《物理光学基础》实验指导书.doc

物理光学基础实验指导书实验一 声光调制器一、实验目的1、掌握声光调制器的工作原理和使用方法。2、巩固书上所学的关于声光调制器的应用原理、范围。二、实验仪器1、声光调制器实验仪 1台2、半导体激光器或He-Ne激光器 1台35V、24V直流电源 各1台4 单踪5MHz示波器 1台三、实验原理和电路说明 声光调制器实验仪由线性声光调制器及驱动电源两部分组成。驱动电源产生150MHZ频率的射频功率信号加入线性声光调制器，压电换能器将射频功率信号转变为超声信号，当激光束以布拉格角度通过时，由于声光互作用效应，激光束发生衍射（如图1所示）。外加文字和图像信号以0.55.5V电平输入驱动电源的调制接口“输入”端，衍射光光强将随此信号变化，从而达到控制激光输出特性的目的，如图2所示。 线性声光调制器由声光介质（钼酸铅晶体）和压电换能器（铌酸锂晶体）、阻抗匹配网络组成。声光介质两通光面镀有0.6328 um（或者其他）光波长的光学增透膜。整个器件由铝制外壳安装。驱动电源由振荡器、转换电路、锯齿波电路、线形电压放大电路、功率放大电路组成。驱动电源的工作电压:15V (黑正、白负、包线为地，注意！) ; 外输入调制信号由“输入”端输入 (控制开关拨向“ 调制 ” ) ，直流工作电压范围为：0.55.5V ; 衍射效率大小由工作电压大小决定。“ 输出端 ” 输出驱动功率,用高频电缆线与声光器件相联后， 驱动电源的输入电源才接通15V电源。 驱动电源的外形图，如图4所示。驱动电源入射光压电换能器一级衍射光零级光 图1 布拉格衍射原理图 图2 衍射光光强将随此信号变化情况五、实验内容与步骤1、显示声光调制波形，观察声光调制偏转现象 2、测试声光调制幅度特性 3、显示入射光与衍射光的能量分布 4、测试声光频率偏转特性 5、测试声光调制衍射效率、带宽等参数 6、测量超声波在介质中的声速 7、模拟声光调制的光通讯实验研究与演示 五、实验报告1、整理实验数据，画出相应的数据表格和波形图。2、线性声光调制器由哪些部分组成？各部分的作用是什么？六、注意事项为了确保声光调制实验的顺利进行，保障人身安全，避免设备损坏，并且达到实验目的，要求实验人员必须严格遵守下述实验规则及注意事项，在指导教师的指导下有秩序、按步骤的进行。1、 在实验之前，实验人员必须阅读本实验指导书中所要求的实验准备内容，并阅读必要的参考资料。明确实验目的，了解实验内容的详细步骤，达到要求后方能进行实验。2、 实验进行过程中，必须严格按照指导教师制定的步骤进行实验，不得自行随意进行，否则可能会损坏实验仪，造成严重后果。3、 要爱护实验仪器和示波器、计算机等实验设备，不允许将其它不相关的仪器在未经许可的情况下与实验仪进行连接。4、 所有与本实验仪相关的线缆如电源线、示波器地线、计算机并行接口数据连接线等必须在断电的情况下连接良好，严禁带电插拔所有线缆。5、 实验时应集中精力，认真实验；遇到问题时，应找指导教师解决；不许自作主张。6、 所有实验设备应当在确定所有地线良好连接后方可开机上电。7、 一旦发生意外事故或者实验出现异常现象时，应当立即切断实验设备电源，并如实向指导教师汇报情况。故障排除之后方可继续实验。实验二 电光调制器一、实验目的1、掌握电光调制器的工作原理和使用方法。2、巩固书上所学的关于电光调制器的应用原理、范围。二、实验仪器1、电光调制器实验仪 1台2、半导体激光器或He-Ne激光器 1台35V、24V直流电源 各1台4 双踪示波器 1台三、实验原理和电路说明 光在晶体中传播的性质可用折射率椭球来描述，电场对光学介质的影响，是电场使介质的折射率椭球主轴方向和大小发生变化。当不给克尔盒加电压时，盒中的介质是透明的，各向同性的非偏振光经过P后变为振动方向平行P光轴的平面偏振光。通过克尔盒时不改变振动方向。到达Q时，因光的振动方向垂直于Q光轴而被阻挡（P、Q分别为起偏器和检偏器，安装时，它们的光轴彼此垂直。），所以Q没有光输出；给克尔盒加以电压时，盒中的介质则因有外电场的作用而具有单轴晶体的光学性质，光轴的方向平行于电场。这时，通过它的平面偏振光则改变其振动方向。所以，经过起偏器P产生的平面偏振光，通过克尔盒后，振动方向就不再与Q光轴垂直，而是在Q光轴方向上有光振动的分量，所以，此时Q就有光输出了。Q的光输出强弱，与盒中的介质性质、几何尺寸、外加电压大小等因素有关。对于结构已确定的克尔盒来说，如果外加电压是周期性变化的，则Q的光输出必然也是周期性变化的。由此即实现了对光的调制。对前图a而言的几个量的方位关系图 上图示出几个偏振量的方位关系，其中，光的传播方向平行于z轴（垂直于屏幕向里）；M和N分别为起偏器P和检偏器Q的光轴方向，二者彼此垂直；为M与y轴的夹角，为N与y轴的夹角，+/2；外电场使克尔盒中电光介质产生的光轴方向平行于x轴；o光垂直于xz面，e光在xz面内。 设自然光经过P后所产生的平面偏振光为EMEsint 由于此光的传播方向垂直于介质光轴，所以，它通过介质时产生双折射。但是，这个光的o光和e光在介质中的折射率不同，而且o光的振动方向垂直于主截面（光轴与光线所构成的平面），e光的振动方向在主截面内，所以，o光和e光在介质中的传播速度不同。这两种光在介质的输入端是同相的，而通过一定厚度的介质达到输出端时，将要有一定的相位差。因此，o光和e光在介质输出端的表达式为e光，ExlEsintsin o光，EylEsin(t+)cos 式中，下标l代表介质厚度，代表o、e光通过厚度为l的介质后所产生的相位差。 当o、e光达到Q时，只有平行于Q光轴N的分量能通过，垂直于N的分量则被阻挡。所以，通过Q的光为ExN-ExlsinEyNEylcosENExN+EyNEsin(t+)coscos- sintsinsin可以证明，P与Q的设置，当/4时输出最强，此时上式变为ENmEsin(/2)cos(t+/2)Acos(t+/2)式中，AEsin(/2)为通过检偏器Q的光振动的振幅。 由于发光强度I正比于振幅的平方，则有IA2E2sin2(/2)此式对于克尔盒和泡克耳斯盒都适用，其中的随着盒中介质的不同而不同。对于具有克尔效应的介质，理论分析指出，o、e光通过厚度为l的介质后，所产生的相位差为 2kl(U/d)2式中，k称为克尔系数，与介质种类有关；U为加到克尔盒两电极板上的电压；d为两电极板间的距离。可见，克尔盒中与U的平方成线性关系。 现作如下的讨论：1）如果U=0，则=0，I=0。这是不给克尔盒加电压，Q无光输出时的情形。2）如果 U=d(2kl)-1/2，则，IE2。这是给克尔盒加电压，而所加的电压又满足上式的情形，这时o、e光的相位差为，Q有最大的光输出。o、e光相位差等于，相应的光程差为/2，即(ne-no)l=/2。这时克尔盒的作用，相当于一个1/2波片。所以，将满足这一条件的电压称为半波电压，记以U/2或U。3）如果0UU/2，则0，IE2sin2(/2)。这即是介于以上二者之间的情形。Q将因的不同而要阻挡一部分光，Q的光输出，将是以/2为参量，按正弦平方的规律变化。 克尔效应的时间响应特别快，可跟得上1010Hz的电压变化，因此可用它来作高速的电光开关。如果加到克尔盒上的电压是由其它物理量转换来的调制信号，克尔盒的光输出就要随着信号电压而变化，这时克尔盒就是电光调制器。克尔盒中所用的介质，多数都是液体，但也有少数固体，如铌酸钽钾和钛酸钡晶体等。半波电压一般为数千伏。四、实验内容与步骤1、显示电光调制波形，观察电光调制现象2、测试电光晶体的调制特性曲线3、测量电光晶体的特征参量4、进行电光调制的光通讯实验研究与演示5、模拟声光调制的光通讯实验研究与演示 五、实验报告1、整理实验数据，画出相应的数据表格和波形图。2、电光调制器由哪些部分组成？各部分的作用是什么？六、注意事项为了确保电光调制实验的顺利进行，保障人身安全，避免设备损坏，并且达到实验目的，要求实验人员必须严格遵守下述实验规则及注意事项，在指导教师的指导下有秩序、按步骤的进行。8、 在实验之前，实验人员必须阅读本实验指导书中所要求的实验准备内容，并阅读必要的参考资料。明确实验目的，了解实验内容的详细步骤，达到要求后方能进行实验。9、 实验进行过程中，必须严格按照指导教师制定的步骤进行实验，不得自行随意进行，否则可能会损坏实验仪，造成严重后果。10、 要爱护实验仪器和示波器、计算机等实验设备，不允许将其它不相关的仪器在未经许可的情况下与实验仪进行连接。11、 所有与本实验仪相关