光电子技术实验课程.doc

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1、目 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 -实验一 用法布里珀罗（F-P）干涉仪测量钠黄双线的波长差【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。

2、【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1 实验仪器图【主要技术指标】反射镜： f30mm, 平面度1/20l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）

3、低压钠光源：20W【实验原理】图2 干涉原理图 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q 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式中R是反射率。这个结果表明，I 随d 改变而变化。并且，当时I 为极大值。当时，I 为极小值。【实验内容及步骤】一、实验准备，观察多光束干

4、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FP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

5、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3 观察多光束干涉条纹二、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）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

6、据前面实验原理，透射光的加强条件为若只考虑环系的中心处（cosq 1），当一环系位于另一环系中间时则有 (1)其中l1 l2。当动镜继续移动，经过二环系重合，再度居中时， (2)从(2)式减去(1)式，得到若l1 和 l2波长差很小，近于相等，则得(3)其中或可为二波长平均值的平方。对钠黄双线，可取（5893nm）2。实验时，转动测微螺旋（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

7、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4 读数示意图因实验测得微螺旋读数（2l）是与玻璃板G1和G2距离（d2dl）之比为K=20:1（50:1），因此在处理数据时公式(3)中的（d2dl）（2l）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5 实验光路图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】表1 实验数据表l22ld2dl第一组第二组第三组平均值代入公式（3）计算出钠双线波长差。【实验注意事项】1、 仪器轻拿

8、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。实验二偏振光实验【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】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】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

9、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5657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qB就是布儒斯特角。图1 测量布儒斯特角【数据记录及处理】表1 布儒斯特角实验数据表第一次第二次第三次平均值布儒斯特角qB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 （Ecosq）则被吸收。若投射在检

10、偏器A上的线偏振光的振幅为Eo，则透过A的振幅为E0cosq （这里q 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q 而变化的关系为这就是马吕斯定律。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q 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Iq 关系曲线。图2 起偏器【数据记录及处理】表2 马吕斯定律实验数据表q0 o15 o30 o45 o60 o75 o90 o105 o120 o135 o150 o165 oIq180 o195 o210 o225

11、o240 o255 o270 o285 o300 o315 o330 o345 oI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式中l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d = (2k+1)p (k=0, 1, 2)的波片为半波片，它能使o光和e光发生相位差p。 符合使d = (2k+1)p/2 (k=0, 1, 2)条件的波片为14波片。波片的光轴平行于晶片的表面，在圆框上用短线标出

12、。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P1/2波片H检偏器A光屏C图3 实验光路图【数据记录及处理】表3 半波片实验数据表一、H转动360 oC上消光次数：得

13、出结论：二、H转动角度：15 o30 o45 o60 o75 o90 oA转动角度：得出结论：四、14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q角，在直角坐标系内，o光和e光的振幅分别为AoA sinq 和 AeA cosq。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q p4，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

14、变的。图4 椭圆偏振光形成图实验步骤：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）。【数据记录及处理】表3 14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 o30 o45 o60 o75 o90 o五、1/4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

15、/4波片、检偏器，a、b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)式中I0是透过起偏器P的光强。对于某一确定的a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b为bm，为了确定bm与d的关系，可由（1）式得到(2)对待测1/4波片，选定a值后，旋转检偏器测出透射光强最大bm的值，即可按式（2）计算1/4波片的位相延迟角d。 我们注意到，当a45时，有tg2a，则不能用（2）计算d。实际上，这时检偏器的透射光强，无

16、论d取什么值，I总是在b45时有极大值Imax，因此，用本方法测量位相延迟角d时，不能选取a45。从误差理论知道，若Da和Dbm是a和bm的随机误差，则d的均方根误差为(3)上式表明，Da和Db对Dd的影响与d和a的值有关，并且Dd从090以及从18090而单调减小。因此，当d在p2附近，d的测量精度最高，同理可得，当a45附近时，d的测量误差却最大。进一步分析表明，对于位相延迟角接近p2的波片，若取a35或a55左右，则测量误差Dd最小；而a值偏离35越远，误差越大，所以实测时，以选取a35或a55为宜。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

17、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a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bm （注意转动方向）.5、 将a、bm代入（2）式，计算待测1/4波片的位相延迟角d。对同一待测1/4波片，选用稍有不同的a值进行多次

18、测量，列出数据表格，计算不同a值时的位相延迟角及误差。【数据记录及处理】表4 1/4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aaabmbmbmcosdcosdcosddddDdDdDd【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。实验三 电光调制实验【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】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

19、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l/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l/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

20、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

21、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HeNe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

22、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】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

23、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Dn，它正比于所施加的电场强度E：

24、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d，它是外加电场E的函数：(1)式中l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 dp 时，所加电压(2)Up 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Up 决定于入射光的波长l、晶体材料和它的几何尺寸。由(1)、(2)式可得：(3)式中d0为U0时的相位差值，它与晶体材料和切割的方式有关，对

25、加工良好的纯净晶体而言d00 。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d (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a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d （或外加电压U）的关系曲线，即IA d（U）或IA U如下：图5 光强与

26、相位差（或电压）间的关系由此可见：当d (U)2kp ( 或U2kUp ) (k=0，1, 2，)时，IA=0 当d (U)2kp +1或U(2k+1) Up 时，IA = IP 当d (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U0时，透射光强却不为0，即IA = Imin 0 UUp 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 式中，Io

27、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Up 、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dp/2或(UUp /2 )附近时，光强IA与相位差d （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 (UUp /2 )时，输出波形最大且不失真。选择工作点 (U0 ) 或 (UUp )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

28、点的偏置可通过在光路中插入一个l4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 dp/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

29、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。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q P45。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

30、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q A45。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58(最大)的读数范围之内8、 打开主控单

31、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l4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。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

32、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 p 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 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：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

33、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】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。实验四 磁光调制实验【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；

34、3、 测量磁光效应的旋光特性和调制特性。【实验原理】1、 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q 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)式中l为光波在介质中的路径，n 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。 图1 磁光效应示意图如图1所示，在磁光介

35、质的外围加一个励磁线圈就构成基本的磁光调制器件。2、 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：式中l为光波波长，因(2) 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q值与测得的B与l求出维尔德常数n。图2 入射光偏振面的旋转移动3、 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）

36、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A0cosa 及A0sina两垂直分量，其中只有平行于A平面的A0cosa分量才能通过检偏器，故有输出光强（马吕斯定律）其中为其光强。 式中a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，则从检偏器输出的光强为： (3) 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 磁光调制时性能主要由以下两个基本参量

37、来描述。(1) 调制深度 h(4)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应用倍角公式，由（3）式得到在时的输出光强分别为(5) 如图3所示：图3 调制光强幅度随旋光角变化的情况(2) 调制角幅度 q 0令IA=Imax-Imin 为光强调制幅度将（5）式代入化简得 由此可见，若起偏器P与检偏器A主截面间夹角a45时，调制幅度可达。 此时调制输出的极值光强为：(6)将此式代入（4）式得a45时的调制深度和调制角幅度：(7)【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4 磁光调制器系统结构一、光路系统由激光管(L)、起偏器(P)、带调

38、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090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 5 检偏与

39、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）。图6 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）

40、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。 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7 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

41、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HeNe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

42、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】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

43、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(PA)，记下起偏器角度。再将起偏器旋转45角，即a45，使两偏振面在此夹角下调制幅度达最大值（参见(6)式），此时光强指示的读数在“4 5”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