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物理补充实验30页文档资料
大学物理实验
单靠“死”记还不行,还得“活”用,姑且称之为“先死后活”吧。
让学生把一周看到或听到的新鲜事记下来,摒弃那些假话套话空话,写出自己的真情实感,篇幅可长可短,并要求运用积累的成语、名言警句等,定期检查点评,选择优秀篇目在班里朗读或展出。
这样,即巩固了所学的材料,又锻炼了学生的写作能力,同时还培养了学生的观察能力、思维能力等等,达到“一石多鸟”的效果。
（补充讲义）
“教书先生”恐怕是市井百姓最为熟悉的一种称呼，从最初的门馆、私塾到晚清的学堂，“教书先生”那一行当怎么说也算是让国人景仰甚或敬畏的一种社会职业。
只是更早的“先生”概念并非源于教书，最初出现的“先生”一词也并非有传授知识那般的含义。
《孟子》中的“先生何为出此言也？
”；《论语》中的“有酒食，先生馔”；《国策》中的“先生坐，何至于此？
”等等，均指“先生”为父兄或有学问、有德行的长辈。
其实《国策》中本身就有“先生长者，有德之称”的说法。
可见“先生”之原意非真正的“教师”之意，倒是与当今“先生”的称呼更接近。
看来，“先生”之本源含义在于礼貌和尊称，并非具学问者的专称。
称“老师”为“先生”的记载，首见于《礼记?
曲礼》，有“从于先生，不越礼而与人言”，其中之“先生”意为“年长、资深之传授知识者”，与教师、老师之意基本一致。
刘文军钟晓燕主编
“教书先生”恐怕是市井百姓最为熟悉的一种称呼，从最初的门馆、私塾到晚清的学堂，“教书先生”那一行当怎么说也算是让国人景仰甚或敬畏的一种社会职业。
只是更早的“先生”概念并非源于教书，最初出现的“先生”一词也并非有传授知识那般的含义。
《孟子》中的“先生何为出此言也？
”；《论语》中的“有酒食，先生馔”；《国策》中的“先生坐，何至于此？
”等等，均指“先生”为父兄或有学问、有德行的长辈。
其实《国策》中本身就有“先生长者，有德之称”的说法。
可见“先生”之原意非真正的“教师”之意，倒是与当今“先生”的称呼更接近。
看来，“先生”之本源含义在于礼貌和尊称，并非具学问者的专称。
称“老师”为“先生”的记载，首见于《礼记?
曲礼》，有“从于先生，不越礼而与人言”，其中之“先生”意为“年长、资深之传授知识者”，与教师、老师之意基本一致。
生物医学工程学院实验技术管理中心
2019.9
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）
实验一、红外传输与应用实验
波长范围在0.75~1000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0.8~1.7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0.81~0.86，1.55~1.6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。
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：
（1）
对上式积分，可得：
（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0.14~4.5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，砷化镓，磷化镓。
氟化物晶体如氟化钙，氟化镁。
氧化物陶瓷如蓝宝石单晶（Al2O3），尖晶石（MgAl2O4），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：
（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）
（4）式的推导中，用到无穷级数1+x+x2+x3+···=（1－x）-1。
透射光强与入射光强之比为：
（5）
原则上，测量出I0、IR、IT，联立（4）、（5）两式，可以求出R与α（不一定是解析解）。
下面讨论两种特殊情况下求R与α。
对于衰减可忽略不计的红外光学材料，α=0，e–αL=1，此时，由（4）式可解出：
（6）
对于衰减较大的非红外光学材料，可以认为多次反射的光线经材料衰减后光强度接近零，对图1中的反射光线与透射光线都可只取第一项，此时：
（7）
（8）
由于空气的折射率为1，求出反射率后，可由（3）式解出材料的折射率：
（9）
很多红外光学材料的折射率较大，在空气与红外材料的界面会产生严重的反射。
例如硫化锌的折射率为2.2，反射率为14％，锗的折射率为4，反射率为36％。
为了降低表面反射损失，通常在光学元件表面镀上一层或多层增透膜来提高光学元件的透过率。
3、发光二极管
红外通信的光源为半导体激光器或发光二极管，本实验采用发光二极管。
发光二极管是由P型和N型半导体组成的二极管。
P型半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。
N型半导体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。
当两种半导体结合在一起形成P-N结时，N区的电子（带负电）向P区扩散，P区的空穴（带正电）向N区扩散，在P-N结附近形成空间电荷区与势垒电场。
势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过P-N结的净电流为零。
在空间电荷区内，P区的空穴被来自N区的电子复合，N区的电子被来自P区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。
当加上与势垒电场方向相反的正向偏压时，结区变窄，在外电场作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，从而在PN结附近产生电子与空穴的复合，并以热能或光能的形式释放能量。
采用适当的材料，使复合能量以发射光子的形式释放，就构成发光二极管。
采用不同的材料及材料组分，可以控制发光二极管发射光谱的中心波长。
图3，图4分别为发光二极管的伏安特性与输出特性。
从图3可见，发光二极管的伏安特性与一般的二极管类似。
从图4可见，发光二极管输出光功率与驱动电流近似呈线性关系。
这是因为：
驱动电流与注入PN结的电荷数成正比，在复合发光的量子效率一定的情况下，输出光功率与注入电荷数成正比。
4、光电二极管
红外通信接收端由光电二极管完成光电转换。
光电二极管是工作在反向偏置状态下的PN结，反向偏压电场方向与势垒电场方向一致，使结区变宽，无光照时只有很小的暗电流。
当PN结受光照射时，价电子吸收光能后挣脱价键的束缚成为自由电子，在结区产生电子－空穴对，在电场作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成光电流。
红外通信常用PIN型光电二极管作光电转换。
它与普通光电二极管的区别在于在P型和N型半导体之间夹有一层没有渗入杂质的本征半导体材料，称为I型区。
这样的结构使得结区更宽，结电容更小，可以提高光电二极管的光电转换效率和响应速度。
图5是反向偏置电压下光电二极管的伏安特性。
无光照时的暗电流很小，它是由少数载流子的漂移形成的。
有光照时，在较低反向电压下光电流随反向电压的增加有一定升高，这是因为反向偏压增加使结区变宽，结电场增强，提高了光生载流子的收集效率。
当反向偏压进一步增加时，光生载流子的收集接近极限，光电流趋于饱和，此时，光电流仅取决于入射光功率。
在适当的反向偏置电压下，入射光功率与饱和光电流之间呈较好的线性关系。
图6是光电转换电路，光电二极管接在晶体管基极，集电极电流与基极电流之间有固定的放大关系，基极电流与入射光功率成正比，则流过R的电流与R两端的电压也与光功率成正比。
5、光源的调制
对光源的调制可以采用内调制或外调制。
内调制用信号直接控制光源的电流，使光源的发光强度随外加信号变化，内调制易于实现，一般用于中低速传输系统。
外调制时光源输出功率恒定，利用光通过介质时的电光效应，声光效应或磁光效应实现信号对光强的调制，一般用于高速传输系统。
本实验采用内调制。
图7是简单的调制电路。
调制信号耦合到晶体管基极，晶体管作共发射极连接，流过发光二极管的集电极电流由基极电流控制，R1，R2提供直流偏置电流。
图8是调制原理图，由图8可见，由于光源的输出光功率与驱动电流是线性关系，在适当的直流偏置下，随调制信号变化的电流变化由发光二极管转换成了相应的光输出功率变化。
6、副载波调制
由需要传输的信号直接对光源进行调制，称为基带调制。
在某些应用场合，例如有线电视需要在同一根光纤上同时传输多路电视信号，此时可用N个基带信号对频率为f1，f2…fN的N个副载波频率进行调制，将已调制的N个副载波合成一个频分复用信号，驱动发光二极管。
在接收端，由光电二极管还原频分复用信号，再由带通滤波器分离出副载波，解调后得到需要的基带信号。
对副载波的调制可采用调幅，调频等不同方法。
调频具有抗干扰能力强，信号失真小的优点，本实验采用调频法。
图9是副载波调制传输框图。
如果载波的瞬时频率偏移随调制信号m（t）线性变化，即：
（10）
则称为调频，kf是调频系数，代表频率调制的灵敏度，单位为2π赫兹/伏。
调频信号可写成下列一般形式：
（11）
式中
为载波的角频率，
为调频信号的瞬时相位偏移。
下面考虑两种特殊情况：
假设m（t）为电压为V的直流信号，则（11）式可以写为：
（12）
（12）式表明直流信号调制后的载波仍为余弦波，但角频率偏移了
。
假设m（t）=UcosΩt，则（11）式可以写为：
（13）
可以证明，已调信号包括载频分量ω和若干个边频分量ω±nΩ，边频分量的频率间隔为Ω。
任意信号可以分解为直流分量与若干余弦信号的叠加，则（12），（13）两式可以帮助理解一般情况下调频信号的特征。
实验内容和步骤
1、部分材料的红外特性测量
将发光二极管与功率计相对放置，在未放置样品时测量初始光强I0。
在发光二极管与功率计连线中间位置垂直放入样品，测量透射光强IT。
将功率计移到紧靠发光二极管，微调样品入射角使接收到的反射光最强，测量反射光强IR。
将测量数据记入表3中
表1部分材料的红外特性测量初始光强I0＝（mW）
材料
样品厚度（mm）
反射光强IR
（mW）
透射光强IT
（mW）
反射率R
折射率n
衰减系数α
（/mm）
石英玻璃
对衰减可忽略不计的红外光学材料，用（6）式计算反射率，（9）式计算折射率。
对衰减严重的材料，用（7）式计算反射率，（8）式计算衰减系数，（9）式计算折射率。
2、发光二极管的伏安特性与输出特性测量
改变发光二极管两端电压，测量正向偏压与流过发光二极管的电流，用功率计测量输出光功率，记录于表2中。
表2发光二极管伏安特性与输出特性测量
电压（V）
电流（mA）
输出光功率（mW）
以表2数据作所测发光二极管的伏安特性曲线，输出特性曲线。
3、光电二极管伏安特性的测量
调节发光二极管输出光功率，使光电二极管接收到的光功率如表3所示。
在不同输入光功率时，分别测量反向偏置电压与流过发光二极管的反向电流之间的关系，记录于表3中。
表3光电二极管伏安特性的测量
反向偏置电压/伏
0
0.2
0.5
1
2
3
4
5
电流
（mA）
P=0
P=1mW
P=2mW
P=3mW
以表3数据，作光电二极管的伏安特性曲线。
4、基带调制传输实验
将信号发生器接入发光二极管调制电路，用双踪示波器1路观测输入信号波形，另一路观测经红外传输后，光电转换电路输出的波形。
观测信号经红外传输后，波形是否失真，频率有无变化，记入表4中。
调节信号发生器输出幅度，当幅度超过一定值后，可观测到接收信号明显失真（参见图8），记录信号不失真对应的输入电压范围于表4中。
在红外传输光路中插入衰减板，或用遮挡物遮挡，观测对输出的影响，记入表4中。
表4基带调制传输实验
发光二极管调制电路输入信号
光电二极管光电转换电路输出信号
波形
频率（kHz）
输入电压范围
波形
频率（kHz）
信号失真程度
衰减对输出的影响
正弦波
方波
对表4结果作定性讨论。
5、副载波调制传输实验
用直流电压输入调频模块，用示波器观测调频模块输出的波形和频率，将输出频率fV随电压的变化记入表5中。
表5调频电路的f-V关系
输入电压（V）
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
输出频率fV（kHz）
以输入电压作横坐标，输出角频率ωV=2πfV为纵坐标在坐标纸上作图。
直线与纵轴的交点为副载波的角频率ω，直线的斜率为调频系数kf。
求出ω与kf。
将信号发生器接入调频模块，调频模块输出接入发光二极管调制电路，用双踪示波器1路观测输入信号波形，另一路分别观测调频模块输出的副载波信号以及解调模块输出的波形。
将观测情况记入表6中。
表6副载波调制传输实验
基带信号
副载波信号
红外传输后解调的基带信号
波形
频率（kHz）
（定性描述）
波形
频率（kHz）
信号失真程度
正弦波
方波
对表6结果作定性讨论。
6、音频信号传输实验
将音频电信号经红外传输，倾听红外接收端还原出来的音乐信号。
定性观察衰减，遮挡等外界因素对传输的影响，陈述你的感受。
7、数字信号传输实验
若需传输的信号本身是数字形式，或将模拟信号数字化（模数转换）后进行传输，称为数字信号传输，数字传输具有抗干扰能力强，传输质量高；易于进行加密和解密，保密性强；可以通过时分复用提高信道利用率；便于建立综合业务数字网等优点，是今后通信业务的发展方向。
本实验用编码器发送二进制数字信号，并用数码管以十进制显示所发送的信号。
将数字信号输入红外调制电路，用双踪示波器1路观测发送波形，另一路观测红外接收电路接收的波形。
接收的数字信号经译码后由数码管以十进制方式显示。
观测有衰减或无衰减情况下信号的幅度及失真程度，译码器能否正确还原所传信号，将观测结果记入表7中。
表7数字信号传输实验
发送数字
发送波形
接收波形
接收信号幅度（V）
信号失真程度
接收数字
对表7结果作定性讨论。
实验二、CCD特性实验
CCD（ChargeCoupledDevice）全称为电荷耦合器件，是70年代发展起来的新型半导体器件。
它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。
CCD具有光电转换、信息存贮和传输等功能，CCD图像传感器能实现图像信息的获取，转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次的内容丰富的可视图像信息。
CCD具有集成度高、分辨率高、灵敏度高、功耗小、寿命长、性能稳定、便于与计算机结合等优点。
被广泛应用于人民生活、军事、天文、医疗、电视、图像扫描、工业检测和自动控制等各个领域。
学习和掌握一些CCD的基本结构，工作原理，通过实验对CCD的基本特性进行测量，为进一步应用CCD打下基础，是十分必要的。
实验目的
1．学习掌握CCD的基本工作原理，CCD正常工作所需的外部条件及这些条件的改变对CCD输出的影响。
2．测量曝光时间，驱动周期，照明情况对输出的影响，并根据实验原理对输出进行说明。
3．测量CCD的光电转换特性曲线，根据曲线得到CCD的灵敏度，饱和输出电压及饱和曝光量。
4．测量并计算CCD的暗信号电压，暗噪声，动态范围，像敏单元不均匀度等参数。
5．比较CCD输出信号经AD转换或二值化处理后输出信号的差异，了解各自的应用领域。
实验原理
一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。
图1为某型号CCD的结构示意图。
CCD工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。
取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。
移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。
将输出信号接到计算机，示波器，图象显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。
由于CCD光敏元可做得很小（约10um），所以它的图象分辨率很高。
一．CCD的MOS结构及存贮电荷原理
CCD的基本单元是MOS电容器，这种电容器能存贮电荷，以P型硅为例，其结构如图2所示。
在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层，然后在SiO2上淀积一层金属为栅极，P型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。
于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，形成耗尽区，带负电的少数载流子在紧靠SiO2层形成负电荷层（电荷包），这种现象便形成对电子而言的陷阱，电子一旦进入就不能复出，故又称为电子势阱，势阱深度与电压成正比，如图3所示。
当MOS电容器受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，形成了光电转换，实现了对光照的记忆。
早期的CCD器件用MOS电容器实现光电转换，现在的CCD器件为了改善性能，用光电二极管取代MOS电容器做光敏单元，实现光电转换，移位寄存器（实现电荷转移）为MOS电容器。
二．电荷的转移与传输
CCD的移位寄存器是一列排列紧密的MOS电容器，它的表面由不透光的铝层覆盖，以实现光屏蔽。
由上面讨论可知，MOS电容器上的电压愈高，产生的势阱愈深，当外加电压一定，势阱深度随阱中的电荷量增加而线性减小。
利用这一特性，通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱深浅。
制造时将MOS电容紧密排列，使相邻的MOS电容势阱相互“沟通”。
当相邻MOS电容两电极之间的间隙足够小（目前工艺可做到0.2μm），在信号电荷自感生电场的库仑力推动下，就可使信号电荷由浅处流向深处，实现信号电荷转移。
为了保证信号电荷按确定路线转移，通常MOS电容阵列栅极上所加电压脉冲为严格满足相位要求的二相、三相或四相系统的时钟脉冲。
下面我们分别介绍三相和二相CCD结构及工作原理。
1.三相CCD传输原理
简单的三相CCD结构如图4所示。
对应每一个光敏单元为一个像元，每1像元有三个相邻电极，每隔两个电极的所有电极（如1、4、7……，2、5、8……，3、6、9……）都接在一起，由3个相位相差1200的时钟脉冲φ1、φ2、φ3来驱动，故称三相CCD，图4（a）为剖面图，（b）为俯视图，（d）给出了三相时钟随时间的变化。
在t1时刻,第一相时钟φ1处于高电压，φ2、φ3处于低压。
这时第一组电极1、4、7……下面形成深势阱，在这些势阱中可以贮存信号电荷形成“电荷包”，如图（c）所示。
在t2时刻，φ1电压线性减少，φ2为高电压，在第一组电极下的势阱变浅，而第二组（2、5、8……）电极下形成深势阱，信息电荷从第一组电极下面向第二组转移，直到t3时刻，φ2为高压，φ1、φ3为低压，信息电荷全部转移到第二组电极下面。
重复上述类似过程，信息电荷可从φ2转移到φ3，然后从φ3转移φ1电极下的势阱中，当三相时钟电压循环一个时钟周期时，电荷包向右转移一级（一个像元），依次类推，信号电荷一直由电极1、2、3……N向右移，直到输出。
2．二相CCD传输原理
CCD中的电荷定向转移是靠势阱的非对称性实现的。
在三相CCD中是靠时钟脉冲的时序控制，来形成非对称势阱，但采用不对称的电极结构也可以引进不对称势势阱，从而变成二相驱动的CCD，目前实用CCD中多采用二相结构。
实现二相驱动的方案有:
阶梯氧化层电极
阶梯氧化层电极结构参见图5。
由图可见，此结构中将一个电极分成二部分，其左边部分电极下的氧化层比右边的厚，则在同一电压下，左边电极下的势阱浅，自动起到了阻挡信号倒流的作用。
设置势垒注入区（图6）
对于给定的栅压，位阱深度是掺杂浓度的函数。
采用离子注入技术使转移电极前沿下衬底浓度高于别处，则该处位阱就较浅，任何电荷包都将只向位阱的后沿方向移动。
图5采用阶梯氧化层电极形成的二相结构图6采用势垒注入区形成二相结构
低电位
高电位
（a）结构示意；（b）驱动脉冲
由图6（b）可见，驱动脉冲φ1φ2反向，当φ1为低电位时，它们在移位寄存器
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