光学综合实验2012_-_副本.doc

光学综合实验实验指导书仪器学院实验中心201212实验安排序号实验项目课时实验仪器（台套数）房间指导教师1焦距测量（分别在焦距仪和光学平台上测量）4焦距仪（3-4）、光学平台及配件（1-2）西北付辉、樊宏2典型成像系统的组建和分析（在光学平台上搭建显微镜、望远镜、投影仪）4光学平台及配件（1-2）东南付辉、樊宏3典型成像系统的使用（使用商用典型成像系统）4显微镜（3）、望远镜（3）、水准仪（2）东南付辉、樊宏4分光计的使用（含调整、测量角度和声速）4分光计（3-4）、超声光栅（2）东南付辉、樊宏5棱镜耦合法测波导参数4棱镜波导实验仪（2）西南郎贤礼、李建全6半导体激光器的光学特性测试4半导体激光器实验仪（2）西南郎贤礼、李建全7电光调制4电光调制仪（2）西南郎贤礼、李建全8法拉第效应测试4法拉第效应测试仪（2）东北郎贤礼、李建全9声光调制4声光调制仪（2）西南郎贤礼、李建全10干涉、衍射和频谱分析4光学平台（1-2）东北丁苏红、刘志健11迈克尔逊干涉仪4迈克尔逊干涉仪（4）东北丁苏红、刘志健12氦氖激光器综合实验4氦氖激光器综合实验仪（3-4）西南西北丁苏红、刘志健13光学仿真实验4计算机（2）东南丁苏红、刘志健实验时间安排：12月23或24日晚开始（具体时间届时通知）。每晚（7：00-10：30）；前四日轮流进行，每次一个半班。第5天后不分班。大约开放12-14个晚上。 每位同学的实验项目不少于八个。实验报告内容：内容：1、实验现象和数据的记录；2、现象分析、数据计算和实验总结。（手写或计算机编辑不限）。上交：实验结束后十天内由班长收集上交给教师刘志健。考试：实验结束后的一至三天。类型为简答题。成绩：实验表现（30）+实验报告（30）+考试成绩（40）目录1、 焦距测量-42、 典型成像系统的组建和分析-73、 典型成像系统的使用-104、 分光计的使用-105、 棱镜耦合法测波导参数-146、 半导体激光器的光学特性测试-227、 电光调制-298、 法拉第效应测试-389、 声光调制-4610、 干涉、衍射和频谱分析-4711、 迈克尔逊干涉仪-5812、 氦氖激光器综合实验-6313、 光学仿真实验-97实验一 焦距测量（一）用自准法和位移法测透镜焦距实验目的了解、掌握和对比自准法、位移法测透镜焦距的原理及方法一、用自准法测薄凸透镜焦距实验装置1、带有毛玻璃白炽灯光源S； 2、品字型物像屏P：SZ-14；3、凸透镜L：f ，=190mm；4、二维调整架：SZ-07； 5、平面反射镜M；6、三维调整架：SZ-16；7、二维底座：SZ-02；8、三维底座：SZ-01；9、底座：SZ-04；10、底座：SZ-04；实验步骤 1、把全部器件夹好靠在标尺上，靠拢，调至共轴。 2、前后移动L，使在P屏上成一清晰的品字形像。 3、调M的倾角，使P屏上的像与物重合。 4、再前后微动L，使P上的像既清晰又与物同大小。 5、分别记下P和L的位置a1、a2。 6、把P和L都转180。，重复做前四步。 7、再记下P和L新的位置b1、b2。数据处理 fa=a2-a1 fb=b2-b1 被测透镜焦距： f =（fa+ fb）/2二、 用位移法测凸透镜焦距实验装置简图1、带有毛玻璃白炽灯光源S；2、品字型物像屏P：SZ-14；3、凸透镜L：f ，=190mm；4、二维调整架：SZ-07； 5、白屏：SZ-13；6、三维底座：SZ-01；7、二维底座：SZ-02；8、三维底座：SZ-01；9、底座：SZ-04；实验步骤1、把全部器件夹好，放在标尺导轨上，靠拢，目测调至共轴 2、沿导轨前后移动L，使品型物在屏H上成一清晰的放大像，记下L的位置a1 3、在沿导轨向后移动L，使物在屏H上成一缩小像，记下L的位置a2 4、将P、L、H转180。，重复做前三步，又得到L 的两个位置b1、b2数据处理da=a1-a2 db=b1-b2 fa，=（A2-da2）/4A fb， =（A2- db2） /4A 透镜焦距：f ，=（fa，+ fb，）/2（二）焦距仪的使用实验目的1、 了解焦距仪的基本原理和结构；掌握焦距仪的调整方法2、 掌握放大率焦距测量法。仪器结构1、 平行光管； 2、透镜夹； 3、读数显微镜 ；4、导轨。测量原理测量透镜焦距原理图被测透镜放在透镜夹上，位于平行光管物镜前，平行光管物镜焦面上的波罗板的一对刻线成像在被测物镜的焦面上，然后由读数显微镜测量刻线像的线距，按下式计算被测透镜的焦距： 其中，为平行光管物镜焦距，由平行光管说明书获得；波罗板上所选线对的间距；为读数显微镜的垂轴放大率，可测得（=1）。和是预先精确测出的已知值。这样，只要测定刻线像的对应线距，就可计算出被测透镜的焦距。仪器的调整和实验步骤 详见说明书实验二 典型成像系统的组建和分析实验目的1、了解显微镜、望远镜和幻灯机的基本原理和结构；2、了解放大率的测量方法。一、 自组显微镜 实验装置1、 带有毛玻璃的白炽灯光源S；2、1/10mm分划板F1；3、二维调整架：SZ-07；4、物镜Lo：fo=15mm；5、二维调整架：SZ-07；6、目镜Le： fe=20mm；7、光源二维调整架：SZ-19；8、半透半反镜B；9、三维干版架：SZ-18；10、一维底座：SZ-03；11、X轴旋转座：SZ-06；12、1/5mm分划板F2；13、三维底座：SZ-01；14、二维底座：SZ-02；15、二维底座：SZ-02；16、一维底座：SZ-03；17、底座：SZ-04；实验步骤 1、把全部器件夹好，放在标尺导轨上，靠拢，目测调至共轴。 2、把透镜L1、Le的间距固定为18cm。 3、沿标尺导轨前后移动F1（F1紧挨毛玻璃装置）；直至在显微镜系统中看清分划板F1的刻线。 4、在Le之后置一与光轴成45。角的半透半反镜B，并在与光轴垂直方向相距25cm处放一与F1相同的分划板F2。 5、读出未被放大的F2上的100个格所对应于显微镜放大的F1的格数a。数据处理 显微镜放大率的测量值：M=100/ a 显微镜放大率的计算值：M=25（/ f o，f e，） 二、 自组望远镜 实验装置简图1、带有毛玻璃的白炽灯光源S；2、1/10mm分划板F；3、二维调整架：SZ-07；4、物镜Lo： f o，=261mm；5、二维调整架：SZ-07；6、目镜Le： f e，=45mm；7、光源二维调整架：SZ-19；8、三维底座：SZ-01；9、二维底座：SZ-02；10、一维底座：SZ-03；11、底座：SZ-04；实验步骤 1、把全部器件夹好，放在标尺导轨上，靠拢，目测调至共轴。标尺导轨沿平合对角线放置。 2、把F和Le的间距调至最大，沿导轨前后移动Lo，使一只眼睛通过Le看到清晰的分划板F上的刻线。 3、再用另一只眼睛直接看分划板F上的刻线，读出直接看到的F上的100条线对应于通过望远镜所看到F上的刻线格数a 4、用屏H找到F通过L所成的像，分别读出F、Lo、H、Le的位置a、b、c、d。 数据处理 望远镜放大率的测量值：M=100/ a 望远镜放大率的计算值：M=V（U1+V1+U2）/（U1U2） 其中：U1= b -a、 V1= c b、 U2=d- c三、 自组透射式幻灯实验装置1、带有毛玻璃的白炽灯光源S；2、聚光镜L1： f 1，=50mm；3、二维调整架：SZ-07；4、幻灯底片P；5、干版架：SZ-12；6、放映物镜L2： f 2，=191mm；7、三维调整架：SZ-16；8、白色像屏H：SZ-13；9、三维底座：SZ-01；10、二维底座：SZ-02；11、一维底座：SZ-03；12、一维底座：SZ-03；13、底座：SZ-04； 实验步骤1、把全部器件夹好，沿平合对角线放在标尺导轨上，靠拢，目测调至共轴。 2、将L2与H的间隔固定在1.2米左右，前后移动P，使其经L2在屏H上成一最清晰的像。 3、将聚光镜L1紧挨底片P的位置固定，拿去底片P，沿导轨前后移动光源S，使其经聚光镜L1刚好成像于放映物镜L2的平面上。 4、再把底片P放在原位，观察像面上的亮度和照度的均匀性。 5、把聚光镜L1拿去，再观察像面上的亮度和照度的均匀性。 数据处理放映物镜焦距和聚光镜焦距的选择： 放映物镜的焦距：f 2=（M/（M+1）2）D2 聚光镜的焦距：f 1=D2/（M+1）-D2/（M+1）21/D1 其中：D2=U2+V2；D1=U1+V1 M为像的放大率实验三 典型成像系统的使用使用生物显微镜、测量显微镜、数码显微镜、手持望远镜、天文望远镜、水准仪等。详见仪器说明书实验四 分光计的使用实验目的3、 了解分光计的基本原理和结构；4、 掌握分光计的调整方法；5、 测量棱镜的角度或折射率、作光的偏振实验等。仪器结构1、狭缝装置 2、狭缝装置锁紧螺钉 3、平行光管部件 4、制动架(二) 5、载物台 6、载物台调平螺钉(3只)7、载物台锁紧螺钉 8、望远镜部件 9、目镜锁紧螺钉10、阿贝式自准直目镜 11、目镜视度调节手轮12、望远镜光轴高低调节螺钉 13、望远镜光轴水平调节螺钉14、支臂 15、望远镜微调螺钉 16、转座与度角止动螺钉17、望远镜止动螺钉 18、制动架(一) 19、底座 20、转座 21、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、平行光管光轴高低调节螺钉 28、狭缝宽度调节手轮 29、平行平板连座 30、光栅板连座 31、6.3V变压器仪器的调整详见说明书实验步骤一、测量顶角1) 取下平行平板，放上被测棱镜，适当调整工作台高度，用自准直法观察，使AB面和AC面都垂直于望远镜光轴。2) 调好游标盘的位置，使游标在测量过程中不被平行光管或望远镜挡住，锁紧制动架(二)和游标盘，载物台和游标盘的止动螺钉。3) 使望远镜对准AB面，锁紧转座与度盘、制动架(一)和底座的止动螺钉。4) 旋转制动架(一)末端上的调节螺钉，对望远镜进行微调(旋转)，使亮十字与十字线完全重合。5) 记下对径方向上游标所指标的度盘的两个读数，取其平均值Am。6) 放松制动架(一)与底座上的止动螺钉，旋转望远镜，使对准AC面，锁紧制动架(一)与底座上的止动螺钉。7) 重复4)、5)得到的平均值Bm。8) 计算顶角：=180-(Bm-Am)最好重复测量三次，求得平均值。二、 测布儒斯特角1、原理：自然光投射到各向同性两种介质分界面上时，光要反射，在一般情况下反射光为部分偏振光，只有当入射角为某一特定角度时，反射光才成为电振动矢量垂直于入射面的线偏振光，这个特定的角度称为起偏角，用p表示。 ；p角称为布儒斯特角。布儒斯特定律示意图2、放平面反射镜于载物台上，使从平行光管出射的光束与平面反射镜平行，转动载物台，形成入射和反射光束。3、用检偏器检验反射光的偏振态，将检偏器转过90，从望远镜目镜观察。4、首先，置望远镜与平行光管同轴，读出游标所指示的度盘的读数，此位置即为望远镜的角位置，并锁紧游标盘。然后转动载物台，同时转动望远镜，以保证始终能观察到反射的狭缝像，直至狭缝像消失或最暗，记下此时同一游标所指的度盘读数，二值相减值为。 p（180）/2 ；p为布儒斯特角的角度数，可与理论值p比较。5、可换用其他的玻璃材料，如三棱镜（材料为ZF1，nD = 1.6475），观察能否找到消光位置，并测出对应的p，分析折射率对布儒斯特角的影响。三、 圆偏振光、椭圆偏振光的产生1原理：平面偏振光垂直入射晶片，如果光轴平行于晶片表面，会产生比较特殊的双折射现象，这时非常光e和寻常光o的传播方向是一致的，但速度不同，因而从晶片出射时会产生相位差 式中的为单色光波长，n0和ne为o光和e光的折射率，L为晶片厚度。由于o、e光的振动方向相互垂直，取e光轴为x方向，沿x轴、y轴的光矢量分别为Ex和Ey，则有 因此：（1） 2K，为线偏振光；（2） （2K1），为线偏振光；（3） （K1/2），为正椭圆偏振光；（4） 不等于以上各值时，为椭圆偏振光 （以上K0、1、2 ）对某一波长的单色光产生（2K1）相位差的晶片，称为该单色光的半波片，产生相位差为（K+1/2）的叫作1/4波片。当线偏振光垂直入射到1/4波片时，且其振动方向与波片光轴成角，如图七所示，由于o光和e光的振幅是的函数，所以合成的振幅A因角不同而不同。（1） 0或/2时，Ao0或Ae0，为线偏振光；（2） /4时，AoAe，为圆偏振光；（3） 为其他角度时为椭圆偏振光。圆偏振光和椭圆振光的产生（1）将起、检偏器按第1条消光实验步骤安装好，按图八所示调整偏振片A（起偏器）和B（检偏器）的位置使通过的光消失，然后装上1/4波片C，（2）转动C消光，然后360转动B观察现象。光源 A C（1/4波片）B 产生圆偏振光和椭圆偏振光示意图（3）再将C从消光位置转过30、45、60、75、90，每次都将B转360观察现象，将上面几次实验的情况记录在下表中C转角转动B时观察现象经C后光的偏振态简要理由03045607590四、超声光栅测量声速详见仪器说明书。实验五 棱镜耦合法测波导参数实验目的1. 学习一种波导耦合方式棱镜耦合2. 通过观察棱镜耦合的m线，加深对波导模式耦合概念的理解3. 通过测量不同m线角，进一步加深对波导模式概念的理解4. 掌握有效折射率的测量与计算方法5. 掌握利用棱镜耦合法测量波导参数的方法6. 通过波导参数的计算，学会数值求解超越方程的方法实验仪器激光器，棱镜耦合测试系统，直角耦合棱镜，平板玻璃波导实验原理 1.1三层平板波导中的导模一个均匀的三层平板波导如下图所示，它是由低折射率衬底和包层及高折射率波膜构成的，若假设波膜，衬底和包层的折射率分别为，和，则。包层通常为空气，即=1图1 光波导当光线在波膜包层的界面（上界面）及薄膜-衬底的界面(下界面）反复地发生全反射时，光波就限制在上、下界面之间按照锯齿形的路线沿着与界面平行的方向（图中Z轴方向）传播形成导模。下面，我们进一步分析锯齿形射线的传播，并说明，锯齿形射线与界面的夹角只能取有限个离散值，相应的导模模式只能是有限个。锯齿形光线实际上是在薄膜内互相叠加的两个均匀平面波，一个是斜向上传播的，另一个是斜向下传播的，它们的波面的法线即如图所示的锯齿形光线。平面波的波数，其中为自由空间中的常数，为自由空间中的波长，波矢量沿Z方向的分量（写作）为： （1）而X方向的分量则分为这里 （2）正负号分别相应于斜向上和斜向下传播的光波。所以光波从波膜下界面出发向上行进到波膜上界面，在上界面遭全反射后返回到下界面，在下界面又遭全反射后与原先从下界面出发的光波叠加在一起。要发生相互加强，这两个光波的相位差应该等于的整数倍。这个维持导模的条件亦称为横向共振条件，也就是在横向形成驻波的条件，对于厚度为d的薄膜，光波从下界面行进到上界面的相移是。在薄膜上界面的全反射相移是，从上界面横过薄膜返回到下界面的相移是，在薄膜下界面的全发射相移是，因此，光波能在薄膜中传播的条件，亦即平板波导中能形成导模的条件是：式中叫做模的阶数，取以零开始的有限个正整数，上式可改写为： （3）称为平板波导的模方程，亦称平板波导的模式本征值方程或平板波导的色散方程。该方程的未知数是或，对于给定的，就有确定的或，相应的叫做阶导模的传播常数，叫做阶导模的模角。l利用全反射相移的公式，可知： （TE模） （TM模） （TE模） （TM模）将，的表示代入式（3），就得到两种偏振态的平板波导模式的本征值方程。对TE模有 (4)式中 （5） (6) (7)对TM模，有 （8）在导波光学中，丁一波导的模折射率或有效折射率 （9）那么 （10） （11） （12）1.2棱镜耦合法激发光波导中导模 直接入射到平板波导上的光不能在平板波导中形成导模，要想在平板波导中形成导模通常采用以下三种方法：棱镜耦合法，光栅耦合法，和端面耦合法。棱镜耦合法是比较方便的方法，在导波激发的实验中我们采用这种方法。 棱镜耦合的结构如图所示，当入射的激光在棱镜的底面上全反射时，若入射光满足相位匹配条件，会产生光学隧道效应，光会通过空气隙进入薄膜。相位匹配的条件是指光在棱镜中沿Z方向传播的波矢量与光在薄膜沿Z方向传播的波矢分量相等。即 （13）而传播常数满足棱镜-波导系统的本征值方程，由此本征值方程解出是一系列分立的值，所以满足相位匹配的也是一系列分立的值。当满足香味匹配时，光束就会从入射棱镜被耦合进薄膜，然后从波导的另一头从与入射棱镜完全相同的出射棱镜中射出。（光在波导与出射棱镜中的行为与前面讲的耦合原理类似）。在例行情况下，从出射棱镜中射出的光线投影在屏上应是一个光斑，但实际上由于波导沿波的传播方向的不均匀行贿时光在各个模式间耦合，使波导出射时的光都存在，所以会形成如图所示的多条亮线，即线，其中有最亮光斑的那条线就是符合相位匹配条件的模所对应的线。 1.3 有效折射率的计算 由于，所以由相位匹配的关系式可以改写为 （14）但上式中的不是直接可测量量，所以可按几何关系和snell定律把表为光在入射棱镜表面的入射角和入射棱镜底角的函数1 光线从法线左侧入射由几何关系得： 所以 由snell定律得：把它代入上式得： 所以 （15）2 光线从法线右侧入射有几何关系得 所以 （16）由（15）、（16）式可见，若测量出，在已知、的情况下就可以得到。1.4 波导参数：膜厚度和膜折射率的计算棱镜-波导系统原则上可以看成一个四层平板波导系统，但在空气间隙较大的情况下，可以近似看成一个三层平板波导。所以若测得两个模的有效折射率、如TE0、TE1的有效折射率并已知、，由（11）和（12）式即可得到两个模的、的值，可分别表示为、及、；由（10）式可得到两个模K的表达式（表达式中是待求值），可分别表为，由（4）式可列出以下两个方程。 （17） （18）借助计算机求解上述超越方程就可以求出、实验内容 2.1 观察线调节激光器的高度、俯仰和水平方位角，使激光束基本与导轨平行并通过转盘中心，入射到棱镜斜面上。1. 耦合光斑的稳定调节。调整棱镜-波导系统在转盘上的位置。使得输入棱镜的直角底位于转盘中心附近，激光束在棱镜底形成的光斑（称耦合光斑）接近直角棱镜的压力点处，慢慢转动转盘，当角度适当时可以在屏上观察到线。为了有效激励波导所有可能的模式，当转盘在所有导模的角度范围内转动时，应保持光斑不动，再不同角度上反复调节棱镜在转盘上的位置，可得到稳定的耦合光斑。2. 观察线。缓慢转动转盘，线的中心亮斑会从一条线转移到另一条线。注意光斑移动的方向。根据耦合角的大小辨别基模和高次模，数出线的条数。2.2 角的测量反复调节棱镜和转盘的位置，使得入射到棱镜斜面上的反射光可以通过光阑，表明此时入射光与棱镜的反射面垂直，记下此时的刻度，转动转盘再记下出现不同线的刻度，此刻度与上述刻度的差即位不同模相对应的角2.3 有效折射率与波导参数的计算利用附录中的公式（15）、（16）由测量的，在已知、的情况下就可以得到有效折射率。用一种计算机语言编写程序，数值求解附录中的超越方程（17）、(18).根据已测得的有效折射率及给定的衬底和包层的折射率在计算机上运行，解出波导参数：膜厚度和膜折射率。实验六 半导体激光器的光学特性测试实验目的1、 通过实验熟悉半导体激光器的光学特性。2、 掌握半导体激光器耦合、准直等光路的调节。3、 根据半导体激光器的光学特性考察其在光电子技术方面的应用。实验仪器1、 半导体激光器及可调电源2、 光谱仪3、 可旋转偏振片4、 旋转台5、 光功率计图1. 半导体激光器的结构 +Vpn实验原理1、半导体激光器的基本结构至今，大多数半导体激光器用的是GaAs或Ga1-xAlxAs材料，p-n结激光器的基本结构如图1所示。Pn结通常在n型衬底上生长p型层而形成。在p区和n区都要制作欧姆接触，使激励电流能够通过,这电流使结区附近的有源区内产生粒子数反转，还需要制成两个平行的端面起镜面作用，为形成激光模提供必须的光反馈。图1中的器件是分立的激光器结构，它可以与光纤传输线连接，如果设计成更完整的多层结构，可以提供更复杂的光反馈，更适合单片集成光路。 2、半导体激光器的阈值条件：当半导体激光器加正向偏置并导通时，器件不会立即出现激光振荡。小电流时发射光大都来自自发辐射，光谱线宽在数百唉数量级。随着激励电流的增大，结区大量粒子数反转，发射更多的光子。当电流超过阈值时，会出现从非受激发射到受激发射的突变。实际上能够 观察到超过阈值电流时激光的突然发生，只要观察在光功率对激励电流曲线上斜率的急速突变，如图2所示；这是由于激光作用过程的本身具有较高量子效率的缘故。从定量分析，激光的阈值对应于：由受激发射所增加的激光模光子数(每秒)正好等于由散射、吸收激光器的发射所损耗的光子数（每秒）。据此，可将阈值电流作为各种材料和结构参数的函数导出一个表达式： （1） p0光功率I图2. 激励电流 这里，是内量子效率，是发射光的真空波长，是折射率，是自发辐射线宽，是电子电荷，是光发射层的厚度，是行波的损耗系数，是腔长，为功率反射系数。 3、横膜和偏振态 半导体激光器的共振腔具有介质波导的结构，所以在共振腔中传播光以模的形式存在。每个模都由自己的传播常数和横向电场分布，这些模就构成了半导体激光器中的横模。横膜经端面出射后形成辐射场。辐射场的角分布沿平行于结面方向和垂直于结面方向分别成为侧横场和正横场。辐射场的角分布和共振腔的几何尺寸密切相关，共振腔横向尺寸越小，辐射场发射角越大。由于共振腔平行于结平面方向的宽度大于垂直于结平面方向的厚度。所以侧横场小于正横场发散角，如图3所示；侧横场发散角可近似表示为:，表示共振腔宽度。共振腔厚度通常只有左右，和波长同量级，所以正横场发射角较大，一般为300400。辐射场的发散角还和共振腔长度成反比，而半导体激光器共振腔一般只有几百微米 ，所以其远场发射角远远大于气体激光器和晶体激光器的远场发射角。图3 半导体激光器的发散角 半导体激光器共振腔面一般是晶体的解理面，对常用的GaAS异质结激光器，GaAS晶面对TE模的反射率大于对TM模的反射率。因而TE模需要的阈值增益低，TE模首先产生受激发射，反过来又抑制了TM模；另一方面形成半导体激光器共振腔的波导层一般都很薄，这一层越薄对偏振方向垂直于波导层的TM模吸收越大。这就使得TE模增益大，更容易产生受激发射。因此半导体激光器输出的激光偏振度很高。 P （2） 4、纵模特性 激光二极管端面部分反射的光反馈导致建立单个或多个纵光学模。由于它类似于法布里珀罗干涉仪的平行镜面，激光器的端面也常称为法布里珀罗面。当平行面之间为半波长的整数倍时，在激光器内形成驻波。模数m可由波长的数值得出。 （3）式中，L是两端面之间的距离，n是激光器材料的折射率，是发射在真空中的波长，模的间隔由确定： （4）对应,模的间隔为 （5）半导体激光器典型的光谱如图4所示；通常同时存在几个纵模，其波长接近自发辐射峰值波长。GaAS激光器的模间间隔的典型值为为了实现单模工作，必须改进激光器的结构，抑制主模以外的所有其他模。图4 半导体激光器的光谱实验步骤和内容实验中所使用的半导体激光器是可见光半导体激光器，最大功率为5mw, 中心波长为650nm左右。 1、半导体激光器的输出特性 实验光路如图5所示；用电流表（mA）观察半导体激光器LD的注入电流，调节半导体激光器的准直透镜L把光耦合进光电探测器PD，用光功率计读出半导体激光的输出功率。把半导体激光器注入电流I从零逐渐增加到85mA，观察半导体激光器输出功率P的变化，重复2次，将试验数据列表，并做出PI曲线，P为平均功率。图5 半导体激光器实验光路图mALDD电源光功率计LPD2、半导体激光器的发散角测定电源光功率计偏振片LDL图7 半导体激光器的偏振度测量 测定半导体激光发散角的试验装置如图6所示；半导体激光器置于转盘中心，硅光二极管PD距离半导体激光器LD为L，当转盘处于不同角度时，记下光功率计所测到的输出值，做出在不同的注入半导体激光器电流时，其输出值随角度变化的曲线。3、半导体激光器的偏振度测量测量半导体激光器的偏振度的光路如图7所示，偏振器是带有角度读数的旋转偏振片，读出偏振片处于不同角度时，对应的半导体激光器的输出值，将实验值列表，并计算出其偏振度。 4、 半导体激光远场光斑的观测观察半导体远场光斑的光路如图8所示；透镜L是带可变光栏的短焦距的组合透镜，G是毛玻璃屏，当LD是可见光的半导体激光器时，可以用肉眼直接在毛玻璃屏上观察光斑图样。若LD是近红外的半导体激光器，可以用上转换片观察光斑图样，也可以用红外观测仪观察。LDLGIR+_图8 半导体激光远场光斑的观测 5、半导体激光器的光谱特性测试图9所示的是测量半导体激光器的光谱特性的光路。半导体激光器LD的光信号通过透镜L耦合进光栅光谱仪的输入狭缝SL，让光栅光谱仪与计算机相连，从光栅单色仪输出的光讯号通过光电倍增管放大输出到计算机，调节光谱仪控制软件的设置就绘出半导体激光器的谱线。 五、半导体激光器使用注意事项 1、半导体激光器不能承受电流或电压的突变。若使用不当容易损坏。当电路接通时，半导体激光器的注入电流必须缓慢地上升，不要超过85mA，以防半导体激光器损环。使用完毕，必须将半导体激光器的注入电流降回零。 2、静电感应对半导体激光器也有影响。如果需要用手触摸半导体激光器外壳或电极时，手必须事先触摸金属一下。 3、周围的大型设备的启动和关闭极易损坏半导体激光器，遇到这种情况时，应先将半导体激光器的注入电流降低到零，然后再开关电器。思考题 1、为什么半导体发光二极管的特征发射线宽为几百埃，而半导体激光器的线宽近似于1埃？2、半导体激光器输出光的准直性如何？(给出典型的发射角)怎样得到较大的准直性？3、如果GaAs介质折射率n=3.6，试求GaAs半导体激光器谐振腔端面的 反射率R。4、如果半导体激光器结区厚度，按图510光路所给的数据，由半导体激光器光源限度引起剪切条纹的第一次消失点离双频光栅的轴向距离是多少？实验七 铌酸锂晶体的电光调制实验目的1. 掌握晶体电光调制的原理和实验方法2. 学会用简单的实验装置测量晶体半波电压、电光常数的实验方法3. 观察电光效应所引起的晶体光学性质的变化和会聚偏振光的干涉现象实验原理1一次电光效应的一般描述当晶体或液体加上电场后，该晶体或液体的折射率发生变化，这种现象称为晶体的电光效应。通常我们将电场引起晶体和液体的折射率变化用下式表示： （1） 式中a和b为常数，为时的折射率。由一次项引起折射率变化的效应，称为一次电光效应。也称为线性电光效应或普克尔（pokells）效应，由二次项引起折射率变化的效应称为二次电光效应。也称为平方电光效应或克尔效应。由（1）式可以得到，一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，而二次电光效应则可存在于任何物质中。一次电光效应比二次电光效应显著。光在各项异性晶体中传播时，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传播方向、振动方向的关系。在主轴坐标系中，折射率椭球方程为： （2）式中为椭球在三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。如图1所示 图1 折射率椭球从折射率椭球的坐标原点O出发，向任意方向作一直线OP，令其代表光波的传播方向k，后通过O垂直于OP作椭球的中心截面，该截面是一个椭圆，其长短轴的长度OA和OB，对应的折射率为和，它们表示光波沿方向传播且电矢量偏振方向在、三者互相垂直，如果光波的传播方向平行于X轴，则两个线偏振光的折射率等于和；同样，当平行于Y轴或Z轴时，相应的光波折射率也可以知道。当晶体加上电场之后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化。晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应效应。纵向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体中传播方向平行时产生的电光效应。横向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体中传播方向垂直时产生的电光效应。铌酸锂晶体是一种人工晶体，它的分子式为LiNBO3，或简写为LN，属于3m点群。晶体未受到外加电场作用时，折射率椭球方程为： （3）当X轴方向加电场时，晶体光轴沿Z轴方向，光沿Z轴传播。晶体在未加电场时为单轴晶体，当加上X方向的电场后，便为双轴晶体，其主轴折射率为： （4）本实验重点介绍横向调制。2. 横向电光调制本实验选用典型的利用LiNBO3晶体横向电光效应原理的激光调制器，其中起偏器的偏振方向平行于电光晶体的X轴，检偏器的偏振方向平行于Y轴，光强透过率为： （5）由此可见，与V有关，当电压加到某一值时，和方向的偏振光，经晶体后产生的光程差，位相差，T=100，这时叫半波电压，通常用或表示。是描述晶体电光效应的重要参数，在实验中这个电压越小越好，如果小，需要的调制信号电压也小。根据半波电压值，我们可以估计出电光效应透过强度所需电压。 （6）其中，和、分别为入射光的波长、晶体的厚度和长度、O光折射率和电光系数。由此可见，横向电光效应的半波电压与晶片的几何尺寸有关。如果电极之间的距离d尽可能的减小，而增加通光方向的长度l，则同样的晶体横向电光效应的半波电压比纵向电光效应的缩小倍，这是横向调制器的优点之一，因此晶体加工成细长的扁长方体图2 电光调制特性曲线图中实直流偏压，是交流调制信号，是其振幅，是调制频率。改变或输出特性将有相应的变化。对于单色光，为常数，因而将紧随晶体上所加电压变化，如图（2）所示，与的关系是非线性的。若工作点选择不合适，会使输出信号发生畸变。强度调制曲线在内，前一部分曲线上凹，后一部分曲线上凸，可知其在内必有一拐点，对于拐点，的二阶导数为零的点，我们求得二阶导数为零的点为，在附近有一近似直线部分，这一直线部分成为线性工作区，由上式可以看出，当时，T=50改变直流偏压对输出特性的影响当，时，将工作点选定在线性工作区的中心点，此时可获得较高的频率的线性调制，如图4当或，时，输出光是调制信号频率的二倍，即产生“倍频”失真，如图6直流偏压在零伏附近或在附近变化时，由于工作点不在线性工作区输出波形将失真，如图7当，时，调制器的工作点虽然选定在线性工作区外的中心，但不满足小信号调制的要求，此时调制信号的幅度较大，奇次谐波不能忽略，因此，这时虽然工作点选定在线性区，输出波形仍然失真，如图5实验装置实验装置如图所示，由晶体电光调制电源，调制器和接收放大器三个主要部分组成图3 实验装置图1.偏振器 2.铌酸锂电光晶体 3.光电三极管 4.放大器 5.直流电源6.录音机 7.正弦波振荡器 8.扬声器 9.双线示波器1.晶体电光调制电源： 调制电源由-300至+300V之间连续可调的直流电源、单一频率振荡器、音乐片和放大器组成，电源面板上有三位半数字面板表，可显示直流偏压值。晶体上加的直流电压的极性通过面板上的“极性”键可以改变，电压的大小用“偏压”上面的旋钮调节。调制信号可以由机内振荡器或音乐家片提供，也可以由外部通过前面板上的“输入”插孔输入任意电信号。此调制信号是用装在面板上的“信号选择”键，选择三个信号中的任意信号。所有的调制信号的大小是通过“幅度”上面的旋钮控制。通过前面板上的“输出”孔输出阻抗的参考信号，接到双线示波器上与输出信号比较，观察调制器的输出特性。2.调制器 调制器由三个可旋转的偏振片和一块铌酸锂晶体组成，采用横向调制方式。晶体放在两个正交的偏振片之间，起偏器和晶体的X轴平行。偏振片和晶体之间可插入四分之一波片,偏振片和波片均可绕光轴旋转。晶体放在四维调节架上，可精细调节，使光束严格沿光轴方向通过晶体。3.接收放大器接收放大器由光电三极管和功率放大器组成。光电三极管把被调制的氦氖激光经光电转换，输入到功率放大器上，放大后的信号接收到双线示波器，同参考信号比较，观察调制器的输出特性。交流输出信号的大小通过“交流输出”上面的旋钮调节。放大器内装有扬声器，用来再现调制信号的声音，放大器面板上还有“直流输出”插孔，用于测量直流输出光强，绘出T-V曲线。光路调节 调节激光管使激光束与晶体调节台上表面平行，同时使光束通过各光学元件中心。调节起偏器和检偏器正交，且分别平行于X，Y轴，放上晶体后各元件要细调。由于晶体的不均匀性，在检偏器后面的白屏上可看到一点弱光点，然后紧靠晶体前放一毛玻璃片，这样在白屏上可观察到单轴晶体的锥光干涉图。一个暗十字图形贯穿整个图样，四周为明暗相间的同心干涉圆环，十字中心同时也是圆环的中心。在观察过程中反复微调晶体使干涉图样中心与光点位置重合，同时尽可能使图样对称、完整，确保光束即与晶体光轴平行，又从晶体中心穿过的要求，再调节使干涉图样出现清晰的暗十字，且十字的一条线平行于X轴。实验内容1. 观察晶体会聚偏振光干涉图形和电光效应现象。把输入光强调到最大，屏上可看到干涉图样。偏压为零时呈现单轴晶体的锥光干涉图，这一现象已在调节光路时看见过。加上偏压时呈现双轴晶体的锥光干涉图，它说明单轴晶体在电场作用下变成双轴晶体。两个偏振片正交和平行时干涉图形是互补的。改变偏压的极性时，干涉图形旋转90度只改变偏压的大小时，干涉图形不旋转，只是双曲线分开的距离发生变化。这一现象表明，外加电场只改变感应主轴方向的主折射率的大小，折射率椭球旋转的角度和电场大小无关。2 。测定铌酸锂晶体的透过率曲线（即T-V曲线），求出半波电压，算出电光系数，并和理论值比较。在我们实验中，用两种方法测量铌酸锂晶体的半波电压，一种方法是极值法，另一种是调制法，先面分别介绍： 极值法 晶体上只加直流电压，不加交流信号，并把直流电压从小到大逐渐改变时，输出光强出现极小值和极大值，相邻极小值和极大值对应的直流电压之差就是半波电压。调制法 晶体上直流电压和交流信号出现倍频失真，与出现相邻倍频失真对应的直流电压之差就是半波电压。3. 改变直流偏压，选择不同的工作点，观察正弦波电压的调制特性。电源面板上的信号选择琴键开关可以提供三种不同的调制信号，按下“正弦”键，机内但一频率的正弦波振荡器工作，此信号经放大后，加到晶体上，同时，通过面板上的“输出”孔，输出此信号，把它接到双线示波器的Y1上，作为参考信号，改变直