光電技術

湖北汽車工業(yè)學院

目錄

實驗1TWYMAN-GREEN干涉系統(tǒng)實驗.........................1

實驗2PSD位置傳感器實驗.....................................9

實驗3熱釋電遠紅外傳感器輻射特性實驗.........................11

實驗4電光調制實驗...........................................12

實驗5磁光效應實驗...........................................17

實驗6相關器研究及重要參數測量...............................23

實驗7同步積分器的研究及其主要參數測量.......................31

實驗8CCD微機測徑..........................................40

實驗9CCD驅動電路和特性測試................................46

實驗10光電倍增管參數測量....................................55

實驗11光電器件特性實驗......................................59

實驗12光電透過率測量系統(tǒng)設計實驗............................69

實驗13太陽能電池實驗........................................74

實驗14液晶的電光特性實驗....................................81

實驗1Twyman-Green干涉系統(tǒng)實驗

本實驗采用CSY—10L激光多功能光電測試系統(tǒng)實驗儀（LaserUniversalOpto-EletroTesting

Systems）,實驗系統(tǒng)的光學原理如圖所示：

|o

2735

計<—>

燈與月手￡“膏祖卜一。~屈-平國—0

機

n

?樂電網HE

圖1T實驗儀光學系統(tǒng)

1一激光器2,17一衰減器3,5,11一定向孔4,13—移動反射鏡6,7,9,12—反射鏡8,29—物鏡10—準直透鏡14一分光

棱鏡15一共焦顯微鏡16—多功能試件夾及組合工作臺18一帶壓電陶瓷的組合工作臺19,27—衍射試件夾20一成像透

鏡21一目鏡22—可調光闌23—光電接收器24-導軌25,28一直角棱鏡26—傅氏透鏡30一五維調節(jié)架31一光纖分束

器32-光纖33a—外置式光纖傳感器33b—內置式光纖傳感器34—光纖夾持器35—備用試件

各種光學元件的切換與配置，組合成一種光學物理系統(tǒng)，實現定性觀察與定量測試，最終由光電接

收器23接收，并將信號送入計算機，完成實驗內容的顯示與計算。

Twyman-Green干涉系統(tǒng)光路：激光1經衰減器2調節(jié)光強，小孔3,5定向，擴束鏡8,10擴束，

分光棱鏡14分光后，一路由工作臺16上試件返回，形成參考光（參考臂），?路由工作臺18上試件返回

形成物光（測量臂），再返回分光鏡14形成干涉場，經透鏡20成像（透鏡21選裝），光闌22濾波（選

裝）后，在CMOS23上形成穩(wěn)定干涉圖樣，由計算機程序實現實驗顯示與定量。

【實驗目的】

1.了解激光干涉測量的原理，了解激光干涉測量方法的優(yōu)點和應用場合，掌握微米及亞微米量級位

移量的激光干涉測量方法；

2.了解激光干涉的近代方法——數字干涉技術的原理和方法，了解數字干涉方法的特點及應用場合,

掌握干涉的實時檢測技術；

3.了解表面三維形貌的高精度實時測量原理，對評價指標PV,RMS的定義有所掌握，實測一個平

面光學零件的表面形貌;

1

4.了解光學系統(tǒng)波差的基本物理概念，掌握光學系統(tǒng)波差的激光干涉測量方法。

【實驗儀器】

CSY-10L激光多功能光電測試系統(tǒng)實驗儀(一臺)，計算機(一臺)。

【實驗原理與內容】

一、精密位移量的激光干涉測量

(一)原理

實驗采用泰曼―格林(Twyman-Green)干涉系統(tǒng)，T-G干涉系統(tǒng)是著名的邁克爾遜白光干涉儀的簡

化。用激光為光源，可獲得清晰、明亮的干涉條紋，其原理如圖1-2所示。

干涉條紋

圖1-2T-G干涉系統(tǒng)

激光通過擴束準直系統(tǒng)4提供入射的平面波(平行光束)。設光軸方向為Z軸，則此平面波可用

下式表示：

U(Z)=4*(1-1)

式中A——平面波的振幅，上=2萬/丸為波數，A——激光波長。

此平面波經半反射鏡BS分為二束，一束經參考鏡反射后成為參考光束，其復振幅用下式

表示：

ihw

UR=AR-e(1-2)

式中4——參考光束的振幅，媒(ZJ——參考光束的位相，它由參考光程ZR決定。

另一束為透射光，經測量鏡“2反射，其復振幅用下式表示：

U,=4(1-3)

式中4——測量光束的振幅，4(4)——測量光束的位相，它由測量光程z,決定。

此二束光在BS上相遇，由于激光的相干性，因而產生干涉條紋。干涉條紋的光強/(x,y)由下式決

定：

I(x,y)=U-U*(1-4)

式中。=4+4，U*=U*R+U；,而U*,U*R,U；為U,UR,U,的共鈍波。

當反射鏡與"2彼此間有一交角2。，并將式(1-2),式(1-3)代入式(14),且當。較小，即

smO=O時、經簡化可求得干涉條紋的光強為：

/(%/)=2/()(1+cosk/28)(1-5)

2

式中——激光光強，I——光程差，/=ZR—Z,。

式（1-5）說明干涉條紋由光程差/及。來調制。當0為一常數時，干涉條紋的光強如圖1-3所示。當

測量在空氣中進行，且干涉臂光程不大，略去大氣的影響，則

../I

I=N（1-6）

因此，記錄干涉條紋移動數，己知激光波長，由式（1-6）即可測量反射鏡的位移量，或反射鏡的軸向

變動量AL。干涉條紋的計數，從圖1-2中知道，定位在BS面上或無窮遠上的干涉條紋山成像物鏡L2將

條紋成在探測器上，實現計數。

圖1-3干涉條紋

測量靈敏度為：當N=l,則△/=〃2,4=0.63〃加（He-Ne激光），貝必/=0.3〃〃?。

如果細分N,?般以1/10細分為例，則干涉測量的最高靈敏度為△/=0.03〃機。

（二）內容

實驗光路：

12356

圖1-4實驗光路圖

激光器1發(fā)出的激光經衰減器2（用于調節(jié)激光強度）后由二個定向小孔3,5引導，經反射鏡6,7進入擴束準直物

鏡8,10（即圖1-2中的L1）,由分光鏡14（即圖1-2中BS）分成二束光,分別由反射鏡16（即圖1-2中的Ml）,18（M2）反

射形成干涉條紋并經成像物鏡20（即圖1-2中L2）籽條紋成于CMOS23上（即D）,這樣在計算機屏上就可看到干涉條紋

移動，調整PZT的電壓，就可得到M2的個微小位移，實現微位移的測量。

公共部分

1.開機，激光器1迅速起輝，待光強穩(wěn)定；

3

2.打開驅動電源開關；

3.檢查CMOS23上電信號燈亮否；

4.調整光路時若移開反射鏡4,13,擴束激光；移入反射鏡4,13,不擴束激光。

注：以下所有實驗的開始部分均同公共部分

本實驗內容：

1.擴束；

2.在組合工作臺16,18上分別裝平面反射鏡，調節(jié)工作臺16,18上調平調向測微器，使二路反

射光較好重合(在成像物鏡20后焦面上，兩反射光會聚的焦斑重合)；

3.打開計算機，然后微調工作臺上測微器，在顯示屏上看見干涉條紋；

4.調整CMOS在軌道上的位置，使干涉條紋清晰，鎖定23,再調節(jié)可調光闌22孔徑位置，濾除

分光鏡寄生干涉光；

5.測量程序操作參見軟件操作說明書。

二、數字干涉測量

(-)原理

電子技術及計算機技術與傳統(tǒng)的干涉檢測方法相結合，就產生了一種新的位相檢測技術——數字干

涉技術，這是一-種位相的實時檢測技術。該方法不僅能實現干涉條紋的實時提取，而且可以利用波面數

據的存儲功能消除干涉儀系統(tǒng)誤差，消除或降低大氣擾動及隨機噪聲，使干涉技術實現九”00的精度，

是目前干涉儀精度最高的近代方法。其原理如下圖所示。

圖1-5數字干涉系統(tǒng)

L1-準直物鏡，L2-成像物鏡，1-被測件，2-參考鏡，3-壓電器件(PZT),4-成像光電器件(CMOS)

圖中的實驗系統(tǒng)仍采用T-G干涉儀，但參考鏡2由壓電陶瓷PZT驅動，產生位移。此位移的頻率與

移動量由計算機控制。設參考鏡的瞬時位移為小被測表面的形貌(面形)為攻(x,y),則參考光路和

測試光路可分別用下式表示：

UR=a-exp[i21(s+/,)](1-7)

Ut=b-exp{i2k[s+w(x,y)]}(1-8)

式中a,b為光振幅常數。

4

參考光與測試光相干產生干涉條紋，其瞬時光強由式(1-7)與式(1-8),可得:

I(x,y,li)=1+rcos2左[vv(x,y)-/J(1-9)

式中尸=2ab/(a2+b2)是干涉條紋的對比度。

式(1-9)說明，干涉場中任意一點的光強都是的余弦函數。由于隨時間變化，因此式(1-9)的光

強是一個時間周期函數，可用傅里葉級數展開。設『1,則

I(x,y,lj)=a0+%cos2kli+4sin2kli(1-10)

22

式中：a0=a+b,6=2ahcos2kw(x,y),b]=2absin2/w(x,y)

由三角函數的正交性，可求出Fourier級數的各個系數，即

2e、

旬=-2/(兀84)

777Z1

2n

at=—^iI(x,y,li)cos2k/i?(1-11)

2"

b]=-^/(x,y,/,)sin2W；

n

而求得被測波面，由下式給出:

2〃

一￡/(x，M)sin2kli

/、1-[b、1_]

(1-12)

2?

—cos2kli

〃i=i

式中/,=i,〃(2〃)，z=0,1,2,3...

為降低噪聲，提高測量精度，可用P個周期進行驅動掃描，測量數據作累加平均，即

1>y>

一Z/(x,y,/Jsin2M

w(xj)=《/gT及----------------(M3)

—￡l(x,yj)cos2kL

式(1-13)說明孔徑內任意一點的位相可由該點上的〃xp個光強的采樣值計算出來，因此，可獲得整

個孔徑上的位相。除實現自動檢測外，還可以測定被測件的三維形貌。

(二)內容

1.擴束；

2.調節(jié)工作臺18上的測微螺桿并啟動壓電晶體工作電源，使反射鏡產生軸向位移，在計算機上看

到條紋平移；

3.調整CMOS23在軌道上的位置，使干涉條紋清晰，鎖定23；

4.調節(jié)可調光闌22孔徑位置，濾除寄生干涉光；

5.測量程序操作參見軟件操作說明書。

5

三、面形的三維干涉測量及評價(PV值與RMS值)

(-)原理

本實驗采用數字干涉測量原理進行，本實驗與實驗二的不同是測量中采用了掃描技術，

因而可以實現面形的三維測量。高精度光學平面零件的面形精度可用下列二個評價指標，如下圖所

示。

1.PV值——是表面形貌的最大峰谷值

2.RMS值——是表面形貌的均方根值，RMS的定義是：

/Yv2

RMS=±』^—

VN-l

玉為單次測量值，7=節(jié)，N為重復測定次數。

式中丫=%一7,

圖1-6面形精度的評價

(二)內容

1.擴束；

2.調整CMOS23在軌道上的位置，使干涉條紋清晰，鎖定23；

3.調節(jié)可調光闌22孔徑位置，濾除寄生干涉光；

4.測量程序操作見軟件操作說明書；

四、光學系統(tǒng)的波差測量。

(-)原理

如果光學系統(tǒng)存在像差，其出瞳平面上的光振動的位相分布與理想球曲波所對應的位相分布將存在

差異，用函數歹)來表示，并且可以寫成

">/)=攵%(X/)(1-14)

式中，k是波數(k=2jd九,Z為光波長)，lV(x,y)即代表實際波面和理想球面波波面

之間的偏差，稱為波差。波差是光學系統(tǒng)成像質量的主要評價指標，測量出光學系統(tǒng)的波差就知道光學

系統(tǒng)的成像好壞。

光學系統(tǒng)波差可利用激光干涉方法進行測量。本實驗以泰曼―格林(Twyman-Green)干涉系統(tǒng)為基

礎，使經過被測光學系統(tǒng)后的實際波血和干涉儀給出的標準波面(參考波面)干涉，對干涉圖進行數字

處理，就能確定實際波面的形狀和波差的大小。

6

光路原理如圖1-7所示，經擴束準直后的平面波通過半反射鏡BS分為兩束，一束經標準參考鏡

反射后成為參考光束，另一束經被測光學系統(tǒng)會聚其焦點處，當該焦點與標準平面鏡完全重合時，

所會聚的光束將原路返回，再次經過光學系統(tǒng)后成為被檢光束。若不考慮標準參考鏡和標準平面鏡等系

統(tǒng)誤差，參考波面和被檢波面可分別表示為

UR=aexp[i2M(1-15)

Ut=Z>exp[z2A:FF(x,^)](1-16)

式中，a和6分別表示兩個波面的振幅；k為波數；/為參考光程；JV（x,y）為光學系統(tǒng)的波差。

兩光束所形成的干涉圖可通過透鏡L2會聚由CCD接收，利用數字干涉測量技術可實現波差的數字

求解，具體方法是：通過壓電晶體驅動參考鏡實現位相調制，當參考鏡移動〃步，每步移動量為4/2〃

時，根據每一步所對應的干涉圖分布：z=l,2,可求得被測光學系統(tǒng)的

波差

(1-17)

與面形處理一樣，結果以三維立體圖，等高圖顯示，數據有波峰一波谷值（PV），均方根值（RMS）

和最大面形誤差（Em）。

（二）內容

1.調整擴束系統(tǒng)的物鏡和透鏡，使激光平行入射到分光棱鏡14；并調整分光棱鏡14的位置，使參考

光束嚴格偏轉90度。

2.調整參考鏡的傾斜量，使參考光束進入到CMOS的靶血內。

3.將被測光學系統(tǒng)（10倍物鏡）放入到測量臂中，調整光學系統(tǒng)和標準平面鏡之間的位置，使10倍

物鏡的焦點落在平面鏡表面。在實驗中可用一張開一個小孔的繪圖紙，將該繪圖紙放在光學系統(tǒng)的焦平

面上，并使小孔與焦點重合。然后尋找焦點經平面鏡反射后所形成的光點，調整平面鏡的傾斜和軸向距

離，使反射光點落入到小孔內。

4.微調平面鏡的傾斜量，使被測光束進入CMOS的靶面內并于參考光束重合，形成干涉條紋。

7

5.運行干涉圖的干涉處理軟件，進入【實時采樣】對話框，按【采樣】按鈕可使計算機自動驅動壓

電晶體（PZT）進行條紋掃描和圖象采集工作，并完成波差計算。通過波面顯示（三維立體顯示、等高

圖）觀察波面形狀及數據。

【數據處理】

表1：（其中；1=632.8〃加）

（NN/2）測量位移量

序號驅動位移量（L）條紋數（N）備注

（L）

表2:（被測工件：平面鏡）

序號PVRMSEM等高圖（凹或凸）

1

2

3

4

表3：被測透鏡摘要：________________________________________

序號RMSPV

1

2

3

平均

【思考題】

1.干涉測量的優(yōu)點是什么？寫出幾個你了解的應用場合。

2.在數字干涉測量中，采用下列方法可以提高測量精度嗎？

a.增加?個周期內的臺階數（n）

b.增加掃描的周期數（p）

3.為什么說數字干涉測量可以消除干涉儀自身的系統(tǒng)誤差，而普通干涉儀則不可能，只能靠加工水

平來保證？

4.光圈數N,局部光圈數AN,最大面形誤差EM的物理意義以及與PV,RMS的大致關系。

5.波差代表什么？測量波差有什么意義？

（陳偉編）

8

實驗2PSD位置傳感器實驗

【實驗目的】

1.了解PSD器件工作原理。

2.了解PSD器件對入射光強度改變的反應及光點大小對光生電流的影響。

【實驗儀器】

PSD基座（器件已裝在基座上）、固體激光器、反射體、PSD處理電路單元、電壓表、示波器

【實驗原理】

PSD（positionsensitivedetector）是一種新型的橫向光

電效應器件,當入射光點照在器件光敏面上時,激發(fā)光生

載流子而產生電流/,光生電流的大小與光點的大小無關

只和光點在器件上的位置有關系。當光點位于器件中點

（原點）時,光生電流《=12,根據這一原理,將PSD器件兩

極電流，、右變換成電壓信號后再進行差分運算即可知道

光點的位置。PSD器件工作原理見圖（2-1）。

【實驗內容】圖27PSD光電位置敏感

器件原理圖

1.通過基座上端圓形觀察孔觀察PSD器件及在基

座上的安裝位置,連接好PSD器件與處理電路，開啟儀器電源,輸出端Vo接電壓表,此時因無光源照射,PSD

前聚焦透鏡也無因光照射而形成的光點照射在PSD器件上,輸出的為環(huán)境光的噪聲電壓，試用一塊遮光

片將觀察圓孔蓋上，觀察光噪聲對輸出電壓的變化。

2.將激光器插頭插入“激光電源”插口，激光器安裝在基座圓孔中并固定。注意激光束照射到反射

面上時的情況，光束應與反射面垂直。旋轉激光器角度，調節(jié)激光光點，（必要時也可調節(jié)PSD前的透

鏡）使光點盡可能集中在器件上。

3.仔細調節(jié)位移平臺，用電壓表觀察輸出電壓V。的變化，當輸出為零時，再分別測兩路信號電

壓輸出端Voi、V02的電壓值，此時兩個信號電壓應是基本一致的。

4.從原點開始，位移平臺分別向前和向后位移，因為PSD器件對光點位置的變化非常敏感，故每次

螺旋測微儀旋轉5格（l/10mm），并將位移值（mm）與輸出電壓值（Vo）記錄列表，作出V/X曲線，求

出靈敏度S,S=AV/AX?根據曲線分析其線性。

5.在前幾步的基礎上調整位移平臺前后位置，使光點在平臺位移時均能照在PSD器件的光敏面上,

如位移范圍不夠則可將激光器在激光器座中的位置前后作些調整。

6.開啟激光電源，記錄下光點位移時Vo端的最大輸出值。

7.保持單元電路增益不變，將光源更換成激光教鞭或聚光小燈泡，記錄下不同光源照射時輸出端

的最大Vo值。

8.調節(jié)PSD入射光聚焦透鏡（或激光器調焦透鏡），使光斑放大，依次重復步驟5、6,觀察輸出

電壓的變化。

9.根據實驗結果作出PSD器件光電特性的定性結論。

9

【數據處理】

位移

電壓

【注意事項】

實驗中所用的固體激光器光點可調節(jié)，實驗時請注意光束不要直接照射眼睛，否則有可能對視力造

成不可恢復的損傷。每一支激光器的光點和光強都略有差異，所以對同一PSD器件，光源不同時光生電

流的大小也是不一樣的。實驗時背景光的影響也不可忽視，尤其是采用「I光燈照明時;或是儀器周圍有

物體移動造成光線反射發(fā)生變化時，都會造成PSD光生電流改變，致使單元V0輸出端電壓產生跳變，

這不是儀器的毛病。如實驗時電壓信號輸出較小，則可調節(jié)一下激光器照射角度，使輸達到最大。

（陳偉編）

10

實驗3熱釋電遠紅外傳感器輻射特性實驗

【實驗目的】

1.掌握熱釋電紅外傳感器的工作原理。

2.掌握熱釋電紅外傳感器的輻射特性。

【實驗儀器】

熱釋電紅外傳感器、慢速電機、熱釋電紅外探測電路單元、電加熱、菲涅爾透鏡、電壓表

【實驗原理】

熱釋電紅外傳感器的具體結構和內部電路如圖（3-1）所示，主要由濾

光片、PZT熱電元件、結型場效應管FET及電阻、二極管組成。其中濾

光片的光譜特性決定了熱釋電傳感器的工作范圍。本儀器所用的濾光片

對5〃機以下的光具有高反射率，而對于從人體發(fā)出的紅外熱源則有高

穿透性，傳感器接收到紅外能量信號后實現了“熱-電”的轉變，就有電

壓信號輸出。

圖37熱釋電紅外傳

【實驗內容】感器結構原理圖

1.將菲涅爾透鏡裝在熱釋電紅外傳感器探頭上，探頭方向對準慢

速電機支座下透孔前的熱源方向，按圖標符號將傳感器接入處理電路，接好發(fā)光二極管（顯示實驗單元工

作狀態(tài)）。開啟電源，待電路輸出穩(wěn)定后開啟熱源，同時將慢速電機葉片撥開不使其擋住熱源透射孔。

2.隨著熱源溫度緩慢上升，觀察熱釋電紅外傳感器的Vo端輸出電壓變化情況。可以看出傳感器并

不因為熱源溫度上升而有所反應。

3.開啟慢速電機，調節(jié)轉速旋鈕，使電機葉片轉速盡量慢,不斷地將透熱孔開啟——遮擋。此時用電

壓表或示波器觀察輸出電壓端Vo就會發(fā)現輸出電壓也隨之變化。當達到告警電壓時，則發(fā)光管閃亮。

4.將傳感器的安裝方向調整180°面對儀器前實驗者，連接傳感器探頭與處理電路，輸出端Vo接

電壓表。

5.開啟電源，待電路穩(wěn)定后,實驗者從探頭前經過，移動速度從慢到快，距離從近到遠,觀察傳感器的

反應，記錄下傳感器最大探測距離。

6.在探頭前裝上菲涅爾透鏡，重復步驟5,并嘗試在探頭的不同視場范圍進入，記錄下裝透鏡后最大

的探測距離和探測角度。加深對菲涅爾透鏡作用的了解（實際應用中，菲涅爾透鏡是必需的）。

【思考題】

逐步提高電機轉速，當電機轉速加快，葉片斷續(xù)熱源的頻率增高到一定程度時，傳感器又會出現無反應

的情況，請分析這是什么原因造成的？（可結合熱釋電紅外傳感器工作電路原理分析）。

（陳偉編）

11

實驗4電光調制實驗

【實驗目的】

1.了解電光效應的原理；

2.掌握電光調制的方法；

3.了解電光調制的優(yōu)點和應用領域。

【實驗儀器】

DGT-1型電光調制實驗儀

【實驗原理】

某些晶體在外加電場的作用下，其折射率隨外加電場的改變而發(fā)生變化的現象稱為電光效應，利用

這一效應可以對透過介質的光束進行幅度、相位或頻率的調制，構成電光調制器。電光效應分為兩種類

型：

1.一級電光（泡克爾斯Pockels）效應，介質折射率變化正比于電場強度。

2.二級電光（克爾—Kerr）效應，介質折射率變化與電場強度的平方成正比。

本實驗使用鋸酸鋰（LiNbO、）晶體作電光介質，組成橫向調制（外加電場與光傳播方向垂直）的

一級電光效應。

圖4-1橫向電光效應示意圖

如圖4-1所示，入射光方向平行于晶體光軸（Z軸方向），在平行于X軸的外加電場（E）作用下，晶

體的主軸X軸和Y軸繞Z軸旋轉45。，形成新的主軸X'軸——Y軸（Z軸不變），它們的感生折射率差為Aw,

它正比于所施加的電場強度E：

式中r為與晶體結構及溫度有關的參量，稱為電光系數。由為晶體對尋常光的折射率。

當一束線偏振光從長度/、厚度為d的晶體中出射時，由于晶體折射率的差異而使光波經晶體后出

射光的兩振動分量會產生附加的相位差6,它是外加電場E的函數：

式中4為入射光波的波長。

同時為測量方便起見，電場強度用晶體兩面極間的電壓來表示，即。=￡4。

12

當相差b=萬時，所加電壓

U=U=-^-(4-2)

"2H0Vd

。.稱為半波電壓，它是一個用以表征電光調制電壓對相差影響的重要物理量。由(4-2)式可見,

半波電壓決定于入射光的波長X、晶體材料和它的幾何尺寸。由(4-1)、(4-2)式可得：

—+(4-3)

式中心為。=0時的相差值，它與晶體材料和切割的方式有關，對加工良好的純凈晶體而言心=0。

圖4-2電光調制器工作原理

由激光器發(fā)出的激光經起偏器P后只透射光波中平行其透振方向的振動分量，當該偏振光。垂直于

電光晶體的通光表面入射時，如將光束分解成兩個線偏振光，經過晶體后其X分量與Y分量的相差為

S(U),然后光束再經檢偏器A,產生光強為/4的出射光。當起偏器與檢偏器的光軸正交(ALP)時，

根據偏振原理可求得輸出光強為：

/L/,sin2(2a)si響華](4-4)

式中a=%-&.,為P與X兩光軸間的夾角。

若取a=±45°,這時U對/，的調制作用最大，并且

.=.sin2y](4-5)

再由(4-3)式可得

/d=/pSin2[(g(*)](4-6)

于是可畫出輸出光強乙與相差b(或外加電壓U)的關系曲線，即b(U)或乙U如下：

13

圖4-3光強與相差（或電壓）間的關系

由此可見：當6（。）=2左左（或。=2H/“）（左=0,±1,±2,...）時，//=（）；當6（。）=2左左+1（或

。=（2左+1）力）時，（=/戶；當3（。）為其它值時,乙在0。之間變化。

由于晶體受材料的缺陷和加工工藝的限制，光束通過晶體時還會受晶體的吸收和散射，使兩振動分

量傳播方向不完全重合，出射光截面也就不能重疊起來。

于是，即使在兩偏振光處于正交狀態(tài)，且在a=%-4.=±45°的條件下，當外加電壓U=0時，

透射光強卻不為0,即乙二乙皿，。；當。=。.時，透射光強也不為即乙=/maxH。。

由此需要引入另外兩個特征參量：消光比“=/max〃min及透射率7=/峰//0,其中A）為移去電光

晶體后轉動檢偏器A得到的輸出光強最大值。M愈大，T愈接近于1,表示晶體的電光性能愈佳。半波電

壓U.、消光比M,透光率T是表征電光介質品質的三個特征參量。

從圖4-3可見，相差在5=2萬（或U=U"2）附近時，光強（與相差b（或電壓U）呈線性關系，

故從調制的實際意義上來說，電光調制器的工作點通常就選在該處附近。圖4-4為外加偏置直流電壓與交

變電信號時光強調制的輸出波形圖。

圖4-4選擇不同工作點時的輸出波形

由圖14-4可見：選擇工作點②（U=UJ2）,輸出波形最大且不失真；選擇工作點①（U=0）或③

（U=U輸出波形小且嚴重失真，同時輸出信號的頻率為調制頻率的兩倍。

工作點的偏置可通過在光路中插入一個“4波片其透光軸平行于電光晶體X軸（相當于附加一個固

定相差5=萬/2）作為“光偏置”。但也可以加直流電壓來實現。

【實驗內容】

14

（一）實驗前的準備

電光調制實驗系統(tǒng)如圖4-5所示:

圖4-5電光調制實驗系統(tǒng)結構

1.按圖4-5的結構圖先在光具座上垂直放置好激光器和光電接收器。

2.按系統(tǒng)連接方法將激光器、電光調制器、光電接收器等器件連接到位。（預先將光敏接收孔蓋上）

3.光路準直：打開激光電源，調節(jié)激光電位器使激光束足夠強。準直調整時先將激光器沿導軌推近

接收器，調節(jié)激光器架上的三只夾持螺釘使激光束基本保持水平，并使激光束的光點落在接收器的塑蓋

中心點上，然后將激光器遠離接收器（移至導軌的另一端）；再次調節(jié)后面的夾持螺釘，使光點仍保持在

塑蓋中心點上，此后激光器與接收器的位置不宜再動。

4.插入起偏器（P）,調節(jié)起偏器的鏡片架轉角，使其透光軸與垂直方向成％=45°角（&=0。）。

5.將調制監(jiān)視與解調監(jiān)視輸出分別與雙蹤示波器的Yi、Y”輸入相連，打開主控單元的電源，此時

在接收器塑蓋中心點應出現光點（去除蓋子則光強指示表應有讀數）。插入檢偏器（A）轉動檢偏器，

使激光點消失，光強指示近于0,表示此時檢偏器與起偏器的光軸已處于正交狀態(tài)（P_LN）,即2=45°。

6.使電光晶體按標記線向上插入鏡片架中，并用兩螺絲釘將定位壓環(huán)予以固定，然后將鏡片架插入

光具座，旋轉鏡片架至0刻度線即可使晶體的X軸處在鉛直方向，再適當調節(jié)光源位置，務使激光束正射

透過，這時%-。=45。，此時光強應近于0（或最?。?。如不為0,可調節(jié)激光電位器使其近于0。

7.去除接收孔塑蓋，打開主控單元的晶體偏壓電源開關，稍加偏壓，偏壓指示表與光強指示表均呈

現一定值。

8.必要時插入調節(jié)光強大小用的減光器P1和作為光偏置的2/4波片構成完整的光路系統(tǒng)。

（二）觀察電光調制現象

1.改變晶體偏壓，觀察輸出光強指示的變化。

2.改變晶體極性，觀察輸出光強指示的變化。

3.打開調制加載開關，適當調節(jié)調制幅度，使雙蹤示波器上呈現調制信號（YQ與解調輸出波形

（Yu）o

4.插入〃4波片并使其光軸平行于晶體X軸（相當于加有“光偏置”）觀察光電調制現象。

（三）測量電光調制特性

1.作特性曲線

15

將直流偏壓加載到晶體上，從0到允許的最大正（負）偏壓值逐漸改變電壓（U）,測出對應于每一

偏壓指示值的相對光強指示值，作右U曲線，得調制器靜態(tài)特性。其中光電流有極大值/max和極小值

1min°

2.測半波電壓

與7max對應的偏壓U即為被測的半波電壓U.值。

3.計算電光晶體的消光比和透光率

由光電流的極大值、極小值得：

消光比A/=7max//min

將電光晶體從光路中取出，旋轉檢偏器A,測出最大光強值可計算：

透射率T='ax//。

4.電光調制與光通訊實驗演示

將音頻信號（來自廣播收音機、錄音機、CD機等音源）輸入到本機的“外調輸入”插座，將揚聲器

插入“調制輸出”插座，加晶體偏壓至調制特性曲線的線性區(qū)域，適當調節(jié)調制幅度與解調幅度，即可

使揚聲器播放出音響節(jié)目（示波器也可同時監(jiān)視）。改變偏壓試聽揚聲器音量與音質的變化。

【注意事項】

1.為防止強激光束長時間照射而導致光敏管疲勞或損壞，調節(jié)或使用好后應隨即用塑蓋將光電接

收孔蓋好。

2.本實驗使用的晶體根據其絕緣性能最大安全電壓約為510V左右，超值易損壞晶體。

3.加偏壓時應從0V起逐漸緩慢增加至最大值，反極性時也應先退回到0值后再升壓。

4.調節(jié)過程中應避免激光直射人眼，以免對眼睛造成危害。

（陳偉編）

16

實驗5磁光效應實驗

【實驗目的】

1.了解磁光效應（磁旋轉法拉第效應）；

2.掌握磁旋轉規(guī)律及應用。

【實驗儀器】

CGT—1型磁光調制實驗儀

【實驗原理】

1、磁光效應

當平面偏振光穿透某種介質時，若在沿平行于光的傳播方向施加一磁場，光波的偏振面會發(fā)生旋轉，

實驗表明其旋轉角。正比于外加的磁場強度8,這種現象稱為法拉第（Faraday）效應，也稱磁致旋光效

應，簡稱磁光效應，即：

B=vlB（5-1）

式中/為光波在介質中的路徑，丫為表征磁致旋光效應特征的比例系數，稱為維爾德（Verdet）常數。

由于磁致旋光的偏振方向會使反射光引起的旋角加倍，而與光的傳播方向無關，利用這一特性在激

光技術中可制成具有光調制、光開關、光隔離、光偏轉等功能性磁光器件，其中磁光調制為其最典型的

一種。

如圖5-1所示，在磁光介質的外圍加一個勵磁線圈就構成基本的磁光調制器件。

激光光源起偏器P勵磁線圈檢偏器A

圖5-1磁光效應示意圖

2、直流磁光調制

當線偏振光平行于外磁場入射磁光介質的表面時，偏振光的光強I可以分解成如圖5-2所示的左旋

圓偏振光〃和右旋圓偏振光/R（兩者旋轉方向相反）。由于介質對兩者具有不同的折射率邊和阪，當它

們穿過厚度為/的介質后分別產生不同的相位差，體現在角位移上有：

八2萬,

八2兀,

OR=

式中X為光波波長。

因為―。=4+。，所以:

17

3=-（dL=—（5-2）

如折射率差（肛-〃J正比于磁場強度以即可得（1）式，并由e值與測得的8與/求出維爾德常數

VO

圖5-2入射光偏振面的旋轉運動

1、交流磁光調制

用一交流電信號對勵磁線圈進行激勵，使其對介質產生一交變磁場，就組成了交流（信號）磁光調

制器（此時的勵磁線圖稱為調制線圈），在線圈未通電流并且不計光損耗的情況下，設起偏器P的線偏

振光振幅為4,則4可分解為4cosa及4sina兩垂直分量，其中只有平行于「平面的4cosa分

量才能通過檢偏器，故有輸出光強

22

I=（Aocosa）=Iocosa（馬呂斯定律）

其中為其振幅，。為起偏器P與檢偏器N主截面之間的夾角。

當線圈通以交流電信號i=j°sin3時，設調制線圈產生的磁場為Bresin",則介質相應地會產

生旋轉角0=30sincot,則從檢偏器輸出的光強為：

2

/=/0cos（a+。）=g[1+cos2（a+。）]=g[1+cos2（a+縱sin（5-3）

由此可知光輸出可以是調制波的倍頻信號。

以上就是電信號致使入射光旋光角變化從而完成對輸出光強調制的基本原理。

4、磁光調制的基本參量

磁光調制的性能主要由以下兩個基本參量來描述。

（1）調制深度〃

I-I

n-max--------mm.（5-4）

/max+4i?

式中/，皿和/加"分別為調制輸出光強的最大值和最小值，在OWa+ew萬/2的條件下，參照圖5-3

應用倍角公式，由（5-3）式得到在彳。時的輸出光強分別為：

/max=g[l+COS2（a—。）]

18