《物理光學(xué)基礎(chǔ)》實驗指導(dǎo)書--聲光調(diào)制器實驗和電光調(diào)制器實驗

1、物理光學(xué)實驗報 告學(xué)院：信息與通信工程學(xué)院 班級： 學(xué)號： 姓名：日期：12012年5月3日實驗一 聲光調(diào)制器一、實驗?zāi)康?、掌握聲光調(diào)制器的工作原理和使用方法。2、鞏固書上所學(xué)的關(guān)于聲光調(diào)制器的應(yīng)用原理、范圍。 二、實驗儀器1、聲光調(diào)制器實驗儀 1臺 2、半導(dǎo)體激光器或He-Ne 激光器 1臺 3 5V 、24V 直流電源 各1臺 4 單蹤5MHz 示波器 1臺 三、實驗原理和電路說明聲光調(diào)制器實驗儀由線性聲光調(diào)制器及驅(qū)動電源兩部分組成。驅(qū)動電源產(chǎn)生150MHZ 頻率的射頻功率信號加入線性聲光調(diào)制器，壓電換能器將射頻功率信號轉(zhuǎn)變?yōu)槌曅盘枺?dāng)激光束以布拉格角度通過時，由于聲光互作用效應(yīng)，激光

2、束發(fā)生衍射（如圖1所示）。外加文字和圖像信號以0.55.5V電平輸入驅(qū)動電源的調(diào)制接口“輸入”端，衍射光光強將隨此信號變化，從而達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）光波長的光學(xué)增透膜。整個器件由鋁制外殼安裝。驅(qū)動電源由振蕩器、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)動電源的工作電壓:±15V (黑正、白負、包線為地，注意！ ; 外輸入調(diào)制信號由“輸入”端輸入 (控制開關(guān)撥向“ 調(diào)制 ” ，直流工作電壓范圍為：0.55.5V ;

3、衍射效率大小由工作電壓大小決定?！?輸出端 ” 輸出驅(qū)動功率, 用高頻電纜線與聲光器件相聯(lián)后， 驅(qū)動電源的輸入電源才接通±15V 電源。 驅(qū)動電源的外形圖，如圖4所示。2圖1 布拉格衍射原理圖圖2 衍射光光強將隨此信號變化情況五、實驗內(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、測試聲光頻率偏轉(zhuǎn)特性5、測試聲光調(diào)制衍射效率、帶寬等參數(shù)3 6、測量超聲波在介質(zhì)中的聲速7、模擬聲光調(diào)制的光通訊實驗研究與演示五、實驗報告1、整理實驗數(shù)據(jù)，畫出相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格和波形圖。 （1）實驗數(shù)據(jù)表 （2）聲光調(diào)制幅度特性圖 圖3 載

4、波電壓與接收光強42、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)動源的某種特定載波頻率驅(qū)動換能器時，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，在介質(zhì)內(nèi)形成折射率變化，光束通過介質(zhì)時即發(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： A=B+C (注：A 為入射光，B 為衍射光0級光，C 為衍射光±1級光 5、測試聲光調(diào)制衍射效率=I1/I0=5.56/6.06=91.7%（I 1為51級光， I 0為0級光）6、實驗心得體會通過本次聲光調(diào)制器實驗的過程，我明白了聲光效應(yīng)的

5、基本原理以及其基本的現(xiàn)象和一些簡單的應(yīng)用，解開了課上對它的疑惑，從現(xiàn)實中真正地看見了這些神奇的現(xiàn)象，親身經(jīng)歷了整個過程。在課上的學(xué)習(xí)中，我知道了聲光效應(yīng)的定義，即當(dāng)光通過有超聲波作用的介質(zhì)時，相位就要受到調(diào)制，其結(jié)果如同它通過一個衍射光柵，光柵間距等于聲波波長，光束通過這個光柵時就要產(chǎn)生衍射，這就是通常觀察到的聲光效應(yīng)。根據(jù)對這個定義的初步理解，和課上一些基本理論的學(xué)習(xí)，其實主要是在老師的講解帶領(lǐng)下，我們集體完成了這個實驗。起初，在老師的指導(dǎo)下，我們連接好電路，開始調(diào)節(jié)光斑，使其通過設(shè)備之后在接收面上得到的光強最集中，在調(diào)節(jié)的過程中我們發(fā)現(xiàn)，逆時針調(diào)節(jié)載波頻率使其變小時，光斑逐漸向內(nèi)靠近，即角

6、度變小，反之向外散去。當(dāng)調(diào)節(jié)到適當(dāng)參數(shù)時，使其穩(wěn)定，接下來我們逐漸調(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)，通過對數(shù)據(jù)的初步處理，畫草圖，我們大體可看出在中間階段，載波頻率與接收的光強近似成線性關(guān)系。后來老師告訴我們關(guān)于衍射功率的概念，即1級光與0級光的比值百分數(shù)，通過調(diào)節(jié)，我們使這個這個比值達到最大，此時老師給我們接上音樂，擴音器里竟神奇般的發(fā)出了模糊的音樂聲，經(jīng)過反復(fù)的調(diào)節(jié)之后，聲音逐漸清晰，欣慰的我們都在聆聽著自己操作過的音樂。本次實驗雖小，但是對我們的影響頗大，是我們極少數(shù)的能親自參與的成功的

7、實驗，真正的將我們的知識運用到了實踐中，希望這樣的機會能再多一點，讓我們更好的理解課本中的知識，而不只是紙上談兵，學(xué)完就忘。實驗二 電光調(diào)制器一、實驗?zāi)康?、掌握電光調(diào)制器的工作原理和使用方法。2、鞏固書上所學(xué)的關(guān)于電光調(diào)制器的應(yīng)用原理、范圍。二、實驗儀器1、電光調(diào)制器實驗儀 1臺2、半導(dǎo)體激光器或He-Ne 激光器 1臺 3 5V 、24V 直流電源 各1臺 4 雙蹤示波器 1臺三、實驗原理和電路說明光在晶體中傳播的性質(zhì)可用折射率橢球來描述，電場對光學(xué)介質(zhì)的影響，是電場使介質(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，盒中的介質(zhì)是透明的，各向同性的非偏振光經(jīng)過P 后變?yōu)檎駝臃较?/p>

8、平行P 光軸的平面偏振光。通過克爾盒時不改變振動方向。到達Q 時，因光的振動方向垂直于Q 光軸而被阻擋（P 、Q 分別為起偏器和檢偏器，安裝時，它們的光軸彼此垂直。），所以Q 沒有光輸出；給克爾盒加以電壓時，盒中的介質(zhì)則因有外電場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。這時，通過它的平面偏振光則改變其振動方向。所以，經(jīng)過起偏器P 產(chǎn)生的平面偏振光，通過克爾盒后，振動方向就不再與Q 光軸垂直，而是在Q 光軸方向上有光振動的分量，所以，此時Q 就有光輸出了。Q 的光輸出強弱，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)。對于結(jié)構(gòu)已確定的克爾盒來說，如果外加電壓是周期性變化的，則

9、Q 的光輸出必然也是周期性變化的。由此即實現(xiàn)了對光的調(diào)制。對前圖a 而言的幾個量的方位關(guān)系圖上圖示出幾個偏振量的方位關(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)過P 后所產(chǎn)生的平面偏振光為E M Esin t由于此光的傳播方向垂直于介質(zhì)光軸，所以，它通過介質(zhì)時產(chǎn)生雙折射。但是，這個光的o 光和e 光在介質(zhì)中的折射率不同，而且o 光的振動方向垂直于主截面（光軸與光線

10、所構(gòu)成的平面），e 光的振動方向在主截面內(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，而通過一定厚度的介質(zhì)達到輸出端時，將要有一定的相位差。因此，o 光和e 光在介質(zhì)輸出端的表達式為e 光，E xl Esin t sin o 光，E yl Esin(t + cos 式中，下標l 代表介質(zhì)厚度，代表o 、e 光通過厚度為l 的介質(zhì)后所產(chǎn)生的相位差。當(dāng)o 、e 光達到Q 時，只有平行于Q 光軸N 的分量能通過，垂直于N 的分量則被阻擋。所以，通過Q 的光為E xN -E xl sin E yN E yl cos E N E xN +EyN Esin(t + cos

11、 cos - sint sin sin 可以證明，P 與Q 的設(shè)置，當(dāng)/4時輸出最強，此時上式變?yōu)镋 Nm Esin(/2cos (t +/2A cos (t +/2式中，A Esin(/2為通過檢偏器Q 的光振動的振幅。由于發(fā)光強度I 正比于振幅的平方，則有I A 2E 2sin 2(/2此式對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。對于具有克爾效應(yīng)的介質(zhì)，理論分析指出，o 、e 光通過厚度為l 的介質(zhì)后，所產(chǎn)生的相位差為2kl(U/d2式中，k 稱為克爾系數(shù)，與介質(zhì)種類有關(guān)；U 為加到克爾盒兩電極板上的電壓；d 為兩電極板間的距離。可見，克爾盒中與U 的平方成線性關(guān)系。

12、 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 無光輸出時的情形。2）如果 U=d(2kl-1/2，則，I E 2。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 -n o l=/2。這時克爾盒的作用，相當(dāng)于一個1/2波片。所以，將滿足這一條件的電壓稱為半波電壓，記以U /2或U 。3）如果0U U /2，則0，I E sin (/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為參量，按正弦平方的規(guī)律變化。克爾效應(yīng)的時間

13、響應(yīng)特別快，可跟得上1010Hz 的電壓變化，因此可用它來作高速的電光開關(guān)。如果加到克爾盒上的電壓是由其它物理量轉(zhuǎn)換來的調(diào)制信號，克爾盒的光輸出就要隨著信號電壓而變化，這時克爾盒就是電光調(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、實驗內(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、測試電光晶體的調(diào)制特性曲線3、測量電光晶體的特征參量4、進行電光調(diào)制的光通訊實驗研究與演示5、模擬聲光調(diào)制的光通訊實驗研究與演示五、實驗報告1、整理實驗數(shù)據(jù)，畫出相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格和波形圖。 222、電光調(diào)制器由哪些部分組成？各部分的作用是什么？ 、

14、光調(diào)制器由哪些部分組成？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， 通過它的平面偏振光則改變其振動方向。 所以，經(jīng)過起偏器 P 產(chǎn)生的平面偏振光，通過電光晶體后，振動方向就不 再與 Q 光軸垂直，而是在 Q 光軸方向上有光振動的分量，所以，此時 Q 就 有光輸出了。Q 的光輸出強弱，與晶體性質(zhì)、幾何尺寸、外加電壓大小等 因素有關(guān)。對于已經(jīng)確定晶體結(jié)構(gòu)的電光晶體已經(jīng)確定來說，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，由此即實現(xiàn)了 對光的調(diào)制。 1/4 波片：改變工作點，使之在線性

15、區(qū)域工作。 檢偏器：與起偏器形成一對正交偏振器。 11 3、實驗心得體會 本次實驗是關(guān)于電光調(diào)制器的，通過實驗，我基本上了解了電光效應(yīng) 的原理和一些基本的操作過程。 實驗前已預(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)實現(xiàn)的調(diào)制。實驗儀器的主要組 成為電光調(diào)制器實驗儀、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)制器實驗儀又由起偏器、1/4 波片、檢偏器等幾個基本部分 組成。 剛開始實驗時，老師讓我們把所有的實驗儀具都取了下來，然后一個 個按順序重新裝上去。于是，我們把取下的儀器都按順序放好，防止取的 時候亂了順序。起初，我們把檢偏器放上了電光調(diào)制器實驗儀，并通過光 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 時的光度計讀數(shù)也接近于最大，即入射的光線與起偏器相同。 后來我們把檢偏器裝了上去，并調(diào)節(jié)檢偏器使光度計的讀數(shù)達到最小， 此時通過的光強也最小，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，通過調(diào)節(jié)波片的角度，觀察示數(shù)的 變化，當(dāng)示數(shù)達到最大值時，老師讓我們接上音樂播放器，同樣，在擴音 器中我們聽到了模糊的音樂聲