《物理光学基础》实验指导书

1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0.5~~5.5V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0.6328um（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：0.5~~5.5V;衍射效率大小由工作电压大小决定。“输出端”输出驱动功率,2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。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θ驱动电源θθ入射光压电换能器一级衍射光零级光34、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。4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。5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；α为M与y轴的夹角，β为N与y轴的夹角，α+β＝π/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EM＝Esinωt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，Exl＝Esinωtsinαo光，Eyl＝Esin(ωt+φ)cosα6式中，下标l代表介质厚度，φ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＝-ExlsinβEyN＝EylcosβEN＝ExN+EyN＝E[sin(ωt+φ)cosαcosβ-sinωtsinαsinβ]可以证明，P与Q的设置，当α＝β＝π/4时输出最强，此时上式变为ENm＝Esin(φ/2)cos(ωt+φ/2)＝Acos(ωt+φ/2)式中，A＝Esin(φ/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I∝A2＝E2sin2(φ/2)此式对于克尔盒和泡克耳斯盒都适用，其中的φ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φ＝2πkl(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φ与U的平方成线性关系。现作如下的讨论：1）如果U=0，则φ=0，I=0。这是不给克尔盒加电压，Q无光输出时的情形。72）如果U=d(2kl)-1/2，则φ＝π，I∝E2。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φ＝π，Q有最大的光输出。o、e光相位差等于π，相应的光程差为λ/2，即(ne-no)l=λ/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Uλ/2或Uπ。3）如果0＜U＜Uλ/2，则0＜φ＜π，I∝E2sin2(φ/2)。这即是介于以上二者之间的情形。Q将因φ的不同而要阻挡一部分光，Q的光输出，将是以φ/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，8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。12、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。13、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。14、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。