用半導體激光器測量普朗克常量

羅澤 徐譽洲 肖洪洋 李歡歡

摘 ?要：文章介紹了用激光器做單色光源，用于光電效應法測量普朗克常數實驗，半導體激光器具有單色性好、波長穩定、壽命長、價格便宜、驅動簡單、不需預熱等優點，是光電效應測量普朗克常數實驗中的理想光源，實驗證明利用激光光源來測量普朗克常數，實驗系統簡單、測量方便、測量結果滿足實驗誤差要求。

關鍵詞：半導體激光器;光電效應;普朗克常量

中圖分類號：O4-34 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）18-0024-03

Abstract： This paper introduces the experiment of using laser as monochromatic light source to measure Planck constant by photoelectric effect method. Semiconductor laser has the advantages of good monochromism， stable wavelength， long life， cheap price， simple driving， no preheating and so on. It is an ideal light source in the experiment of measuring Planck constant by photoelectric effect. It is proved that using laser light source to measure Planck constant has the advantages of simple experimental system， convenient measurement and measuring results to meet the requirements of experimental error.

Keywords： semiconductor laser; photoelectric effect; Planck constant

1 概述

從1887年赫茲發現光電效應后，許多研究者對光電效應理論及實驗作了深入的研究[1-3]，普朗克常數是聯系物質的粒子性與波動性的重要參數，通過光電效應測量普朗克常數實驗的學習，可以加深學生對光粒子性的認識，了解微觀領域能量的不連續性，更好認識光的本質，因此光電效應實驗是大多數高校所必開設的實驗項目[4-5]。關于光電效應測量儀器的改進和改造研究，以及對截止電壓的不同測量方法和實驗測量數據誤差來源分析也在不斷進行。傳統的光電實驗利用汞燈作為實驗光源，通過濾色系統獲得汞燈光譜內的單色光，測量不同單色光在光陰極上的截止電壓，通過截止電壓-光頻曲線斜率測定普朗克常數。

半導體激光器具有波長穩定、單色性好、壽命長、價格便宜、容易控制等特點，本實驗將采用半導體激光器來代替汞燈完成光電效應測量普朗克常數實驗。

2 原理及方法

2.1 光電效應測量普朗克常量原理

2.2 半導體激光器光譜分析

圖3是利用“復想PG2000”高品質光纖光譜儀測量的普通半導體激光器光譜，圖中分別標明了，購買時廠家的標稱波長與光譜儀的實測波長。從圖3可看出，半導體激光器光譜單色性更好。通過適當的遮光裝置，可以減弱雜光引入的測量誤差。

3 實驗對比

3.1 實驗裝置

半導體激光器激光強度較高，直接照射到光電暗盒容易導致光電流飽和不利于精確調節，擴束鏡、準直鏡系統將光束擴展后通過光闌進入光電暗盒。光闌孔徑較小，能有效隔離偏離光軸方向的環境光，對于通過激光器、擴束鏡、準直透鏡等反射的環境光則無法隔離，在測量時需將裝置外殼罩下，以減弱入射到激光器、擴束鏡、準直透鏡上的環境光。通過更換不同頻率激光器可測量不同頻率激光對應的零點電壓（圖4）。

3.2 測試數據

表1和表2分別是用汞燈以及激光器作為實驗光源，通過零點法測量普朗克常數的實驗數據。實驗中的光電暗盒、光電流測量系統采用成都世紀中科的“ZKY-GD-3光電效應實驗系統”，分別測量了不同孔徑光闌下，零點法不同頻率色光對應的零點電壓。從表1、表2可看出，利用汞燈光源和濾色片系統測量的普朗克常數誤差偏大，而采用激光作為光源測量的普朗克常數，在適當遮擋環境光后，測量得到的測量結果較理想。

4 結論

從圖3的光譜分析圖以及表1，表2的普朗克常數測量數據可以看出，用汞燈作為普朗克常數測量實驗系統的光源對濾色片要求較高，普通的濾色片難以獲得純凈的單色光，濾色片過濾后的其他色光的殘余部分將會對普朗克常數測量引入較大誤差。激光具有很好的單色性，光強穩定，在適當遮光后，利用激光作為光源，進行普朗克常數測量能獲得較好的測量結果，激光可以作為普朗克常數測量實驗的可靠的替代光源。

參考文獻：

[1]王林香.光電效應實驗的影響因素及誤差分析[J].物理與工程，2016.

[2]陳若輝，郭赫.光電效應測量普朗克常量實驗的研究[J].北華大學學報（自然科學版），2007，8（4）.

[3]王云志，趙敏.光電效應測普朗克常數的數據處理及誤差分析[J].大學物理實驗，2011，24（2）：93-95.

[4]鐘讀敏.大學物理實驗[M].合肥：中國科技大學出版社，1995.

[5]袁敏，梁霄.大學物理實驗[M].北京：科學出版社，2014.1.