1、物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 學(xué)院：信息與通信工程學(xué)院 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 日期：2012年5月3日實(shí)驗(yàn)一 聲光調(diào)制器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握聲光調(diào)制器的工作原理和使用方法。2、鞏固書(shū)上所學(xué)的關(guān)于聲光調(diào)制器的應(yīng)用原理、范圍。二、實(shí)驗(yàn)儀器1、聲光調(diào)制器實(shí)驗(yàn)儀 1臺(tái)2、半導(dǎo)體激光器或He-Ne激光器 1臺(tái)35V、24V直流電源 各1臺(tái)4 單蹤5MHz示波器 1臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理和電路說(shuō)明 聲光調(diào)制器實(shí)驗(yàn)儀由線性聲光調(diào)制器及驅(qū)動(dòng)電源兩部分組成。驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生150MHZ頻率的射頻功率信號(hào)加入線性聲光調(diào)制器，壓電換能器將射頻功率信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槌曅盘?hào)，當(dāng)激光束以布拉格角度通過(guò)時(shí)，由于聲光互作用效應(yīng)，激光束發(fā)生衍射（如圖1所

2、示）。外加文字和圖像信號(hào)以0.55.5V電平輸入驅(qū)動(dòng)電源的調(diào)制接口“輸入”端，衍射光光強(qiáng)將隨此信號(hào)變化，從而達(dá)到控制激光輸出特性的目的，如圖2所示。 線性聲光調(diào)制器由聲光介質(zhì)（鉬酸鉛晶體）和壓電換能器（鈮酸鋰晶體）、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)組成。聲光介質(zhì)兩通光面鍍有0.6328 um（或者其他）光波長(zhǎng)的光學(xué)增透膜。整個(gè)器件由鋁制外殼安裝。驅(qū)動(dòng)電源由振蕩器、轉(zhuǎn)換電路、鋸齒波電路、線形電壓放大電路、功率放大電路組成。驅(qū)動(dòng)電源的工作電壓:15V (黑正、白負(fù)、包線為地，注意！) ; 外輸入調(diào)制信號(hào)由“輸入”端輸入 (控制開(kāi)關(guān)撥向“ 調(diào)制 ” ) ，直流工作電壓范圍為：0.55.5V ; 衍射效率大小由工作電壓大

3、小決定?！?輸出端 ” 輸出驅(qū)動(dòng)功率,用高頻電纜線與聲光器件相聯(lián)后， 驅(qū)動(dòng)電源的輸入電源才接通15V電源。 驅(qū)動(dòng)電源的外形圖，如圖4所示。驅(qū)動(dòng)電源入射光壓電換能器一級(jí)衍射光零級(jí)光 圖1 布拉格衍射原理圖 圖2 衍射光光強(qiáng)將隨此信號(hào)變化情況五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、顯示聲光調(diào)制波形，觀察聲光調(diào)制偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象 2、測(cè)試聲光調(diào)制幅度特性 3、顯示入射光與衍射光的能量分布4、測(cè)試聲光頻率偏轉(zhuǎn)特性 5、測(cè)試聲光調(diào)制衍射效率、帶寬等參數(shù) 6、測(cè)量超聲波在介質(zhì)中的聲速 7、模擬聲光調(diào)制的光通訊實(shí)驗(yàn)研究與演示 五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫(huà)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格和波形圖。（1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表載波電壓（V）0.531.011.

4、512.022.523.02接收光強(qiáng)（V）1.023.295.465.645.745.85載波電壓（V）3.514.004.515.005.52接收光強(qiáng)（V）5.966.066.076.076.09（2）聲光調(diào)制幅度特性圖 圖3 載波電壓與接收光強(qiáng)2、線性聲光調(diào)制器由哪些部分組成？各部分的作用是什么？線性聲光調(diào)制器是由聲光介質(zhì)和換能器組成。換能器：當(dāng)驅(qū)動(dòng)源的某種特定載波頻率驅(qū)動(dòng)換能器時(shí)，換能器即產(chǎn)生同一頻率的超聲波并傳入聲光介質(zhì)。聲光介質(zhì)：當(dāng)超聲波傳入聲光介質(zhì)時(shí)，在介質(zhì)內(nèi)形成折射率變化，光束通過(guò)介質(zhì)時(shí)即發(fā)生相互作用而改變光的傳播方向即產(chǎn)生衍射。 3、聲光頻率偏轉(zhuǎn)特性： 頻率 衍射光斑 減小 稠

5、密 增大 稀疏4、入射光與衍射光的能量分布A=B+C (注：A為入射光，B為衍射光0級(jí)光，C為衍射光1級(jí)光)5、測(cè)試聲光調(diào)制衍射效率 =I1/I0=5.56/6.06=91.7%（I1為1級(jí)光， I0為0級(jí)光）6、實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)通過(guò)本次聲光調(diào)制器實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，我明白了聲光效應(yīng)的基本原理以及其基本的現(xiàn)象和一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用，解開(kāi)了課上對(duì)它的疑惑，從現(xiàn)實(shí)中真正地看見(jiàn)了這些神奇的現(xiàn)象，親身經(jīng)歷了整個(gè)過(guò)程。在課上的學(xué)習(xí)中，我知道了聲光效應(yīng)的定義，即當(dāng)光通過(guò)有超聲波作用的介質(zhì)時(shí)，相位就要受到調(diào)制，其結(jié)果如同它通過(guò)一個(gè)衍射光柵，光柵間距等于聲波波長(zhǎng)，光束通過(guò)這個(gè)光柵時(shí)就要產(chǎn)生衍射，這就是通常觀察到的聲光效應(yīng)。根據(jù)

6、對(duì)這個(gè)定義的初步理解，和課上一些基本理論的學(xué)習(xí)，其實(shí)主要是在老師的講解帶領(lǐng)下，我們集體完成了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。起初，在老師的指導(dǎo)下，我們連接好電路，開(kāi)始調(diào)節(jié)光斑，使其通過(guò)設(shè)備之后在接收面上得到的光強(qiáng)最集中，在調(diào)節(jié)的過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，逆時(shí)針調(diào)節(jié)載波頻率使其變小時(shí)，光斑逐漸向內(nèi)靠近，即角度變小，反之向外散去。當(dāng)調(diào)節(jié)到適當(dāng)參數(shù)時(shí)，使其穩(wěn)定，接下來(lái)我們逐漸調(diào)節(jié)載波頻率隔0.5V記錄一次載波頻率的大小和所接收到的光強(qiáng)的大小，載波頻率從1.51V變化到5.3 V，期間一共記錄了十二組數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的初步處理，畫(huà)草圖，我們大體可看出在中間階段，載波頻率與接收的光強(qiáng)近似成線性關(guān)系。后來(lái)老師告訴我們關(guān)于衍射功率的概念，

7、即1級(jí)光與0級(jí)光的比值百分?jǐn)?shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)，我們使這個(gè)這個(gè)比值達(dá)到最大，此時(shí)老師給我們接上音樂(lè)，擴(kuò)音器里竟神奇般的發(fā)出了模糊的音樂(lè)聲，經(jīng)過(guò)反復(fù)的調(diào)節(jié)之后，聲音逐漸清晰，欣慰的我們都在聆聽(tīng)著自己操作過(guò)的音樂(lè)。本次實(shí)驗(yàn)雖小，但是對(duì)我們的影響頗大，是我們極少數(shù)的能親自參與的成功的實(shí)驗(yàn)，真正的將我們的知識(shí)運(yùn)用到了實(shí)踐中，希望這樣的機(jī)會(huì)能再多一點(diǎn)，讓我們更好的理解課本中的知識(shí)，而不只是紙上談兵，學(xué)完就忘。實(shí)驗(yàn)二 電光調(diào)制器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握電光調(diào)制器的工作原理和使用方法。2、鞏固書(shū)上所學(xué)的關(guān)于電光調(diào)制器的應(yīng)用原理、范圍。二、實(shí)驗(yàn)儀器1、電光調(diào)制器實(shí)驗(yàn)儀 1臺(tái)2、半導(dǎo)體激光器或He-Ne激光器 1臺(tái)35V、

8、24V直流電源 各1臺(tái)4 雙蹤示波器 1臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理和電路說(shuō)明 光在晶體中傳播的性質(zhì)可用折射率橢球來(lái)描述，電場(chǎng)對(duì)光學(xué)介質(zhì)的影響，是電場(chǎng)使介質(zhì)的折射率橢球主軸方向和大小發(fā)生變化。當(dāng)不給克爾盒加電壓時(shí)，盒中的介質(zhì)是透明的，各向同性的非偏振光經(jīng)過(guò)P后變?yōu)檎駝?dòng)方向平行P光軸的平面偏振光。通過(guò)克爾盒時(shí)不改變振動(dòng)方向。到達(dá)Q時(shí)，因光的振動(dòng)方向垂直于Q光軸而被阻擋（P、Q分別為起偏器和檢偏器，安裝時(shí)，它們的光軸彼此垂直。），所以Q沒(méi)有光輸出；給克爾盒加以電壓時(shí)，盒中的介質(zhì)則因有外電場(chǎng)的作用而具有單軸晶體的光學(xué)性質(zhì)，光軸的方向平行于電場(chǎng)。這時(shí)，通過(guò)它的平面偏振光則改變其振動(dòng)方向。所以，經(jīng)過(guò)起偏器P產(chǎn)生的平面

9、偏振光，通過(guò)克爾盒后，振動(dòng)方向就不再與Q光軸垂直，而是在Q光軸方向上有光振動(dòng)的分量，所以，此時(shí)Q就有光輸出了。Q的光輸出強(qiáng)弱，與盒中的介質(zhì)性質(zhì)、幾何尺寸、外加電壓大小等因素有關(guān)。對(duì)于結(jié)構(gòu)已確定的克爾盒來(lái)說(shuō)，如果外加電壓是周期性變化的，則Q的光輸出必然也是周期性變化的。由此即實(shí)現(xiàn)了對(duì)光的調(diào)制。對(duì)前圖a而言的幾個(gè)量的方位關(guān)系圖 上圖示出幾個(gè)偏振量的方位關(guān)系，其中，光的傳播方向平行于z軸（垂直于屏幕向里）；M和N分別為起偏器P和檢偏器Q的光軸方向，二者彼此垂直；為M與y軸的夾角，為N與y軸的夾角，+/2；外電場(chǎng)使克爾盒中電光介質(zhì)產(chǎn)生的光軸方向平行于x軸；o光垂直于xz面，e光在xz面內(nèi)。 設(shè)自然光經(jīng)

10、過(guò)P后所產(chǎn)生的平面偏振光為EMEsint 由于此光的傳播方向垂直于介質(zhì)光軸，所以，它通過(guò)介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生雙折射。但是，這個(gè)光的o光和e光在介質(zhì)中的折射率不同，而且o光的振動(dòng)方向垂直于主截面（光軸與光線所構(gòu)成的平面），e光的振動(dòng)方向在主截面內(nèi)，所以，o光和e光在介質(zhì)中的傳播速度不同。這兩種光在介質(zhì)的輸入端是同相的，而通過(guò)一定厚度的介質(zhì)達(dá)到輸出端時(shí)，將要有一定的相位差。因此，o光和e光在介質(zhì)輸出端的表達(dá)式為e光，ExlEsintsin o光，EylEsin(t+)cos 式中，下標(biāo)l代表介質(zhì)厚度，代表o、e光通過(guò)厚度為l的介質(zhì)后所產(chǎn)生的相位差。 當(dāng)o、e光達(dá)到Q時(shí)，只有平行于Q光軸N的分量能通過(guò)，垂直于

11、N的分量則被阻擋。所以，通過(guò)Q的光為ExN-ExlsinEyNEylcosENExN+EyNEsin(t+)coscos- sintsinsin可以證明，P與Q的設(shè)置，當(dāng)/4時(shí)輸出最強(qiáng)，此時(shí)上式變?yōu)镋NmEsin(/2)cos(t+/2)Acos(t+/2)式中，AEsin(/2)為通過(guò)檢偏器Q的光振動(dòng)的振幅。 由于發(fā)光強(qiáng)度I正比于振幅的平方，則有IA2E2sin2(/2)此式對(duì)于克爾盒和泡克耳斯盒都適用，其中的隨著盒中介質(zhì)的不同而不同。對(duì)于具有克爾效應(yīng)的介質(zhì)，理論分析指出，o、e光通過(guò)厚度為l的介質(zhì)后，所產(chǎn)生的相位差為 2kl(U/d)2式中，k稱(chēng)為克爾系數(shù)，與介質(zhì)種類(lèi)有關(guān)；U為加到克爾盒兩

12、電極板上的電壓；d為兩電極板間的距離?？梢?jiàn)，克爾盒中與U的平方成線性關(guān)系。 現(xiàn)作如下的討論：1）如果U=0，則=0，I=0。這是不給克爾盒加電壓，Q無(wú)光輸出時(shí)的情形。2）如果 U=d(2kl)-1/2，則，IE2。這是給克爾盒加電壓，而所加的電壓又滿足上式的情形，這時(shí)o、e光的相位差為，Q有最大的光輸出。o、e光相位差等于，相應(yīng)的光程差為/2，即(ne-no)l=/2。這時(shí)克爾盒的作用，相當(dāng)于一個(gè)1/2波片。所以，將滿足這一條件的電壓稱(chēng)為半波電壓，記以U/2或U。3）如果0UU/2，則0，IE2sin2(/2)。這即是介于以上二者之間的情形。Q將因的不同而要阻擋一部分光，Q的光輸出，將是以/2

13、為參量，按正弦平方的規(guī)律變化。 克爾效應(yīng)的時(shí)間響應(yīng)特別快，可跟得上1010Hz的電壓變化，因此可用它來(lái)作高速的電光開(kāi)關(guān)。如果加到克爾盒上的電壓是由其它物理量轉(zhuǎn)換來(lái)的調(diào)制信號(hào)，克爾盒的光輸出就要隨著信號(hào)電壓而變化，這時(shí)克爾盒就是電光調(diào)制器?？藸柡兄兴玫慕橘|(zhì)，多數(shù)都是液體，但也有少數(shù)固體，如鈮酸鉭鉀和鈦酸鋇晶體等。半波電壓一般為數(shù)千伏。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、顯示電光調(diào)制波形，觀察電光調(diào)制現(xiàn)象2、測(cè)試電光晶體的調(diào)制特性曲線3、測(cè)量電光晶體的特征參量4、進(jìn)行電光調(diào)制的光通訊實(shí)驗(yàn)研究與演示5、模擬聲光調(diào)制的光通訊實(shí)驗(yàn)研究與演示 五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫(huà)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格和波形圖。2、電光調(diào)制器由

14、哪些部分組成？各部分的作用是什么？ 電光調(diào)制器是由起偏器、電光晶體、1/4波片、檢偏器組成。 起偏器：產(chǎn)生線偏振光。電光晶體：當(dāng)有外加電壓時(shí)，通過(guò)它的平面偏振光則改變其振動(dòng)方向。所以，經(jīng)過(guò)起偏器P產(chǎn)生的平面偏振光，通過(guò)電光晶體后，振動(dòng)方向就不再與Q光軸垂直，而是在Q光軸方向上有光振動(dòng)的分量，所以，此時(shí)Q就有光輸出了。Q的光輸出強(qiáng)弱，與晶體性質(zhì)、幾何尺寸、外加電壓大小等因素有關(guān)。對(duì)于已經(jīng)確定晶體結(jié)構(gòu)的電光晶體已經(jīng)確定來(lái)說(shuō)，如果外加電壓是周期性變化的，則Q的光輸出必然也是周期性變化的，由此即實(shí)現(xiàn)了對(duì)光的調(diào)制。1/4波片：改變工作點(diǎn)，使之在線性區(qū)域工作。檢偏器：與起偏器形成一對(duì)正交偏振器。3、實(shí)驗(yàn)心

15、得體會(huì)本次實(shí)驗(yàn)是關(guān)于電光調(diào)制器的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我基本上了解了電光效應(yīng)的原理和一些基本的操作過(guò)程。實(shí)驗(yàn)前已預(yù)習(xí)到光調(diào)制技術(shù)就是將信息電壓（調(diào)制電壓）加載到光波上的技術(shù)，而電光調(diào)制則是利用電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的調(diào)制。實(shí)驗(yàn)儀器的主要組成為電光調(diào)制器實(shí)驗(yàn)儀、半導(dǎo)體激光器或He-Ne激光器、雙蹤示波器和電源，其中電光調(diào)制器實(shí)驗(yàn)儀又由起偏器、1/4波片、檢偏器等幾個(gè)基本部分組成。 剛開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)，老師讓我們把所有的實(shí)驗(yàn)儀具都取了下來(lái)，然后一個(gè)個(gè)按順序重新裝上去。于是，我們把取下的儀器都按順序放好，防止取的時(shí)候亂了順序。起初，我們把檢偏器放上了電光調(diào)制器實(shí)驗(yàn)儀，并通過(guò)光孔觀察落在接收面上的光斑，當(dāng)調(diào)節(jié)光斑全部落入光孔的凹陷面之內(nèi)，此時(shí)的光度計(jì)讀數(shù)也接近于最大，即入射的光線與起偏器相同。后來(lái)我們把檢偏器裝了上去，并調(diào)節(jié)檢偏器使光度計(jì)的讀數(shù)達(dá)到最小，此時(shí)通過(guò)的光強(qiáng)也最小，檢偏器與起偏器的方向近似于垂直。最后，我們將1/4波片也裝了上去，通過(guò)調(diào)節(jié)波片的角度，觀察示數(shù)的變化，當(dāng)示數(shù)達(dá)到最大值時(shí)，老師讓我們接上音樂(lè)播放器，同樣，在擴(kuò)音器中我們聽(tīng)