光照系专业实验

1、专业物理实验讲义太原理工大学物理实验中心实验一 光泵磁共振实验 光泵磁共振是利用光抽运（Optical Pumping）方法来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振.由于气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难以观测.1950年法国科学家卡斯特勒(A.Kastler 19021984）提出了光抽运（又称光泵）方法，使原子能级的粒子数分布产生重大改变，并利用抽运光对磁共振信号作光检测，既保持了磁共振的高分辨率，又提高了信号强度和检测灵敏度，成功地观测了气体原子塞曼子能级间的磁共振，由此发展起来的光泵磁共振技术，为现代原子物理学的研究提供了新的实验手段，并为激光和量子频标的发展打下

2、了基础，卡斯特勒也因此荣获1966年度的诺贝尔物理奖. 实验目的1. 了解光泵磁共振的原理，观察光泵磁共振现象.2. 测量铷（Rb）原子的因子及地磁场的大小.实验仪器DH807A型光泵磁共振实验装置射频信号发生器主电源辅助源主体单元示波器图9.1光磁共振实验装置方框图本实验系统由主体单元、主电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成，如图9.1所示.其中射频信号发生器提供频率和幅度可调的射频（功率）信号；主电源提供水平磁场线圈和垂直磁场线圈的励磁电流；辅助源提供水平磁场调制信号（10Hz方波和20Hz三角波，调制电流的方向可颠倒）以及对样品室的温度进行控制等；主体单元的各组成部分装在一光具

3、座上，包括铷光源、光学变换器件、光探测器、样品室和水平及垂直磁场线圈等.样品室是一个封装了铷原子饱和气体的玻璃泡，其中还混有浓度比铷蒸气浓度高几个数量级的所谓“缓冲气体”，例如N2、Ne等无分子磁矩的气体，以减缓极化的铷的退极化过程.现只将主体单元画在图9.2中.图9.2 主体单元示意图实验原理一. 铷原子基态和最低激发态的能级铷（Z=37）是一价碱金属元素，天然铷含有两种稳定的同位素: 85Rb和87Rb.根据电子轨道角动量与自旋角动量的相互作用（即著名的耦合），使原子能级产生精细结构，它们的基态是52S1/2，最低激发态形成双重态：52 P1/2和52P3/2.因此，从5P到5S的跃迁产生

4、双线，分别称为D1和D2线，对于87Rb而言，它们的波长分别是794.8nm和780.0nm（见图9.3）.原子的价电子在耦合中，其总角动量与电子总磁矩的关系为： (9.1) (9.2)是郎德因子，是电子总角动量量子数，是电子的轨道量子数，是电子自旋量子数.原子核也具有自旋和磁矩.核磁矩与上述电子总磁矩之间相互作用造成能级的再次分裂.这种分裂称为超精细结构.铷的两种同位素的原子核自旋量子数是不同的.核自旋角动量与电子总角动量耦合成原子的总角动量, 有.耦合形成超精细结构能级，由量子数标记，.87Rb的,它的基态，具有和两个状态.85Rb的,它的基态，具有和两个状态.整个原子的总角动量与总磁矩之

5、间的关系可写为 (9.3)其中的因子可按类似于求因子的方法算出. 考虑到核磁矩比电子磁矩小约3个数量级，实际上为在方向上的投影，从而得 (9.4)是对应于与关系的郎德因子.以上所述都是没有外磁场条件下的情况.图9.3 87Rb原子能级如果处在外磁场中，由于总磁矩与磁场的相互作用，超精细结构中的各能级进一步发生塞曼分裂形成塞曼子能级.用磁量子数来表示，则,即分裂成个子能级，其间距相等.与的相互作用能量为： (9.5)式中为玻耳磁子.各相邻塞曼子能级的能量差为： (9.6)可以看出 与成正比.当外磁场为零时，各塞曼子能级将重新简并为原来能级.图9.3仅画出了87Rb原子能级的精细分裂,超精细分裂,

6、塞曼分裂.但需要指出；87Rb的核自旋，85Rb的核自璇，两种原子的超精细分裂将不同，但原理一样.我们以87Rb为例，介绍超精细分裂的情况，可以对照理解85Rb的分裂.对于电子态52S1/2，角动量与角动量耦合成的角动量有两个量子数：即.同样对于电子态52P1/2，耦合成的角动量也有两个量子数:对于电子态52P3/2，耦合后的角动量有四个量子数:. 实验中，我们要对铷光源进行滤波，D2线被滤掉，所涉及的52P3/2态的耦合分裂也就不用考虑.滤波和偏振变换后，只让D1+(左旋圆偏振光)光通过并照射到铷原子蒸气上，观察铷蒸气D1+对光的吸收情况.我们要指出的是：1.从常温对应的能量kBT来衡量，超

7、精细分裂和之后的塞曼分裂的裂距都是很小的，根据玻尔兹曼分布：由52S1/2分列出的八个子能级上的原子数应接近均匀分布；同样，由52P1/2分裂出的八个子能级上的原子数也接近均匀分布.2.如果考虑到热运动造成的多普勒效应，铷光源发出的D1+光实际包含了连续频率的光，这些光使得D1线有一定的宽度，同时也为铷蒸气可能进行的各种吸收提供了丰富的谱线.二.光磁共振跃迁对塞曼效应原子能级跃迁，通常的选择定则是，但如用具有角动量的偏振光与原子相互作用，根据角动量守恒原理，原子吸收光子能量的同时，也吸收了它的角动量.对左旋圆偏振+的光子与原子相互作用，因它具有一个角动量+h, 原子吸收了它就增加了一个角动量+

8、h值，则只有的跃迁.因此，处于磁场环境中的铷原子对D1+光的吸收遵守如下的选择定则： ； 根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图，如图9.4左半箭头部分所示.图9.4 87Rb原子对D1+光的吸收和退激跃迁我们看到，5S能级中的八个子能级除了的子能级外，都可以吸收D1+光而跃迁到的有关子能级，的子能级上的原子既不能往高能级跃迁也没有条件往低能级跃迁，所以这些原子数是不变的；另一方面，跃迁到高能级的原子通过自发辐射等途径很快又跃迁回低能级，发出自然光，跃迁选择定则是： ； 相应的跃迁见图9.4的右半倒立箭头部分.我们注意到，退激跃迁中有一部分的状态变成了5S能级中的的状态，而这一部分原子是不会吸收光

9、再跃迁到5P去的，那些回到其它七个子能级的原子都可以再吸收光重新跃迁到能级.当光连续照着，跃迁5S5P5S5P这样的过程就会持续下去.这样，5S态中子能级上的原子数就会越积越多，而其余七个子能级上的原子数越来越少，相应地，对D1+光的吸收越来越弱，最后，差不多所有的原子都跃迁到了态的的子能级上，其余七个子能级上的原子数及其少，以至于没有几率吸收光，光强测量值不再发生变化.因此得出这样的结论：在没有D1+光照射时，态上的八个子能级几乎均匀分布着原子，而当D1+光持续照着时，较低的七个子能级上的原子逐步被“抽运”到的子能级上，出现了“粒子数反转”的现象.在“粒子数反转”后，如果在垂直于静磁场B和垂

10、直于光传播方向上加一射频振荡的磁场，并且调整射频频率，使之满足： （9.7）这时将出现“射频受激辐射”，在射频场的扰动下，处于子能级上的原子会放出一个频率为,方向和偏振态与入射量子完全一样的量子而跃迁到的子能级，上的原子数就会减少；同样，子能级上的原子也会通过“射频受激辐射”跃迁到的子能级上，如此下去，5S态的上面七个子能级很快就都有了原子，于是光吸收过程重又开始，光强测量值又降低；跃迁到5P态的原子在退激过程中可以跃迁到5S态的最下面的3个子能级上，所以，5S态的八个子能级上很快全有了原子.由于此时子能级上的原子不再能久留，所以，光跃迁不会造成新的“粒子数反转”.通过以上的分析得到了这样的结

11、论：处于静磁场中的铷原子对偏振光D1+的吸收过程能够受到一个射频信号的控制，当没有射频信号时，铷原子对D1+光的吸收很快趋于零，而当加上一个能量等于相邻子能级的能量差的射频信号（即公式（9.7）成立）时又引起强烈吸收.根据这一事实，如果能让公式（9.7）周期性成立，则可以观察到铷原子对D1+光的周期性吸收的现象.实验中是固定频率而采用周期性的磁场来实现这一要求，称为“扫场法”.三. 光磁共振的观察“扫场法”采用的周期性信号一般有两种：方波信号和三角波信号.方波信号用于观察“光抽运”过程，三角波信号用于测量有关参数.在加入了周期性的“扫描场”以后，总磁场为：其中BDC是一个由通有稳定的直流电流的

12、线圈所产生的磁场，方向在水平方向，是地球磁场的水平分量，这两部分在实验中不变；BS是周期性的扫描场，也是水平方向的地球磁场的垂直分量被一对线圈的磁场所抵消.1. 用方波观察“光抽运”图9.5“光抽运”的形成和波形将直流磁场BDC调到零，加上方波扫场信号，其波形见图9.5，它是关于零点对称的.在方波刚加上的瞬间，样品泡内铷原子5S态的八个子能级上的原子数近似相等，即每个子能级上的原子数各占总原子数的1/8，因此，将有7/8的原子能够吸收D1+光，此时对光的吸收最强，探测器上接受的光信号最弱.随着原子逐步被“抽运”到的子能级上，能够吸收D1+光的原子数逐渐减少，透过样品泡的光逐渐增强.当“抽运”到

13、子能级上的原子数达到饱和，透过样品泡的光强达到最大而不再发生变化.当“扫场”过零并反向时，各子能级简并，原来是的原子，通过碰撞，自旋方向混杂而使各个自旋方向上的原子数又接近相等，当“扫场”反向，铷原子各子能级重新分裂以后，对D1+光的吸收又达到了最大.2.三角波观察光磁共振调节直流磁场BDC至某个值，加上三角波“扫场”信号和射频信号，通过调节“扫场”幅度和射频信号的频率，可以观察到如图9.6所示的光磁共振信号.图9.6 光磁共振的信号图像在光磁共振实验中，一个重要的任务是测量gF因子，为此提出如下方法：在某个射频1下调出光磁共振信号（类似于图9.6），通过交替调节BDC和“扫场”信号，使共振信

14、号的谷点对应“扫场”信号的峰点或谷点 ，如图9.7所示.当光泵磁共振发生时，满足量子条件：) (9.8)记下射频频率，然后通过仪器上的换向开关将直流磁场的方向倒转，此时可能观察不到共振信号.调节射频的频率，又可以看到共振信号，并再次调到如图9.7所示的状态，记下射频的频率2，则有如下的量子条件成立：图9.7光泵磁共振的信号图像 (9.9)由（9.8）,（9.9）式得到： (9.10）直流磁场BDC可以通过读出两个并联线圈的电流之和来计算（亥姆霍兹线圈公式） （9.11）式中N和是两个水平线圈的匝数和有效半径，因为两个线圈是并联的，数字表显示的值是流过两个线圈的电流之和.以上介绍的是针对样品只存

15、在一种原子的情况，事实上，样品中同时存在87Rb和85Rb，所以，一般在示波器上能先后看到两种原子造成的光磁共振信号，当改变射频信号频率时二者是交替出现的.对每一种原子造成的共振信号都可以用上面介绍的方法测量其因子.我们要注意，因子的值不仅与原子有关，而且还与量子数的值有关.不难看出，我们测量的是87Rb的5S态中的因子，而对于85Rb来讲，我们测量的是的因子.我们能依据因子的值来判断共振信号是哪一种原子引起的，因为两种原子的因子之比为3/2.图9.8 测量地磁场水平分量时光泵磁共振信号图像在光泵磁共振实验中，我们还能测量到地球磁场的水平分量的值，这为光泵磁共振提供了另一个应用，方法如下：在测

16、量出因子之后，在（9.8）式的基础上，同时将和倒向，调节射频的频率至，出现如图9.8所示的信号，则有如下量子条件成立) (9.11)由（9.8）和（9.11）式得到： （9.12）实验内容一.观测光抽运信号1.将“垂直场”,“水平场”,“扫场幅度”旋钮调至最小，接通主电源开关和池温开关，约30分钟后，灯温,池温指示灯点亮，实验装置进入工作状态.2.扫场方式选择“方波”，调大扫场幅度.再将指南针置于吸收池上边，改变扫场的方向，设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反，然后将指南针拿开.3.预置垂直场电流为0.07A左右，用来抵消地磁场垂直分量，然后调节扫场幅度,垂直场大小和方向，使光抽运信号幅度最大

17、.记下垂直场电流的数值.二.观测光磁共振信号1.扫场方式选择“三角波”，将水平场电流预置为0.16A，并使水平磁场方向,地磁场水平分量和扫场方向相同（由指南针来判断），垂直场的大小和方向保持原来状态.调节射频信号发生器频率，可观察到共振信号，读出频率1及对应的水平场电流.2.按动水平场方向开关，使水平场方向,与地磁场水平分量和扫场方向相反.仍用上述方法，可得到2，则利用公式（9.10）可求出gF因子.三.测量地磁场1.同测gF因子方法类似，先使扫场和水平场与地磁场水平分量方向相同，测得1；2.再按动扫场及水平场方向开关，使扫场,水平场方向与地磁场水平分量方向相反，又得到3.这样由（9.12）式

18、可得地磁场水平分量，并根据可得到地磁场的大小.3. 垂直磁场由下式计算式中N和是两个垂直磁场线圈的匝数和有效半径.因为两个垂直场线圈是串联的，数字表显示的值是流过单个线圈的电流.注意事项1.在实验过程中应注意区分87Rb,85Rb的共振信号，当水平磁场不变时，频率高的为87Rb共振谱线，频率低的为85Rb的共振谱线.当射频频率不变时，水平磁场大的为85Rb的共振谱线，水平磁场小的为87Rb的共振谱线.2.在精确测量时，为避免吸收池加热丝所产生的剩余磁场影响测量的准确性，可短时间断掉池温电源.3.为避免杂散光影响信号的幅度及波形，主体单元应当罩上遮光罩.4.在实验过程中，本装置主体单元一定要避开

19、其它铁磁性物体，强电磁场及大功率电源线.思考题1.利用理论公式计算87Rb和85Rb的基态值.分析在观测Rb的光磁共振时，如何区别这两种同位素的共振信号？2.能否利用光泵磁共振在相互垂直的两对亥姆霍兹线圈中心处建立磁场近于零的区域？参考文献1.吴思诚等主编，近代物理实验（第二版），北京大学出版社，19992.林木欣主编，近代物理实验教程，科学出版社，19993.熊正烨，吴奕初，郑裕芳，物理实验，2000,20:34.杨福家 原子物理学，高等教育出版社 2000 实验二 锁定放大器原理实验随着科学技术和生产的发展，有大量的微弱信号需要检测.在实际测量一个信号时，无用的干扰和噪声总是伴随出现，影响

20、了测量的正常进行.特别是当噪声功率大于信号功率时，用普通的手段无法测出信号，这时就需要使用微弱信号检测仪器和设备来恢复或检测原始信号.微弱信号检测技术已成为深刻认识自然、探索新材料、创造新器件的重要工具.锁定放大器是一种特殊的跟踪电路，它在电子技术中有很广泛的用途.在信号检测方面它的独特的性能相当于一个具有放大作用的窄带跟踪滤波器，可用于信噪比很低情况下信号的检测.实验目的1. 学习锁定放大器的工作原理；2. 学习锁定放大器的使用方法.实验仪器频率计相关器交流直流噪声电压表低噪声前置放大器选频放大器多功能信号源宽带移相器相位计电源电源图10.1 微弱信号检测技术实验装置面板图双踪通用示波器一台

21、，微弱信号检测技术实验装置一套，其中包含：相关器件插件盒1，宽带移相器插件盒1，选频放大器插件盒1，前置放大器插件盒1，多功能信号源插件盒1，相位计插件盒1，交流,直流,噪声电压表插件盒1，频率计插件盒1，实验盒电源及机箱2；ND601型精密衰减器.微弱信号检测技术实验装置图10.1是微弱信号检测技术实验装置的面板图，该装置把微弱信号检测技术实验的基本实验部件装在同一个插件盒内，由一个能同时插入四个插件盒的带电源的机箱通过插入不同的实验插件盒组成不同类型的微弱信号检测仪器.低噪声前置放大器,选频放大器,宽带移相器和相关器组成一个完整的锁定放大器；多功能信号源和精密衰减器作为模拟信号源使用；其它

22、部件组成状态检测仪器.1.输入信号通道（1）信号输入：多功能信号源产生的正弦波信号经精密衰减器衰减后作为待测信号输给低噪声前置放大器.输入信号的工作频率范围是0.5100kHz.（2）低噪声前置放大器的灵敏度范围为1V250mV，共分12档.输入信号幅度最大不能超过250mV，使用时应先置于较大档位（如100mV），再根据电表指示逐步调小.（3）选频放大器：应根据输入信号的频率选择滤波器的通频带范围.如输入信号的噪声干扰大，就应尽量减小通频带.2.参考信号通道将多功能信号源发出的正弦波信号作为参考信号，经宽带移相器移相后输给相关器进行乘法运算.3.相敏检波器（相关器）相敏检波器内含交流放大器,

23、直流放大器,乘法器和低通滤波器.使用时，交流放大器和直流放大器的放大倍数均选取10倍.低通滤波器的时间常数可以从0.110秒分档调节.低通滤波器的时间常数若选取太小，则噪声抑制能力差；若选取太大，则输出指示变化缓慢影响测量速度.实验时可以先选取为1秒，再根据情况适当改变.4.放大倍率校准待测信号经锁定放大器放大后，放大倍率必须经过校准.首先用交直流,噪声电压表测出多功能信号源产生的正弦波信号幅度，再测出锁定放大器的最大输出信号幅度，其比值就是锁定放大器的放大倍率（有效值）.注意精密衰减器的衰减率.实验原理一锁定放大器简介及其优点锁定放大器是采用相干技术制成的微弱信号检测仪器，通过相位调节控制技

24、术使系统参考信号相位锁定在输入信号的相位上.主要优良性能如下：1. 锁定状态无相差.如果锁定放大器输人固定频率的信号，放大器对它锁定后，输出信号达到最大值.2. 良好的窄带滤波特性.锁定放大器对输入信号中夹杂的干扰和噪声具有良好的抑制能力.这时，锁定放大器就相当于一个窄带滤波器.3. 低门限特性.一般锁定放大器的通频带比放大器前置级通频带窄得多，故锁定放大器的信噪比明显高于输人信噪比，锁定放大器能在很低的输人信噪比条件下工作，这就是低门限特性.二. 锁定放大器的基本工作原理触发器移相器方波ACAC滤波器乘法器低通滤波器DC参考通道信号通道相敏检波器图10.2锁定放大器原理方框图输入信号参考信号

25、锁定放大器基本结构由信号通道,参考通道和相敏检波器三个基本部分组成：这三个部分组成一个闭合电路，如图10.2所示.1.信号通道信号通道主要由低噪声前置放大器和选频放大器组成.待检测的微弱信号和噪声混合在一起，输入低噪声前置放大器，经放大后进入选频放大器.选频放大器可以是高通、低通、带通或带阻滤波器，或者用这些滤波器的两种或两种以上的组合构成，具有宽带或窄带滤波特性，以便对混杂在信号内的干扰和噪声先进行一定的抑制，滤波后的信号经过调谐交流放大器放大到PSD所需电平后再输给PSD，用于防止在严重的噪声或干扰条件下使相敏检波器（PSD）过载，以加强整个锁定放大器对干扰和噪声的抑制能力.在信号检测中对

26、于不同的测量要采用不同的传感器.各种传感器的输出阻抗不一样，对信号源而言将呈现出不同的信号源内阻.为了得到最佳的噪声性能，必须使前置放大器工作在最佳信号源内阻的条件下.这样就要设计具有不同的最佳信号源内阻的前置放大器，使其噪声性能最佳.另外，还要考虑前置放大器具备足够的放大倍数和强的共模抑制能力，较大的动态范围等.如果输入的信号太弱，就要在相关器前加入交流放大器，以将信号幅度提高到相关器所需要的工作电平.2.参考通道参考通道主要由触发电路、相移电路、方波形成电路和驱动级等几部分组成，用于产生相干检测所需的和被测信号同步的参考信号.触发电路有时也称过零电路，能把各种波形的参考信号变成一定波形的同

27、步脉冲，去触发下一级电路.触发电路要求具有很大的触发电平范围和很宽的工作频率范围.通常触发电平在几十毫伏到几十伏，频率从零点几赫到几百千赫甚至更高.相移电路是参考通道的主要部件，它的功能是改变参考通道输出波形的相位，要求在360°范围内可调.方波电路的作用是把任何一种波形的输入信号转换为占空比为1:1的方波信号，其频率和输入移相器的参考信号的频率相同.通过移相器改变参考信号的相位，使得PSD输入的参考信号与被测信号同相位，即.这时可使相敏检波器的输出最大.3.相敏检波器（PSD）相敏检波器中的核心部分是鉴相器（PD）.鉴相器的电路很多，有模拟式,取样式和数字式等.鉴相特性也多种多样，

28、有正弦特性,三角特性和锯齿形特性等.无论鉴相器具体特性如何，鉴相器都是完成一种乘法运算.在模拟信号锁定放大器电路中，鉴相器普遍采用具有正弦鉴相特性的双平衡模拟乘法电路.在乘法器的两个输入端分别加人输人信号（作基准信号）和参考信号Vr（t）（作比较信号）.设输入信号为 （10.1）方波参考信号幅度为，若用傅立叶级数展开，则方波的表达式为 （10.2）这时经鉴相器输出的信号为 （10.3）可见，输出信号包含下列各种频率分量： 其相应的幅度为 （10.4）在正常工作情况下，参考信号的基波频率与被测信号的频率是相等的，即.这时经鉴相器输出的信号中含有直流成分 （10.5）高次谐波受到一定的抑制.在鉴相

29、器后面加上低通滤波器，可以有效地抑制高次谐波，只让直流分量通过.由于参考通道有精密可调的移相器，不管参考信号与被测信号之间的位相差是多少，总可以适当调节移相器，使在鉴相器输入端，参考信号与被测信号之间的位相差为零（），使输出达到最大值.经过校准，使之代表输入信号的有效值.由以上可见，当输入信号中含有不同频率的干扰噪声时，经混频后不会产生直流分量，经后级低通滤波器后无直流输出，干扰噪声可以有效地被抑制；在被测信号中混杂有相同频率而不同位相的干扰噪声时，由于不等于零，也会受到一定的抑制.图10.3锁定放大器测量电路连接框图锁定放大器的PSD的直流输出信号一般要再经过滤波和直流放大，最后输出给测量仪

30、表等.实验内容1. 按图10.3将微弱信号检测技术实验装置的相关部件用电缆连接.2. 接通电源，预热数分钟.调节多功能信号源，使其输出正弦波，频率1kHz左右，电压100mV，精密衰减器的衰减率取100；相关器的交流放大器和直流放大器的放大倍数均选取10倍，低通滤波器的时间常数选取1秒.3. 用示波器观察信号通道放大后的波形，用电压表测量该电压的有效值.取选频放大器的增益开关为“10”，“Q”值取为3.细调“0.1”档和“0.01”档的波段开关和电位器，使输出电压最大.再将“Q”值取为30，重复调节选频频率，使输出电压最大.这时选频放大器的中心频率（谐振频率）即为信号频率.4. 用示波器观察相

31、敏检波器（相关器）的输出波形，用电压表测量该电压的有效值.改变宽带移相器的相移，使相敏检波器（相关器）的直流输出为零；再移相90°，使相敏检波器（相关器）输出直流电压最大（这时示波器观察到的波形与全波整流波形相似）.5. 分别将电压表接到多功能信号源输出端和相敏检波器的输出端，测出对应的电压值，求出锁定放大器的放大率.思考题1. 锁定放大器各组成部分有什么功能和特点，为什么说PSD是锁定放大器的核心？2. 滤波器时间常数的选择对用锁定放大器检测微弱信号有什么影响？3. 为什么锁定放大器的放大率需要校准？ 参考文献1. 张孔时，丁慎训.物理实验教程（近代物理实验部分）.北京：清华大学出

32、版社，19912. 唐鸿宾编.微弱信号检测技术实验讲义（上）.南京大学微弱信号检测技术中心， 19973. 何元金，马兴坤.近代物理实验.北京：清华大学出版社，2003实验三 单光子计数实验随着近代科学技术的发展，人们对极微弱光(简称弱光)的信息检测越来越感兴趣.所谓弱光，是指光流强度比光电倍增管本身在室温下的热噪声水平(10-14W)还要低.因此，用通常的直流检测方法，已经不能把这种淹没在噪声中的信号提取出来.单光子计数方法利用弱光照射下光电倍增管输出电流信号自然离散化的特征，采用了脉冲高度甄别技术和数字计数技术.与模拟检测技术相比，它有以下的优点：1. 测量结果受其它不稳定因素的影响较小.

33、 2. 具有较高的信噪比值.3. 有较宽的线性动态范围.4. 由于可以输出数字信号，适合与计算机连接进行数据处理.实验目的1. 了解单光子计数这种弱光检测技术.2. 了解单光子计数方法的基本原理.3. 理解光电倍增管的工作原理.4. 掌握操作原理和数据处理方法.实验仪器单光子计数器，制冷系统，微机实验原理一光子光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为零，有一定能量的粒子与一定的频率相对应，一个光于的能量可由下式确定： （11.1）式中，是真空中的光速；，是普朗克常数.光流强度常用光功率P表示，单位为W.单色光的光功率与光子流量（单位时间过某一截面的光子数目）的关系为： （11.2）图11.1

34、单光子计数器原理图所以，只要能测得光子的流量，即可得到光流强度.二. 光子计数器的工作原理单光子计数器利用弱光下光电倍增管输出电流信号自然离散的特征，采用脉冲高度甄别和数字计数技术将淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来.单光子计数器的工作原理见图11.1.当弱光照射到光阴极时，每个入射光子以一定的概率(即量子效率)使光阴极发射一个电子.这个光电子经倍增系统的倍增最后在阳极回路中形成一个电流脉冲，通过负载电阻形成一个电压脉冲，这个脉冲称为单光子脉冲.除光电子脉冲外，还有各倍增极的热发射电子在阳极回路中形成的热发射噪声脉冲.热电子受倍增的次数比光电子少，因而它在阳极上形成的脉冲幅度较低.此外还有光阴

35、极的热发射形成的脉冲.噪声脉冲和光电子脉冲的幅度的分布如图11.2所示.脉冲幅度较小的主要是热发射噪声信号，而光阴极发射的电子(包括光电子和热发射电子)形成的脉冲幅度较大，出现“单光电子峰”.用脉冲幅度甄别器把幅度低于的脉冲抑制掉.只让幅度高于的脉冲通过，就能实现单光子计数.1.光电倍增管光电倍增管性能的好坏直接关系到光子计数器能否正常工作.光子计数器中所用的光电倍增管的主要要求有：光谱响应适合所使用的工作波段；暗电流要小(它决定管子的探测灵敏度)；响应速度快及光阴极稳定性高.为了提高弱光测量的信噪比，还要采取些措施：图11.3放大器输出的脉冲高度分布 图11.2光电倍增管输出脉冲分布图(1)

36、进行电磁噪声屏蔽.(2)光电倍增管的供电采用正高压供电.(3)去除热噪声. 图11.4 甄别器工作示意图2.放大器放大器的功能是把光电倍增管阳极回路输出的光电子脉冲和其它的噪声脉冲线性放大，因而放大器的设计要有利于光电子脉冲的形成和传输.放大器输出的脉冲如图11.3所示，主要要求有：有一定的增益；上升时间小于3ns；即放大器的通频带宽达100MHz；有较宽的线性动态范围及低的噪声系数.3. 脉冲幅度甄别器在脉冲幅度甄别器里设有一个连续可调的参考电压Vh.如图11.4所示，当输入脉冲高度低于Vh时，甄别器无输出.只有高于Vh的脉冲，甄别器输出个标准脉冲.如果把甄别电平选在图11.2中的谷点对应的

37、脉冲高度上，就能去掉大部分噪声脉冲而只有光电子脉冲通过，从而提高信噪比.脉冲幅度甄别器应甄别电平稳定；灵敏度高；死时间小,建立时间短,脉冲对分辨率小于10ns，以保证不漏计.甄别器最终输出经过整形的脉冲.4. 计数器：计数器的作用是在规定的测量时间间隔内将甄别器的输出脉冲累加计数.三. 实验系统装置如图11.5所示.1光源用高亮度发光二极管作光源，波长中心500nm，半宽度30nm.为提高入射光的单色性，仪器配有窄带滤光片，其半宽度为18nm.图11.5实验系统光路图2接收器接收器采用CRl25光电倍增管为接收器.实验采用半导体致冷器降低光电倍增管的工作温度，最低温度可达-20.3光阑为了减小

38、杂散光的影响和降低背景计数，在光电倍增管前设置了一个光阑筒，内设光阑三片.4减光片,窄带滤光片等系统备有减光片5块，窄带滤光片一块，参数如下表：11.1名称透过率反射率备注窄带滤光片88%中心波长500nmAB22%AB55%AB1010%半透半反镜35%32%5光功率计使用光功率计来测量光流的强度.先用光功率计测出入射光功率，再按下式计算入射到光电倍增管上的光功率 （11.3）其中，为窄带滤光片的衰减系数，为减光片的透过率（见表11.1），（为光路中镜片反射面数，2%为光学元件反射率，一般为2-5%），为半透半反镜的透过率，为功率计接收面积S1相对于光源中心所张的立体角，为光电倍增管前的光阑

39、面积S2相对于光源中心所张的立体角.由于，故：，实验内容1启动水泵，等有回水出现才可以打开致冷机开关.调节和设定致冷温度.2用USB电缆连接计数器和微机.然后打开单光子计数器电源开关，并启动微机.3打开光功率计和光源开关，预热十分钟左右开始做实验.4测量光电倍增管输出脉冲幅度分布的积分曲线，确定测量弱光时的最佳甄别电平.5测量暗计数率和光计数率，随光电倍增管工作温度变化的关系，研究工作温度对和的影响.6测量光计数率随入射光功率P0变化的关系.注意事项1. 测量时要注意入射光强，使其尽量保持稳定.2. 光电倍增管要防止强光.3. 光电倍增管要经过长时间工作才能趋于稳定，因此，开机后需要经过充分的

40、预热时间(半小时以上).4. 测量时应避免杂散光的影响.5. 半导体致冷器在工作时一定要先通水.思考题1. 为什么持续照射光源得到的弱光信号可以用脉冲计数的办法来检测？与其它弱光检测方法相比有什么特点？2. 接收光功率与推算的入射光功率是否一致? 若不一致，分析原因？3. 单光子计数方法来检测弱光信号有什么优点？4. 实验装置如何来测量光信号的？参考文献1. 翁渝民，物理，9（1），20（1980）.2. G. A. Morton，Appl. Opt.， 7（1），1（1968）.3. R. Food， etc. Appl. Opt.，8（10），1975（1969）.4. 朱印康，物理，15

41、（10），618（1986）.5. 吴思诚等著，近代物理实验，北京大学出版社，1995.实验四 多功能光栅光谱仪系列实验光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面都发挥着极大的作用.光谱是光的频率成分和强度分布的关系图，它是研究原子结构的重要途径之一.最原始的光谱分析始于牛顿（Isaac Newton，1642-1727）,1704年牛顿曾说过：“若要了解物质的内部情况，只要看其光谱就可以了.”研究元素的原子光谱，可以了解原子的内部结构，认识原子内部电子的运动.由于现代光栅单色仪可具有很宽的光谱范围（UV-IR），高光谱分辨率（到0.001nm），自动波长扫描，完整的电脑控制

42、功能极易与其他周边设备融合为高性能自动测试系统，使用电脑自动扫描多功能光栅光谱仪已成为光谱研究的首选.实验目的1. 了解光栅光谱仪的工作原理和使用方法.2. 熟悉光栅光谱仪的功能及使用方法.3. 学习光谱仪的软件应用及设置.4. 分析研究光谱的能量谱线估算光谱的波长值.5. 利用汞灯已知波长校正光谱仪读数，分别测量钨灯和钠灯的光波长.6. 通过氢、氘光谱的测量，氘、氢质量比的测定，加深对氢光谱规律和同位素位移认识，并理解精确测量的重要意义.7. 通过对钠原子光谱的观察与分析，加深对碱金属原子的外层电子与原子实相互作用以及自旋与轨道运动相互作用的了解.8. 学会使用光谱仪测量未知元素的光谱.9.

43、 进一步掌握光栅光谱仪的使用方法.10. 了解溶液浓度的测量方法.11. 了解介质的光谱特性及介质对光的吸收规律.12. 学习测定介质吸收系数及透射曲线的原理和方法.实验仪器光栅单色仪，氢灯，汞灯，钠灯，钨灯，凸透镜，光电探测器，光电倍增管，白炽灯、滤光片，镨钕玻璃，量筒，样品池，计算机，打印机等WGD-8/8A型组合式多功能光栅光谱仪由光栅单色仪、接收单元、扫描系统、电子放大器、光电倍增管、A/D转换系统及计算机组成.该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体.一.光栅单色仪光栅单色仪其光学系统采用C-T型(Czevny-Turner).如图14.1所示，狭缝为直狭缝，宽度范围0-2m

44、m可调.入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0-2mm连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小，每旋转一周狭缝宽度变化0.5nm.光源发出的光束进入入射狭缝S1, S1位于反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M3出射在狭缝S2上或S3上，当光栅转动时，从狭缝依次出射从短波长到长波长的单色光.扫描系统把检测到衍射后的光信号传给光电倍增管，光电倍增管将其转化电信号再传给A/D转换器.A/D转换器负责将模拟电流换成二进制信号，操纵计算机处理数据，另一方面，计算机也可以通过A/D转换器控制扫描系统的运作.图14.1 光学原理图W

45、GD8A型组合式多功能光栅光谱仪仪器参数:M2、M3焦距500mm；光栅G：每毫米刻线2400条，闪耀波长250nm，波长范围200-660nm;相对孔径: D/F=1/7；杂散光10-3；分辨率优于0.06nm；光电倍增管接收（1）波长范围200-660nm （2）波长精度±0.2nm（3）波长重复性 0.1nm；CCD（电荷耦合器件）（1）接收单元2048（2）光谱响应区间300-660nm（3）积分时间88档（4）重量25kg；两块滤光片工作区间：白片 350-600nm，红片 600-660nm；二.汞灯低压汞灯点燃后能发出较强的汞的特性光谱线，在可见区辐射光谱波长577.0

46、nm、579.0nm、546.1nm、404.7nm，可供干涉仪、折射仪、分光光度计、单色仪等仪器中作为单色光源使用.主要技术数据灯泡型号ITEM功率（W）电压（V）工作电压（V）工作电流（A）平均寿 命（H）主要尺寸灯头型号外径（mm）长 度（mm）发光中心GD-2020220151.3200E272815575胶木八角14290三. 钠灯钠灯是由特种的抗钠玻璃吹成管胆，管内充有金属钠，外面封接玻璃外壳而成.点燃后能辐射出较强589.0nm、589.6nm钠谱线.单色性好，常作为旋光仪、折射仪、偏振计等仪器中的单色光源，目前在农业、医学工业、食品工业、石油工业、卫生事业等领域中得到广泛应用.

47、主要技术数据灯泡型号ITEM功率（W）电压（V）工作电 压（V）工作电流（A）稳定时间（C）平 均寿 命（H）主要尺寸灯头型号外径mm长 度（mm）发光中心ND-2020220151.310200E272815575胶木八角14290四、氢氘灯工作电压为4000伏左右，可观测到的氢光谱为410.17nm、434.05nm、486.13nm、656.28nm.实验原理一. 氢原子的光谱测量1.氢与氘原子光谱：巴尔末总结出的可见光区氢光谱线的规律为： (14.1)式中为氢光谱线的波长，取3、4、5等整数.若改用波数表示谱线，由于则上式变为 (14.2)式中109678cm-1叫氢的里德伯常量.由玻

48、尔理论或量子力学得出的类氢离子光谱规律为： (14.3)由上式的 (14.4)是元素A的理论里德伯常量，是元素A的核电荷数，,为整数，和是电子的质量和电荷，是真空介电常量，是真空中的光速，是普朗克常量，是核的质量.显然，随A不同略有不同，当时，便得到里德伯常量： (14.5)所以 (14.6)应用到H和D有： (14.7) (14.8)可见和是有差别的，其结果就是D的谱线相对于H的谱线会有微小位移，叫同位素位移，是能够直接精确测量的量，测出，也就可以计算出,和里德伯常量，同时还可计算出D,H的原子核质量比： (14.9)式中是已知值.注意，式中各是指真空中的波长.同一光波，在不同介质中波长是不

49、同的.我们的测量往往是在空气中进行的，所以应将空气中的波长转换成真空中的波长.但在实际测量当中，受所用的实验仪器的精度限制，这种变化可以忽略不计.2.氢的特征谱紫外部分： 赖曼系： 可见光部分：巴尔末系： 红外部分： 帕邢系： 布喇开系： 蓬得系： 汉弗莱斯系： 二.钠原子光谱1.原子光谱的线系碱金属原子只有一个价电子，价电子在核和内层电子组成的原子实的中心力场中运动，和氢原子有些类似.若不考虑电子自旋和轨道运动的相互作用引起的能级分裂，可以把光谱项表示为： (14.10)式中分别是主量子和轨道量子数，是原子实的平均有效电荷且1.因此还可以把上式改写为： （14.11）是一个与和都有关的正的修

50、正数，称为量子缺.理论计算和实验观测都表明，当不是很大时，量子缺的大小主要决定而随变化不大，本实验中近似地认为与无关.电子由上能级（量子数为,）跃迁到下能级（）发射的光谱线的波数由上式决定： （14.12）如果令固定，而依次改变（的选择定则为=±1），则得到一系列的值，它们构成一个光谱线系.光谱中常用，这种符号表示线系.=0,1,2,3分别用S,P,D,F表示.钠原子光谱有四个线系：主线系（P线系）：3S-nP， n=3,4,5,漫线系（D线系）：3P-nD, n=3,4,5,锐线系（S线系）：3P-nS， n=4,5,6,基线系（F线系）：3P-nF， n=4,5,6,在各个线系中

51、，式（14.12）中的固定不变，称为定项，以表示之；,项称为变动项.因此（14.12）可写作 （14.13）其中为常量，=, +1, +2,.在钠原子光谱的四个线系中，只有主线系的下级是基态（3S1/2能级），在光谱学中，称主线系的第一组线（双线）为共振线，钠原子的共振线就是有名的黄双线（589.0nm和589.6nm）.钠原子的其他三个线系，基线系在红外区域，漫线系和锐线系除第一组谱线在红外区域，其余都在可见区域.2.钠原子光谱的双重结构碱金属原子只具有一个价电原子，由于原子实的角动量为零（暂不考虑原子核自旋的影响），因此价电原子的角动量就等于原子的总角动量.对于S轨道（l=0）,电子的轨道

52、角动量为零，总角动量就等于电子的自旋角动量，因此j只取一个数值，即j=1/2，从而S谱项只有一个能级，是单重能级.对于l0的p,d,f轨道，j可取j=l±1/2两个数值，依次相应的谱项分裂双重能级，由于能级分裂，用式（14.10）表示的光谱项相应发生变化，根据量子力学计算结果，双重能级的项值可以分别表示为： （14.14） （14.15）式中是只与,l有关的因子，它等于： （14.16）式中R为里德伯常数，R=109737.312cm-1；a为精细结构常数，；为原子实的有效电荷，实验上根据式（14.12）从量子缺确定的原子实有效电荷和根据光谱线双重结构确定的有效电荷不完全相同.由式（14.12）（14.16），双重能级的间隔可以用波数表示为： （14.18）由上式可知，双重能级的间隔随n和l的增大而迅速减小.（1）光谱线双重结构不同成分的波数