光电子学科综合实验I讲义资料.doc

目 录实验1 晶体的电光效应实验1实验2 组合干涉仪实验13实验3 用牛顿环法测透镜曲率半径17实验4 棱镜折射率的分光仪测定.25实验5 光电效应33实验6液晶的电光特性实验38实验7 用双棱镜干涉测钠光波长44附录 物理实验基础知识48.80.实验1 晶体电光效应实验内容1 通过观察穿过晶体的会聚偏振光的干涉图案，了解电场对晶体的作用机理。2 通过对晶体施加不同强度的直流电压，观察 测量系统的通光情况，绘出电压与光强的关系曲线，求出系统的特征参数。3 在晶体上施加一个正弦波信号，观察光学系统的响应情况，理解设置静态工作点的目的和意义，以及设置方法和要求。4 用一音频信号驱动电光晶体，模拟信息对光的调制和传输。设备成套性1光学实验导轨 800mm 1 根2导轨滑块 6 个3二维可调半导体激光器 650nm 4mw 1 套4激光功率指示计 1 套5偏振片 2 套61/4波片 1 套7三维可调电光晶体附件+驱动电源（0-1500v） 1 套8二维可调扩束镜 1 套9二维可调光电二极管探头 1 套10白屏 1 个 实验原理某些晶体在外加电场中，随着电场强度的改变，晶体的折射率会发生改变，这种现象称为电光效应。通常将电场引起的折射率的变化用下式表示: (1)图一 晶体折射率椭球式中a和b为常数，为e0=0时的折射率。由一次项ae0引起折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔电光效应（pokells）；由二次项引起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也称平方电光效应或克尔效应（kerr）。由（1）式可知，一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应则可能存在于任何物质中，一次效应要比二次效应显著。光在各向异性晶体中传播时，因光的传播方向不同或者是电矢量的振动方向不同，光的折射率也不同。通常用折射率椭球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的关系，在主轴坐标中，折射率椭球方程为 （2）式中，, 为椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。如图一所示，当晶体上加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球的方程变为 (3)只考虑一次电光效应，上式与式（2）相应项的系数之差和电场强度的一次方成正比。由于晶体的各向异性，电场在x、y、z各个方向上的分量对椭球方程的各个系数的影响是不同的，我们用下列形式表示： (4) 上式是晶体一次电光效应的普遍表达式，式中叫做电光系数 (i=1,2,6;j=1,2,3)，共有18个，ex、ey、ez是电场e在、z方向上的分量。式（4）可写成矩阵形式： （5） 电光效应根据施加的电场方向与通光方向相对关系，可分为纵向电光效应和横向电光效应。利用纵向电光效应的调制，叫做纵向电光调制；利用横向电光效应的调制，叫做横向电光调制。晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应两种。把加在晶体上的电场方向与光在晶体中的传播方向平行时产生的电光效应，称为纵向电光效应，通常以类型晶体为代表。加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播方向垂直时产生的电光效应，称为横向电光效应 ，以晶体为代表。这次实验中，我们只做晶体的横向电光强度调制实验。我们采用对ln晶体横向施加电场的方式来研究linbo3晶体的电光效应。其中，晶体被加工成5530mm3的长条，光轴沿长轴通光方向，在两侧镀有导电电极，以便施加均匀的电场。 图二 晶体铌酸锂晶体是负单轴晶体，即nx=ny=n0、nzne 。式中和分别为晶体的寻常光和非寻常光的折射率。加上电场后折射率椭球发生畸变，对于3m类晶体，由于晶体的对称性，电光系数矩阵形式为 (6) 当x轴方向加电场，光沿z轴方向传播时，晶体由单轴晶体变为双轴晶体，垂直于光轴z方向折射率椭球截面由圆变为椭圆，此椭圆方程为： (7)进行主轴变换后得到： (8) 考虑到，故忽略上式中的，得到： (5)将(3)式代入(5)式，得到： (6)由(6)式可见，如果已知入射光的波长，测得某一暗环的半径rk并数出它的序号k(根据(1)和(2)两式薄膜厚度为零的中心为ko)，就可以算出透镜的曲率半径r了。然而仔细观察发现：中央暗纹不是一个点，而是一个不甚清晰的暗斑，甚至有可能是一个亮斑。其原因是从中心接触点沿半径向外，h连续增大，光程差相应连续增大，从暗到明光强逐渐增加，所以不可能是一个清晰的暗点；又因镜面上可能有尘埃存在，造成中心点可能不是光学接触，所以中心不一定是k0的暗纹中心，甚至根本不对应于k0。这就给实际测量带来了因难：干涉环的圆心位置不能确定，测rk无起点；不知道中心处的k是多少，无法确定所测圆心的k。在此，我们可运用转换测量法，以避开对k和半径rk的绝对测量。设第m环半径为rm，第n环半径为rn，分别代入(6)式，并将两式相减，于是得到： (7)为了便于测量和数据处理，将上式写成： (8)(8)式中分子是任意两暗环直径的平方差，分母中的(m - n)是它们相隔的环数。对比前述(6)式，我们此刻所关心的不再是第m环和第n环的实际k值，而是它们的k值差(m- n)，且(m - n)很容易数出来。【数据处理】根据有些数字运算规则得出测量结果。【实验内容与方法】1用牛顿环仪测量平凸透镜的曲率半径(1)将牛顿环仪置于载物台上，点燃钠光灯，翻转读数显做镜下的反射镜，使之不能反射来自钠灯的光。转动显微镜，使钠光被物镜下方的45半反射镜反射后，向下沿着显微镜轴线方向垂直投射到牛顿环装置上，经空气薄膜反射后，再向上到达显微镜中，形成最亮的视场。(2)调节显微镜的目镜，使目镜中看到的叉丝最为清晰。然后调整纵叉丝与读数显微镜横向走动方向垂直，调节方法见前述注意事项(1)。(3)调节显微镜镜筒，对牛顿环所在平面进行调焦，观察到清晰的干涉图样，再仔细调焦以消除干涉条纹与分划板准丝之间的视差。(4)移动牛顿环的位置使显微镜叉丝的交点对准干涉环的中心，然后左右移动显微镜筒,观察整个干涉场中条纹的清晰度，以便选择干涉条纹的测量范围。(5)用与显微镜移动方向垂直的叉丝依次与左边第m环(例如第50环)、第n环(例如第20环)，右边第n环、第m环暗环相切，记录下它们的位置的读数：、，填入表中。为避免螺距差，测量中只能单方向靠近达到与待测环相切。操作方法是：将叉丝对向中间的暗纹，记为0；向左移动叉丝数到第50条暗纹后再向左数5条，以此为起点向右移动，数到5，记录；以此为零向右数到30，记录；以此为零向右数到20，应当是中间暗纹；再继续向右移动，记录和；最后再以位置为0，向左数回中间，若为50，则表明记数正确，否则重测。 图9-5 测量和2实验观察内容用手遮住读数显微镜物镜上的45反射镜，使钠光不能达到其上；翻转显微镜下的反射镜，使钠光被反射镜反射后由下向上照射到牛顿环装置上，此时在显微镜中可观察到透射光形成的等厚干涉条纹。观察对比反射光和透射光形成的干涉条纹，它们有哪些异同?其中不同之处是怎样形成的?【阅读材料】1螺旋测微原理螺旋测微机构是利用螺旋推进原理实现对米尺进行细分从而提高米尺测量准确度的一种机械放大装置。 图9-6 螺杆一鼓轮机构如图9-6，微动螺旋杆与鼓轮连接，鼓轮旋转一周，螺旋杆前进一个螺距h，此螺距恰等于沿螺旋杆轴线放置一直尺的分度值a。鼓轮的一周刻有n个均匀分度，则鼓轮刻度的分度值为bhnan，从而实现了对a的微小细分，因而鼓轮又称为微分鼓轮或微分套筒。若直尺分度值a0.5mm，微分套筒分度数n50，该螺旋测微机构的最小分度值b0.0lmm。通常的螺旋测微计就是这样分度的。若直尺的分度值a=1mm，鼓轮分度数n=100，该螺旋测微机构的最小分度值b=0.01mm。通常显微镜、测微目镜就是这样分度的。利用螺旋测微原理的测长仪器很多，在本课程中使用的有螺旋测微计、读数显微镜、测微目镜和迈克尔逊干涉仪的测量读数结构等。2读数显微镜读数显微镜是一种光学测量仪器，具有准确度高、结构简单、操作方便、应用广泛以及可进行非接触测量等优点，可用来测量长度(测量孔间距、线间距、刻线宽度和狭缝宽度等)；测量角度(可测角度的读数显微镜，其载物台是一带有刻度的转盘)；检查工件质量(检查工件表面的光洁度，检查印刷照相制版的质量等)，在光学实验中还可用来确定实像位置和测定实像的大小，确定虚像的位置和虚像的大小。1测微鼓轮 2标尺 3物镜 4反光镜5反光镜转动手轮6台面玻璃 7弹簧压片 8调焦首轮 9目镜图9-7 读数显微镜(1)结构与原理读数显微镜由一只显微镜和移动测量装置组成，如图9-7所示。显微镜装在一个较精密的移动装置上，使之能够在垂直光铀的一定方向移动，移动的距离可以从读数装置读出。显微镜由目镜、分划板和短焦距物镜组成。目镜可相对于分划板上下移动，以适应不同视力的观察者看清分划板的准丝。镜筒可上下移动改变物镜与待测物的距离，使被观察目标在分划板上成像清晰。分划板刻有十字叉丝，作为读数准线。图9-8 显微镜光路成像光路原理如图9-8所示。待测物体经物镜成一个放大实像于分划板上，通过目镜能看到和分划板准丝的放大虚像。采用了螺旋测微机构，显微镜移动距离可以从标尺和测微鼓轮上读出，标尺刻度长050mm，格值1mm。测微螺旋的螺距为1mm，微分鼓轮圆周分成100个分格，每转一分格，显微镜移动0.01mm。(3)使用要点 调节目镜视度。调节目镜筒，看清叉丝。 将被测工件放在载物台面上，用弹簧片压住。 调焦。转动调焦手轮，由下至上移动显微镜筒改变物镜到被测工件的距离，看清工件像，并消除视差。 转动微分鼓轮，横向移动显微镜，使叉丝的交点和被测量的目标对淮。 读数。从标尺上读出毫米以上整数部份，从鼓轮读出毫米以下的读数部分，再估读到毫米的千分位。然后再转动微分鼓轮移动显做镜，使叉丝交点与工件的另一目标对准然后读数，两次读数之差即为被测工件两点间的距离。(4)注意事项 测量时应使十字叉丝的水平线保持与标尺乎行，十字叉丝的垂直线作为读数准线；可借助于水平准丝放置被测长度与标尺平行，为此需调节分划板十字准线的水平线与标尺平行。调节方法如下：由于十字叉丝中心交点的运动轨迹总是平行于标尺的，所以要在载物台上平行于标尺置一直线参照物(如整齐的纸边、尺刃、狭缝边等)。从显做镜中观察，调节参照物使准线交点落在参照直线上。转动鼓轮移动显做镜筒，检查准线交点的运动是否始终沿着参照直线，若有差异，则应微小转动参照物，反复检查调整直到淮线交点始终沿着参照直线移动，旋松锁定目镜的螺钉，转动目镜，使分划板准线的横线与参照直线重合，最后再锁定目镜。 调焦时，显微镜只能自下向上移动，以防止物镜或待测物损坏。 为了消除螺距误差(即空程差)，采用单方向移动显微镜测微鼓轮进行测量。全部测量过程中，叉丝只能从一个方向移向目标，不要中途反向。这是因为显微镜的移动是靠测微螺旋杆的推动，螺纹之间有间隙，反向移动过程中，虽然鼓轮读数发生了变化，但由于螺纹间隙存在，显微镜尚未移动，由此产生的读数错误就是螺距差。实验4棱镜折射率的分光仪测定实验目的了解分光仪的结构；掌握分光仪的调节和使用方法。掌握测定棱镜顶角的方法。学会用最小偏向角测定棱镜的折射率。实验仪器型（或型）分光仪，三棱镜（等边）。 实验原理测量三棱镜的顶角12 三棱镜由两个光学面和及一个毛玻璃面构成。三棱镜的顶角是指与的夹角，如图531所示。自准值法就是用自准值望远镜光轴与面垂直，使三棱镜面反射回来的小十字像位于准线中央，由分光仪的度盘和游标盘读出这时望远镜光轴相对于某一个方位的角位置；再把望远镜转到与三棱镜的面垂直，由分光仪度盘和游标盘读出这时望远镜光轴相对于的方位角，于是望远镜光轴转过的角度为，三棱镜顶角为由于分光仪在制造上的原因，主轴可能不在分度盘的圆心上，可能略偏离分度盘圆心。因此望远镜绕过的真实角度与分度盘上反映出来的角度有偏差，这种误差叫偏心差，是一种系统误差。为了消除这种系统误差，分光仪分度盘上设置了相隔的两个读数窗口（、窗口），而望远镜的方位由两个读数窗口读数的平均值来决定，而不是由一个窗口来读出，即， （531）于是，望远镜光轴转过的角度为应该是 （532）用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率如图532所示，在三棱镜中，入射光线与出射光线之间的夹角的称为棱镜的偏向角，这个偏向角与光线的入射角有关 （533） （534）由于是的函数，因此实际上只随变化，当为某一个值时，达到最小，这最小的称为最小偏向角。为了求的极小值，令导数，由（534）式得（535）由折射定率得， 于是，有此式与（533）比较可知，在棱镜折射的情况下，所以 由折射定律可知，这时，。因此，当时具有极小值。将、代入（533）、（534）式，有， ，。 （536）由此可见，当棱镜偏向角最小时，在棱镜内部的光线与棱镜底面平行，入射光线与出射光线相对于棱镜成对称分布。由于偏向角仅是入射角的函数，因此可以通过不断连续改变入射角，同时观察出射光线的方位变化。在的上述变化过程中，出射光线也随之向某一方向变化。当变到某个值时，出射光线方位变化会发生停滞，并随即反向移动。在出射光线即将反向移动的时刻就是最小偏向角所对应的方位，只要固定这时的入射角，测出所固定的入射光线角坐标，再测出出射光线的角坐标，则有 （537）实验内容1参考附录，对分光仪进行调整（）调节目镜，看清分划板上准线及小棱镜上十字。（）在载物平台上放上三棱镜并调节望远镜及平台，使在望远镜中看到三棱镜两个光学面反射的小十字像。（）调节望远镜物镜，使十字像清晰。（）调整望远镜与分光仪主轴垂直。用自准值法测量三棱镜顶角（）锁紧分度盘制动螺钉，转动望远镜（这时望远镜转动锁紧螺钉9松开），使望远镜对准三棱镜的反射面，锁紧望远镜转动螺钉9。利用望远镜转动微调，使由面反射回来的小十字像位于分划板准线的中央，记下分度盘两个窗口的读数值与。（）松开锁紧螺钉，把望远镜转到与面垂直，再锁紧螺钉。利用微调使由面反射回来的小十字像位于分划板上准线中央，记下分度盘上两个窗口的读数、。（）按上述两步重复测量四次，将数据填入自拟表中，由（531）式求出，计算出的平均值及标准误差。用反射法测量三棱镜顶角r1r24在图533中，用光源照亮平行光管，它射出的平行光束照射在棱镜的顶角尖处，而被棱镜的两个光学面和所反射，分成夹角为的两束平行反射光束、。由反射定律可知，所以。因为，所以。于是只要用分光仪测出从平行光管的狭缝射出的光线经、两个面反射后的二束平行光与之间的夹角，就可得顶角，则 （538）（）按实验内容的步骤调好分光仪。（）参照图532转动望远镜，寻找面反射的狭缝像，使狭缝像与竖直准线重合，记下分光仪、窗口的读数，继续转动望远镜，寻找面反射的狭缝像，也使狭缝像与竖直准线重合，再记下分光仪、窗口的读数、。（）重复上述测量四次，将数据填入自拟表中，由（537）式求出的平均值及标准误差。用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率（）用汞灯作光源照亮狭缝，由平行光管射出光线进入望远镜，寻找狭缝像，使狭缝像与分化板上的中央竖直准线重合，记下这时望远镜筒所在的角坐标。（）将三棱镜放置在载物台平台上，使平行光管射出光线进入三棱镜的面，转动平台在三棱镜的面观察望远镜中的可见光谱，跟踪绿谱线的移动方向。寻找最小偏向角的最佳位置，当轻微调节载物平台，而绿谱线恰好要反向移动时，固定载物平台。再转动望远镜，使狭缝的像（绿谱线）与中央竖直准线重合，记下这时出射光线角坐标、。（）按上述步骤重复三次，由（537）式求出的平均值，把与代入（536）式，求出棱镜玻璃的折射率值。并计算出的相对误差。思考题分光仪主要由哪几部分组成？各部分作用是什么？分光仪的调整主要内容是什么？每一要求是如何实现的？分光仪底座为什么没有水平调节装置？在调整分光仪时，若旋转载物平台，三棱镜的ab、ac、bc三面反射回来的绿色小十字像均对准分化板水平叉丝等高的位置，这时还有必要再采用二分之一逐次逼近法来调节吗？为什么？望远镜对准三棱镜面时，窗口读数是293度21分30秒，写出这时窗口的可能读数和望远镜对准面时，窗口的可能读数值。如图534所示，分光仪中刻度盘中心与游标盘中心不重合，则游标盘转过角时,刻度盘读出的角度，但，试证明。什么是最小偏向角？在实验中，如何来调整测量最小偏向角的位置？若位置稍有偏离带来的误差对实验结果影响如何？为什么？附录jjy1型分光计使用说明书jjy1分光计的外形结构如图1所示，它主要由平行光管、望远镜、载物台和读数装置四部分组成。平行光管用来发射平行光，望远镜用来接收平行光，载物台用来放置三棱镜、平面镜、光栅等物体，读数装置用来测量角度。1-狭缝装置；2-狭缝装置锁紧螺钉；3-平行光管；4-制动架(二)；5-载物台；6-载物台调平螺钉(3只)；7-载物台与游标盘锁紧螺钉；8-望远镜；9-目镜锁紧螺钉；10-阿贝式自准直目镜；11-目镜调焦手轮；12-望远镜光轴俯仰调节螺钉；13-望远镜光轴水平调节螺钉；14-支臂；15-望远镜微调螺钉；16-刻度盘与望远镜锁紧螺钉；17-制动架(一)； 18-望远镜止动螺钉(在刻度盘右侧下方)；19-底座；20-转座；21-刻度盘；22-游标盘；23-立柱；24-游标盘微调螺钉；25-游标盘止动螺钉；26-平行光管光轴水平调节螺钉；27-平行光管光轴俯仰调节螺钉；28-狭缝宽度调节手轮图1 jjy1型分光计结构示意图1平行光管平行光管的作用是产生平行光，它由可相对滑动的两个套筒组成。外套筒的一端装有消色差透镜组，内套筒装一宽度可调的狭缝。当狭缝位于透镜的焦平面上时，用灯照亮狭缝，则平行光管出射平行光，如图2所示。 图2 平行光管结构示意图2望远镜（阿贝式）望远镜由目镜、物镜和分划板组成，其结构如图3所示。本实验所使用的分光计带有阿贝式自准目镜，物镜是一消色差的复合正透镜。分划板位于目镜和物镜之间，板的下半部粘有一块45全反射小棱镜，