2008物理补充实验.doc

大学物理实验(补充讲义) 刘文军钟晓燕主编生物医学工程学院实验技术管理中心 2008. 9 1 目录实验一、红外传输与应用实验…………………………(2) 实验二、 CCD 特性研究实验……………………………(10) 实验三、物理演示实验…………………………………(20) 2 实验一、红外传输与应用实验波长范围在 ~1000 微米的电磁波称为红外波, 对红外频谱的研究历来是基础研究的重要组成部分。对热辐射的深入研究导致普朗克量子理论的创立。对原子与分子的红外光谱研究,帮助我们洞察它们的电子,振动,旋转的能级结构,并成为材料分析的重要工具。对红外材料的性质, 如吸收、发射、反射率、折射率、电光系数等参数的研究, 为它们在各个领域的应用研究奠定了基础。现代红外技术的成熟已经打开了一系列应用的大门。例如红外通信,红外污染监测,红外跟踪, 红外报警, 红外治疗, 红外控制, 利用红外成像原理的各种空间监视传感器, 机载传感器,房屋安全系统,夜视仪等。光纤通信早已成为固定通信网的主要传输技术, 目前正积极研究将光通信用于微波通信一直占据的宽带无线通信领域。无论光纤通信还是无线光通信, 用的都是红外光。这是因为, 光纤通信中,由石英材料构成的光纤在 ~ 微米的波段范围内有几个抵损耗区,而无线大气通信中, 考虑到大气对光波的吸收, 散射损耗及避开太阳光散射形成的背景辐射, 一般在 ~ , ~ 微米两个波段范围内选择通信波长。因此,一般所称的光通信实际就是红外通信。实验目的 1、了解红外通信的原理及基本特性。 2、测量部分材料的红外特性。 3、测量红外发射管的伏安特性,电光转换特性。 3 4、测量红外接收管的伏安特性。 5、基带调制传输实验。 6、副载波调制传输实验。 7、音频信号传输实验。 8、数字信号传输实验。实验仪器红外通信特性实验仪,示波器,信号发生器实验原理 1 、红外通信在现代通信技术中, 为了避免信号互相干扰, 提高通信质量与通信容量, 通常用信号对载波进行调制, 用载波传输信号, 在接收端再将需要的信号解调还原出来。不管用什么方式调制, 调制后的载波要占用一定的频带宽度, 如音频信号要占用几千赫兹的带宽, 模拟电视信号要占用 8 兆赫兹的带宽。载波的频率间隔若小于信号带宽,则不同信号间要互相干扰。能够用作无线电通信的频率资源非常有限,国际国内都对通信频率进行统一规划和管理,仍难以满足日益增长的信息需求。通信容量与所用载波频率成正比, 与波长成反比, 目前微波波长能做到厘米量级, 在开发应用毫米波和亚毫米波时遇到了困难。红外波长比微波短得多, 用红外波作载波, 其潜在的通信容量是微波通信无法比拟的, 红外通信就是用红外波作载波的通信方式。红外传输的介质可以是光纤或空间,本实验采用空间传输。 2 、红外材料光在光学介质中传播时,由于材料的吸收,散射,会使光波在传播过程中逐渐衰减,对于确定的介质,光的衰减 dI 与材料的衰减系数α,光强 I ,传播距离 dx 成正比: dI Idx ???(1) 对上式积分,可得: Lo I I e ???(2) 上式中 L 为材料的厚度。材料的衰减系数是由材料本身的结构及性质决定的, 不同的波长衰减系数不同。普通的光学材料由于在红外波段衰减较大,通常并不适用于红外波段。常用的红外光学材料包括: 石英晶体及石英玻璃, 它在 ~ 微米的波长范围内都有较高的透射率。半导体材料及它们的化合物如锗,硅,金刚石,氮化硅,碳化硅,***化镓,磷化镓。***化物晶体如***化钙, ***化镁。氧化物陶瓷如蓝宝石单晶(Al 2O 3), 尖晶石(MgAl 2O 4), 氮氧化铝, 氧化镁, 氧化钇, 氧化锆。还有硫化锌,硒化锌,以及一些硫化物玻璃,锗硫系玻璃等。光波在不同折射率的介质表面会反射,入射角为零或入射角很小时反射率: 2 1 2 1 2 ( ) n n R n n ???(3) 由( 3 )式可见,反射率取决于界面两边材料的折射率。由于色散,材料在不同波长的折射率不同。折射率与衰减系数是表征材料光学特性的最基本参数。由于材料通常有两个界面, 测量到的反射与透射光强是在两界面间反射的多个光束的叠加效果,如图 1 所示。反射光强与入射光强之比为: 4 图1 光在两界面间的多次反射 I 0I 0R I 0 (1- R) 2R e -2αL I 0 (1- R) 2R 3 e -4αL I 0 (1- R) 2R 5 e -6αL …… I 0 (1- R) 2e -αL I 0 (1- R) 2R 2 e -3αL I 0 (1- R) 2R 4 e -5αL …… 2 2 2 2 2 2 4 4 2