【正文】 不同之處是，集電極電流（光電流）由集電結(jié)上產(chǎn)生的iφ控制。其結(jié)構(gòu)使用電路及等效電路如下圖所示。光敏二極管在電路中工作在呈現(xiàn)反向狀態(tài)。并且光電流和照度基本成線性關(guān)系。由于電場作用，在耗盡層中產(chǎn)生的電子向N+區(qū)移動，并在擴散長度以內(nèi)的電子、空穴也擴散到PN結(jié)兩側(cè)，然后在電場的作用下分別通過耗盡層移向N+和P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流極大增加，這就形成了光電流。沒有光照時，光敏二極管則呈現(xiàn)出很大的反向電阻，可高達兆歐姆，只有少數(shù)載流子在反向偏壓作用下流過PN結(jié)，形成極其微小的暗電流（反向飽和電流）。電子和空穴分別在n區(qū)和p區(qū)積累，兩端便產(chǎn)生電動勢，這稱為光生伏特效應(yīng)，簡稱光伏效應(yīng)。 圖1a光敏電阻的伏安特性曲線 圖1b 光敏電阻的光照特性曲線2．光敏二極管原理所謂光敏二極管其實是一種PN結(jié)型半導(dǎo)體的光電器件，它的PN結(jié)面積一般比普通的二極管要大。當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時, 它的阻值（亮電阻）急劇減少, 電路中電流迅速增大。光敏電阻沒有極性, 純粹是一個電阻器件, 使用時既可加直流電壓, 也可以加交流電壓。當(dāng)光敏電阻兩端加上電壓后，流過光敏電阻的電流隨光照增大而增大。當(dāng)光敏電阻受到光照時，價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，同時產(chǎn)生空穴，電子—空穴對的出現(xiàn)使電阻率變小。掌握光敏元件基本特性的測量方法，為合理應(yīng)用光敏元件打好基礎(chǔ)。它是光敏元件應(yīng)用設(shè)計時選擇電參數(shù)的重要依據(jù)。其中光敏元件在一定的入射照度下，光敏元件的電流與所加電壓U之間的關(guān)系稱為光敏器件的伏安特性。 本實驗主要是研究光敏電阻、硅光電池、光敏二極管、光敏三極管四種光敏元件的基本特性。當(dāng)光照射在PN結(jié)及其附近時，在能量足夠大的光子作用下，在結(jié)區(qū)及其附近就產(chǎn)生少數(shù)載流子（電子、空穴對）。雜質(zhì)型光電導(dǎo)效應(yīng)則是能量足夠大的光子使施主能級中的電子或受主能級中的空穴躍遷到導(dǎo)帶或價帶，從而使電導(dǎo)增加。 光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征型和雜質(zhì)型兩類。它是一種內(nèi)光電效應(yīng)。1．光電導(dǎo)效應(yīng)即半導(dǎo)體材料的許多電學(xué)特性都因受到光的照射而發(fā)生變化。電子并不逸出材料表面的則是內(nèi)光電效應(yīng)。 實驗原理：4．了解光電池的光照特性，熟悉其應(yīng)用。1. 按照裝置圖連接線路，經(jīng)檢查無誤，方可接通. 要注意的是要用USB線的一端連接到實驗導(dǎo)軌的USB接口，.2. 打開導(dǎo)軌上的總開關(guān)，打開激光器的開關(guān)，點燃激光器.3. 調(diào)整光路，首先使激光束從光闌小孔通過，調(diào)整掃描干涉儀上下、左右位置，使光束正入入射孔中心，再細(xì)調(diào)干涉儀板架上的兩個方位螺絲，以使從干涉儀腔鏡反射的最亮的光點回到光闌小孔的中心附近（注意不要穿過光闌小孔入射激光器），這時表明入射光束和掃描干涉儀的光軸基本重合.4. 將放大器的接收部位對準(zhǔn)掃描干涉儀的輸出端.5. 接通放大器、鋸齒波發(fā)生器.6. 〉測量或者F5鍵，或者工具條上的按鈕，彈出在這里，可以點擊“采集參數(shù)設(shè)置”按鈕來設(shè)置采集參數(shù).設(shè)置后點擊開始采集，則顯示出來采集到的鋸齒波和接收器接收到的光強譜線類似：然后點擊“確定”按鈕退回到工作界面.圖形較小的情況下，可以用拖放鼠標(biāo)進行放大. 進一步細(xì)調(diào)干涉儀的方位螺絲，使得譜線盡量強,噪聲很小.改變鋸齒波輸出電壓的峰值,看示波器上干涉序的數(shù)目的變化(電壓的峰值越高,出現(xiàn)的干涉序的數(shù)目越多),將峰值固定在某一值(一般在100到140之間),調(diào)整鋸齒波的前后沿，得到一個較長的直線部分，例如下圖中的X曲線，上升部分代表鋸齒波電壓呈直線上升，調(diào)整鋸齒波的幅度，使鋸齒波直線段看到清楚且容易分辨的兩個或者三個干涉序,，是前面的重復(fù)，且較密集，所以不加考慮.根據(jù)干涉序的個數(shù)和頻譜的周期性,.根據(jù)自由光譜范圍的定義，確定它所對應(yīng)的頻率間隔（即哪兩條譜線間隔為△ ?）.在上圖中譜線1與譜線5，譜線2與譜線6，譜線3與譜線7，,可以對時間軸增幅,并且計算平均值,以較準(zhǔn)確的測出與△（因為在后面的計算中要用到的是比例值，所以沒有必要求出具體的頻率差值△，用x通道的電壓差值來代替即可,又由于其線性的特性,又可以用橫軸上的時間差值來代替,在這里采用后者為例）,對于上圖,讀出各個的峰的橫坐標(biāo)值分別是:t1=, t2= ,t3=,t4=,t5=,t6=,t7=,t8=.計算出△ .在同一干涉序k中觀測,根據(jù)縱模定義對照頻譜特征,確定縱模的個數(shù),并測出縱模頻率間隔△v△q=,可以知道在干涉序k中的縱模有兩個,△v△q=1f就是峰1和峰3對應(yīng)的頻率間隔,.△ v△q=1f = (|t1t3| / ) * △ = ( || / )* 4GHz ≈其理論值為 c / 2L ≈ .其中c為真空光速，L是激光器諧振腔的長度,對于我們配套的激光器來說，L=246mm.1根據(jù)橫模地頻率頻譜特征,在同一干涉序k內(nèi)有幾個不同的橫模,并測出不同的橫模頻率間隔△v△m+△,，可以看出每個縱模序中有2個橫模，:△ v(1,2) = ( |t1t2| / )* △ = （|| / ） * 4GHz≈ 當(dāng)式5中△m+△n=1時，將各個數(shù)值代入，可以得到△ v△m+△n=1 = △v△q=1 { 1/π(△m+△n)arc cos[(1L/R1)(1L/R2)]1/2 } ≈ * ≈ 與△v(1,2)相比較,可知峰1和峰2是橫模序數(shù)相差1，即△m+△n=1，而且相配套激光器具有基橫模，所以橫模中一個是TEM00k ,另一個是TEM01k (或者是TEM10k，二者無本質(zhì)區(qū)別) .在這里要說明的是，由于激光器的關(guān)系和各種誤差的原因，造成橫模頻率間隔和縱模頻率間隔的測量值與理論值有一定的出入，但只要在20MHz之內(nèi)就可以被接受.1確定橫軸頻率增加的方向,以便確定在同一q縱模序中哪個模是高階橫模,哪個是低階橫模,，隨時間增長，鋸齒波電壓變大，干涉儀的諧振腔變長，在K序中，峰2對應(yīng)的波長大于峰1對應(yīng)的波長，所以峰2對應(yīng)的頻率小于峰1對應(yīng)的頻率，結(jié)合11步中的結(jié)論，可以知道峰1對應(yīng)的模式是TEM01k ,峰2對應(yīng)的模式是TEM00k .要說明的是，圖中峰的高度對應(yīng)光強，去處誤差的原因，還可以說明不一定是基橫模的光強最強，頻率高低是判斷橫模的決定條件.1如果用的不是配套的激光器，那么用白屏在遠(yuǎn)處接收激光，這時看到的應(yīng)是所有橫模的疊加圖，還需要結(jié)合圖24中單一橫模的形狀加以辨認(rèn)，以便確定每個橫模的模序m,，不容易判斷出是哪些橫模疊加，所以往往不容易判斷每個橫模的模序.1通過對兩支不通模式狀況的激光器進行觀測，總結(jié)出模式分析的基本方法.實驗六　光敏元件特性實驗 實驗?zāi)康模?．了解光敏電阻的光照特性和伏安特性；2．了解光敏二極管工作原理及光生伏特效應(yīng)。另外，當(dāng)定點設(shè)備指向某一菜單項或按鈕時，會在狀態(tài)欄顯示相應(yīng)的功能說明,并且可以顯示曲線上某一點的橫縱坐標(biāo)值.按照裝置圖連接線路，經(jīng)檢查無誤，方可接通. 打開導(dǎo)軌上的總開關(guān)，打開激光器的開關(guān)，點燃激光器.調(diào)整光路，首先使激光束從光闌小孔通過，調(diào)整掃描干涉儀上下、左右位置，使光束正入入射孔中心，再細(xì)調(diào)干涉儀板架上的兩個方位螺絲，以使從干涉儀腔鏡反射的最亮的光點回到光闌小孔的中心附近（注意不要穿過光闌小孔入射激光器），這時表明入射光束和掃描干涉儀的光軸基本重合.將放大器的接收部位對準(zhǔn)掃描干涉儀的輸出端.接通放大器、鋸齒波發(fā)生器、示波器的電源開關(guān).觀察示波器上展現(xiàn)的頻譜圖,進一步細(xì)調(diào)干涉儀的方位螺絲,使譜線盡量強,噪聲很小.改變鋸齒波輸出電壓的峰值,看示波器上干涉序的數(shù)目的變化(電壓的峰值越高,出現(xiàn)的干涉序的數(shù)目越多),將峰值固定在某一值(一般在100到140之間,能看到清楚且容易分辨的兩個干涉序即可),確定示波器上展現(xiàn)的干涉序的個數(shù).根據(jù)干涉序的個數(shù)和頻譜的周期性,確定哪些模屬于同一k序.根據(jù)自由光譜范圍的定義，確定它所對應(yīng)的頻率間隔（即哪兩條譜線間隔為△ ?）.為了減小測量誤差,需要對x軸增幅,測出與△,計算出二者比值—每厘米代表的頻率間隔值.在同一干涉序k中觀測,根據(jù)縱模定義對照頻譜特征,確定縱模的個數(shù),并測出縱模頻率間隔△v△q=,檢查辨認(rèn)和測量的值是否準(zhǔn)確.1根據(jù)橫模地頻率頻譜特征,在同一干涉序k內(nèi)有幾個不同的橫模,并測出不同的橫模頻率間隔△v△m+△,(24),解出△m+△n的值.1確定橫軸頻率增加的方向,以便確定在同一q縱模序中哪個模是高階橫模,哪個是低階橫模,及它們間的強度關(guān)系.1用白屏在遠(yuǎn)處接收激光，這時看到的應(yīng)是所有橫模的疊加圖，還需要結(jié)合圖24中單一橫模的形狀加以辨認(rèn)，以便確定每個橫模的模序m,n值.1通過對兩支不通模式狀況的激光器進行觀測，總結(jié)出模式分析的基本方法. 本實驗裝置也可以用軟件控制采集并且觀察數(shù)據(jù)。單擊這些菜單項可彈出下拉菜單，利用這些菜單即可執(zhí)行軟件的大部分命令。圖41圖42完成上面幾步后，就可以在軟件平臺上工作了.工作界面主要由菜單欄、工具欄、工作區(qū)、狀態(tài)欄、組成。掃描干涉儀有兩個重要的性能參數(shù)，即自由光譜范圍和精細(xì)常數(shù)，下面對他們進行討論。注意：共焦球面掃描干涉儀是精密儀器，一定要注意防塵、防震。由于長度的變化量很小，僅為波長數(shù)量級，它不會改變腔的共焦?fàn)顟B(tài)。圖中，①為由低膨脹系數(shù)制成的間隔圈，用以保持兩球形凹面反射鏡R1和R2總是處在共焦?fàn)顟B(tài)。在本實驗中，它起著關(guān)鍵作用。另一方面也存在著不可避免的多種損耗,使光強減弱,如介質(zhì)的吸收損耗、散射損耗、鏡面透射損耗、,不僅要滿足諧振條件,還需要增益大于各種損耗的總和,才能形成持續(xù)振蕩,有激光輸出,如圖3所示,圖中,增益線寬內(nèi)雖有五個縱模滿足諧振條件,但只有三個縱模地增益大于損耗,能有激光輸出,對于縱模的觀測,由于q值很大,相鄰縱模頻率差異很小,眼睛不能分辨,必須借用一定的檢測儀器才能觀測到.諧振腔對光多次反饋,在縱向形成不同的場分布,那么對橫向是否也會產(chǎn)生影響呢?,就相當(dāng)于一次衍射,多次反復(fù)衍射,就在橫向的同一波腹處形成一個或者多個穩(wěn)定的衍射分布,稱為一個橫模,我們介紹了幾種常見的基本橫模光斑圖樣.總之,任一個模,既是縱模,又是橫模,它同時有兩個名稱,通常寫作TEMm n q,q是縱模標(biāo)記,n是沿y軸場強為零的節(jié)點數(shù).前面已知,不同的縱模對應(yīng)不同的頻率,那么同一縱模序數(shù)內(nèi)的不同橫模又如何呢?同樣,關(guān)心的是不同橫模間的頻率差,經(jīng)推導(dǎo)得△v△m+△n=c/2μL { 1/π(△m+△n)arc cos[(1L/R1)(1L/R2)]1/2 } (4)其中, △m,△n分別表示x,y方向上橫模模序差, R1,R2為諧振腔的兩個反射鏡的曲率半徑,相鄰的橫模頻率間隔為△v△m+△n= △v△q=1 { 1/π(△m+△n)arc cos[(1L/R1)(1L/R2)]1/2 } (5)從上式中還可以看出,相鄰的橫模頻率間隔與縱模頻率間隔的比值是一個分?jǐn)?shù),(L= R1= R2,即共焦腔),分?jǐn)?shù)值達到極大,即橫模間隔是縱模間隔的1/2,橫模序數(shù)相差為2的譜線頻率正好與縱模序數(shù)相差為1的譜線頻率兼并.激光器中能產(chǎn)生的橫模個數(shù),除前述增益因素外,還與放電毛細(xì)管的粗細(xì)、,放電管直徑越大,衍射損耗越大,而是由多種因素共同決定的,這是在模式分析實驗中,即認(rèn)為光最強的譜線一定是基橫模,這是不對的,而應(yīng)根據(jù)高階橫模具有高頻率來確定.橫模頻率間隔的測量同縱模間隔一樣,因為頻譜圖上只能看到有幾個不同的m+n,可以測出m+n的差值,然而不同的m和n可對應(yīng)相同的m+n,在頻譜圖上則是相同的,因此要確定m和n各是多少,看到的應(yīng)是它全部橫模的疊加圖(即圖4中一個或幾個單一態(tài)圖形的組合).當(dāng)只有一個橫模時,或基橫模很強,掩蓋了其他的橫模,或者高階模太弱,知道了橫模的個數(shù)及彼此強度上的大致關(guān)系,就可縮小考慮的范圍,從而能準(zhǔn)確地確定出每個橫模的m和n值.綜上所述,模式分析的內(nèi)容,就是要測量和分析出激光器所具有的縱模個數(shù)、縱模頻率間隔值、橫模個數(shù)、橫模頻率間隔值、每個模的m和n的階數(shù)及對應(yīng)的光斑圖形. 共焦球面掃描干涉儀：共焦球面掃描干涉儀是一種分辨率很高的分光儀器，已成為激光技術(shù)中一種重要的測量設(shè)備。每一個q對應(yīng)縱向一種穩(wěn)定的電磁場分布λq,叫一個縱模, ,通常我們不需要知道它的數(shù)值,而關(guān)心的是有幾個不同的q值,這也是駐波形成的條件,腔內(nèi)的縱模是以駐波形式存在的,vq=qc/2μL (2)同樣,我們一般不去求它,而關(guān)心的是相鄰兩個縱模地頻率間隔△v△q=1=c/2μL≈c/2L (3)從式中看出,相鄰的縱模頻率間隔和激光器的腔長成反比,即腔越長,△v縱越小,滿足振蕩條件的縱模個數(shù)越多。而形成持續(xù)振蕩的條件是，光在諧振腔內(nèi)往返一周的光程差應(yīng)是波長的整數(shù)倍，即2μL=qλq (1)這正是光波相干極大條件，滿足此條件的光將獲得極大增強，其他則互相抵消。只有頻率落在展寬范圍內(nèi)的光在介質(zhì)中傳播時，光強將獲得不同程度的放大。不同類型的激光器，工作條件不同，以上諸影響有主次之分。被傳播的光波絕不是單一頻率的（通常所謂某一波長的光，不過是指中心波長而已）。：我們知道，激光器的三個基本組成部分是增益介質(zhì)、諧振腔、激勵能源。在上圖中，1是接受器，應(yīng)與端口7相連接；2是掃描干涉儀，應(yīng)與端口6相連接；3是氦氖激光器，應(yīng)與電源4相連接；5是儀器的總電源；8是USB接口，通過USB線與電腦相連接。注：可以通過“控制面板”中的添加新硬件，選擇“其他設(shè)備”。