,利用该效应制成得霍尔器件,由于结构简单、频率响应宽（高达10ＧHｚ）、寿命长、可靠性高等优点,已广泛用于非电量测量、自动控制与信息处理等方面. 【实验目得】 1．通过实验掌握霍尔效应基本原理，了解霍尔元件得基本结构; 2．学会测量半导体材料得霍尔系数、电导率、迁移率等参数得实验方法与技术; 3．学会用“对称测量法"消除副效应所产生得系统误差得实验方法。 4．学习利用霍尔效应测量磁感应强度B及磁场分布. 二、实验内容与数据处理 【实验原理】 一、霍尔效应原理 霍尔效应从本质上讲就是运动得带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起得偏转。当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中,这种偏转就导致在垂直电流与磁场得方向上产生正负电荷得聚积,从而形成附加得横向电场。如图1所示.当载流子所受得横电场力与洛仑兹力相等时,样品两侧电荷得积累就达到平衡,故有
? 其中ＥH 称为霍尔电场,就是载流子在电流方向上得平均漂移速度。设试样得宽度为b,厚度为d,载流子浓度为n ，则 ? ? ? 比例系数R Ｈ=１／n ｅ称为霍尔系数. 1． 由ＲH 得符号(或霍尔电压得正负)判断样品得导电类型。 2． 由R Ｈ求载流子浓度n ，即 (4) 3． 结合电导率得测量,求载流子得迁移率. 电导率σ与载流子浓度n 以及迁移率之间有如下关系 (5) 即，测出值即可求。 电导率可以通过在零磁场下，测量B 、C 电极间得电位差为ＶBC ,由下式求得。 (6) 二、实验中得副效应及其消除方法: 在产生霍尔效应得同时,因伴随着多种副效应，以致实验测得得霍尔电极A 、A′之间得电压为V H 与各副效应电压得叠加值,因此必须设法消除。 （１)不等势电压降V 0 图1、 霍尔效应原理示意图,a)为N 型(电子) b)为P 型(孔穴)
声光效应实验
时间：2014年7月7日 ——声光效应实验 大学物理实验报告
课题解析： 声光效应：超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅。当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。 实验目的： 1、观察超声驻波场中光的衍射现象 2、观察超声驻波场的像，测量声波在晶体中的速度 实验器材： 仪器与用具光学实验导轨（1m）、633nm半导体激光器、声光晶体、光信号放大器、声光效应实验电源（驻波声光调制器）、OPT-1A功率指示计以及白屏、光拦探头、一维位移架、MP3及数据线、小孔屏、光电探头、透镜（f=100mm）、光具座、传输线、电源线 主机箱面板功能： 主机箱“声光效应试验电源”主要功能为声光晶体驱动电压的输出与输出电压的指示，频率调节，被调制信号的接受与放大和还原，各面板元器件作用于功能如下： 1.表头：3位半数字表头，用于指示声光晶体驱动电压的大小，该显示数值可通过电压旋钮进行调节。 2.电压旋钮：调整范围0-12V，实验一般调到最大。 3.频率旋钮：调整范围9-11MHz，调整至适当频率使衍射效果最佳，频率值可在示波器或频率上读出（均需自备）。 4.驱动输出：Q9插座，与声光晶体相连接。 5.波形插座：Q9插座，为输出驱动波形，一般与示波器1通道连接
6.音频插座：3.5mm耳机插座，用于输入音频信号。 实验原理： 1.声波是一种弹性波（纵向应力波），在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各介质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。超声场作用的这部分如同一个光学的“相位光栅”，该光栅间距（光栅常数）等于声波波长λ。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。图1所示为某一瞬间超声行波的情况，其中深色部分表示介质受到压缩、密度增大，相应的折射率也增大，而白色部分表示介质密度减少，对应的折射率也减少。在行波声场作用下，介质折射率的增大或减小交替变化，并以声速v（一般为10^3m/s量级）向前推进。由于声速仅为光速的数十万分之一，所以对光波来说，运动的“声光栅”可以看作是静止的。 2.晶体声光效应实验：利用石英晶体/ZF6驻波声光调制器，它由两部分构成，一是声光晶体：声光晶体由压电换能器（XO0切石英晶体）和声光互作用介质（ZF6）组成。为了在声光介质中形成驻波，沿声传播方向上声光介质的两个面要严格平行，平行度要优于λ/5。压电换能器与声光介质焊接成一体。二是驱动源：驱动源是一个正弦波高频功率信号发生器。驱动源提供的正弦高频功率信号（见图3a），通过匹配网络加到压电换能器上，换能器发出的超声波沿x正方向传播，到达对面后，被全反射，反射波沿x负方向传播，声光介质中如同存在两列频率相同、振幅相等且沿相反方向传播的超声波。 图3b所示就是这种波在十个彼此相等的瞬时间隔时的情况。沿正x方向传播的发射波用虚线表示；沿负x方向传播的反射波用实线表示；它们的叠加点划线表示。不难看出，叠加波具有相同的波长，只是在空间不产生位移。这种由两个彼此相对的行波组成的振动称为驻波。在驻波中，彼此相距λ/2的各点完全不振动，这些点称为波节。位于两波节中间的点是波腹，这些点上的振动最大。另外，显而易见的是每隔1/2T秒，振动即完全消失（图1b中从上往下数3,5,7,9行的瞬时），驻波的最大值也位于这些瞬时间隔的中间（2,4,6,8,10），而且每经过这个时间间隔，在波腹处的振动的相位相反。
霍尔效应实验报告(DOC)
大学 本(专)科实验报告 课程名称： 姓名： 学院： 系： 专业： 年级: 学号: 指导教师: 成绩: 年月日
? （实验报告目录） 实验名称 一、实验目的和要求 二、实验原理 三、主要实验仪器 四、实验内容及实验数据记录 五、实验数据处理与分析 六、质疑、建议
霍尔效应实验 一.实验目的和要求： 1、了解霍尔效应原理及测量霍尔元件有关参数. 2、测绘霍尔元件的s H I V -，M H I V -曲线了解霍尔电势差H V 与霍尔元件控制（工作）电流s I 、励磁电流M I 之间的关系。 ３、学习利用霍尔效应测量磁感应强度Ｂ及磁场分布。 ４、判断霍尔元件载流子的类型，并计算其浓度和迁移率。 5、学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。 二．实验原理: 1、霍尔效应 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应，从本质上讲，霍尔效应是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴)被约束在固体材料中,这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷在不同侧的聚积,从而形成附加的横向电场。 如右图（1）所示，磁场B 位于Z 的正向，与之垂直的半导体薄片上沿X 正向通以电流s I (称为控制电流或工作电流)，假设载流子为电子(Ｎ型半 导体材料),它沿着与电流s I 相反的Ｘ负向运动。 由于洛伦兹力L f 的作用,电子即向图中虚线箭头所指的位于ｙ轴负方向的B 侧偏转，并使Ｂ侧形成电子积累，而相对的A 侧形成正电荷积累。与此同时运动的电子还受到由于两种积累的异种电荷形成的反向电场力E f 的作用。随着电荷积累量的增加,E f 增大，当两力大小相等(方向相反)时,L f =-E f ，则电子积累便达到动态平衡。这时在A 、B 两端面之间建立的电场称为霍尔电场H E ,相应的电势差称为霍尔电压H V 。 设电子按均一速度V 向图示的X 负方向运动，在磁场B 作用下,所受洛伦兹力为L f ＝-e V B 式中e 为电子电量，V 为电子漂移平均速度,B 为磁感应强度。 同时,电场作用于电子的力为 l eV eE f H H E /-=-= 式中H E 为霍尔电场强度,H V 为霍尔电压，l 为霍尔元件宽度
声光效应实验
声光效应实验 一、实验目的 1．理解声光效应的原理，了解 Ramam－Nath 衍射和 Bragg 衍射的分别。 2．测量声光器件的衍射效率和带宽等参数，加深对概念的理解。 3．测量声光偏转的声光调制曲线。 4．模拟激光通讯。 二、实验原理 (一) 声光效应的物理本质——光弹效应介质的光学性质通常用折射率椭球方程描述 ij x j y j =1 Pockels 效应：介质中存在声场，介质内部就受到应力，发生声应变，从而引起介质光学性质发生变化，这种变化反映在介质光折射率的或者折射率椭球方程系数的变化上。在一级近似下，有 ij= P ijkl S kl 各向同性介质中声纵波的情况，折射率 n 和光弹系数 P 都可以看作常量，得 =(1 )=PS 其中应变 S = S sin(kx - t ) 表示在 x 方向传播的声应变波，S0是应变的幅值，k = / v s是介质中的声波数， = 2 f 为角频率，v s为介质中声速， = v s / f为声波长。P表示单位应变所应起的(1/n2)的变化， 为光弹系数。又得 n = 1n3PS sin(kx - t) = sin(kx - t) n(x) =n+n = n + sin(kx - t ) 其中= 1n3PS是“声致折射率变化”的幅值。考虑如图1的情况，压电换能器将驱动信号 U(t) 转换成声信号，入射平面波与声波在介质中(共面)相遇，当光通过线度为 l 的声
光互作用介质时，其相位改变为： (x) = n(x)k l = + k l sin(kx - t) 其中k0=2/0为真空中光波数，0 是真空中的光波长， 0 = nk0l为光通过不存在超声波的介质 后的位相滞后，项k0l sin ( kx -t ) 为由 于介质中存在超声波而引起的光的附加位相延 迟。它在x 方向周期性的变化，犹如光栅一 般，故称为位相光栅。这就是得广播阵面由原 先的平面变为周期性的位相绉折，这就改变了 光的传播方向，也就产生了所谓的衍射。与此 同时，光强分布在时间和空间上又做重新分配， 也就是衍射光强受到了声调制。 (二) 声光光偏转和光平移 从量子力学的观点考虑光偏转和光频移 问题十分方便。把入射单色平面光波近似看作光 子和声子。声光相互作用可以归结为光子和声子的弹性碰撞，这种碰撞应当遵守动量守恒和能量守恒定律，前者导致光偏转，后者导致光频移。这种碰撞存在着两种可能的情况——即声子的吸收过程和声子的受激发射过程，在声子吸收的情况下，每产生一个衍射光子，需要吸收一个声子。在声子受激发射的情况下，一个入射声子激发一个散射光子和另一个与之具有相同动量和能量的声子的发射。 v v v k d=k i k d=i 声光效应可划分为正常声光效应和反常声光效应两种。 1、入射光和衍射光处于相同的偏振状态，相应的折射率相同，成为正常声光效应。
霍尔效应实验报告[共8篇]
篇一：霍尔效应实验报告 大学 本(专)科实验报告 课程名称：姓名：学院： 系： 专业：年级：学号： 指导教师：成绩：年月日 （实验报告目录） 实验名称 一、实验目的和要求二、实验原理三、主要实验仪器 四、实验内容及实验数据记录五、实验数据处理与分析六、质疑、建议 霍尔效应实验 一．实验目的和要求： 1、了解霍尔效应原理及测量霍尔元件有关参数. 2、测绘霍尔元件的vh?is，vh?im曲线了解霍尔电势差vh与霍尔元件控制（工作）电流is、励磁电流im之间的关系。 3、学习利用霍尔效应测量磁感应强度b及磁场分布。 4、判断霍尔元件载流子的类型，并计算其浓度和迁移率。 5、学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。 二．实验原理： 1、霍尔效应 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应，从本质上讲，霍尔 效应是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴） 被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷在不同侧的 聚积，从而形成附加的横向电场。 如右图（1）所示，磁场b位于z的正向，与之垂直的半导体薄片上沿x正向通以电流 is（称为控制电流或工作电流），假设载流子为电子（n型 半导体材料），它沿着与电流is相反的x负向运动。 由于洛伦兹力fl的作用，电子即向图中虚线箭头所指的位于y轴负方向的b侧偏转，并 使b侧形成电子积累，而相对的a侧形成正电荷积累。与此同时运动的电子还受到由于两种 积累的异种电荷形成的反向电场力fe的作用。随着电荷积累量的增加，fe增大，当两力大 小相等（方向相反）时，fl=-fe，则电子积累便达到动态平衡。这时在a、b两端面之间建立 的电场称为霍尔电场eh，相应的电势差称为霍尔电压vh。 设电子按均一速度向图示的x负方向运动，在磁场b作用下，所受洛伦兹力为 fl=-eb 式中e为电子电量，为电子漂移平均速度，b为磁感应强度。 同时，电场作用于电子的力为 fe??eeh??evh/l 式中eh为霍尔电场强度，vh为 霍尔电压，l为霍尔元件宽度 当达到动态平衡时，fl??fe ?vh/l （1） 设霍尔元件宽度为l，厚度为d，载流子浓度为n，则霍尔元件的控制（工作）电流为 is?ne （2）由（1），（2）两式可得 vh?ehl? ib1isb ?rhs （3） nedd
实验四 晶体声光效应实验
实验四 晶体声光效应实验 一、引言 当光波通过受到超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象被称为声光效应，它是光波与介质中声波相互作用的结果。声光效应可以用于控制激光束的频率、方向和强度，利用声光效应制成的各种声光器件，如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等，在激光技术、光信息处理和集成光通信技术等方面有着重要的应用。 二、实验目的 1. 掌握声光效应的原理和实验规律； 2. 观察喇曼-奈斯（Ranman —Nath ）衍射的实验条件和特点； 3. 利用声光效应测量声波在介质中的传播速度； 4. 测量声光器件的衍射效率和带宽； 5. 了解声光效应在新技术中的应用； 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。有超声波传播的介质如同一个相位光栅。根据超声波频率的高低或声光相互作用长度的长短，可以将光与弹性声波作用产生的衍射分为两种类型，即喇曼—奈斯型衍射和布拉格型衍射。 喇曼－奈斯衍射 当超声波频率较低、声光相互作用距离较小时，即 02 2λλs l ≤ 平面光波沿z 轴入射，就相当于通过一个相位光栅， 将产生喇曼－奈斯衍射，如图2所示。 根据相关理论可以证明以下结论： （1）各级衍射角θ满足下列关系： 0sin s m λθλ=? （1） 其中，λ0为入射激光波长，λs 为超声波波长，m=0， ±1，±2，±3，…。 （2）各级衍射光强与入射光强之比为：
2()m m I J I ν=入 （2） 其中，()m J ν为m 阶贝塞尔函数，0 2L πνμλ=。因为22()()m m J J νν-=，所以零级极值两侧的光强是对称分布的。 （3）各级衍射光的频率由于产生了多普勒频移而各不相同，各级衍射光的频率为0s m ωω±。 2．布拉格衍射 当超声波频率较高，声光相互作用距离较大，满足 2 02s l λλ≥ 并且光束与声波波面间保持一定的角度入 射时，将产生布拉格衍射。这种衍射与晶体对X 光的布喇格衍射很类似，故称为布喇格衍射。 能产生这种衍射的光束入射角称为布喇格角。 此时有超声波存在的介质起体积光栅的作用。 布拉格衍射的特点是： （1）理想情况下，只出现零级和＋1级衍射或－1级衍射。 （2）若参数合适、超声功率足够大，入射光功率几乎可以全部转换到＋1级或－1级上。 （3）产生布拉格衍射的入射角θB 满足关系： 0sin 2B s λθλ= （3） （4）1级衍射光强与入射光强之比为： 2112sin [()]2I nL I λπλ =? （4） 3．声光调制：无论是喇曼－奈斯衍射还是布拉格衍射，都可以通过改变超声波的强度而改变衍射光的强度。所以可以把调制信号加在超声波功率放大级，以达到光强调制的目的。 4．声光偏转：无论是喇曼－奈斯衍射还是布拉格衍射，都可以通过改变超声波的频率而改变衍射光的偏转方向。若对超声频率固定的超声发生器实现“开关”功能，在“开”时由于产生衍射，+1级或-1级衍射光存在，在“关”时，衍射光不存在，就可实现“声光开关”功能。一般“声光开关”运用的是布拉格衍射。 四、实验仪器 LOSG-Ⅱ型晶体声光效应实验系统的组成如图1所示，主要包括光路部分和声光效应实验仪两部分。光路部分包括He-Ne 激光器，激光器电源， 声光器件，
FD-HL-5 霍尔效应说明书
FD-HL-5型 霍耳效应实验仪 产 品 说 明 书 上海复旦天欣科教仪器有限公司 中国上海
FD-HL-5型霍耳效应实验仪 一．概述 霍耳元件因其体积小，使用简便，测量准确度高，可测量交、直流磁场等优点，已广泛用于磁场的测量。并配以其他装置用于位置、位移、转速、角度等物理的测量和自动控制。本霍耳效应实验仪主要帮助学生了解霍耳效应的实验原理，测量霍耳元件的灵敏度，并学会用霍耳元件测量磁感应强度的方法。FD-HL-5型霍耳效应实验仪具有以下优点： 1．采用砷化镓霍耳元件（样品）测量。该霍耳元件具有灵敏度高，线性范围广，温度系数小的特点。由于霍耳元件的工作电流小（小于5mA），电磁铁的励磁电流也小（小于0.5A），因而实验数据稳定可靠。 2．实验电路布局设计合理，更多地从教学的实际效果和科研的应用考虑。如待测样品和探测元件的形状结构学生可明显观察；用1个数字电压表可分别测量霍耳电压和霍耳电流（通过取样电阻）等。实验教学效果很好。 3．仪器具有保护装置使用寿命长。 本仪器可用于高等院校、中专的基础物理实验、设计性实验和演示实验。 二、技术指标 1.直流稳流电源及数字式电流表。量程0-500mA，分度值1mA。 2.四位半数字电压表。量程0－2V，分度值0.1ｍV。
3.数字式特斯拉计。量程0-0. 35T ，分度值0.0001T 。 4.电磁铁。间隙3mm 。 5.待测砷化镓霍耳元件。实验时，工作电流一般小于3m A 。 （最大电流不得超过5ｍA ） 三、实验仪器简图 （1）实验仪器结构如图1所示。 （2）电源插头各引线对应的输入输出端简介： 1和2端为样品（砷化镓传感器）直流恒流源; 3和4端为式特斯拉计探测所用电源； FD －HL －5 霍耳效应实验仪 电磁铁直流电源 电流调节 数字电压表 霍耳电流调节 毫特计调零 上海复旦天欣科教仪器有限公司 开 关 ｍA ｍV ｍT 图1仪器面板图 图2电源插头各引线对应的输入端