物理光学实验

物理光学实验华中科技大学光电子科学与工程学院2011.9前言本实验教材是根据光电子科学与工程学院物理光学教学大纲中规定的实验要求选编的。本实验教材共选入8个实验。内容涉及光的干涉、衍射、偏振等方面。本实验教材所列实验项目均选自本院物理光学实验室参编及长期使用的《物理光学实验》，适用于光电子信息类专业学生使用，亦可作为非光电类专业学生的选修教材。光学实验室的一般规则光学实验要求测量精度高，所用仪器和装置比较精密，对测量条件、周围环境以及对实验者的实验技能都有较高的要求。因此，在做实验之前，除必须认真阅读实验教材及有关资料，了解清楚实验的目的、原理、方法、步骤和要求外，进入实验室后还必须自觉遵守实验室的规则和对某些实验的特殊要求。现将实验室的一般规则叙述如下：1.光学仪器多是精密贵重仪器。取放仪器时，思想要集中，动作要轻、慢。在没有了解清楚仪器的使用方法之前，切勿乱拧螺丝，碰动仪器或随意接通电源。2.大部分光学元件用玻璃制成，光学面经过精细抛光，一般都具有Ra0.010的粗糙度。使用时要轻拿轻放，勿使元件相互碰撞，挤压，更要避免摔坏；暂时不用的元件，要放回原处，不要随意乱放，以免无意中将其扫落地面导致损坏。3.人的手指带有汗渍脂类分泌物，用手触摸光学面会污染该光学面，影响其透光性和其它光学性质。因此，任何时候都不能用手去触摸光学表面，只能拿元件的磨砂面。正确的姿势如图所示。4.不要对着光学元件和光学系统讲话，打喷嚏和咳嗽，以免涎液溅落镜面造成污痕。5.光学面若落有灰尘，应先用干净、柔软的脱脂毛刷轻轻掸除，或用“橡皮球”吹除。严禁用嘴去吹。一般不能随意擦拭光学表面。必要时可用脱脂棉球蘸上酒精乙醚混合液轻轻擦拭，切忌用布直接擦拭。6.光学面上若沾有油污等斑渍时，不要立即动手擦拭。因为很多光学表面镀有特殊的光学薄膜，在擦拭之前，一定要了解清楚情况，然后再在教师或实验工作人员指导下，采取相应的措施，精心处理。7.光学仪器中有很多经过精密加工的部件。如光谱仪和单色仪的狭缝、迈克耳逊干涉仪的蜗轮蜗杆、分光计的读数度盘等，都要小心使用，按规则操作，切忌拆御仪器，乱拧旋钮。8.要讲究清洁卫生，文明礼貌，不得大声喧哗，打闹。9.实验完毕，要向指导教师报告实验结果和仪器的使用情况。整理好仪器，填写仪器使用卡，经允许后方可离开实验室。实验程序框图了解实验原理与内容↓根据实验原理与内容设计实验方案，选定仪器与光学元件↓看说明书，了解仪器使用方法↓调试仪器或光路，拟定实验步骤↓方案实施，调试出实验现象↓对实验现象进行观察与分析，测定实验数据↓写实验报告，要求反映实验过程，对实验现象进行分析，思考问题，数据处理（若有问题可重复实验）自己动手为主：一定要亲自做实验，对实验现象进行分析，培养独立自主的能力，会有成就感。老师指导为辅：问题不包办，只做点拨提示，保证实验正常进行。目录前言光学实验室的一般规则实验程序框实验一菲涅耳双棱镜干涉及应用…….1实验二迈克耳逊干涉仪……………….6实验三用法布里－－珀罗（F－P）干涉仪测量钠双线的波长差…..13实验四双光源衍射法测量光谱仪狭缝宽度………...19实验五衍射光栅分光特性测量……...24实验六偏振光的获得与检测………...30实验七电光调制实验………………...37实验八声光调制实验………………...47实验一菲涅耳双棱镜干涉及应用[实验目的]观察和研究双棱镜产生的干涉现象；测量干涉滤光片的透射波长λ0。[仪器和装置]白炽灯，干涉滤光片，可调狭缝，柱面镜，菲涅耳双棱镜，双胶合成象物镜，测微目镜。[实验原理]菲涅耳双棱镜装置如图1－1a所示，它由两个相同的棱镜组成，两个棱镜的折射角α很小，一般约为。从点（或缝）光源S来的一束光，经双棱镜折射后分为两束。从图中可以看出，这两折射光波如同从棱镜形成的两个虚象S1和S2发出的一样，S1和S2ab图1—1双棱镜干涉原理图从图1－1b看出，若棱镜的折射率为n，则两虚象S1、S2之间的距离（1—1）干涉条纹的间距（1—2）当取n=1.50时，则有（1—3）可解出（1—4）若在迭加区内放置观察屏E，就可接收到平行于脊棱的等距直线条纹。当用白光照明时，可接收到彩色条纹。利用图1—2可导出干涉孔径角（1—5）光源临界宽度（1—6）从式（1—5）、式（1—6）看出，当=0时，β=0，光源的临界宽度b变为无穷大。此时，干涉条纹定域在双棱镜的脊棱附近。b为有限值时，条纹定域在（1—7）的区域内。图1—2双棱镜干涉的几何关系图[内容和步骤]1．调节光路，观察和研究双棱镜干涉现象(1)按图1—3所示，将光学元件与装置安放在光具座上。调节光学系统，使其满足同轴等高的要求。(2)取≈200mm,≈1200mm,按λ=550nm,a=，n=1.50计算出b的数值。置狭缝宽度bt=b/4,调节棱镜的脊棱与狭缝方向平行，直到使得测微目镜视场里出现清晰的干涉条纹为止。增大或减小狭缝宽度b,图1—3双棱镜干涉实验装置图1-白炽灯2-滤光片3-柱面镜4-狭缝5-双棱镜6-成象物镜7-测微目镜*(3)在狭缝光源前依次安放具有不同波长带宽的滤光片，观察干涉条纹对比度的变化，并解释之。2．测量干涉滤光片中心透射长λ0。由式（1—3）看出，为了测量λ0，需要在一定的精度范围测定d、l、与e值测定d值图1—4二次（共轭）成象法测量d值如图1—4所示，通常S1、S2和S并不在与图面垂直的同一平面内，而D和A又应从S1S2处测量才算准确，故测量d时，采用二次（共轭）成象法，即成象物镜6在第一个位置时，若从测微目镜中测得S1，S2的两个实象1，2之间的距离d1，据物象关系，则有（1－8）物镜6在第二个（共轭）位置成象时，则有（1－9）由上两式可解出（1—10）实验中，对d值的测量不应少于三次，然后取其平均值。(2)D的计算设物镜6从第一个位置移置至第二个（共轭）位置的位移量是C,则C=B－A，而D=l+l’=A+B，再与和式（1—9），式（1—10）联立，消去A、B，可得到：（1—11）由各次测量C、d1、d2值，计算相应的D，然后取其平均值。（3）测量条纹间距e用测微目镜测出10条以上明（或暗）条纹的宽度，计算出干涉条纹间距e。多次重复测量，取其平均值。（4）将各值代入式（1—4）计算干涉滤光片中心透射波长λ。（5）计算λ0的相对误差与标准误差，分析误差产生原因。[思考题]1．如果给你多块双棱镜，你能否从其外形以及棱镜所产生的干涉条纹来比较它们质量的优劣？2．如果狭缝方向与脊棱稍不平行，就看不见干涉条纹，为什么？附录关于标准误差根据误差理论，剩余误差定义为：(1—1ˊ)式中，i是对量的第i次测量值。是对量进行n次测量的算术平均值，即（1—2ˊ）由贝塞耳公式可知，单次测量的标准误差表示为（1—3ˊ）式中是剩余误差的平方和，即（1—4ˊ）实验二迈克耳逊干涉仪[实验目的]熟悉迈克耳逊干涉仪的结构，学会调节和使用迈克耳逊干涉仪的方法；观察和研究非定域干涉、定域干涉现象；观察和测量不同光源的相干长度；测定He-Ne激光波长。[仪器和装置]迈克耳逊干涉仪，He—Ne激光器，白炽灯，钠光灯。迈克耳逊（以下简称迈氏）干涉仪，最初是为研究地球和“以太”的相对运动由迈克耳逊设计的，后来在光谱学和标准米原器校正中加以使用，是历史上最著名的干涉仪。它的结构简单，精度高，是许多现代干涉仪的原型。图2—1是迈氏干涉仪的光路图，图2—2是国产WSM—100形迈氏干涉仪的外形。如图所示，仪器的干涉系统与观察测量系统都安装在稳定的底座9上。图2—1迈克耳逊干涉仪光路原理图图2—2WSM—100形迈氏干涉仪外形图干涉系统由分光板G1，补偿G2，平面反射镜M１和M２组成。G1、G2是两块材料相同、形状一样的平行平面玻璃板。在G1的后表面上镀有银或铝的半透半反射膜A。从图2—1可以看出，不加G2时，光束I经过G1三次，而光束Ⅱ只经过一次。这种不对称性，对单色光干涉并不重要，但在白光干涉时，由于G1的色散会对不同波长的光波产生附加光程差，加入G2可以补偿这种附加光程差，以便得到清晰的白光干涉条纹。3、4为平面反射镜M2的微调旋钮，在M1、M2后还有三只可调螺旋8，用以调节M1、M2间的相对倾角。安装时，要求G1平行于G2。M1、M2与G1、G2约成45°夹角。在图2—1中，2是M2在半反射面A中的虚象，位于M1附近。干涉条纹可认为是M1、2的反射光在干涉场中迭加相干的结果。观察测量系统由导轨7，粗调手轮1，微调手轮2，读数窗5，观察屏6组成。M1由精密丝杆带动可在导轨7上平移，旋转手轮1或2，可改变M1和2之间的距离d。在本仪器中，M1镜的移动范围约为100mm，读数精度为10-4mm，可估读到10-5mm。M1的位置由三部分读数之和决定，这些读数是导轨左侧的毫米标尺读数（mm）、读数窗5显示的读数（10—2mm）与微调手轮2的读数（10—4mm[实验原理]根据干涉理论，迈氏干涉属于分振幅双光束干涉类型。图2-1中，考察点P处的光程差（2—1）式中，d为M1、2之间的距离；θ为S在M1上的入射角。迈氏干涉仪产生条纹的特性与光源特性、照明方式和M1与2之间的相对位置有关。现将具体情况分析如下：等倾干涉（定域干涉）当M1平行于2并用准单色扩展光源照明时，产生等倾干涉。这时干涉条纹定域在无穷远处或透镜L的焦平面上。用聚焦于无穷远处的望远镜或眼睛可以直接观察。图2-3说明了产生等倾圆环干涉条纹的过程。对于中央圆纹，由于θm＝０，光程差△＝２d=moλ最大，干涉级次mo最高，而后向外，依次降低。若入射光波长λ和固定不变，中央圆纹的干涉级次m将随空气平板厚度d而变化。当移动Ｍ１使d增大或减小λ／２时，中心处就向外“产生”或向内“消失”一个圆环。在中央圆纹附近，可认为sinθm≈θm，因此相邻两条纹的角间距可表示为（2－2）式中，△θm=θm－θm+1，负号表示内环干涉级次（m+1）高于相邻的外环干涉级次m；是平均角距离。式（2－2）表明，当d一定时，相邻两条纹的角间距△θm正比于光波长λ反比于入射角θm。因此，在Ｌ的焦面平面上内环宽而疏，外环细而密，呈非均匀状态分布。2．等厚干涉（定域干涉）若Ｍ１稍不垂直于Ｍ２，则Ｍ１与就构成一个夹角很小的空气楔，如图2－4a所示。用单色平面波照明时，式（2—1）中的为定值，干涉条纹是d等于常数的点的轨迹，称为等厚干涉条纹。它们是一组平行于楔棱的等距直线。定域在楔表面上或楔表面附近。将眼睛或成象物镜调焦于楔表面附近，就可直接观察到这种等厚干涉条纹。若用扩展光源照明，在交棱附近，即观察面积很小时，可认为cosθ的影响很小，因此在交棱附近可观察到一组近似的等厚直线纹，如图2—4b所示。远离楔棱处，即观察面积较大，则d和cosθ都对干涉条纹的形状产生影响。由式（2—1）看出，在△为常数时，若d增大，则0也相应增大，因此得到一组凸向楔棱的曲线条纹，称为混合条纹。采用白光时，在M1和2的交棱附近，可观察到几级彩色条纹。在d=0处，形成中央零级白（或黑）色条纹。图2—3等倾干涉光路原理图图2—4等厚干涉条纹与混合条纹M1、M2—平面反射镜G—分光板S—扩展光源L—成象物镜F—观察屏3．单色非定域干涉用单色点光源照明干涉仪时，将观察屏放入波场迭加区的任何位置处，都可观察到干涉条纹，这种条纹称为非定域干涉条纹。图2—5所示为利用迈氏干涉仪产生非定域干涉条纹的原理。是照明单色点光源S在G1中的镜象，如果2平行于M1（图２—5a），1、2分别是在M1、2中的象，则、1和2三者共直线，且此直线垂直于M1和2。观察屏６位于垂直于直线的任何位置时，都可接收到与等倾干涉类似的圆环形干涉条纹，如图2—5a所示。若2不平行于M1（图2—5b），则2发生位移，当改变M1、2之间的距离时，在观察屏6上，可依次观察到各种形状的曲线条纹以至直线条纹，如图2—5与等倾圆纹一样，若2平行于M1，当间距d每改变λ/2时，屏幕中心就“产生”或“消失”一个圆纹。连续改变d，若中心处“产生”或“消失”N个圆纹，则M1镜的位移量△d为（2—3）测出△d及N，就可计算出照明光源的光波长λ。本实验中的单色点光源，是用凸透镜会聚He-Ne激光光束得到的。图2—5非定域干涉条纹的形成4．相干长度L的测量任何实际光源发出的光波，其波列长度都不是无限长的严格单色光，总是具有一定的光谱宽度△λ。△λ越小，波列长度越长；△λ越大，波列长度越短。在迈氏干涉仪中，经M1和M2反射的两光束迭加时，若它们的光程差大于波列长度，则因它们不是由同一波列分割成的两束光，故不能产生干涉，只有当光程差小于波列长度时，由同一波列分割成的两束光才能叠加相干。能够产生干涉的最大光程差，称为相干长度L，它就是波列长度。相干长度L与光谱宽度的关系为L=λ2/△λ(2—4)光波通过相干长度所需的时间称为相干时间，即τ=L/c(2—5)式中，c为光速。利用相干长度和相干时间，可以描述光源非单色性对干涉现象的影响。在本实验中，通过改变M1、2之间的距离d，观察条纹对比度的变化，直至对比度变为零，就可测出光源的相干长度L。[内容和步骤]1.调节能M1垂直于M2即调节M1平行于M2`。如图2—6所示放置仪器，在扩束镜后面放置一张白纸或毛玻璃屏，用眼睛观察，调节激光器的方位，使激光束覆盖G1镜。眼睛从分光镜向反射镜M1方向观察，可看到到两组横向分布的小激光斑点，细心调节8和3、4，使两组小激光斑点一一对应重合，此时M1与M2就大致垂直了。2.非意域干涉条纹的调节和观察如图2—6所示，并参考图2—2在激光器前放一短焦距扩束物镜，使激光束先会聚成一点光源后再射向G1，位于E处毛玻璃屏６可接收到干涉条纹，仔细调节8和3、使干涉圆环圆心位于现场中央。图2－6调节Ｍ１垂直于Ｍ２(1)移动毛玻璃屏6，观察是否在每一位置都能接收到干涉条纹？为什么?(2)改变手轮2的旋向，观察和总结圆环的“产生”或“消失”以及它们的疏密随d值变化的规律性。3.测量Ｈe-Ne激光光波波长单向旋转手轮2，将非定域干涉圆纹中心调至成暗斑或亮斑。记下此时M1镜的位置d1;转动手轮2移动M1镜，数出从中心“产生”或向中心“消失”100~200个干涉圆环，记下这时M1的位置d2，两次读数之差即为M1的移动量d，利用式（2-3）计算Ｈe-Ne激光光波波长。4.等倾条纹的调节和观察在扩束物镜后面放一块毛玻璃，将球面波散射成为扩展面光源，在E处用眼睛或聚焦于无穷远处望远镜可看到一组以眼球或望远镜的轴为中心的同心圆条纹，仔细调节3和4，上下左右平移眼睛时，若各环的大小不变，仅仅是圆心随眼睛而移动。这时看到的圆纹就是等倾干涉条纹。移动M1，观察、归纳并解释条纹随d而变化的规律。用观察屏6代替眼睛或望远镜，观察在该屏上是否能接收到干涉条纹。若将散射屏逐渐靠近扩束物镜，再观察在屏6上是否出现干涉条纹，解释观察到的现象。等厚干涉条纹的调节和观察在第四步的基础上（还是在扩束镜后使用毛玻璃片），移动M1镜使圆纹变粗。当视场中只剩下极少数圆纹时，微调3和4，使2和M1间构成一个很小的夹角。用眼睛对M1镜面附近调焦，可看到近似于等厚干涉的直线条纹。改变2，M1间的夹角大小和M1镜的位置，就可观察到条纹间距及条纹曲率半径的变化，总结其规律性。6．白光干涉条纹的调节和观察测量白光光源的相干长度和透明介质薄片的折射率。（1）在第五步的基础上（扩束镜后使用毛玻璃片观察等厚干涉条纹），调出曲率半径较大的曲线纹。旋转手轮2，使条纹向圆心方向收缩，至条纹逐渐变直但还能判断曲率半径的方向没有发生变化时，换上扩展白光光源，继续缓慢地沿原方向旋转手轮2，直到在视场中观察到彩色的直线条纹为止。彩色条纹的中央白（或黑）色条纹就是M1和2的交线。旋转手轮2，使零级条纹位于视场中央，记下M1镜所在的位置，缓慢旋进手轮2至视场中彩色条纹刚刚消失为止。记录此时M1镜的位置，重复操作三次。设白光平均波长λ=550nm，由L=2d，利用式（2—4）及（2—5）计算白光光源的相干长度、谱线宽度和相干时间。（2）判断出使M1镜移向观察者时手轮2的旋转方向，沿此方向调出白光干涉条纹，并使零级条纹位于视场中央，记下M1镜的位置。在M1镜前插入厚为折射率为n的显微镜盖玻璃片。由于光束I增加了光程差，白光干涉条纹移出视场。继续沿原方向转动手轮2，若补偿的光程差，则白光干涉条纹将重新出现。记下此时M1镜的位置，测出薄片的厚度，就可算出折射率n。若在M1镜前加一块厚度与G1板相等的平行平板，能否重新调出白光干涉条纹？为什么？7．测量钠黄光的相干长度（1）He—Ne激光器发射的激光波长λ=632.8nm，△λ=10-4~10-8nm。用我们的迈氏干涉仪能否测出其相干长度？为什么？你观察的结果如何？（2）钠黄光的平均波长为589.3nm。以钠光灯光作源，用等倾干涉圆环测出相干长度。调出纳黄光的等倾干涉条纹，移动M1镜可观察到条纹对比度的周期性变化，单方向旋转手轮2，测出使圆条纹由最清晰（或最模糊）变为最模糊（最清晰）的M1镜的位置改变量d值，由L=2d，利用（2—4）和（2—5）计算钠黄光的相干长度L，光谱宽度△λ和相干时间τ值。重复操作三次，取其平均值，并与白光干涉的结果比较。[思考题]观察等厚干涉条纹时，能否用点光源照明？为什么？移动M1镜时，如何判断等效空气层的厚度是在增大（或减小）？如何判断空气楔楔角方向？本次实验引起测量误差的原因有那些？如何提高测量精度？[注意事项]迈克耳逊干涉仪的光学元件全部暴露在外，使用时不得对着仪器说话、严禁用手触摸光学元件。调节与测量时用力要适当，特别要注意调节M1、M2背面的螺钉时，用力不能过度，否则轻者使镜面变形，影响测量精度；重者将损伤仪器。移动M1时，不能超过丝杆行程。要注意蜗轮副的离合，以免损伤齿轮。实验三[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干涉测定纳双线的波长差。[仪器和装置]F—P干涉仪，钠光灯，测量望远镜等法布里—珀罗（F—P）干涉仪是由两块间距为h，相互平行的平面玻璃G1和G2组成，如图3—1所示。为了获得明亮细锐的干涉条纹，在两板相对的内表上镀有高反射铝膜或多层介质膜，两反射面的平面度要达到波长，同时，还应严格保持平行。为了避免G1、G2外表面反射光的干扰，通常将此两板做成有一小楔角。使用时，常将G2固定，G1可连续地在精密导轨上移动，以调节两板间的间距h，这种装置称为F—P干涉仪。如果将两板用热膨胀系数很小的材料做成的间隔圈固定起来，则称为F—P标准具。图3—1F—P干涉仪光路原理图F—P干涉仪属于分振幅多光束干涉装置。可用有一定光谱宽度的扩展光源照明，在透镜L的焦平面上将形成一系列很窄的等倾亮条纹。与迈克耳逊干涉仪产生的双光束等倾干涉条纹比较，F—P干涉仪的等倾圆纹要细锐得多，如图3—2所示。一般情况下，测量迈氏仪产生的圆条纹时读数精度为条纹间距左右，对F—P干涉仪产生的圆条纹，其读数精度可高达条纹间距的。因此，F—P干涉仪常用于高精度计量技术与光谱精细结构分析。F—P干涉仪的外形如图3—3所示。其基座和观察测量系统是可以和迈克耳逊干涉仪通用的。将迈克耳逊干涉仪的双光束干涉系统换装上F—P多光束干涉系统，就构成F—P干涉仪。事实上，仪器的许多产生厂家都是将这两种干涉系统同时配套供应的。图3—2两种干涉仪产生的条纹的比较a)F—P干涉仪产生的多光束干涉条纹b)迈氏干涉仪产生的双光束等倾干涉条纹图3—3F—P干涉仪外形G1—可移动平面镜G2—固定平面镜1—测量系统粗调手轮班2—测量系统微调手轮3—G1G2倾角调节螺旋4—G2[实验原理]在等倾干涉中，设干涉圆纹的中心级次为mo，由于mo不一定是整数，故可写成mo=m1+ε式中，m１是最靠近中心的亮条纹的整数干涉级次，而ε是小于1的分数。从中心向外计算，第N个亮条纹的干涉级次显然是[m1－(N－1)]，因而该条纹的角半径为与之对应的圆纹直径为（3—1）式中，f为图3—1中的透镜L的焦距，n′是F—P干涉仪周围介质的折射率，n是G1、G2两板间介质的折射率，h是G1、G2间的间距，λ是照明光波长。从干涉场中，测出第i，j两条圆纹的直径Di、Dj，由式（3—1）就可计算出与之对应的h值。如果投射到F—P干涉仪上的光波中含有两个光谱成分λ1、λ2，其平均波长为，则在L的焦平面上，可以得到分别用实线（λ2）和虚线（λ1）表示的两组同心圆条纹（λ2>λ1）。如图3—4所示。两波长同级条纹的角半径稍有差别。对于靠近条纹中心的某点（θ0），两波长干涉条纹的级次差另外，由图3—4可知图3—4波长λ1和λ2的两组等倾圆纹式中，是两波长同级条纹的相对位移量，e是同一波长的条纹间距，比较上两式，当λ1λ2时，可得到（3—2）式中，平均光波长由分辨本领较低的分光仪预先测定或给出。因此，只要测出e、△e和h就可按式（5—2）计算出波长差△λ。应该注意的是，利用上述方法测量△λ时，如果发生了干涉条纹级次交错现象，则△e应在测量值的基础上要加上一个e。根据前面实验原理，透射光的加强条件为若只考虑干涉条纹的中心处（cos＝1），当λ1的亮纹位于λ2的两相邻亮纹的中央时，有（3—3）其中1＞2。当动镜继续移动，经过二环系重合，再度居中时，（3—4）从(3—4)式减去(3—3)式，得到若1和2波长差很小，近于相等，则得 (3—5)此实验中，1可用平均值[内容和步骤]1.调试仪器（图3—3）（1）转动手轮1将G1与G2间的间距调至2mm左右，再分别调节G1、G2背面的螺钉3（2）点亮钠灯，调节光窗位置，使之处于G1板的正前方。（3）在钠灯光窗的毛玻璃上画一个十字线，则在G2的透射光中可看到十字线的许多个象，分别调节螺钉3和微调螺丝４，使各个十字线象完全重合。此时，视场中应有条纹出现，将圆纹中心调至视场中央。左右移动眼睛，使圆条纹中心仅随眼睛移动，而环径大小不变，这表示G1和G2内表面已达到平行。换用望远镜观察，略微调节螺钉4，便可得到图3—2a2．观察现象旋转微调手轮2，缓慢减小G1和G2的间距，注意不能使两者相碰。然后反方向旋转微调手轮2，增大h。这时视场中条纹数逐渐增加，并且开始分离出双线。继续增大h，当△e=e时，λ1的第m级条纹与λ2的第m－1级条纹重合，称此为重级现象。若再继续增大h，将出现△e>e，发生级次交错。3．测定钠双线的△λ值(1)重复步骤2的操作过程，增大h，使λ1的亮纹位于λ2的两相邻亮纹的中央，读取干涉仪的读数D1。(2)继续增大h，使λ1的亮纹与λ2的亮纹逐渐靠近，然后重合，继续增大h，两套干涉条纹又重新分开，当λ1的亮纹再次位于λ2的两相邻亮纹的中央时，读取干涉仪的读数D2。求得△h=D2－D1，利用公式（3-6）计算钠双线的波长差（钠光灯平均波长为589.3nm）。重复几次取平均值。F—P干涉仪是很精密的仪器。调节和移动反射镜时，一定要轻缓，用力均匀。并且每一次测量必须沿一个方向旋转手轮，不得中途逆转，以避免回程误差。两环居中两环居中两环相互靠近两环再次居中图3-5测量示意图[思考题]1．分振幅双光束干涉条纹与多光束干涉条纹的强度分布有什么不同？原因是什么？2．在调节F—P干涉时，开始往往是条纹中心偏在一边甚至不在视场内；或者圆纹中心虽在视场中央，但摆动眼睛时，圆纹中心不仅移动，环径也随之变大，这些现象如何解释？如何纠正？3．在本实验中，钠光谱的△λ=0.6nm，试回答不发生干涉级次交错的空气平行平板间的最大间距h为多少？4.本实验中，干涉仪的读数D与两反射镜之间的距离h一样吗？为什么？实验四用双光源衍射法测量光谱仪狭缝宽度[实验目的]掌握双光源衍射法的基本原理，加深对夫琅和费衍射规律的理解；利用双光源衍射法测定光谱仪狭缝宽度及两刀口的平行性。[仪器和装置]纳光灯，长焦距聚光镜，双狭缝，被测狭缝光阑板，光具座。[实验原理]如图4—1a所示，从缝光源S射出的光经过狭缝A时产生衍射。挨在A后面的人眼看到缝S的平面上有虚的夫琅和费衍射图样，其强度分布如图4—1b所示。图中横坐标θ表示衍射角，纵坐标Ⅰ∕Ⅰo（4—1）式中，λ是衍射光波长，0是待测狭缝宽度。只要测出相邻暗纹之间的角间距θ′，从上式就可计算出狭缝宽度a。本实验不采用直接测量θ’确定a，而是采用光双光源衍射法确定定狭缝宽度a及两刀口的平行度。图4—1夫琅和费单缝射及光强分布图图4—2双光源衍射法实验光路图a）和双狭缝形状图b）H—汞灯F—滤光片L—聚光镜B1、B2—双狭缝A—被测狭缝图4—3上下错开的两组衍射条纹图4—2a、b分别画出了实验光路和作为衍射光源的双缝。由汞灯H发出的光经过干涉滤光片F或普通的绿色滤光片后成为准单色光。聚光镜L把光会聚在被测狭缝A上。双缝B1、B2把光分为两个方向不同的光束照明狭缝A，产生两组同样的衍射条纹。由于双缝B1和B2上下错开，所以两组衍射条纹上下错开，如图4—3所示。两个中央亮纹对狭缝的张角ω等于双缝B1、B2对狭缝A（4—2）式中，b是双缝B1、B2之间的距离，D是双缝与被测狭缝之间的距离。前后移动被测狭缝，设在某一位置，两中央亮纹之间有一条暗纹上下对齐，就说明ω角恰为θ′角的两倍。继续让被测狭缝靠近双缝，ω角逐渐增大，当两中央亮纹之间有两条暗上下对齐时，ω角就是角的3倍。一般情况下，当两中央亮纹之间有z条暗纹上下对齐时，ω角则由下式确定（4—3）将式（4—1）和（4—2）代入式（4—3）中得（4—4）表明实验时只要记下对齐的暗纹数z，测出距离D，由给定的λ和b值就可由上式计算出缝宽a。从式（4—4）看出，似乎两中央亮纹之间对准的暗纹数z可以是任意的，其实不然。如果对准的暗纹数过多，容易使眼睛疲劳，不易把许多暗纹同时对齐，而且公式（4—1）也不再严格成立；如果对准的暗纹数只有一条也不行，因为两中央亮纹之间没有别的暗纹作参考，是否对齐难以判断准确，故实验时取对准的暗纹数在2~4条之间为宜。利用这一原理，也可以测量狭缝两刀口的平行度。为此应在被测狭缝后放一个光阑板，此光阑板上开有上、中、下三个小孔，如图4—4所示。测量缝宽时，眼睛挨在中孔后面观察衍射条纹。测量狭缝的平行度时，先将眼睛挨在上孔后面观察，移动狭缝使上下暗纹对齐；然后将眼睛挨在下孔后面观察，如果狭缝两刀口平行，上下暗纹仍然是对齐的，否则就得稍稍移动狭缝使上下暗纹重新对齐。记下狭缝移动的距离△D就可以按下图4—4开有三个小孔的光阑板以按下式计算出上下缝宽之差（4—5）光谱仪狭缝两刀口开启不平行度的允差值为1μm，大于1μm为不合格产品。[内容和步骤]1.实验装置的调节调节好的实验装置要满足如下要求：(1)光源H，双缝中心和被测狭缝中心应在聚光镜的光轴上，聚光镜的光轴必须与导轨平行。(2)被测狭缝与双缝的长边方向互相平行，它们所在平面应与导轨垂直。(3)光源被聚光镜成象在被测狭缝上。2.测量狭缝的宽度，检验狭缝鼓轮示值的准确性。开启纳光灯电源等待片刻至纳光灯发光稳定。将被测狭缝安装在滑动底座上，使狭缝长边方向沿垂直方向，开启狭缝使鼓轮示值为100μm。前后移动滑座，使两中央亮纹之间有两条暗纹上下对齐。前后移动光源，使光源经聚光镜成象在被测狭缝上。利用齿轮、齿条机构前后微动狭缝，使上下暗纹准确对齐，记下滑座在导轨上的坐标D1和狭缝在滑座上的坐标D2，重复四次，记下四组（D1、D2）值。改变狭缝与双缝之间的距离，使两中央亮纹之间分别有3条和４条暗纹上下对准，重复步骤（4）、（5），求出缝宽的平均值。使狭缝鼓轮示值分别为40μm，80μm和120μm重复步骤（3）、（4）、（5），以检验狭缝鼓轮示值的准确性。3.检查光谱仪狭缝两刀口的平行度(1)将狭缝固定在某一宽度（例如120μm），将眼睛挨在上孔后面，使两中央亮纹之间有3条暗纹上下对齐，记下狭缝在滑座上的坐标D2，再将眼睛挨在下孔后面，利用齿轮与齿条机构前后微动狭缝，使上下暗纹重新对齐，记下狭缝在滑座上的坐标，求出△a。(2)重复测量几次，求出△a的平均值，对被测狭缝作出质量评价。[思考题]在本实验中，还可以采用另一种方法计算狭缝宽度，其公式为（4—7）式中，z1为第一次对齐的暗纹数，z2为第二次对齐的暗纹数（z1≠z2），△D为两次对齐暗纹时狭缝移动的距离，△z为两次对齐的暗纹数之差。试证明这一公式，并用其计算缝宽，与前面的结果进行比较。实验中的聚光镜有何作用（提示：从衍射性质考虑）？在实验中，如果不将两中央亮纹之间的暗纹上下对齐，而将两中央亮纹之间的次级亮纹对齐行吗？试讨论本实验的误差来源及减小测量误差的方法。如图4—6所示，如果绕x轴旋转被测狭缝，观察到什么现象？如果绕z轴旋转此狭缝又会观察到什么现象？图6－6被测狭缝绕x轴或绕z轴旋转【注意事项】光谱仪的狭缝是精密部件，在旋转狭缝时，用力要轻而均匀。在任何情况下，都不能让狭缝的两刀口闭合，以免碰损刀口。实验五衍射光栅分光特性测量[实验目的]了解光栅的分光原理及主要特性掌握测量光栅分光特性的实验方法。[仪器和装置]分光仪，不同规格的衍射光栅，汞灯，读数显微镜。[实验原理]衍射光栅最重要的应用是用作为分光元件，熟悉其分光原理及主要特性，是正确使用光栅的基础，下面介绍光栅在这方面的性质。从衍射理论可知，在多缝夫琅射和费衍射条件下，光栅方程的普遍形式为d(sini±sinθ)=mλ|m|=0,1,2,……（5—１）式中，d为光栅常数；i为入角；θ为衍射角；λ为入射光波长；m为光谱级次；“+”号对应于入射光与衍射光处在光栅法线的同侧；“—”号对应于入射光与衍射光分别处在光栅法线的两侧。由式（5—1）看出，当用多色光照明时，不同波长的同一级谱线，除零级外，均不重合，即发生“色散”。这就是光栅的分光原理。利用光栅方程式可以导出光栅分光特性的表示式。1.光栅的色散本领光栅的色散本领通常用角色散与线色散表示。角色散：波长差为单位波长的两谱线分开的角距离称为光栅的角色散。当入射角一定时，对式（5—1）求微分得到角色散的表示式。（5—2）线色散：聚焦物镜焦面上波长差为单位波长的两条谱线分开的距离称为线色散。线色散表示式为：（5—3）式中，f是聚焦物镜的焦距。2.光栅的色分辨本领光栅的色分辨本领定义为：波长λ与在该波长λ附近能被分辩的最小波长差δλ的比值，按照瑞利判据可以求出故分辨本领（5—4）式中，m是光谱的级次，N是光栅的总刻线数。3.光栅的自由光谱范围光栅光谱中，不发生光谱级次重叠的最大光谱范围称为光栅的自由光谱范围。表示为（5—5）由上列各式看出，光栅的色散本领、色分辨本领、自由光谱范围是互相制约的。小的光栅常数、高的光谱级次固然可以提高色散本领和色分辨本领，但会缩小自由光谱范围。另外从式（5—1）可以看出，当其它条件不变时，采用斜入射照明，可以进一步提高色散本领与色分辨本领。在实际应用中，如何选择光栅，应根据具体要求综合考虑。[内容和步骤]1.先调节分光仪，步骤为：(1)将分光仪调至正常工作状态。分光仪的调节主要是使平行光管发出平行光，望远镜聚焦于无穷远，同时使平行光管和望远镜的光轴与仪器转轴垂直。(2)调节光栅平面平行于分光仪的转轴。如图5—1所示，将被测光栅放到分光仪载物台P上，使光栅平面垂直平分B1B2。调节B1、B2，直到在望远镜中观察到从光栅平面反射回来的叉丝的象位于附图3所示位置。把平台旋转180°，重复以上调节步骤，使光栅平面与仪器转轴平行并且垂直于平行光管的光轴。图5—1光栅在载物台上的放置方式(3)调节光栅刻线平行于分光仪的转轴。用汞灯照亮平行光管狭缝，转动望远镜，可以看到不同波长的各级光谱。如果光栅刻线平行于分光仪的转轴，如图5—2a所示，转动望远镜时，目镜叉线交点将依此通过各光谱线的中点。否则，可调节B3图5—2光栅刻线方向与谱线位置图a)光栅刻线平行于分光仪转轴b）光栅刻线不平行于刻线转轴2．选用300线对/mm的透射光栅，以汞灯为光源使光正入射到光栅上，测出汞绿光（λ=546.07um）在m=±1，±2级的衍射角θ，利用式（5—1）计算该光栅的常数d，并与理论值比较。但要注意，为减小测量角度θ的误差，+1级与－1级衍射角相差不能超过几分。否则应重新检查入射角i是否为零。利用测得的衍射角计算出相应的色散本领。分光计望远物镜的焦距ƒ=168mm。3．测量大角度入射时的汞黄光各高级次光谱的衍射角，计算出相应的角散，分析其规律。利用校准过常数的光栅，测出其它各光谱的波长，画出汞灯的光谱图分析光谱不重叠的范围，实际观察并与理论值比较。4.观察光栅刻线数N与分辨本领A的关系设法逐渐挡住入射光减小光栅通光面积，观察汞黄双线随N减小发生的变化。5．取下光栅，用读数显微镜测量刻划面横向宽度，计算出相应的N值，据此计算出±1，±2级光谱的理论分辨本领，各色光所能分辨的最小波长差；计算出光栅在±1，±2级光谱的实际分辨本领，并与理论分辨相比较。分光仪平行光管通光孔径。6．换用600线对/mm或其它线对的光栅重做上述实验，比较其结果并解释之。[思考题]如果光栅刻线不与分光计转轴平行。对测量结果有无影响，为什么？[附录]：分光仪结构本仪器的中心轴采用半滚动式园柱形轴系，自动定心，精度高，轴上装有度盘和游标。度盘随轴旋转（可与载物台连动）。游标和望远镜管一起绕中心轴旋转。刻度盘和游标都装有动调整和锁紧装置，进行精细调节。光学系统由阿贝式准直望远镜和可变狭缝的平行光管，以及带照明装置的度盘、游标所组成，自准直望远镜的反射像为一绿色小十字，当望远镜光轴垂直于反射面时，小十字位于离分划板中心一定位置的十字线上，移动目镜可使分划板成像清晰。附图1分光仪外形结构通过放大镜读出相隔180°的两个游标的读数（要左右移动眼睛，当反射像和实象的数字重合后再进行读数，从而可避免读数误差），角度的读法以游标的零线所处度盘的位置，读出度值和分值（度盘共刻1080条线，格值），读游标与度盘刚好重合的亮线条，得出分值和秒值，两次数值相加，即得角度值（附图2）。附图2附图3附图4光学游标度盘读数系统附图4光学游标度盘读数系统平行光管系统自准直望远镜管系统实验六偏振光的获得与检测[实验目的]熟悉常用偏振器件的工作原理和使用方法;掌握利用波片获得(或检测)圆偏光与椭圆偏振光的原理和方法。[仪器和装置]人造偏振片，尼科耳棱镜，格兰棱镜，渥拉斯顿棱镜，波片，玻璃片堆，白炽灯，钠光灯，汞灯，Ｈe—Ne激光器，光电转换器，分光计，偏光显微镜，光具座等。[实验原理]光的电磁理论指出，光波是一种横波。如果光矢量的振动方向在传播过程中保持不变，只是其大小随位相改变，这种光称为线偏振光。如果光在传播过程中，光矢量绕传播方向均匀转动，而其大小不变，则光矢量端点的轨迹是一个圆，这种光称为圆偏振光。如果光矢量的大小和方向在传播过程中都有规律的变化，光矢量端点的轨迹是一个椭圆，称为椭圆偏振光。从普通光源发出的光可以看作为具有一切可能振动方向的许多光波的总和，这些振动同时存在或迅速而无规则地互相替代着，这种光称为自然光。自然光在传播过程中，如果受到外界的作用，造成各个振动方向上的强度不等，使某一方向的振动比其它方向占优势，这种光称为部分偏振光。部分偏振光可以看作是由一个线偏光和一个自然光混合而成，其中线偏振光的强度为Ip=Imax－Imin，它在部分偏振光的总强度It=Imax＋Imin中所占的比率P称为偏振度，即(6—1)对于自然光，各方向的强度相等，故P=0，对于线偏振光，P=1，其他情况下的P值都小于1。偏振度的数值愈接近1，光的偏振化程度愈高。从自然光获得线偏振光的方法，归纳起来有以下四种:利用反射和折射；利用二向色性；利用晶体的双折射；利用散射。在本实验中，将着重熟悉前三种方法。利用线偏振器和波片，可组成圆偏振器和椭圆偏振器，用以产生圆偏振光和椭圆偏振光。线偏振光通过和快轴(或慢轴)夹角为α的波片后，仍为线偏振光，但光失量的方向要向着快(或慢)轴方向旋转2α角。线偏振器用来从自然光获得线偏振光时，称为起偏器，用来检测线偏振光时，称为检偏器。将垂直于被检光束传播方向放置的检偏器旋转一周，若观察到两次消光现象，则被检光束为线偏振光。将波片与检片器配合使用，可以测检圆偏振光、自然光、椭圆偏振光与部分偏振光。例如，让被检光束正入射到波片上，将检偏器旋转一周，若出现两次消光现象，说明透过波片的是线偏振光，则被检测的入射光为圆偏振光。若旋转检偏器一周无光强变化，则被检测的入射光为自然光。若旋转检片器一周，虽有光强变化但无消光现象出现，则被检测的入射光或为椭圆偏振光或为部分偏振光。区分椭圆偏振光和部分偏振光时，首先不加波片，将检偏器旋转一周。确定透射光强的最大位置；然后将波片插在被检测光波与检偏器之间，调节波片的快轴(或慢轴)与透射光强最大的方向一致，然后再旋转检偏器一周，若出现两次消光，则被检测的光波为椭圆偏振光；若透过检偏器的光强虽有变化但无消光现象，则被检光波为部分偏振光。按照下述方法，可以检测椭圆偏振光的旋向。先使检偏器的透光轴方向与被测椭圆偏光的长轴(或短轴)平行，再在被检测椭圆偏光与检偏器之间加入一波片，并使波片的快轴(或短轴)与被检测椭圆偏振光的长轴(或短轴)一致。然后将检测偏器向着光强减小并达到消光的方向旋转，该旋转方向即为被检测椭圆偏光的旋向。[内容和步骤]由反射和折射产生线偏振光，布鲁斯特定律及应用。如图6—1α所示，一束平行自然光投射到两种不同介质(如空气和玻璃)的分界面上，若入射角θi满足条件tgθi=n(6—2)图6—1应用布鲁斯特定律获得偏振光的实验装置1—光源2—会聚透镜3—平行光管4—起偏器5—待测样品6—分光计平台7—检偏器8—在物镜焦面上装有狭缝的望远镜9—光电池则反射光中只有s分量，这个结果称为布鲁斯特定律。式(6—2)称为布鲁斯特公式，式中的入射角θi表为θB，称为布鲁斯特角。从式(6—2)看出，利用布鲁斯定律，不仅可以获得线偏振光，还可以用来测定介质的折射率。如图6—1b所示，将起偏器套在分光计平行光管的物镜上，检偏器套在自准直望远镜的物镜上，检测器采用光电池。偏振器的透光轴方向已事先确定。指示偏振器透光轴方向的分度盘最小格值为10。观察起偏现象，测量介质折射率将待测介质放在分光计平台上，使由平行光管射出的光，以θi角入射到待测介质的表面上，调节起偏器使其透光轴平行于入射面。调节检偏器透光方向也与入射面平行。不改变θi，同时旋转望远镜，直到θi=θB，光电池的输出为零时为止。这表示Rp已为零，满足布鲁斯特定律。由式(6—2)可计算出被测介质的折射率n。（2）利用反射光光矢量和入射面法线的夹角与入射角θi的关系曲线确定θB从反射率Rs、RP随入射角θi变化的曲线看出：在布鲁斯特角θB附近，P分量的光强很小，并随入射角缓慢变化，因此，利用光强变化直接测量θB误差很大。正如下面分析指出的那样，若改用曲线来确定θB则可提高测量精度。图6—2a)xy为入射面，z为入射角的法线b)以为参变量的曲线由菲涅耳公式知道，线偏振光经介质界面反射后仍为线偏振光，但振动面要发生旋转。设入射、反射线偏光光矢量方向与入射面法线的夹角分别为，如图6—2a所示。则（6—3）图6—2b画出了以为参变量，θi为自变量的曲线。曲线有以下特点:1）当θi=θB时，=0，因而rp=0，满足布鲁斯特定律。2）入射角θi由θB的一侧变到另一侧时，改变符号，表明在θB的两侧，反射光有π位相突变。3）越大，在θB附近，随θi，的变化也越大。因此，用较大的入射光波来确定θB，灵敏度最高。实验时，旋转起偏器，使起偏器透光轴与入射面法线方向之间的夹角约在80°~87°之间，记下所取的值。对不同的入射角θi、旋转检偏器，使其透光轴分别平行和垂直于入射面法线方向，测出相应的Rs和RP值，利用(6—4)计算，作出曲线。该曲线与横坐标轴的交点就是所求的θB值。将θB代入式(6—2)求出n值，并和用前一方法求出的n值进行比较。用玻璃片堆获得线偏振光利用布鲁斯特定律，当入射角θi=θB时，从两介质的分界面上获得的反射光，尽管是完全线偏光，但光强很小。如图6—3所示，让自然光通过由N片薄玻璃片组成的玻璃片堆，当θi=θB时，反射光与透射光都是偏振度很高而强度又接近相等的线偏振光。若不考虑玻璃片堆的吸收及在同一分界面上的多次图6—3玻璃片堆的反射与透射反射，则光矢量垂直于入射面分量的透射率约为Ts=(1－Rs)2N(6—5)式中，Rs是在θi=θB时，垂直分量在一个分界面上反射一次的反射率。将N=5，10，15的玻璃堆依次放到分光计的载物平台上。取去平行光管物镜前的起偏器，使自然光以θi=θB入射到玻璃片堆的表面上，如图6—3所示，调节望远镜以使透射光束处于正入射状况，旋转检偏器一周，记录所测量的最大光强Imax和最小光强Imin，代入式(10-1)求出透射光的偏振度P。透射光强的最小值Imin实为透射光的Is(t),测出入射光中s分量的Is(i),得到，将实测的Ts与由式（6—5）给出的Ts进行比较,讨论并将分析结果写入实验报告。2．偏振棱镜实验（1）观察尼科耳棱镜、格兰棱镜、渥拉斯顿棱镜的结构,标注它们透射光的振动方向；旋转偏光光显微镜的下偏光镜───尼科耳棱镜，通过目镜观察视场的变化规律,分析产生变化的原因。（2）用尼科耳棱镜作起偏器，测量人造偏振片、格兰棱镜的消光比,自拟实验方法与步骤。消光比的定义是(6—6)式中，Imax和Imin分别是两偏振器透光轴相互平行和垂直时测得的透射光强。消光比是衡量偏振器件质量的重要指标，常见的人造偏振片的消光比约为10－3。（３）测量渥拉斯顿棱镜顶角θ。渥拉斯顿棱镜的结构及光路如图6—4所示。不难证明，当棱镜顶角θ不是很大时，o光、e光与出射面法线的夹角为（6—7）图6—4渥拉斯顿棱镜实验时，将渥拉斯顿棱镜置于分光计载物台上，用He－Ne激光束作光源，测出由渥拉斯顿棱镜输出的o光，e光间夹角，由给定的no、ne值，用式（6—7）计算出相应的顶角θ。实验时注意，应在观察用望物镜上加检偏振器，将透射光衰减到利于观察时为止。否则，不利于观察测量。3．波片及其作用（以下实验在光具座上完成）（1）波片（λ0=589.3nm）对线偏振光的作用根据所学知识，自己设计一个实验，验证1/2波片对线偏振光的作用，要求写出主要实验仪器，实验步骤，并按步骤完成实验，自己设计实验数据表格，记录实验数据并分析实验结果。（2）椭圆偏振光的产生与检测1）将起偏器P1、检偏器P2的透光轴调至正交。在P1与P2之间插入波片（λ0=589.3nm），使其旋转360°，用以校正波片主轴方位，观察消光现象的次数，并解释之。2)依次调节波片的快轴方向与P1的透光轴方向之间的夹角α=15°、30°、45°、60°、75°、90°，将P2旋转一周，观察透过P2的光强变化。确定相应的偏振态，理论分析其旋向并用实验证明之。实验结果填入下表并画出椭圆示意图：波片转动角度检偏器转动一周透射光强变化情况透射光的偏振态15°30°45°60°75°90°（3）给定两个波片，只知道一个是1/2波片，另一个是1/4波片，外形完全一样，因标记脱落无法辩认，试设计一实验方法将它们区别开，画出示意图并说明工作原理。[思考题]利用布鲁斯特定律测量介质的折射时，对光源的照明方式有些什么要求？为什么？何谓波片？如何确定波定的快（或慢）轴方向？实验七电光调制实验【实验目的】掌握晶体电光调制的原理和实验方法；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】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1电光调制实验系统结构一、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：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2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。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。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】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向垂直）的一级电光效应。图3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：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)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)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： (3)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(AP)时，根据偏振原理可求得输出光强为：图4电光调制器工作原理 (4)式中，为P与X两光轴间的夹角。若取＝土45。，这时U对IA的调制作用最大，并且 (5)再由（3）式可得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：图5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，当外加电压U＝0时，透射光强却不为0，即IA=Imin0U＝U时，透射光强却不为IP，即IA=ImaxIP由此需要引入另外两个特征参量：消光比透射率式中，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）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②(U＝U/2)时，输出波形最大且不失真。选择工作点①(U＝0)或③(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6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】一、实验准备按图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）。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。光路准直：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。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。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。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。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(PA)，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。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．打开主控单元的晶体偏压电源开关。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观察电光调制现象改变晶体偏压调节，观察输出光强指示的变化。将晶体偏压调至0（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。测量电光调制特性作特性曲线改变偏压极性之前，一定要将晶体偏压调至0（否则会损坏仪器）。 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。测半波电压与Imax对应的偏压U即为被测的半波电压U值。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：透射率注：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）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】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。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。调节过程中应避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。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。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。[思考题]1．如果入射光是线偏振光，且偏振方向与水平方向成30°夹角，要使出射光波的水平分量与垂直分量的位相延迟；把波片放进光路时，应满足那些条件？为什么？2．已知一块电光晶体的半电压，使时的U值是50V，现有一个0~150V的直流驱动电源和一个波片，如果要得到理想的线性调制输出，放在光路中的波片应满足什么条件？为什么？3．如果在实验中让A的透光轴与P的透光轴平行，将观察到什么现象？导出与此相应的调制光强的表示式。4．有一块单轴晶体，理论上要加工到使它的光轴垂直与通光表面。把它放在正交的偏振片之间，改变通光表面的倾角，光电探测器的输出讯号也随之改变，如果使电讯号为极小值时的入射角不等于零，则说明晶轴不严格垂直于通光表面。为什么？实验八声光调制实验【实验目的】了解声光调制实验原理；研究声场与光场相互作用的物理过程；测量声光效应的幅度特性和偏转特性。【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。图1声光调制的原理理论分析指出，当入射角（入射光与超声波面间的夹角）满足以下条件时，衍射光最强。 (1)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分别为超声波的波长和波数。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)（式中F与分别为超声波的频率与速度，为光波的波长）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，并有最强的正一级（或负一级）的衍射光呈现。入射（掠射）角与衍射角之和称为偏转角（参见图1），由（2）式： (3)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)【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。图2声光调制实验系统框图一、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：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3主控单元前面板图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