光电子技术实验课程.doc

1 70 目目 录录 实验一 用法布里 珀罗 F P 干涉仪测量钠黄双线的波长差 1 实验二 偏振光实验 6 实验三 电光调制实验 13 实验四 磁光调制实验 22 实验五 声光调制实验 32 实验六 氦氖激光束光斑大小和发散角的测量 40 实验七 氦氖激光器的模式分析 45 实验八 LD LED 的 P I V 特性曲线测试 52 实验九 光电探测原理实验 上 58 实验十 光电探测原理实验 下 64 1 70 实验一实验一 用法布里 珀罗 用法布里 珀罗 F PF P 干涉仪测量钠黄双线的波长差 干涉仪测量钠黄双线的波长差 实验目的实验目的 1 了解 F P 干涉仪的结构 掌握调节与使用 F P 干涉仪的方法 2 用 F P 干涉仪测定钠黄双线的波长差 仪器和装置仪器和装置 两块内侧面镀高反射膜的光学玻璃板 其中一块固定位置安装 另一块由测微螺旋经 20 1 50 1 机械传动装置控制移动 并由预置螺旋控制 实验前可按实验需要将动镜预置 到某一位置 光源是低压钠灯 通过毛玻璃可形成扩展的面光源 助视工具是一个小型显微镜 配升降调节磁性座 仪器装置见图 1 图图 1 1 实验仪器图实验仪器图 主要技术指标主要技术指标 反射镜 30mm 平面度 1 20 移动镜预置螺旋 最小分度值 0 01mm 行程 10mm 测微螺旋精度 最小分度值 0 01mm 估读 0 001mm 测量精度 最小读数值 0 0005mm 行程 1 25mm 20 1 最小读数值 0 0002mm 行程 0 5mm 50 1 低压钠光源 20W 2 70 实验原理实验原理 法布里 珀罗 F P 干涉仪是根据平 行平面板反射单色光的多光束叠加产生细 窄明亮干涉条纹的基本原理制造的 如图 2 所示 F P 干涉仪的主要部件是两块各有 一面镀高反射膜的玻璃板 G1和 G2 使镀膜 面相对 夹一层厚度均匀的空气膜 利用 这层空气膜就能够产生多光束干涉现象 来自光源任一点的单色光以入射角 照射 到平行板上 这时透射光是许多透过平板 的平行光束 的叠加 任一对相邻光束的光程差为 并且由计算得出 透射光束叠加后的光强 2 2 0 sin 1 4 1 1 R R II 式中 R 是反射率 这个结果表明 I 随 改变而变化 并且 当 2 1 0 mm 时 I 为极大值 当 2 1 0 2 12 mm 时 I 为极小值 实验内容及步骤实验内容及步骤 一 实验准备 观察多光束干涉条纹一 实验准备 观察多光束干涉条纹 1 光学实验平台上 放置 F P 干涉仪使其面向实验者 仪器中心离实验台边缘约 40cm 并 将仪器的两个磁性底座锁紧 转动预置螺旋 直到 Gl和 G2两个镜面相距约 1mm 注注 意 切勿使两镜相碰意 切勿使两镜相碰 2 低压钠灯 S 安置在光路中的适当位置 取下毛玻璃屏 插入灯窗挡板至钠灯 通过灯窗 挡板小孔的光束在两个镜面之间反射形成一系列光点 需用镜子的调节旋钮消除镜面间 cos2nd 图图 2 2 干涉原理图干涉原理图 3 70 的倾斜角 使正对镜面观察时这些光点是重合的 表明两镜面已近乎平行 此时通过 F P 干涉仪镜面已可看见干涉条纹 3 离 F P 干涉仪镜面约 10cm 处放置 f 45 透镜 离透镜约 20cm 两底座之间 处放置小 型显微镜 此时取下灯窗挡板 再在 F P 干涉仪上插入毛玻璃屏 FG 形成面光源 就能 够从该系统 图 3 的轴向观察到一系列明亮细锐的多光束干涉圆环 经过更细致的调 节 当圆环很清晰且干涉环不随眼睛的移动发生直径大小的变化 表明两个镜面已经严 格平行了 图图 3 3 观察多光束干涉条纹观察多光束干涉条纹 二 测定钠黄双线的波长差二 测定钠黄双线的波长差 照亮毛玻璃屏 FG 的钠灯发出的两种波长的黄光各产生一套同心的圆形干涉条纹 预置 螺旋和透镜不动 调节测微螺旋 在移动动镜改变 G1和 G2距离 注意勿使两镜相碰 注意勿使两镜相碰 的过 程中 可以发现 在某长度上 这两套干涉环会重叠起来 此时干涉环看起来最为稀疏 而 在另一长度上 一套干涉环恰好夹在另一套干涉环中间 此时干涉环看起来最为密集 仔细 操作 可以相当准确地测定这一居中位置 根据前面实验原理 透射光的加强条件为 cos2极大 md 若只考虑环系的中心处 cos 1 当一环系位于另一环系中间时则有 1 21111 2 1 2 mmd 其中 1 2 当动镜继续移动 经过二环系重合 再度居中时 2 22122 2 1 12 mmd 从 2 式减去 1 式 得到 4 70 221211212 2 mmmmdd 若 1 和 2波长差很小 近于相等 则得 3 12 2 1 21 2dd 其中或可为二波长平均值的平方 对钠黄双线 可取 589 3nm 2 实验时 转动 2 1 2 m 测微螺旋 适当配合预置螺旋 先使 G1和 G2两镜逐渐靠近 直到几乎接触 但不可相碰 此时钠黄光产生的两个干涉环系实际上相重合 随着动镜逐渐移开 两个环系也逐渐分开 直到一环系恰好位于另一环系中间时 记下测微螺旋读数 l 继续移远动镜 两个环系经过 重合又分开 当一环系再次恰好位于另一环系中间位置时 记下测微螺旋读数 2 如图 4 两环互相居 中测量 D1 两环相互靠近 两环再次居 中测量 D2 图图 4 4 读数示意图读数示意图 因实验测得微螺旋读数 2 l 是与玻璃板 G1和 G2距离 d2 dl 之比为 K 20 1 50 1 因此在处理数据时公式 3 中的 d2 dl 2 l K 代入公式经 计算 即可得钠黄双线波长差 本实验宜进行多次测量取平均值 图图 5 5 实验光路图实验光路图 5 70 在光路中加入一个小型显微镜 M 对观测工作更有利 如图 5 它将干涉圆环经过透 镜 L 成的实像放大成虚像 数据记录及处理数据记录及处理 表表 1 1 实验数据表实验数据表 l 2 2 ld2 dl 第一组 第二组 第三组 平均值 21 dd 代入公式 3 计算出钠双线波长差 21 实验注意事项实验注意事项 1 仪器轻拿轻放 防止碰撞和震动 以防止两镜面擦伤 2 禁止用手触及光学零件的透光表面 3 转动测微螺旋和调节螺丝时动作要轻 不要急促右斜向用力 4 移动钠灯时需一手持灯体一手托底座 5 禁止调节 F P 干涉仪后面一个镜面 6 70 实验二实验二 偏振光实验偏振光实验 实验目的实验目的 1 加深对布儒斯特角定义和马吕斯定律的理解 2 了解半波片的作用 3 通过检测 1 4 波片位相延迟角 熟悉偏振光干涉原理 实验仪器及装置实验仪器及装置 导轨 氦氖激光器 光学测角台 透镜 波片 偏振片 光电探头 光电流放大器等 实验内容及步骤实验内容及步骤 一 测量布儒斯特角一 测量布儒斯特角 按图 1 所示在光具座上布置光路 使 He Ne 激光发出的细光束通过一个偏振轴为水平方 向的起偏器之后 照射立在光学测角台上的黑玻璃镜 转动测角台 使反射光束原路返回 以此位置为零度 再转动测角台 使入射角约达 56 57 时锁紧度盘 利用滑动座升降微调 装置适当降低测角台 然后放松转动臂 在光电探头随着转臂缓慢转动过程中测量反射光的 相对光强 经反复观测 找到反射光为最暗 甚至为零 的位置 其入射角 B就是布儒斯特 角 图图 1 1 测量布儒斯特角测量布儒斯特角 数据记录及处理数据记录及处理 表表 1 1 布儒斯特角实验数据表布儒斯特角实验数据表 7 70 二 马吕斯定律二 马吕斯定律 如果光源中的任一波列 用振动平面 E 表示 投射在起偏器 P 上 图 2 只有相当于 它的成分之一的 Ey 平行于光轴方向的矢量 能够通过 另一成分 Ex Ecos 则被吸 收 若投射在检偏器 A 上的线偏振光的振幅为 Eo 则透过 A 的振幅为 E0cos 这里 是 P 与 A 偏振方向之间的夹角 由于光强与振幅的平方成正比 所以透射光强 I 随 而变化 的关系为 2 0 cosII 这就是马吕斯定律 实验步骤 实验步骤 让激光束垂直通过起偏器成为偏振光 用检偏器检查时 使两个偏振器的透 振方向的夹角在 从 0 转动一周的过程中 用连接光电流放大器的探头测量透射光强的相对 值 I 每 10 或 15 读取一次数据 然后画出 I 关系曲线 图图 2 2 起偏器起偏器 数据记录及处理数据记录及处理 表表 2 2 马吕斯定律实验数据表马吕斯定律实验数据表 0 o15 o30 o45 o60 o75 o90 o 105 o 120 o 135 o 150 o 165 o I 180 o 195 o 210 o 225 o 240 o 255 o 270 o 285 o 300 o 315 o 330 o 345 o I 第一次第二次第三次平均值 布儒斯特角 B 8 70 三 半波片的作用三 半波片的作用 光束进入双折射晶体时被分成符合折射定律的寻常光 o 光 和不符合折射定律的非寻 常光 e 光 o 光和 e 光都是偏振光 但在晶体内有不同的波速 因此通过厚度一定的晶片 时光程也不同 设晶片厚度为 d o 光和 e 光通过晶片后就有相位差 dnn eo 2 式中 表示光的波长 no和 ne表示该晶片对 o 光和 e 光的折射率 使 2k 1 k 0 1 2 的波片为半波片 它能使 o 光和 e 光发生相位差 符合使 2k 1 2 k 0 1 2 条 件的波片为 1 4 波片 波片的光轴平行于晶片的表面 在圆框上用短线标出 实验步骤 实验步骤 激光束通过起偏器 P 变成线偏振光 将检偏器 A 的透振方向定在屏 C 上光 斑为最暗的角度上 然后在 P 和 A 之间加入半波片 H 如图 3 所示 使 H 绕水平轴转动 360 同时观察 C 上发生消光现象的次数并作解释 再进一步 使激光束的入射面与检偏器 正交 加入 H 后 将其旋转到 C 上消光位置 从该位置开始 将 H 分别转动 15 30 45 60 75 和 90 相应地将 A 逐次转到消光位置 列表记录每次 A 需要转动 的角度 从实验结果总结出平面偏振光通过半波片后 振动面的变化规律 并予以解释 激光器起偏器 P 1 2 波片 H检偏器 A光屏 C 图图 3 3 实验光路图实验光路图 数据记录及处理数据记录及处理 表表 3 3 半波片实验数据表半波片实验数据表 一 H 转动 360 oC 上消光次数 得出结论 二 H 转动角度 15 o30 o45 o60 o75 o90 o 9 70 A 转动角度 得出结论 四 四 1 4 波片与椭圆偏振光 圆偏振光波片与椭圆偏振光 圆偏振光 当振幅为 A 的面偏振光入射到石英晶体做成的波片时 若振动方向与波片光轴夹 角 在直角坐标系内 o 光和 e 光的振幅分别为 Ao A sin 和 Ae A cos 从波片出射后的 o 光 和 e 光的振动可以用两个互相垂直 同频率 有固定相位差的简谐振动方程表示 二者的合 振动方程为椭圆方程 合振动矢量的端点轨迹一般为椭圆 如图 4 所示 所以称作椭圆偏 振光 其中有个特殊情况 即 4 o 光和 e 光振幅相等 合振动矢量的端点轨迹是圆 椭圆偏振光退化为圆偏振光 用检偏器检验 波片的透射光强是不变的 图图 4 4 椭圆偏振光形成图椭圆偏振光形成图 实验步骤 实验步骤 光路与图 3 类似 只是更换了波片 使通过 P 的线偏振光与 A 正交 C 上光 斑达到最暗 然后在 P 和 A 之间加入 1 4 波片 Q 直到 C 上光斑最暗 从这个消光位置开始 每当 Q 转动 15 30 45 60 75 和 90 时 都将 A 转动 360 根据屏上或光电接收 装置显示的光强变化记录 可以判断通过 1 4 波片的透射光的偏振态 限于平面偏振光 椭 圆偏振光和圆偏振光 10 70 数据记录及处理数据记录及处理 表表 3 3 1 4 波片实验数据图波片实验数据图 Q 转动角度 光强变化现象结论 透射光的偏振态 15 o 30 o 45 o 60 o 75 o 90 o 五 五 1 4 波片位相延迟角检测波片位相延迟角检测 平行偏振光干涉光路如图 3 所示 P Q A 分别为起偏器 1 4 波片 检偏器 分 别是 P A 的透光轴方向与波片快轴方向的夹角 如图 4 所示 通过检偏器 A 的两个分量 的振动方向相同 位相差一定 因而发生干涉 干涉后的强度可表示为 1 22 0 cossin2 sin2sin 2 II 式中 I0是透过起偏器 P 的光强 对于某一确定的 值 当检偏器 A 透光方向与波片透射的椭圆偏振光的长轴方向一致时 检偏器的透射干涉光强应有最大值 Imax 如果与 Imax对应的 为 m 为了确定 m与 的关系 可由 1 式 0 m d dI 得到 2 2 cos 2 m tg tg 11 70 对待测 1 4 波片 选定 值后 旋转检偏器测出透射光强最大 m的值 即可按式 2 计算 1 4 波片的位相延迟角 我们注意到 当 45 时 有 tg2 则不能用 2 计算 实际上 这时检偏器的 透射光强 无论 取什么值 I 总是在 45 时有极大值 cos2sin12 0 II Imax 因此 用本方法测量位相延迟角 时 不能选取 45 从误差理论知道 若 和 m 是 和 m 的随机误差 则 的均方根误差为 3 22 22 2 sin 4sin 4 m m tg 上式表明 和 对 的影响与 和 的值有关 并且 从 0 90 以及从 180 90 而单调 减小 因此 当 在 2 附近 的测量精度最高 同理可得 当 45 附近时 的测量误差 却最大 进一步分析表明 对于位相延迟角接近 2 的波片 若取 35 或 55 左右 则测量 误差 最小 而 值偏离 35 越远 误差越大 所以实测时 以选取 35 或 55 为宜 实验步骤 实验步骤 1 在如图 3 的实验装置中 取下 1 4 波片 旋转起偏器和检偏器 使它们的透光轴方向平 行 此时光电探测器的输出最大 2 在起偏器和检偏器之间放入待检测的 1 4 波片 并使 1 4 波片表面和系统光轴垂直 并 尽可能使其转动中心在系统的光轴上 转动 1 4 波片使其快轴 或慢轴 方向与起偏器 和检偏器透光轴方向一致 此时光电探测器输出最大 分别记下起偏器 1 4 波片 检 偏器的度盘指示值 3 转动起偏器 使其透光轴转过某一 角 注意转动方向 4 转动检偏器 找到平行偏振光干涉光强的最大值 即光电探测器输出最大值 位置 这 时检偏器透光轴转过的角度即为 m 注意转动方向 5 将 m代入 2 式 计算待测 1 4 波片的位相延迟角 对同一待测 1 4 波片 选用稍有不同的 值进行多次测量 列出数据表格 计算不同 值时的 12 70 位相延迟角及误差 数据记录及处理数据记录及处理 表表 4 4 1 4 波片位相延迟角检测实验数据波片位相延迟角检测实验数据 第一次测量第二次测量第三次测量 m m m cos cos cos 实验注意事项实验注意事项 1 仪器轻拿轻放 防止碰撞和震动 以防止镜面擦伤 2 禁止用手触及光学零件的透光表面 3 调节过程中应避免激光直射人眼 以免对眼睛造成危害 13 70 实验三实验三 电光调制实验电光调制实验 实验目的实验目的 1 掌握晶体电光调制的原理和实验方法 2 学会用实验装置测量晶体的半波电压 绘制晶体特性曲线 计算电光晶体的消光比和透 射率 仪器和装置仪器和装置 电光调制实验系统由光路与电路两大单元组成 如图 1 所示 图图 1 1 电光调制实验系统结构电光调制实验系统结构 一 光路系统一 光路系统 由激光管 L 起偏器 P 电光晶体 LN 检偏器 A 与光电接收组件 R 以及附加的减 光器 P1 和 4 波片 P2 等组装在精密光具座上 组成电光调制器的光路系统 注 本系统仅提供半导体激光管 包括电源 作为光源 如使用氦氖 激光管或其他激光源时 需另加与其配套的电源 激光强度可由半导体激光器后背的电位器加以调节 故本系 统未提供减光器 P1 本系统未提供 4 波片 P2 即可进行实验 如有必要可自行配置 二 电路系统二 电路系统 14 70 除光电转换接收部件外 其余包括激光电源 晶体偏置高压电源 交流调制信号发生 偏压与光电流指示表等电路单元均组装在同一主控单元之中 图图 2 2 电路主控单元前面板电路主控单元前面板 图 2 为电路单元的仪器面板图 其中各控制部件的作用如下 电源开关 用于控制主电源 接通时开关指示灯亮 同时对半导体激光器供 电 晶体偏压开关用于控制电光晶体的直流电场 仅在打开电源开关后有效 偏压调节旋钮调节直流偏置电压 用以改变晶体外加直流电场的大小 偏压极性开关改变晶体的直流电场极性 偏压指示数字显示晶体的直流偏置电压 指示方式开关用于保持光强与偏压指示值 以便于读数 调制加载开关用于对电光晶体施加内部的交流调制信号 内置 1KHz 的正弦波 外调输入插座 用于对电光晶体施加外接的调制信号的插座 插入外来信号时内置信号自动断开 调制幅度旋钮用于调节交流调制信号的幅度 调制监视插座将调制信号输出送到示波器显示的插座 解调监视插座 将光电接收放大后的信号输出到示波器显示的插座 可与调制信 号进行比较 光强指示数字显示经光电转换后的光电流相对值 可反映接收光强大小 解调幅度旋钮用于调节解调监视或解调输出信号的幅度 15 70 解调输出插座解调信号的输出插座 可直接送有源扬声器发声 三 系统连接三 系统连接 1 光源 将半导体激光器电源线缆插入后面板的 至激光器 插座中 如使 用 He Ne 激光管需另配套专用电源 其输出直流高压务必 按正负极性正确连接 2 晶体调制由电光晶体的两极引出的专用电线插入后面板中间的两芯高压插座 3 光电接收将光电接收部件 位于光具座末端 的专用多芯电缆连接到电路主 控单元后面板 至接收器 的插座上 以便将光接收信号送到主控 单元 同时主控单元也为光电接收电路提供电源 4 信号输出光电接收信号由解调监视插座输出 主控单元中的内置信号 或外 调输入信号 由调制监视插座输出 两者分别送到双踪示波器 以 便同时显示波形 进行比较 5 扬声器将有源扬声器插入功率输出插座即可发声 音量由 解调幅度 控 制 6 交流电源主控单元后面板右侧装有带开关的三芯标准电源插座 用以连接 220V 市电交流电源 注 扬声器发声的音质与光路调整 晶体偏压 调制幅度以及信号源的性能均有关联 实验原理实验原理 某些晶体在外加电场的作用下 其折射率随外加电场的改变而发生变化的现象称为电光 效应 利用这一效应可以对透过介质的光束进行幅度 相位或频率的调制 构成电光调制器 电光效应分为两种类型 1 一级电光 泡克尔斯 Pockels 效应 介质折射率变化正比于电场强度 2 二级电光 克尔 Kerr 效应 介质折射率变化与电场强度的平方成正比 本实验使用铌酸理 LiNbO3 晶体作电光介质 组成横向调制 外加电场与光传播方 16 70 向垂直 的一级电光效应 图图 3 3 横向电光效应示意图横向电光效应示意图 如图 3 所示 入射光方向平行于晶体光轴 Z 轴方向 在平行于 X 轴的外加电场 E 作用下 晶体的主轴 X 轴和 Y 轴绕 Z 轴旋转 45 形成新的主轴 X 轴 Y 轴 Z 轴不 变 它们的感生折射率差为 n 它正比于所施加的电场强度 E rEnn 3 0 式中 r 为与晶体结构及温度有关的参量 称为电光系数 n0为晶体对寻常光的折射率 当一束线偏振光从长度为 l 厚度为 d 的晶体中出射时 由于晶体折射率的差异而使光 波经晶体后出射光的两振动分量会产生附加的相位差 它是外加电场 E 的函数 1 33 00 222l nln rEn rU d 式中 为入射光波的波长 同时为测量方便起见 电场强度用晶体两面极间的电压来表 示 即 U Ed 当相位差 时 所加电压 2 3 0 2 d UU n r l U 称为半波电压 它是一个用以表征电光调制电压对相位差影响的重要物理量 由 2 式可见 半波电压 U 决定于入射光的波长 晶体材料和它的几何尺寸 由 1 2 式可得 17 70 3 0 U U U 式中 0为 U 0 时的相位差值 它与晶体材料和切割的方式有关 对加工良好的纯净晶 体而言 0 0 图 4 为电光调制器的工作原理图 由激光器发出的激光经起偏器 P 后只透射光波中平行其透振方向的振动分量 当该偏振 光 IP垂直于电光晶体的通光表面入射时 如将光束分解成两个线偏振光 经过晶体后其 X 分量与 Y 分量的相差为 U 然后光束再经检偏器 A 产生光强为 IA的出射光 当起偏器 与检偏器的光轴正交 A P 时 根据偏振原理可求得输出光强为 图图 4 4 电光调制器工作原理电光调制器工作原理 4 22 sin2sin 2 AP U II 式中 为 P 与 X 两光轴间的夹角 xP 若取 土 45 这时 U 对 IA的调制作用最大 并且 5 2 sin 2 AP U II 再由 3 式可得 2 sin 2 AP U II U 于是可画出输出光强 IA与相位差 或外加电压 U 的关系曲线 即 IA U 或 IA U 如下 18 70 图图 5 5 光强与相位差 或电压 间的关系光强与相位差 或电压 间的关系 由此可见 当 U 2k 或 U 2kU k 0 1 2 时 IA 0 当 U 2k 1 或 U 2k 1 U 时 IA IP 当 U 为其它值时 IA在 0 IP 之间变化 由于晶体受材料的缺陷和加工工艺的限制 光束通过晶体时还会受晶体的吸收和散射 使两振动分量传播方向不完全重合 出射光截面也就不能重叠起来 于是 即使在两偏振片处于正交状态 且在的条件下 45 xP 当外加电压 U 0 时 透射光强却不为 0 即 IA Imin 0 U U 时 透射光强却不为 IP 即 IA Imax IP 由此需要引入另外两个特征参量 消光比 透射率 min max I I M 0 max I I T 式中 Io为移去电光晶体后转动检偏器 A 得到的输出光强最大值 M 愈大 T 愈接近于 1 表示晶体的电光性能愈佳 半波电压 U 消光比 M 透光率 T 是表征电光介质品质的三个特征参量 从图 5 可见 相位差在 2 或 U U 2 附近时 光强 IA与相位差 或电压 U 19 70 呈线性关系 故从调制的实际意义上来说 电光调制器的工作点通常就选在该处附近 图 6 为外加偏置直流电压与交变电信号时光强调制的输出波形图 由图 6 可见 选择工作点 U U 2 时 输出波形最大且不失真 选择工作点 U 0 或 U U 时 输出波形小且严重失真 同时输出信号的频率 为调制频率的两倍 图图 6 6 选择不同工作点时的输出波形选择不同工作点时的输出波形 工作点的偏置可通过在光路中插入一个 4 波片其透光轴平行于电光晶体 X 轴 相当 于附加一个固定相差 2 作为 光偏置 但也可以加直流电压来实现 实验内容及步骤实验内容及步骤 一 实验准备一 实验准备 1 按图 1 的结构图在光具座上垂直放置好激光器和光电接收器 预先将光敏接收孔盖上 2 所有滑动座中心全部调至零位 并用固定螺丝锁紧 使光器件初步共轴 3 光路准直 1 打开激光电源 调节激光电位器使激光束有足够强度 调节激光器架上的三只夹 持螺钉使激光束基本保持水平 用直尺量激光器光源输出口高度与光电接收器中 心高度 使二者等高 此时激光器头部保持固定 2 调节激光器尾部的夹持螺钉 使激光束的光点保持在接收器的塑盖中心位置上 去除盖子则光强指示最大 此后激光器与接收器的位置不宜再动 20 70 4 插入起偏器 P 用白纸挡在起偏器后 调节起偏器的镜片架转角 使白纸上的光点亮 度在最亮和最暗中间 这时透光轴与垂直方向约成 P 45 5 按系统连接方法将激光器 电光调制器 光电接收器等部件连接到位 将调制幅度和解 调幅度调至最大 晶体偏压调至零 关闭主控单元的晶体偏压电源开关 6 将调制监视与解调监视输出分别与双踪示波器的 Yi Yii 输入端相连 打开主控单元的 电源 此时在接收器塑盖中心点应出现光点 去除盖子则光强指示表应有读数 插入 检偏器 A 转动检偏器 使激光点消失 光强指示近于 0 表示此时检偏器与起偏器的光 轴己处于正交状态 P A 这时透光轴与垂直方向约成 A 45 此时检偏器与起偏器 的角度不宜再动 7 将电光晶体插入光具座 使激光束透过 适当调节电光晶体平台上三个调节螺丝 使反 射光斑打在激光器光源输出口附近 和起偏器的反射点基本水平 此时激光束基本正射 透过 调节电光晶体旋转镜片架角度 使接收光强应近于 0 达到最小 应该在 0 1 以下 此时从示波器观察应出现倍频现象 即解调信号频率是调制信号频率的两倍 注 为使激光能正射透过晶体 必需反复对激光 晶体与光电接 收孔者加以准立调整 为获得较好的实验效果 光量宜调节在光强指示表为 0 1 最 小 至 5 8 最大 的读数范围之内 8 打开主控单元的晶体偏压电源开关 9 必要时插入调节光强大小用的减光器 P1和作为光偏置的 4 波片构成完整的光路系统 可选 二 实验现象观察及数据测量二 实验现象观察及数据测量 1 观察电光调制现象 1 改变晶体偏压调节 观察输出光强指示的变化 2 将晶体偏压调至将晶体偏压调至0 否则会损坏仪器 否则会损坏仪器 改变晶体偏压极性 观察输出光强指示的变 化 2 测量电光调制特性 1 作特性曲线 改变偏压极性之前 一定要将晶体偏压调至改变偏压极性之前 一定要将晶体偏压调至0 否则会损坏仪器 否则会损坏仪器 21 70 将直流偏压加载到晶体上 从 0 到允许的最大偏压值逐渐改变电压 U 测出对应于每 一偏压指示值的相对光强指示值 作 IA U 曲线 得到调制器静态特性 其中光电流有极大 值 Imax和极小值 Imin 正偏压和负偏压各做一组值 如此时解调波形非正弦波 出现失真 说明激光器输出光功率过大 应微调激光器尾部 旋扭使光功率略微减小 再重新测量曲线 2 测半波电压 与 Imax对应的偏压 U 即为被测的半波电压 U 值 3 计算电光晶体的消光比和透光率 由光电流的极大 极小值得 消光比 min max I I M 将电光晶体从光路中取出 旋转检偏器 A 测出最大光强值 I0 可计算 透射率 0 max I I T 注 测量 I0值时应控制光量大小不使光敏接收进入饱和状态 三 电光调制与光通讯实验演示 可选做 三 电光调制与光通讯实验演示 可选做 将音频信号 来自广播收音机 录音机 CD 机等音源 输入到本机的 外调输入 插 座 将扬声器插入 解调输出 插座 加晶体偏压至调制特性曲线的线性区域 适当调节调 制幅度与解调幅度 即可使扬声器播放出音响节目 示波器也可同时监视 改变偏压试听扬声器音量与音质的变化 实验注意事项实验注意事项 1 为防止强激光束长时间照射而导致光敏管疲劳或损坏 调节或使用好后应随即用塑盖将 光电接收孔盖好 2 本实验使用的晶体根据其绝缘性能最大安全电压约为 510V 左右 超值易损坏晶体 3 调节过程中应避免激光直射人眼 以免对眼睛造成危害 4 加偏压时应从 0 伏起逐渐缓慢增加至最大值 反极性时也应先退回到 0 值后再升压 5 调节半导体激光器功率时 不要用力过大而损坏功率调节旋钮 22 70 实验四实验四 磁光调制实验磁光调制实验 实验目的实验目的 1 了解磁光调制实验原理 2 研究磁场与光场相互作用的物理过程 3 测量磁光效应的旋光特性和调制特性 实验原理实验原理 1 磁光效应磁光效应 当平面偏振光穿透某种介质时 若在沿平行于光的传播方向施加一磁场 光波的偏振 面会发生旋转 实验表明其旋转角 正比于外加的磁场强度 B 这种现象称为法拉第 Fmday 效应 也称磁致旋光效应 简称磁光效应 即 1 B Bl 式中 l 为光波在介质中的路径 为表征磁致旋光效应特征的比例系数 称为维尔德 Vedet 常数 由于磁致旋光的偏振方向会使反射光引起的旋角加倍 而与光的传播方向无 关 利用这一特性在激光技术中可制成具有光调制 光开关 光隔离 光偏转等功能性磁 光器件 其中磁光调制为其最典型的一种 LASER ll 激激励励电电源源 磁磁光光介介质质 激激光光电电源源起起偏偏器器P检检偏偏器器A 出出射射光光 励励磁磁线线圈圈 图图 1 1 磁光效应示意图磁光效应示意图 如图 1 所示 在磁光介质的外围加一个励磁线圈就构成基本的磁光调制器件 23 70 2 直流磁光调制直流磁光调制 当线偏振光平行于外磁场入射磁光介质的表面时 偏振光的光强 I 可以分解成如图 2 所示的左旋圆偏振光 IL和右旋圆偏振光 IR 两者旋转方向相反 由于介质对两者具有 不同的折射率 nL和 nR 当它们穿过厚度为 l 的介质后分别产生不同的相位差 体现在角位 移上有 ln ln RR LL 2 2 式中 为光波波长 因 RL 2 1 2 LRLR nnl 如折射率差 nL nR 正比于磁场强度 B 其中磁场强度与线圈匝数等因素有关 通 过 1 式 由 值与测得的 B 与 l 求出维尔德常数 图图 2 2 入射光偏振面的旋转移动入射光偏振面的旋转移动 3 交流磁光调制交流磁光调制 用一交流电信号对励磁线圈进行激励 使其对介质产生一交变磁场 就组成了交流 信号 磁光调制器 此时的励磁线圈称为调制线圈 在线圈末通电流并且不计光损耗的 情况下 设起偏器 P 的线偏振光振幅为 A0 则 A0可分解为 A0cos 及 A0sin 两垂直分量 其中只有平行于 A 平面的 A0cos 分量才能通过检偏器 故有输出光强 马吕斯定律 22 0 2 0 coscosAAI 24 70 其中为其光强 2 00 AI 式中 为起偏器 P 与检偏器 A 主截面之间的夹角 I0为光强的幅值 当线圈通以交流电 信号时 设调制线圈产生的磁场为则介质相应地会产生旋转角tii sin 0 t sin 0 BB 则从检偏器输出的光强为 t sin 0 3 t II II sin2cos1 2 2cos1 2 cos 0 002 0 由此可知光输出可以是调制波的倍频信号 以上就是磁信号致使入射光旋光角变化从而完成对输出光强调制的基本原理 4 磁光调制的基本参量磁光调制的基本参量 磁光调制时性能主要由以下两个基本参量来描述 1 调制深度 4 minmax minmax II II 式中 Imax和 Imin 分别为调制输出光强的最大和最小值 在的条件下 参照图 3 2 0 应用倍角公式 由 3 式得到在时的输出光强分别为 5 2cos1 2 2cos1 2 0 min 0 max I I I I 如图 3 所示 图图 3 3 调制光强幅度随旋光角变化的情况调制光强幅度随旋光角变化的情况 25 70 2 调制角幅度 0 令IA Imax Imin 为光强调制幅度将 5 式代入化简得 2sin2sin 0 II A 由此可见 若起偏器 P 与检偏器 A 主截面间夹角 45 时 调制幅度可达 2sin 0max II 此时调制输出的极值光强为 6 2sin1 2 2sin1 2 0 min 0 max I I I I 将此式代入 4 式得 45 时的调制深度和调制角幅度 sin2 7 minmax minmax 1 0 sin 2 1 II II 实验仪器及装置实验仪器及装置 磁光调制器系统结构由两大单元组成 如图 4 所示 图图 4 4 磁光调制器系统结构磁光调制器系统结构 26 70 一 光路系统一 光路系统 由激光管 L 起偏器 P 带调制线圈的磁光介质 TG 或 ZF6 有测角装置的检偏器 A 检偏器与光电转换成一体的接收单元 R 以及附加的减光器 P1 和直流励磁的电磁铁 M 等组 装在精密光具座上 组成磁光调制器的光路系统 图 4 注 铽玻璃与火石玻璃系磁光效应相异悬殊的两种介质 后者因 维尔德常数甚小而必须置于电磁铁的励磁线圈中 才能显著呈 现 出磁光调制现象 实验时两者仅择其一 分别进行操作 光电接收器组件前部的检偏器 A 有两个刻度盘 位于前端的圆盘 其四周由四档 0 90 的刻度盘构成 以 2 5 分度 旋转带光孔和刻线的锥体可调圆盘用以粗调检偏器的角度 后面的精密测微量角器 用以细调检偏器的旋角 如图 5 所示 图图 5 5 检偏与电光接收组件检偏与电光接收组件 注 检偏器的粗调盘预置在 0 度 调节旋角时除大幅角调节外通 常只需调节精密测角器即可 二 电路系统二 电路系统 除激光电源与光电转换接收部件 其余电路组装在主控单元中 图 6 27 70 图图 6 6 电路主控单元前面板电路主控单元前面板 图 6 为电路主控单元的仪器前面板图 各控制与显示部分的作用如下 电源开关用于控制主电源 接通时开关指示灯亮 同时对半导体激光器供 电 外调输入插座用于对磁光介质施加外接的调制信号的插座 插入外来信号时内置信号自动断开 调制加载开关用于对磁光介质施加内部的交流调制信号 内置 1KHz 的正弦波 调制幅度旋钮用于调节交流调制信号的幅度 直流励磁开关用于对电磁铁施加直流调制电流 仅在打开电源后有效 励磁强度旋钮调节直流励磁电流 用以改变对磁光介质施加的直流磁场的大小 励磁极性开关用于改变直流磁场的极性 解调幅度旋钮用于调节解调监视或解调输出信号的幅度 光强指示数字显示经光电转换后的光电流相对值 可反映接收光强的大小 励磁指示数字显示直流励磁电流 调制监视插座将调制信号输出送到示波器显示的插座 解调监视插座将光电接收放大后的信号输出送到示波器显示的插座 可与调制 信号进行比较 28 70 解调输出插座解调信号的输出插座 可直接送有源扬声器发声 图图 7 7 电路主控单元后面板电路主控单元后面板 图 7 为电路主控单元的后面板图 各插座作用如下 至接收器与光电接收单元连接的线缆接口 至激光器供半导体激光器的电源插座 励磁输出供直流调制电流的插座 调制输出供交流调制信号电流的插座 三 系统连接三 系统连接 1 光源 将半导体激光器电源线缆插入后面板的 至激光器 插座中 如 使用 He Ne 激光管需另配套专用电源 其输出直流高压 务必按正负极性正确连接 2 磁光调制将铽玻璃调制线圈两端引出线插入后面板上调制输出端插座 3 光电接收将光电接收部件 位于光具座末端 的电缆连接到电路主控单元后 面板 至接收器 的插座上 以便将光电接收信号送到主控单元 同时主控单元也为光电接收电路提供电源 4 信号输出光电接收信号经主控单元转接后由解调监视插座输出 主控单元中 的内置信号 或外调输入信号 则由调制监视插座输出 两者分别 送到双踪示波器 以便同时显示波形 进行比较 5 扬声器将有源扬声器插入解调输出插座 以便作调制通讯的演示实验 6 交流电源主控单元后面板装有带开关的三芯标准插座 用以连接 220V 市电 29 70 交流电源 注 扬声器发声的音质与光路调整 调制幅度以及信号源的性能均有关联 实验内容及步骤实验内容及步骤 一 实验准备一 实验准备 1 在光具座两端各放置激光器和光电接收器 2 所有滑动座中心全部调至零位 并用固定螺丝锁紧 使光器件初步共轴 3 光路准直 1 打开激光电源 调节激光电位器使激光束有足够强度 调节激光器架上的三只夹 持螺钉使激光束基本保持水平 用直尺量激光器光源输出口高度与光电接收器中 心高度 使二者等高 此时激光器头部保持固定 2 调节激光器尾部的夹持螺钉 使激光束的光点保持在接收器的中心 光强指示最 大 读数应在 5 以上 此后激光器与接收器的位置不宜再动 二 交流磁光调制实验二 交流磁光调制实验 1 观察交流磁光调制现象 1 光路准直后 插入起偏器 P 光电接收器前检偏器的两刻度盘 检偏器的粗调盘 及精密测角器盘 均预置在 0 位 接收光强指示应呈现读数 调节起偏器 使光 强指示器近 0 达到最小 表示检偏器与起偏器的光轴正处于正交状态 P A 记下起偏器角度 再将起偏器旋转记下起偏器角度 再将起偏器旋转45 角 即角 即 45 使两偏振面在此夹角下调 使两偏振面在此夹角下调 制幅度达最大值制幅度达最大值 参见 参见 6 式 式 此时光强指示的读数在 此时光强指示的读数在 4 5 2sin 0max II 为宜 为宜 注 若激光器调至最大值而光强仍感太小时 需要适当调节起 偏器的转角 重复上述步骤 2 用所提供的电缆线分别将 调制监视 与 解调监视 插座与双踪示波器的 YI 与 YII的输入端相连 在示波器上可同时观察到调制波形与解调输出波形 3 将磁光调制器插入光具座后对准中心 务使激光束正射透过 调节检偏器的粗调 盘 使接收光强应近于 0 达到最小 应该在 0 1 以下 打开调制信号开关 将 调制幅度和解调幅度调至最大 此时从示波器观察应出现倍频现象 即解调信号 30 70 频率是调制信号频率的两倍 关闭直流励磁开关 注 为使激光能正射透过磁光介质 必需反复对激光 磁光调制介质 与光电接收孔三者加以准直调整 4 减小调制幅度 观察减小调制幅度后对波形的影响 2 交流调制实验数据测量 测量调制深度与调制角幅度 将调制幅度旋钮确定于某一位置 在示波器中显示出解调波形时 调节检偏器偏 角 读出波形曲线上相应的光强信号的最大值 Imax 波形不失真的情况下最大光强 和最小值 Imin Imin即为倍频状态时的光强 代入 4 式和 7 式 计算出调制深度 和 调制角幅度 0 三 直流磁光调制实验三 直流磁光调制实验 1 观察直流磁光调制现象 并测量直流磁场对磁光介质的影响 1 在交流磁光调制倍频状态下 将励磁电磁铁 M 置于光具座上在光电接收器前 并在电磁铁中间放入重火石玻璃的磁光介质 先将重火石玻璃插在两磁轭之间 磁轭平面与两磁极相吻合 如图 8 所示 2 将励磁强度置于将励磁强度置于0 此时仍能观察到倍频现象 注意 此步骤后 光光电电接收器前接收器前检检偏器的偏器的 的粗的粗调盘调盘不得再不得再转动转动 而此时 精密测角器盘 读数应仍在 0 位 如不在 0 位 则记录为 1 3 开启直流励磁开关 适当增加励磁强度 使励 磁线圈通以直流电流 IDC 此时原来的倍频现 象消失 再细调检偏器的精密测角器使光强读 数恢复近于 0 重新出现倍频现象 记下前后测 角器度盘读数 2 其差值 2 1 即为偏振面的旋角 4 均匀改变直流电流的大小 由励磁电流表读出 测出相应的偏振面的旋角 画出 B IDC 的关系曲线 图 励磁电磁铁及重火石图 励磁电磁铁及重火石 31 70 注 克服起始段过弱的调制效应 可调节起偏器 或检偏器 的转角 使 其适当偏离正交状态 光强 0 1 后 再开始作 B IDC 关系的 测试 5 根据公式 1 B 可以通过公式计算出来 l 为光波在磁光介质重火石B Bl 中的路径 重火石的维尔德 Vedet 常数 即可计算出来 四 磁光调制与光通讯实验演示 可选做 四 磁光调制与光通讯实验演示 可选做 将音频信号 来自收音机 录音机 CD 唱盘等音源 输入到 外调输入 插座 将 有源扬声器插入 解调输出 插座 即可发声 音量由 解调幅度 控制 实验注意事项实验注意事项 1 调节过程中也应避免激光直射人眼 以免对眼睛造成危害 2 调节半导体激光器功率时 不要用力过大而损坏功率调节旋钮 3 禁止用手触及光学零件的透光表面 32 70 实验五实验五 声光调制实验声光调制实验 实验目的实验目的 1 了解声光调制实验原理 2 研究声场与光场相互作用的物理过程 3 测量声光效应的幅度特性和偏转特性 实验原理实验原理 当声波在某些介质中传播时 会随时间与空间的周期性的弹性应变 造成介质密度 或光折射率 的周期变化 介质随超声应变与折射率变化的这一特性 可使光在介质中传 播时发生衍射 从而产生声光效应 存在于超声波中的此类介质可视为一种由声波形成的位 相光栅 称为声光栅 其光栅的栅距 光栅常数 即为声波波长 当一束平行光束通过声 光介质时 光波就会被该声光栅所衍射而改变光的传播方向 并使光强在空间作重新分布 声光器件由声光介质和换能器两部分组成 前者常用的有钼酸铅 PM 氧化碲等 后 者为由射频压电换能器组成的超声波发生器 如图 1 所示为声光调制原理图 声光介质 声波吸收器 衍射光 入射光 射频信号 换能器 图1 声光调制原理 声波 i d B 图图 1 1 声光调制的原理声光调制的原理 33 70 理论分析指出 当入射角 入射光与超声波面间的夹角 满足以下条件时 衍射光 i 最强 1 ss i N k K NN 224 2 sin 式中N为衍射光的级数 k分别为入射光的波长和波数 与 K 分别为超 2 k s 声波的波长和波数 s K 2 声光衍射主要分为布拉格 Bragg 衍射和喇曼 奈斯 Raman Nath 衍射两种类型 前者通常声频较高 声光作用程较长 后者则反之 由于布拉格衍射效率较高 故一般声光 器件主要工作在仅出现一级光 N 1 的布拉格区 满足布拉格衍射的条件是 2 s F Sin 2 式中F与分别为超声波的频率与速度 为光波的波长 s 当满足入射角较小 且 的布拉格衍射条件下 由 1 式可知 此时 i Bi 并有最强的正一级 或负一级 的衍射光呈现 k K B 2 入射 掠射 角与衍射角之和称为偏转角 参见图 1 由 2 式 i B d 3 ss BBid F k K V 2 由此可见 当声波频率F改变时 衍射光的方向亦将随之线性地改变 同时由此也可求得超声波在介质中的传播速度为 4 d s F V 实验仪器及装置实验仪器及装置 图 2 所示为声光调制实验仪的结构框图 由图可见 声光调制实验系统由光路与电路 两大单元组成 34 70 图2 声光调制实验系统组成 载波频率指示 载波幅度指示 接收光强指示 声光晶体 调制信号源 激光电源 主控单元 激光器 光电信号 解调输出 调制波 解调波 信号 解调输出 外接调制信号 或音频信号 超声载波信号源 光电接收 线阵 信号输出 扩展用 Y Y 图图 2 2 声光调制实验系统框图声光调制实验系统框图 一 光路系统一 光路系统 由激光管 L 声光调制晶体 AOM 与光电接收 R CCD 接收等单元组装在精密光 具座上 构成声光调制仪的光路系统 注 本系统仅提供半导体激光管 包含电源 作为光源 如 使用氦氖激光管或其他激光源时 需另配置其它配套电源 二 电路系统二 电路系统 除光电转换接收部件外 其余电路单元全部组装在同一主控单元之中 图图 3 3 主控单元前面板主控单元前面板 35 70 图 3 为电路单元的仪器前面板图 各控制部件的作用如下 电源开关控制主电源 按通时开关指示灯亮 同时对半导体激光器供电 解调输出插座解调信号的输出插座 可送示波器显示 解调幅度旋钮用于调节解调监听与信号输出的幅度 载波幅度旋钮用于调节声光调制的超声信号功率 载波选择开关用于对声光调制超声源的选择 关 无声光调制 80MHz 使用 80MHz 晶振的声光调制 60 80MHz 声光调制 80 100MHz 声光调制 载波频率旋钮用以调节声光调制的超声信号频率 调制监视插座将调制信号输出到示波器显示的插座 输出波形既可与解调信 号进行比较 也可呈现出射光的能量分布状态 外调输入插座用于对声光调制的载波信号进行音频调制的插座 插入外来信号时 1kHz 内置的音频信号自动断开 调制幅