電子科學與技術系實驗指導書

電子科學與技術系專業(yè)實驗指導書

實驗一發(fā)光強度的定標..........................................................2

實驗二濕法光刻技術實驗........................................................5

實驗三2048位線型CCD轉移效率測試............................................8

實驗四相襯干涉顯微鏡的使用及對纖維光學元件的測量............................11

實驗五紅外探測器D*測量......................................................15

實驗六Pbs探測器光譜響應度測試...............................................18

實驗七光通量測量.............................................................19

實驗八用雙色法測量鴇絲燈的溫度...............................................23

實驗九紅外變象管積分靈敏度和紅外靈敏度的測量................................27

實驗十紅外輻射源能量光譜分布測試............................................30

實驗-I-黑體實驗.............................................................32

實驗十二棱鏡耦合法測量平面光波導的傳輸模式..................................35

實驗十三半導體激光器主要參數(shù)的測定..........................................37

實驗十四電子濾波器設計與特性參數(shù)測試........................................39

實驗十五紅外熱像儀參數(shù)測試...................................................40

實驗十六光學纖維端面耦合的實驗研究..........................................41

實驗十七光學纖維數(shù)值孔徑和損耗系數(shù)的測量....................................43

實驗十八固體激光器的裝調.....................................................45

實驗十九被動調Q激光器的輸出特性............................................47

實驗二十固體激光器調Q實驗..................................................51

實驗二一固體激光器倍頻實驗...................................................53

實驗二二固體激光器裝調實驗...................................................54

實驗二三固體激光器輸出特性測量..............................................56

實驗二四衍射光強測量實驗.....................................................58

實驗二五偏振光調制實驗.......................................................61

實驗二六色度的實驗研究......................................................64

實驗一發(fā)光強度的定標

(-)實驗目的：

1.熟悉陸末(Lummer)-布洛洪(Brodhun)光度計的構造原理。

2.掌握用光度計測定電燈的發(fā)光強度及光強分布曲線的方法。

實驗原理：發(fā)光強度的測定是依照篤定率為依據(jù)的。按照照度定律，在點光源的情況下，假

定光線垂直的照射在某一表面上，則該表面上的照度E與光源發(fā)光強度I成正比，而與光源

E=—2

到該表面的距離r的平方成反比，即r(1-1)

由(1-1)式知道，若采用比較法，使兩個不同光源在廣度記得某一表面上產(chǎn)生的照度相等,

如其中一個光源的發(fā)光強度為已知，另一個光源的發(fā)光強度就可確定。例如兩個光源的發(fā)

光強度分別是乙和12,它們到光度計的距離分別為｛和4(圖1-1)。于是，當光度計中

F二F

兩相接市場上的照度相等(12)時，則有

L=L

/二(1-2)

由此可得：

?(1-3)

通常用一口校驗過的電燈作為標準燈(即其發(fā)光強度L是已知的)，只要測出照度相等時的

距離彳和就可根據(jù)(1-3)式算出待測電燈的發(fā)光強度,2。

(-)實驗設備：

儀器和用具：

1、陸末-布洛洪光度計；2.光具座；3、標準光；4.待測光；5,垂直燈座；6.附有

刻度盤的燈座；7.交流伏特表(0—150/300V)兩只；8,交流安培表(0—0.5A)兩只；9

、調壓變壓器兩只；10、照度計。

基于比較法的光度計，都是使所要比較的兩個廣元(一個是標準的。另一個時代測的)所發(fā)

出的光通過一定的光路分別照亮統(tǒng)一表面，并使這兩個照亮區(qū)域的邊緣相接，利用兩區(qū)域照

度相等時邊界線消失的現(xiàn)象，定出待測光源的發(fā)光強度。光度計的種類很多，本試驗使用的

是陸末-布洛洪光度計，其外形和結構如圖1-2(a)和(b)所示意。從所比較的光源4和L

來的光線，分別從左、右兩窗口空進入匣內，并投射到石膏制成的漫射屏S匕由屏漫射出

來的光線分別在兩個全反射棱鏡（或平面鏡）和"2上反射后投射到特制的玻璃快C

上。觀察著E在側面的望遠鏡T中可以同時觀察到由屏S的兩表面反射過來的光線。玻璃塊

C是由兩塊直角棱鏡,P和‘P2平合而成，其中一塊棱鏡的斜面上蝕刻有一定的徒刑。如有漫

射屏S的兩面照度不相等，則蝕刻的圖形將顯現(xiàn)，如圖「3（a）和（c）所示：當兩面的照度

相等時，圖形則消失，如圖卜3（b）所示。圖形中A和a為來自右方廣院所照明的視場，B

和b為來自左方光源所照明的視場，因四者相互襯托，其照度是否相等就更容易判斷了。為

了便于比較，另有兩塊可轉動玻片?和2起著背景反襯的作用。

另一種陸末-布洛洪光度計的結構稍有不同，玻璃塊c是由不同的兩塊全反射棱鏡片和

p2組成，棱鏡’p2是通常的平底面全反射棱鏡，棱鏡p》的底面為球面，且球底面的中心部

分被切割成平面，兩棱鏡經(jīng)過精細研磨達到“光學接觸”（光膠合）。如圖『4所示。

由于接觸面呈圓形，因此一般將觀察到圖1-4右方（a）?。╟）所示的圖形，一暗圓印

在一明環(huán)內?；蛞幻髟蛟谝话淡h(huán)內。而當屏s兩面的照度相等時，視場將是均勻照明的，

如圖1-4（b）所示。

測量是通過比較漫射屏S的兩面的亮度進行，如果兩面的亮度相同，而其反射系數(shù)已相

pF

等，則照度?等于照度2。為了校正兩個面的反射系數(shù)的差別，光度計可繞水平軸線

HH'翻轉180。，分別在兩個位置進行測量，然后由這兩組結果取其平均值。

三、實驗步驟與內容：

1、在光具座上的兩端插座上放好標準燈乙1和待測等七。使兩光源在光具座上相距

最遠。其中標準燈安裝在垂直燈座上，而待測燈安裝在可繞水平州縣旋轉且附有刻度盤的旋

轉燈作上豎放，如圖1-5所示，并使指針對準刻度盤上0°處。再在兩燈之間放置光度計P

（圖16）,調節(jié)兩燈座的高度，使兩等于光度計的窗孔等高，以使光線能垂直投射到光度

計的漫射屏上。

2、按圖1-6接好線路，調節(jié)調壓變壓器（，使標準燈4的電壓升至額定值（這樣點

/T

燃，他的發(fā)光強度?才為己知）,并在實驗過程中始終保持這電壓不變；同時調節(jié)變壓器2,

使待測燈4的電壓保持在200伏特。

3.左右移動光度計P,以使光度計中市場兩部分的照度相等，從光具座的標尺上讀出

兩光源與廣度及之間的距離［和1，然后把廣度既然水平軸轉過180。，在找出光度計中

rr

視場照度相等的位置，并讀出兩光源與光度計之間的距離?和2。由這兩組數(shù)據(jù)取其平均

值，并代入（1-3）式算出待測燈的發(fā)光強度,2。

保持標準燈之光度計的距離?不變，只改變待測燈的位置，重復試驗三次，測出待測光

的發(fā)光強度（取其平均值）。

4.轉動燈座，使待測燈然水平軸轉過一角度，仿照上述步驟，測出光度計中視場照度

相等使待測燈與光度計之間的平均距離、，并根據(jù)（卜3）式算出待測燈4在它對于光度

計所在的方位上的發(fā)光強度，每次旋轉30°,直至一周，即可得到待測燈在鉛直面內各個

方向上的發(fā)光強度。以矢徑長表示發(fā)光強度，將所得結果在極坐標紙上劃出待測燈發(fā)光強度

的分布曲線。

5.將待測燈L的方位固定，逐步改變其電壓，每次10伏特，從220伏特逐步降到180

TVA

伏特，用光度計測出每個電壓知識等2的發(fā)光強度I,并記下各次伏特表『2和安培表

的讀數(shù)，算出每次測量時的電功率也以電功率W為橫坐標，該特定方向的發(fā)光強度I為

縱坐標，畫出發(fā)光強度與電功率的關系曲線。

6.用照度計測出離待測燈（在220伏特時）一定距離時的照度。并由此算出待測燈的

發(fā)光強度，經(jīng)此結果與由步驟3測得的數(shù)據(jù)進行比較。

實驗二濕法光刻技術實驗

濕法光刻即光學光刻，是通過光學系統(tǒng)以投影的方法將掩模上的各種結構“刻”在涂

有光刻膠的材料上，是一種半圖形復印和腐蝕相結合的精密表面加工技術，在半導體管芯分

割平面管，集成電路，集成光路生產(chǎn)研制中，光刻的目的是按照設計的要求，在襯底材料上

或金屬膜上面刻蝕出與掩模版完全對應的幾何圖形，以實現(xiàn)選擇性擴散和金屬膜布線的目

的。

限制光刻所能獲得最小特征尺寸直接與光刻系統(tǒng)所能獲得的分辨率相關，而減小光刻

的波長是提高分辨率的最有效途徑。通常的光刻機采用紫外線接觸曝光光刻法。此外，也相

繼出現(xiàn)了X射線曝光和電子束曝光法，以及粒子束曝光法、極紫外曝光法。本試驗讓同學學

握最基本的光刻工藝過程。

一、試驗目的

1.了解光致抗蝕劑的種類和感光機理

2.掌握光刻工藝原理

3.光刻工藝質量分析

二、試驗原理

光刻膠是一種仃機高分子化合物，它主要由碳，氫等元素所組成，它的分子量很大，可以是

幾百、幾千、幾萬以至幾十萬，沒有確定的數(shù)值。由于光刻膠的內部結構存在著可變因素，

所以一經(jīng)變化，其結構上的物理和機械等性能都將發(fā)生相應的變化，例如，由可溶性變?yōu)椴?/p>

可溶性或相反的過程，利用這種特點，我們就可以在襯底基片上制造出各種所需的圖形，光

致蝕劑在外界因素（如光、熱）的作用下，由可溶性轉變?yōu)椴豢扇苄?，或由不可溶性轉變?yōu)?/p>

可溶性，達到在襯底片上復印圖形的目的。

1.負性光致抗蝕劑

光致蝕劑在暴光前對某些溶劑是可溶解的，暴光后硬化成不可溶解的物質，這一類光

致抗蝕劑作為負性光致抗蝕劑，由此組成的光刻膠稱為負性膠。目前，他主要有聚肉桂酸脂

類，聚脂類和聚燒類等。由于這種抗蝕劑和襯底材料，特別是金屬襯底材料的黏附性較好，

而旦耐腐蝕，因而在集成電路，集成光路中得到廣泛的應用。

2.正性光致抗蝕劑

光致抗蝕劑在暴光前對某些溶劑是不可溶的，而暴光后卻變成可溶性的。這類抗蝕劑

成為正性光致抗蝕劑。由此組成的光刻膠稱為正性膠。目前，它主要有鄰置氮醍類，常用的

有701正性光致抗蝕劑（與國外AZ-1350相仿）。這種正性光致抗蝕劑，暴光后能用弱堿性

水溶液進行顯影，顯出正圖象。由于它抗堿性差。耐酸性好，所以唱用L5—3磷酸鈉水溶

液進行顯影，腐蝕時一般用酸性腐蝕液。

由于它分辨率高、邊緣整齊、邊緣陡度好，以及反刻時易于對版等優(yōu)點，所以是比較

重要的抗蝕劑之一。

3對光致抗蝕劑性能的要求

a.高分辨率

分辨率是光致抗蝕劑極為重要的特性，是指用某種光刻膠十所能得到的光刻圖形的最

小尺寸。它通常用在1毫米的寬度上，能刻蝕出可分辨的最大線條數(shù)目來表示，單位為（條

線/毫米）。分辨率與光致抗蝕劑本身的結構性持有關，也與光刻工藝有關。例如，正膠的分

辨率高于負膠，且與分子量及其分布有關。平均分子量越高，分子量分散性越大。則分辨率

越低。

b.高靈敏度

靈敏度是與分辨率同樣重要的特性，尤其在電子束和x射線暴光時顯得更突出。它定

義為光刻膠感光所必須的照射量，對于正膠，定義為顯影后膜厚為零時的最小照射量；對負

膠，是指顯影后膜厚減薄至原膜厚二分之一時的照射量。一般情況下負性膠比較正性膠具有

更高的靈敏度。

c.黏附性能好

光致抗蝕劑與襯底之間黏附的牢固直接影響到光刻的精度。影響?zhàn)じ叫阅艿囊蛩睾?/p>

多。有抗蝕劑本身的性質，襯底的性質和它的表面沾污情況等。

實踐證明，襯底的平整，致密、清潔，干燥是尤為重要的，對抗蝕劑的黏附性影響很大。

d.抗蝕性能好

要求抗蝕性能堅膜后，能夠較長時間地抵抗腐蝕劑的侵蝕。當然這也與光刻工藝本身

有關。

e.穩(wěn)定性

要求抗蝕劑在常溫和光（主要是紫外光）屏蔽的情況下，即使加入了增感劑也不發(fā)生

暗反應，在烘烤干燥時，不發(fā)生熱交聯(lián)。為了提高抗蝕劑的穩(wěn)定性?？杉尤肟寡趸瘎┗蚰軌?/p>

抑制活性基團自發(fā)反應能力的穩(wěn)定性。例如KPR膠可以加對苯二酚等。

三、實驗的儀器及裝置和步驟

本實驗主要使用光刻機一臺、高速離心機一臺、紅外烘烤燈及必要的光刻膠及化學藥品。

同學們在預習時，首先要學會使用光刻機。

1.首先布置好一個暗室，在甩膠機和光刻機附近置放小度數(shù)的紅燈泡，以備工作時

用。光刻膠一般是易感光的，即在白光下失去保護圖形的作用。所以涂膠，甩膠，前烘，光

刻，堅膜都必須在暗室中進行。另外，膠瓶用茶色玻璃瓶或外罩不透光的保護罩封裝。

2.光刻工藝步驟如下

涂膠就是在二氧化硅或其他薄膜表面，涂上一層黏附良好，厚度適當均勻地光刻膜。

膠太厚，就不容易將膠甩平，造成膠膜薄厚不均勻。暴光時光刻板不能緊貼被刻物表面，造

成露光現(xiàn)象，得不到標準圖形，一般涂1微米為好，光刻不透，影響圖形質量，太薄，又保

護不了所需的圖形，此時需二次涂膠。再重復上面步驟。另外，被涂覆工件的表面必須是清

潔干燥的和平整的。涂膠?般采用旋轉的方法，利用離心機離速旋轉時產(chǎn)生離心力，將滴于

片子上多余的膠液甩去，在光刻膠表面張力和旋轉離心力共同作用下，展成厚度均勻的膠膜,

膠膜厚度由轉速和膠的濃度來調節(jié)。但旋轉速度引起的厚度變化比濃度引起的大。

3.前烘

前烘就是在一定溫度下，是膠膜里面的溶劑緩慢地，充分逸出來，是膠膜干燥，增加

它的黏附性和耐磨性。能牢固地附著在被刻物表面。某一種光刻膠的前烘溫度和時間應由實

驗來確定。我們采用紅外燈烘焙，使膠的干燥從里到外，以獲得良好的前烘效果。前烘時間

長了，膠易干，易焦，前烘時間短、膠沒干透，去膠時易脫落，保護不了圖形。

4.暴光

暴光就是對涂光的基片進行選擇性的光化學反應，使暴光部分的光刻膠改變在顯影液

中的溶解性，經(jīng)顯影后在光刻膜上得到和“掩膜相對應的圖形。我們采用自動暴光機進行紫

外光定時接觸暴光，首先，打開高壓水銀燈電源，預熱十五分鐘。把掩膜板向下和涂膠面的

精確套合，然后進行正常地紫外光暴光，時間15—20秒，若暴光不足，顯影時圖形模糊不

清，腐蝕時膠膜易脫落，暴光過度，腐蝕后臺面過寬，形成鋸齒形。在實際生產(chǎn)中，往往以

暴光時間來控制暴光量，并且通過反復實驗來確定最佳暴光時間。

5.顯影

顯影是把暴光后的基片放在顯影液中，將應去除的光刻膠膜除干凈，以獲得腐蝕時所

需要的抗蝕劑膜的圖形。對我們實驗來說，涂正性膠，顯影液用氫氧化鈉、三氯乙烯等溶液，

涂負性膠，顯影液用乙醇。

顯影時間隨抗蝕劑的種類，膜厚，顯影液種類，顯影溫度和操作方法不同而不同，要

根據(jù)實際情況進行選擇和調整。

6.堅膜

堅膜就是在一定溫度下（可用紅外燈），將顯后的片子進行烘焙，除去顯影時膠膜所

吸收的顯影液和殘留水分，增強膠膜的抗蝕能力，并消除顯影時所引起的圖形變形。

7.腐蝕

腐蝕就是用適當?shù)母g劑，對未被膠膜覆蓋的二氧化硅或其它襯底進行腐蝕，按照光

刻膠膜上以顯示出來的圖形，完整、清晰、準確地腐蝕，供選擇擴散或達到金屬布線的目的。

腐蝕有兩種類型，濕式化學腐蝕和干式化學腐蝕.

8.去膠

去膠就是在二氧化硅或其他的襯底上的圖形腐蝕出來后，把覆蓋在圖形表面上的保護

膠膜去除干凈。主要方法有

a.溶劑去膠

是用有機溶劑浸泡，使抗蝕膜溶脹，然后將它擦去。去膠一般是含氯的燒化物，并含

有表面潤濕劑。

b.氧化去膠

用強氧化劑將抗蝕劑氧化成二氧化碳和水而達到去膠的作用，長用的氧化劑有硫酸、

硫酸一過氧化氫（3：1）混合液，硫酸——重鋸酸鉀溶液等。

四、實驗內容

1.在玻璃襯底片上，用正膠法光刻出圖形，并觀察光刻圖形的缺陷并討論產(chǎn)生的原因。

2.在玻璃襯底片上，用負膠法光刻出圖形，并觀察光刻圖形的缺陷，討論產(chǎn)生的原因。

實驗三2048位線型CCD轉移效率測試

電荷耦合器件（ChamgeCoupLodDevice）,簡稱CCD,是一-種新型的半導體器件。它不

同于普通的三極管對信號具有放大能力，而是一個無增益功能的模擬移位寄存器將光注入轉

化成的電信號或電注入的信號由注入端轉移到輸出端。信號電荷在進行有一個柵到另一個柵

的每一次轉移中，不是全部轉移，有部分信號電荷有一其它原因沒有被轉移，仍留在原柵極

下面，只有。部分被轉移到下一個柵電極的勢阱中n愈大，說明性能愈好，一般。在99.99%

左右。n稱為轉移效率。它是表征這種器件性能的極其重要的參數(shù)。

（-）：實驗目的：

1、掌握CCD轉移的測試方法。

2,了解CCD驅動電路的工作原理。

3、分析影響轉移效率n的原因。

（-）實驗儀器：

1、二蹤示波器SBET0型1臺

2、2048位線型CCD1片

3、驅動電路設備1套

4.多路直流穩(wěn)壓電源1臺

5、生物顯微鏡XSB-520型1臺

（三）實驗原理：

1、CCD的結構原理：

CCD就用途來講可分為多種，但基本結構相同，都是由金屬一氧化物-半導體三部分組成。

圖一位CCD的基本結構原理圖。由圖示，

在n型硅襯底上，生長著一層很薄的二氧化硅，再在二氧化硅層上依次淀積金屬電極。這種

作規(guī)則排列的M-0-S震裂再加上輸入端（輸入二極管）與輸出端（輸出二極管）就構成了

CCD的重要組成部分。本實驗采用2048位線型三相CCD,主要構成部分與上述相同。其他部

分下面加以介紹：該CCD是三相驅動的電阻海結構，除光敏元陣列都覆蓋有一層不透明的鋁

以對光屏蔽。

（1）光敏震裂：線型光敏陣列上有2048個光柵電極（光敏元），每個光敏元之間用濃參

雜的溝阻隔開。光敏元中心局為54日（2048位CCD）。

（2）移位寄存器：2048位陣列移位寄存器以三相式相連，即1、4、7……電極連在一起

作為第一相中第2、5,8……電極連在一起作為第二項①?，順序每三個電

IA2A

極構成意味，每位寄存器對應一個光敏元。電極長12出寬96L移位寄存器的輸入

端有輸入二極管和輸入柵，可用胖零或電信號注入。

（3）轉移柵：在光敏陣列與位移寄存器之間，有?條由摻雜多晶硅構造的長條轉移柵

①x。它能把光敏元在光積分時間內存儲的電荷轉移給位寄存器。

（4）輸出電路：包含有輸出柵和輸出二極管，一對用于復位和放大的場效應管。外設一

位CCD寄存器與補償放大器，以減小復位脈沖噪聲。

對于2048位線型CCD,而排75位平行移位寄存器，一列二位讀出移位寄存器，其

余部分基本于2048位線型CCD相同。圖二和圖三為這兩種CCD的結構平面示意圖和

實驗原理圖。

2、CCD的工作原理-及電荷轉移原理：CCD工作原理，類似于MOS場效應晶體管，是依賴于

材料表面半導體類型的轉換而工作。（下面結合圖一、二、三說明CCD的工作原理。）當光束

照到器件表面透明的光柵電極上時，在導體內就產(chǎn)生光生電荷，這些光生電荷被收集到光柵

電極下邊的表面勢阱中。這些被收集在勢阱中的光生信號電荷叫做電荷包。電荷包的大小與

光強成正比，光圖像的強弱不同，對應在光柵電極下勢阱中收集的電荷多少以不同，于是便

得到了明顯程度不同的電模擬圖像。在光積分期間，轉移脈沖中*處于高電平，這是電荷

不發(fā)生轉移。當光柵脈沖①*處于低電平，CCD移位寄存器的第一相時鐘脈沖中2也處于

低電平，這時存儲在光柵電極下面勢阱中的電荷包可通過轉移棚下的勢阱而運動到CCD移位

寄存器的第一相對電極①I,的勢阱（1）中，如圖一，并依次轉移到①，/①

IA2A3A

……時鐘電極下邊的勢阱中。這是因為①①，「①一為三相且周期相差173。

1A1A2A3A

電荷轉移結束，①X恢復為高電平，①.為低電平，即開始下一次光積分。

復位管的柵極上加一個與①，，同步與①?反相的復位脈沖中.使復位管開啟，輸出

2A5AR

二極管的浮置擴散結復位，準備接納下一個電荷電。

信號電荷通過輸出柵送入輸出電路。輸出二極管收集來自①A最后一個轉移柵下的電荷

包，并控制放大管柵極電位。因此在放大管的原極輸出端便可獲得隨信號電荷量變化的圖像

信號。

①…O.①"、①，，、①3、①口是CCD驅動脈沖，對2048位CCD還有

iX1ANA3RI\

O|C，①2C'①3C，在使用時分別施加在CCD的各功能管腳上。其波形突見圖四。

（四）實驗步驟：

1.熟悉所用儀器的性能和使用方法。

2、按實驗原理圖，CCD外引線排列圖聯(lián)好電路，先不接通電源。

3、請教師檢查電路.

4,先接通驅動電路，對照波形圖用示波器檢查個驅動脈沖的相位和輻照.調整在規(guī)定范圍

內.

5,接通CCD電路，并將CCD進行光屏蔽.

6,調整顯微鏡,是示波器熒光屏上出現(xiàn)一個電荷包,這是說明小光點只照到一個光敏元上.

7、使CCD工作臺從左向右微動,形成光點從第一個光敏元到第64個光敏元順序掃描,反復幾

次，嚴正無誤，記下光電照在第二個光敏元上的輸出K及光點照在第64個光敏元上的輸出

V.用下面公式計算轉移效率H,一般為99.99%左右.

64

二000%

對2048位線型CCD匕位V”、.

04IJU

8,按實驗報告要求,寫好實驗報告，并根據(jù)MOS期間表面效應討論影響轉移效率n的原因.

五、附CCD64位、150位外引線管腳土，驅動電路上，各驗動脈沖電壓幅值表.

實驗四相襯干涉顯微鏡的使用及對纖維光學元件的測量

相襯干涉顯微鏡是根據(jù)偏振光的干涉原理和普通顯微鏡相互配合而構成，由于偏振光

的干涉效應可以觀察到樣品表面有浮雕感，可以大大提高對樣品觀察的精度和清晰度，也同

樣可以作為普通工具顯微鏡使用。

一實驗目的

掌握相襯干涉顯微鏡的正確使用；?般常規(guī)使用及干涉相襯裝置的正確使用。

掌握相襯干涉顯微鏡的結構特點及物鏡標稱倍率的校正。

用相襯干涉顯微鏡測量纖維光學元件的端度尺寸。

二實驗原理——干涉相襯原理

本儀器是基于偏振光的干涉而制成，如門.4—1所示，來自起偏器P的直線偏振光經(jīng)

過一塊半透半反射的平面鏡射I句諾瑪斯基棱鏡Pr，諾瑪斯基棱鏡是二塊光軸互相垂直的

圖1.4—1干涉相襯顯微鏡工作原理

S-光源C—透鏡ob—透鏡P一起偏器

A-檢偏器H—M一半透半反平面鏡P,一諾瑪斯基棱鏡

水晶晶體所組成，直線偏振光經(jīng)過棱鏡后就分裂成震動面互相垂直的兩束光線。光和

e光，這兩束光通過物鏡。b分別對試樣進行照明，然后再反射回諾瑪斯基棱鏡P,,由于棱

鏡的作用，這兩束光再次會合，在經(jīng)過檢偏器A后就形成了干涉色。如果試樣的一部分有微

量凹入，那么就產(chǎn)生了像圖1.4—2那樣的AB兩個反射波面，光程差△。大小決定了目鏡視

場里的背景色彩，而臬則使凹入部分的邊緣產(chǎn)生不同的干涉色，因而加強了觀察樣品

的襯度并使之產(chǎn)生了浮雕感，光程差△。的大小可以用移動諾瑪斯基棱鏡來自由調節(jié)。

另外A、B兩波面的橫向位移量S,應微小到小于顯微鏡的分辯率，所以不會產(chǎn)生二

重像。

B波面

圖1.4一2兩反射波面的成像原理

三使用的儀器及調整

本實驗采用XJC-1型落射式干涉相襯顯微鏡，它是在正置式金相顯微鏡基礎上加上

諾瑪斯基棱鏡而成的，由于光線的干涉作用不僅可以在樣品表面觀察到鮮艷的彩色感和浮雕

感，同時對樣品表面的微小起伏及低對比度區(qū)域也有極佳的鑒別能力（20A-30A）,相當于

一臺小型電子顯微鏡的功能。

本儀器在正常操作時，采用落射光照明，而透射光照明僅作為輔助研究手段。

1、儀器的常規(guī)使用方法

a接通電源將儀器的電纜與電源箱上的插座按好，先開總電源，后開光源開關，逐

漸增大電流調節(jié)使鹵鋁燈最亮。

b調正孔徑光欄由于孔徑光欄可以改變入射光束的粗細程度，當孔徑光欄大小調節(jié)

到入射光束恰好充滿物鏡后鑒別能力最高。

c調正視場光欄視場光欄是用來減少鏡筒內部的雜光反射，提高像的對比度，也可

以改變視野的大小，通常將視場光欄調到剛剛大于所用的目鏡視場。目鏡更換后，視場光欄

的大小隨著調節(jié)。

d調正翻燈調節(jié)燈絲的中心位置，使視場內可均勻照明，一般情況會出現(xiàn)燈絲像，

可加中性濾光片使視場照明均勻。

e雙目觀察鏡的調整首先應調節(jié)雙目鏡筒的距離與瞳孔距離一致，并在眼基尺上讀

出數(shù)值，然后轉動雙目鏡筒上的調節(jié)圈使調節(jié)圈上的刻度指示與眼基距離尺的讀數(shù)一致，則

雙視場重合成像最清晰。

f顯微鏡的聚焦將五個物鏡及物鏡接筒裝于轉換器，先用低倍物鏡觀察使試樣成像

最清晰，然后再逐步調整高倍率物鏡進行觀察。

2、儀器落射光干涉相襯裝置的使用

首先按常規(guī)使用方法進行儀器的調整

a首先將物鏡的五孔轉換器上安裝干涉相襯棱鏡座及物鏡，然后將轉換器插入插孔，

以免進行干涉法測量。

b把起偏鏡與檢偏鏡加入光路，檢偏鏡的角度轉至0°即起偏鏡與檢偏鏡正交，此時在

視場內可見到干涉色彩。

c轉動諾瑪斯基棱鏡座上的移動螺絲，便可以改變干涉色彩，樣品上不同的相出現(xiàn)不

同的顏色，所觀察的試樣出現(xiàn)一種立體浮雕感。

另外有關干涉相襯顯微鏡的各種使用要求請詳細看說明書后，才可以進行儀器的使

用。

四實驗的內容及要求

1、用常規(guī)使用法進行物鏡倍率的校正

根據(jù)實際情況所生產(chǎn)的光學儀器鏡頭，在部頒標準范圍內，生產(chǎn)的顯微鏡的物鏡放大

倍數(shù)允許有5%的誤差，使用者為了能提高測量精度，進行準確測量，希望知道自己使用這

臺儀器物鏡的實際放大倍數(shù)PC實是多少，為此可用0.01mm的物鏡測微尺與10.分劃板聯(lián)景

目鏡來進行測量。

首先在載物臺上放置一塊0.01mm格值的物鏡測微尺，把待校測的顯微鏡裝好，并調

焦距成像。然后用眼睛通過10.分劃板取景目鏡（內有0.01mm格值的刻尺）進行讀數(shù)測量.

在進行實際測量時，是以0.01mm小格的N倍為一度量單位（N可取5或10）,這樣J

以消除測量誤差。則物鏡的實際放大倍率PC實為:

PC_分劃板取景目鏡格數(shù)

實測微目鏡N格數(shù)x0.01（〃〃"）

2、測量物體的實際長度

我們測量校準物鏡的實際放大倍率PC實后，再利用10*分劃板目鏡的刻尺，即可進行

物體實際長度的測量d實。

待測樣品置于載物臺上，再用校準好倍率的物鏡進行樣品實際長度d實的測量。

“產(chǎn)卑黑典MMx。」（〃⑼

實物鏡的實際放大倍率PC實

3、分別對儀器的顯微物鏡的標稱值PC10

PC25,PC40,PC60,進行實際放大倍率的校正。

4、對光纖絲的芯徑和包層的直徑進行測量。

5、觀察微通道板的面型結構，并畫出示意圖，再測量微通道板，單根通道的內壁直

徑d內，單根通道的壁厚及微通道板復絲直徑的測量d^,并根據(jù)你的測量結果進行計

算，判斷每個復絲中所包含單通道的個數(shù)？（通過畫圖表示之）

6、用落射光的干涉相襯法觀察樣品GaAs表面的面型及表面的缺陷，并掌握儀器干涉

相襯裝置的使用方法。

為了測量方便及工整請將按下面表格填寫測量數(shù)據(jù)。

標稱放大倍PC10PC25PC40PC60

率

目鏡分劃板

讀數(shù)

測微尺讀數(shù)

實際放大倍

率

標稱放大倍PC10PC25PC40

率

芯徑的測量

值

芯徑的實際芯徑

值平均值

包層的測量

值

包層的實際包層

值平均值

PC401234平

均值

微通道板單

絲芯徑d內

微通道板單

絲外徑d外

微通道板壁

厚心一介

2

PC40的實際

放大倍率

PC101234平

均值

復移直徑d

夏

PC10的實

際倍率

復絲的實際

直徑dH

五思考題

1、請你簡要地說明落射式干涉相襯顯微鏡的工作原理？為什么能在樣品的觀察表面

上有彩色感？

2、你通過顯微鏡所觀察到微通道板的單復絲邊界是什么形狀的？你如何計算單復絲

的面積？

3、試問用干涉相襯法還能進行哪些方面的測量？各有什么用途。

實驗五紅外探測器D*測量

紅外輻射投射到處于一定工作條件下的探測器光敏面上，探測器的輸出信號V；

與入射?平均輻射功率之比,稱之為探測器的響應度,即■

P

投射到探測器接受面上光輻射所產(chǎn)生的輸出電壓等于探測器本身的噪聲電壓時的輻

射功率稱作“噪聲等效功率”，如果入射輻射功率為p測得的輸出電壓為iq探測器的噪聲

電壓為匕，則噪聲等效功率為：NEP=

噪聲等效功率雖然能表示出一個探測器的探測能力，但它的大小卻與探測器的接收面

積A,和放大器的測量帶寬Vf有關，因此僅用噪聲等效功率很難比較兩個不同探測器

的性能，理論分析表明，探測器的NEP與接收面的面積4,的平方根成正比與帶寬Vf的

平方根成正比，因而可以引入一個與A”和守無關的量來描述探測器的探測能力，取它

的倒數(shù)定義為探測率D*即

單位為

從上式可知，探測率D*實際上式一當探測器的接收面積為單位面積，放大器的帶寬

為1赫時單位功率的輻射所能獲得的信噪比。它的數(shù)值越大表明探測器的性能越好，探測率

包含了噪聲和響應度兩個因子。因此，在描述?個探測器的探測率時，必須說明與上述兩個

因子有關的輻射源性質，調制頻率和放大器的測量帶寬，例如：D*(500K,800,1)

表示以500K黑體做輻射源，調制頻率為800赫，放大器的測量帶寬為1赫時的探測

率。探測率的規(guī)定寫法是D*(輻射源溫度，調制頻率，帶寬)

-實驗方法

測量探測器的響應度和探測率的簡圖如卜

頻

.置

體

制

放

放

光

輻測

大

大

柵

射器

器

器

源

溫度控制儀工作電源偏壓源

接收系統(tǒng)

有探測器（本實驗采用pbs光電探測器）接收到經(jīng)過調制的輻射訊號之后,轉化為電訊

號，電訊號經(jīng)過前置放大器放大之后街道選頻放大器進行測量.前置放大器在接收系統(tǒng)中起

阻抗的作用.

接收器所接收能量的計算

在實際測量時,除黑體輻射源本身的輻射外,黑體周圍的媒質也有輻射,如調制盤，則

黑體與靠近它的調制盤之間發(fā)生能量交換，因此，黑體真正的能量損失即為因黑體輻射失去

的能量和黑體表面自制盤獲得的能量直插.如果調制盤的輻射也具有黑體輻射的性質，則黑

體單位時間向空間輻射的功率為

T為黑體輻射，1為調制盤溫度（即環(huán)境溫度），cr為斯特蕃-波爾茲曼常數(shù),黑

體的輻射亮度

Mcr（r-T4）

Lr=——=---------

7in

如果黑體空的面積為4探測器的面積為片，黑體孔與探測器距離為D,若D?4

和Ab,,且黑體孔與?探測器同軸放置，使得c°s6=cos3=\則探測器所接收到的輻射功

率為：

力44_。（廠—"）44

DzTIDZ

因為輻射是經(jīng)過調制的，因為必須計入經(jīng)過調制后的能量損失，即乘上一個能量轉換

因子叫本實驗采用等校正弦調制（調制盤孔寬等于調制齒寬均為r,而且這個寬度r與黑體孔

徑R相比滿足r/R=l.15的比例關系）則能量轉換因子m—\l2-V2，因此,探測器是季

節(jié)收到的輻射功率為：

1—ffb

nD7

若黑體溫度,環(huán)境溫度,黑體孔面積,探測器面積，黑體控制探測器距離.能量轉換因子

m已知，則可利用上述直接計算出探測器接收到的黑體輻射能.

二、實驗步驟：

將黑體輻射與探測器調節(jié)至同軸.

確定黑體至探測器之間的距離.

將黑體溫度調制至500k,用選頻放大器測量訊號電V與噪聲電壓V計算響應度R

sN

和探測率D*。

利用不同光欄孔改變黑體輻射能的大小，測量訊號電壓V與探測器接收到的能量p

S

之間的關系（V—P）,檢查探測器的線性（即訊號電壓是否與入射能量成正比）。

S

改變調制頻率，觀察訊號電壓V與調制頻率f之間的關系。

5

改變探測器偏壓源電壓，觀察V與K，和偏壓之間的關系。

sN

實驗六Pbs探測器光譜響應度測試

實驗目的：

學習測量光電接收器相對光譜響應曲線的?種方法。

測出硫化鉛光敏電阻相對光譜響應曲線。

實驗儀器：

單色儀WDS-J2型1臺

標準色溫燈（帶穩(wěn)壓電源）1臺

熱釋電紅外探測器1只

硫化鉛光敏電阻1只

測量放大器FD—1型1臺

三.實驗原理：

光譜響應是光探測器的主要特性之一，而且是光探測器作為光度儀器必須測定的一個

特性。硫化鉛光敏電阻在室溫下對于可見光和近紅外有較高的靈敏度，是目前工業(yè)科研和軍

事上應用較多的一種紅外探測器。

以相同功率的單色輻射照射到探測器上所產(chǎn)生訊號與輻射波長的關系叫做光譜響應，

通常用單色輻射的響應，有時給出準確的測量值，有時只給出相對數(shù)值。前者給出絕對光譜

響應后者給出相對光譜響應。

在本實驗中，我們采用參考熱釋電紅外探測器法來測量硫化鉛光敏電阻的相對光譜響

應，采用無選擇性的熱釋電紅外探測器做為基準，首先將它置于單色儀的出射狹縫后面。此

時，光源在穩(wěn)恒的工作電流通過下。有穩(wěn)定的光功率輸出，轉動波長轉鼓，使所需要的各種

波長依次入射在熱釋電探測器的接收面上，其輸出電動勢與光源

四.實驗步驟

1、調整光源位置，使燈絲實象正好落在單色儀狹縫上，并將入射狹縫和出射狹縫調

到適當寬度。

2、按圖接好線路，把熱釋電探測器對準單色儀的出射狹縫，擋住光源，調整測量放

大器的零點。

3.轉動單色儀的鼓輪按給定的波長測試點進行測試，記下相應波長時熱釋電探測器

的輸出電壓值。做出光源的光譜能量曲線。

4、將熱釋電探測器換成硫化鉛光敏電阻，重復上述測試記下相應波長時硫化鉛光敏

電阻的輸出電壓值。

5、以上測試過程，每次重復三遍，取算術平均值，然后計算出硫化鉛光敏電阻的相

對光譜響應，并畫出相對光譜相應曲線。

實驗七光通量測量

一實驗目的

1掌握在光通球內，用比較法測量鴇絲燈光通量的原理和方法;

2了解光通球的結構；

3了解數(shù)字式照度計利數(shù)字電壓表的使用方法及注意事項。

二實驗原理

光通球又稱積分球或球形光度計，它是一個內部空的完整球殼，內壁涂有白色漫反射

層，球殼上開了一個窗口，放置光電接受器件，如圖1-1所示，一光通球，其中c是待測燈,

可放在球內任意位置，因為球內涂白色漫反射層，可把它看是漫反射率為。的理想中性漫

反射面，球的半徑為R,燈發(fā)出的總光通量為。，在球壁

上任取一點B,在該點的照明度是光源C直接照射產(chǎn)生的

照度，第一次漫反射光產(chǎn)生的照度等許多部分的疊加。設

光源直接照射B點的照射度為E。并第一次漫反射光通量

為p*由于把球壁看成中性理想反射面，故「。均勻分

布整個球內壁。所以，第一次漫反光在B點的照明為：

片二用

4成2

顯然，第二次漫反射后的光通量為它也是均圖1-1積分球示圖

n20)

勻分布整個球內壁，故第二次漫反射在B點產(chǎn)生的照度為：￡2=-^—-

-4成2

同理可求得第三次，第四次漫反射光在B點產(chǎn)生的照度為：&

34成2

E

44成2

因此，在B點的總照度為以上個部分照明度之和，即為：

?展02①

E=EQ+E+[E?+E3+&)H-----H----7+

4成24欣2

L網(wǎng)八2、L①

…4+(1+°+〃+……砌P

1一「

其中耳)是燈C直接照射在B點產(chǎn)生的照度，心的大小僅與B點的位置有關，如果在

C與B之間放一個擋屏，擋去直接照射B點的光，則心等于零，因而在B點的照明度為：

"一①P

E——.

4旅2l-p

由上式可以看出R與夕是常數(shù)，因此，球壁上任意位置的照明度與燈光通量成正比,

由此，可通過球壁窗口上的照度計測出燈光的照度，進而算出光通量。我們實際測量是用比

較法。用比較法測量可以消除光通球不能滿足理論光通球不能滿足理論光通球的要求所帶來

的誤差。用比較法測量原理如下：

如果光源為標準燈時的照度及光源為待測燈時的照明已測定，則根據(jù)照度與總光通量

成正比的關系可列下式：三

①o

標準燈的總通量已知，則很容易算出待測燈的總通量埼它可由下式求出：

E

4、埼分別為標準燈和待測燈的總光通量，單位為流明。E。、片分別為標

E。

準燈和待測燈在球壁上產(chǎn)生的漫反射照度。

實際光通球的結構：

球形光度計是由光通球與照度計組成,其結構如圖『2球的大小應視被測光源的尺寸

而定。燈C通常放在球中心，擋屏介于燈于窗口之間，距窗口為2/3R。加擋屏后，燈發(fā)出

的光不能直接到達AB處，同時,在球壁ED處的漫反射光也不能直接到達窗口射向硒光電池。

擋屏的尺寸應該由光源的尺寸決定，只要能擋住去燈直接射到窗口的光就可以了。

在光通球

的窗口上放一塊

無色雙面磨光的

毛玻璃或毛面乳

白玻璃，它的位

置正好在球面

上，毛玻璃后面

為可變光擋和中

性感光片組，他

們都是用來調節(jié)

進入硒光電池光

通量的。用了圖1-2

V（4）濾光器后，

可以測各種色溫燈的光通量。丫（/1）濾光器后面就是硒光電池，硒光電池的兩個極聯(lián)到電流

表，硒光電池應處在線性響應范圍內工作。

三實驗儀器

1、光通球（積分球）;

2、標準燈組；

3、待測燈組；

4、電子交直流穩(wěn)壓器；

5、晶體管直流穩(wěn)壓器；

6、標準電阻;

7、數(shù)字電壓表；

8,數(shù)字照度計；

四、實驗步驟：接好電路，經(jīng)教師檢查后，再按下述步驟進行；

1、依次打開電子交直流穩(wěn)壓器，晶體管直流穩(wěn)壓器，數(shù)字電壓表電源開關；

2、測量所需的電流、電壓，注意各電表量程；

3、打開積分球，分別將標準燈和待測燈安在燈架上；

4、順時針旋轉晶體管直流穩(wěn)壓器的輸出調節(jié)旋鈕，緩慢的調至被測燈或標準燈所需

的電流，要注意觀察數(shù)字電壓表的讀數(shù)；

5、每次測試時，光源要穩(wěn)定十分鐘后記錄：電流、電壓、和照度數(shù)值；

6、每次測完一個燈后，小心取下燈泡，再換另一個，每個燈泡的測量都要予熱十分

五、實驗要求及數(shù)據(jù)處理：

要求：

1、實驗前要認真閱讀實驗講義

2、要嚴格遵守實驗步驟的規(guī)定，認真記錄數(shù)據(jù);

3、要以一只燈為例，寫出詳細計算過程。

數(shù)據(jù)處理：

1、數(shù)據(jù)記錄要求三位有效數(shù)字；

2、算出待測燈的總光通量和發(fā)光效率；

3、計算相對誤差。

記錄表格：

弋、項目

照度E(LUX)及測量次數(shù)光%

電電

通量中光效率

流(A)壓(V)123

均值(Lm)Lm/w

準燈

測燈

實驗八用雙色法測量鋁絲燈的溫度

一、實驗目的：

學會用雙色法測色溫的基本方法并側幾個鴇絲燈的色溫。

二、實驗儀器：

1、反射式單色儀（WDS-J2型）;

2、標準色溫燈；

3、穩(wěn)壓電源；

4、硒光電池；

5、光點檢流計；

6、待測鴇絲燈。

三、實驗原理：

當灼熱體的溫度很高或者是灼熱體不能直接接觸時，測量它的溫度是較為困難的。為了

測量灼熱體的真實溫度，我們來定義顏色溫度，并給出他和真實溫度的關系，只要給出顏色

溫度的測量方法。自然會計算真實溫度。

顏色溫度的第一定義;“輻射體的相對光譜分布和絕對