物理光学基础实验指导书声光调制器实验和电光调制器实验.doc

物理光学实验报告 学院：信息与通信工程学院 班级： 学号： 姓名： 日期：2012年5月3日实验一 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0.55.5V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0.6328 um（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：0.55.5V ; 衍射效率大小由工作电压大小决定。“ 输出端 ” 输出驱动功率,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。驱动电源入射光压电换能器一级衍射光零级光 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4、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。（1）实验数据表载波电压（V）0.531.011.512.022.523.02接收光强（V）1.023.295.465.645.745.85载波电压（V）3.514.004.515.005.52接收光强（V）5.966.066.076.076.09（2）声光调制幅度特性图 图3 载波电压与接收光强2、线性声光调制器由哪些部分组成？各部分的作用是什么？线性声光调制器是由声光介质和换能器组成。换能器：当驱动源的某种特定载波频率驱动换能器时，换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质。声光介质：当超声波传入声光介质时，在介质内形成折射率变化，光束通过介质时即发生相互作用而改变光的传播方向即产生衍射。 3、声光频率偏转特性： 频率 衍射光斑 减小 稠密 增大 稀疏4、入射光与衍射光的能量分布A=B+C (注：A为入射光，B为衍射光0级光，C为衍射光1级光)5、测试声光调制衍射效率 =I1/I0=5.56/6.06=91.7%（I1为1级光， I0为0级光）6、实验心得体会通过本次声光调制器实验的过程，我明白了声光效应的基本原理以及其基本的现象和一些简单的应用，解开了课上对它的疑惑，从现实中真正地看见了这些神奇的现象，亲身经历了整个过程。在课上的学习中，我知道了声光效应的定义，即当光通过有超声波作用的介质时，相位就要受到调制，其结果如同它通过一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光束通过这个光栅时就要产生衍射，这就是通常观察到的声光效应。根据对这个定义的初步理解，和课上一些基本理论的学习，其实主要是在老师的讲解带领下，我们集体完成了这个实验。起初，在老师的指导下，我们连接好电路，开始调节光斑，使其通过设备之后在接收面上得到的光强最集中，在调节的过程中我们发现，逆时针调节载波频率使其变小时，光斑逐渐向内靠近，即角度变小，反之向外散去。当调节到适当参数时，使其稳定，接下来我们逐渐调节载波频率隔0.5V记录一次载波频率的大小和所接收到的光强的大小，载波频率从1.51V变化到5.3 V，期间一共记录了十二组数据，通过对数据的初步处理，画草图，我们大体可看出在中间阶段，载波频率与接收的光强近似成线性关系。后来老师告诉我们关于衍射功率的概念，即1级光与0级光的比值百分数，通过调节，我们使这个这个比值达到最大，此时老师给我们接上音乐，扩音器里竟神奇般的发出了模糊的音乐声，经过反复的调节之后，声音逐渐清晰，欣慰的我们都在聆听着自己操作过的音乐。本次实验虽小，但是对我们的影响颇大，是我们极少数的能亲自参与的成功的实验，真正的将我们的知识运用到了实践中，希望这样的机会能再多一点，让我们更好的理解课本中的知识，而不只是纸上谈兵，学完就忘。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。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；为M与y轴的夹角，为N与y轴的夹角，+/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EMEsint 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，ExlEsintsin o光，EylEsin(t+)cos 式中，下标l代表介质厚度，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-ExlsinEyNEylcosENExN+EyNEsin(t+)coscos- sintsinsin可以证明，P与Q的设置，当/4时输出最强，此时上式变为ENmEsin(/2)cos(t+/2)Acos(t+/2)式中，AEsin(/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IA2E2sin2(/2)此式对于克尔盒和泡克耳斯盒都适用，其中的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 2kl(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，克尔盒中与U的平方成线性关系。 现作如下的讨论：1）如果U=0，则=0，I=0。这是不给克尔盒加电压，Q无光输出时的情形。2）如果 U=d(2kl)-1/2，则，IE2。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，Q有最大的光输出。o、e光相位差等于，相应的光程差为/2，即(ne-no)l=/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U/2或U。3）如果0UU/2，则0，IE2sin2(/2)。这即是介于以上二者之间的情形。Q将因的不同而要阻挡一部分光，Q的光输出，将是以/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？ 电光调制器是由起偏器、电光晶体、1/4波片、检偏器组成。 起偏器：产生线偏振光。电光晶体：当有外加电压时，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，通过电光晶体后，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，与晶体性质、几何尺寸、外加电压大小等因素有关。对于已经确定晶体结构的电光晶体已经确定来说，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。1/4波片：改变工作点，使之在线性区域工作。检偏器：与起偏器形成一对正交偏振器。3、实验心得体会本次实验是关于电光调制器的，通过实验，我基本上了解了电光效应的原理和一些基本的操作过程。实验前已预习到光调制技术就是将信息电压（调制电压）加载到光波上的技术，而电光调制则是利用电光效应实现的调制。实验仪器的主要组成为电光调制器实验仪、半导体激光器或He-Ne激光器、双踪示波器和电源，其中电光调制器实验仪又由起偏器、1/4波片、检偏器等几个基本部分组成。 刚开始实验时，老师让我们把所有的实验仪具都取了下来，然后一个个按顺序重新装上去。于是，我们把取下的仪器都按顺序放好，防止取的时候乱了顺序。起初，我们把检偏器放上了电光调制器实验仪，并通过光孔观察落在接收面上的光斑，当调节光斑全部落入光孔的凹陷面之内，此时的光度计读数也接近于最大，即入射的光线与起偏器相同。后来我们把检偏器装了上去，并调节检偏器使光度计的读数达到最小，此时通过的光强也最小，检偏器与起偏器的方向近似于垂直。最后，我们将1/4波片也装了上去，通过调节波片的角度，观察示数的变化，当示数达到最大值时，老师让我们接上音乐播放器，同样，在扩音器中我们听到了模糊的音乐声，老师让我们调节一下波片或者接收面 ，在调节的过程中，声音逐渐变得清晰。第二次实验的顺利完成，我们同样尝到了成功的喜悦。一步步地在老师的指导下，亲手完成每个步骤，把课上学习的每一个知识点，在实验中都化作了操作步骤，真正的将理论运用于实践活动，巩固了我们本来在脑海里一直很深硬的知识，使其以立体现实的形态呈现在我们的眼前，似乎是对知识的灵活化。相信通过实验，每位同学都已将死板的知识灵活的刻于脑海中，希望老师能给我们多一点自己动手学习的实践知识，通过实践来强化我们的知识系统。