物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)

物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)華中科技大學(xué)光電子科學(xué)與工程學(xué)院2011.9前 言本實(shí)驗(yàn)教材是根據(jù)光電子科學(xué)與工程學(xué)院物理光學(xué)教學(xué)大綱中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)要求選編的。8射、偏振等方面。本實(shí)驗(yàn)教材所列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均選自本院物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)室參編及長期使用的《物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)息類專業(yè)學(xué)生使用，亦可作為非光電類專業(yè)學(xué)生的選修教材。光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的一般規(guī)則大部分光學(xué)元件用玻璃制成，光學(xué)面經(jīng)過精細(xì)拋光，一般都具有Ra0.010的粗糙度。使用時(shí)要輕拿輕放，勿使元件相互碰撞，擠壓，更要避落地面導(dǎo)致?lián)p壞。人的手指帶有汗?jié)n脂類分泌物，用手觸摸光學(xué)面會(huì)污染該光學(xué)面，影只能拿元件的磨砂面。正確的姿勢如圖所示。面造成污痕。棉球蘸上酒精乙醚混合液輕輕擦拭，切忌用布直接擦拭。要講究清潔衛(wèi)生，文明禮貌，不得大聲喧嘩，打鬧。器，填寫儀器使用卡，經(jīng)允許后方可離開實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)程序框圖了解實(shí)驗(yàn)原理與內(nèi)容了解實(shí)驗(yàn)原理與內(nèi)容↓根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理與內(nèi)容設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選定儀器與光學(xué)元件根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理與內(nèi)容設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選定儀器與光學(xué)元件↓看說明書，了解儀器使用方法看說明書，了解儀器使用方法↓調(diào)試儀器或光路，擬定實(shí)驗(yàn)步驟調(diào)試儀器或光路，擬定實(shí)驗(yàn)步驟↓方案實(shí)施，調(diào)試出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象方案實(shí)施，調(diào)試出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象↓對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察與分析，測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察與分析，測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)↓寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，要求反映實(shí)驗(yàn)過程，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，思考問題寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，要求反映實(shí)驗(yàn)過程，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，思考問題數(shù)據(jù)處理 （若有問題可重復(fù)實(shí)驗(yàn)）一定要親自做實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，培養(yǎng)獨(dú)立自主的能力，會(huì)有成就感。老師指導(dǎo)為輔：問題不包辦，只做點(diǎn)撥提示，保證實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行。目 錄前言光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的一般規(guī)則實(shí)驗(yàn)程序框?qū)嶒?yàn)一 菲涅耳雙棱鏡干涉及應(yīng)用 1實(shí)驗(yàn)二 邁克耳遜干涉儀 6實(shí)驗(yàn)三 用法布里－－珀（－P干涉儀測量鈉雙線的波長差 13實(shí)驗(yàn)四 雙光源衍射法測量光譜儀狹縫寬19實(shí)驗(yàn)五 衍射光柵分光特性測量 24實(shí)驗(yàn)六 偏振光的獲得與檢測 30實(shí)驗(yàn)七 電光調(diào)制實(shí)驗(yàn) 37實(shí)驗(yàn)八 聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn) 47--PAGE11-實(shí)驗(yàn)一菲涅耳雙棱鏡干涉及應(yīng)用[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯觀察和研究雙棱鏡產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象；λ測量干涉濾光片的透射波長。λ0[儀器和裝置]白熾燈，干涉濾光片，可調(diào)狹縫，柱面鏡，菲涅耳雙棱鏡，雙膠合成象物鏡，測微目鏡。[實(shí)驗(yàn)原理]1－1a鏡的折射角α很小，一般約為30。從點(diǎn)（或縫）光源S個(gè)虛象SSS1 2 1 2生干涉。a b圖1—1 雙棱鏡干涉原理圖1－1b看出，若棱鏡的折射率為n，則兩虛象S、S之間的距離1 2干涉條紋的間距

d2l(n（1—1）e當(dāng)取n=1.50時(shí)，則有

ll' （1—2）2l(n1)aell' （1—3）la可解出

la e （1—4）ll'若在迭加區(qū)內(nèi)放置觀察屏E，就可接收到平行于脊棱的等距直線條紋。當(dāng)用白光照明時(shí)，可接收到彩色條紋。利用圖1—2可導(dǎo)出干涉孔徑角光源臨界寬度

l'all' （1—5）b

l1l'

（1—6）從式—5、式—）看出，當(dāng)l=0=，光源的臨界寬度b變?yōu)閎域在的區(qū)域內(nèi)。

l'

lb （1—7）圖1—2 雙棱鏡干涉的幾何關(guān)系圖[內(nèi)容和步驟]調(diào)節(jié)光路，觀察和研究雙棱鏡干涉現(xiàn)象(1)按圖1—3使其滿足同軸等高的要求。(2)取l≈200mm, l≈1200mm, 按λ=550nm,a=30，n=1.50計(jì)算出b微目鏡視場里出現(xiàn)清晰的干涉條紋為止。增大或減小狹縫寬度b,觀察干涉條紋對比度的變化，并給予解釋。圖1—3雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)裝置圖1-白熾燈2-濾光片3-柱面鏡 4-狹縫 5-雙棱鏡6-成象物鏡 7-測微目鏡*(3)在狹縫光源前依次安放具有不同波長帶寬的濾光片，觀察干涉條紋對比度的變化，并解釋之。0。0由式（1—3）看出，為了測量λ，需要在一定的精度范圍測定d、l、l0與e值d值圖1—4 二次（共軛）成象法測量d值1—4所示，通常SS和S并不在與圖面垂直的同一平面內(nèi)，而1 2DASS處測量才算準(zhǔn)確，故測量d時(shí)，采用二次（共軛）成象126S，S1 2

的兩個(gè)實(shí)s

，s1

之間的距離d

，據(jù)物象關(guān)系，則有1d Ad B1

（1－8）物鏡6在第二個(gè)（共軛）位置成象時(shí)，則有d B

（1－9）d A2由上兩式可解出dddd1 2

（1—10）實(shí)驗(yàn)中，對d值的測量不應(yīng)少于三次，然后取其平均值d。D的計(jì)算d 1dd2d12設(shè)物鏡6從第一個(gè)位置移置至第二個(gè)（共軛）位置的位移量是C,C=－A，而D=l+l’=A+B，再與和式（1—9，式（d 1dd2d12DC

（1—11）由各次測量C、d、d值，計(jì)算相應(yīng)的D，然后取其平均值D。1 2測量條紋間距e10條以上明（或暗）e。多次重復(fù)測量，取其平均值e。將d、D、e各值代入式計(jì)算干涉濾光片中心透射波長。λ計(jì)算的相對誤差與標(biāo)準(zhǔn)誤差，分析誤差產(chǎn)生原因。λ0[思考題]來比較它們質(zhì)量的優(yōu)劣？如果狹縫方向與脊棱稍不平行，就看不見干涉條紋，為什么？附錄 關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)誤差根據(jù)誤差理論，剩余誤差定義為： ll (1—1ˊ)i ili是對量li次測量值。l是對量ln次測量的算術(shù)平均值，即l ll1 2

n

n（1—2ˊ）n由貝塞耳公式可知，單次測量的標(biāo)準(zhǔn)誤差表示為2]n12]n1式中[2]是剩余誤差的平方和，即2]

i2i2n1

（1—4ˊ）實(shí)驗(yàn)二邁克耳遜干涉儀[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯法；觀察和研究非定域干涉、定域干涉現(xiàn)象；觀察和測量不同光源的相干長度；測定He-Ne激光波長。[儀器和裝置]邁克耳遜干涉儀，He—Ne激光器，白熾燈，鈉光燈。邁克耳遜（以下簡稱邁氏）干涉儀，最初是為研究地球和“以太”的相2—12—2WSM—100形邁氏干涉儀9上。圖2—1邁克耳遜干涉儀光路原理圖 圖2—2 WSM—100形邁氏干涉儀外形圖

，補(bǔ)償G，平面反射鏡M和M組成。G、G1 2 １ ２ 1 2是兩塊材料相同、形狀一樣的平行平面玻璃板。在G12—1G2IG1三1 2 1 2 次，而光束Ⅱ只經(jīng)過一次。這種不對稱性，對單色光干涉并不重要，但在光干涉時(shí)，由于G 的色散會(huì)對不同波長的光波產(chǎn)生附加光程差，加入G可以補(bǔ)償這種附加光程差，以便得到清晰的白光干涉條紋、4為平面反射鏡M的微調(diào)旋鈕，在M、M后還有三只可調(diào)螺旋8，用以調(diào)節(jié)M1 2 1 2 MG平行于GMM與G

約成45°2 1 2 1 2 1 2是122夾角。在圖2—1中，M M在半反射面A中的虛象，位于是122

附近。1干涉條紋可認(rèn)為是MM1

2的反射光在干涉場中迭加相干的結(jié)果。觀察測量系統(tǒng)由導(dǎo)軌7，粗調(diào)手輪1，微調(diào)手輪2，讀數(shù)窗5，觀察屏611組成。M由精密絲桿帶動(dòng)可在導(dǎo)軌7上平移，旋轉(zhuǎn)手輪1或2，可改變M112M2

之間的距離d。在本儀器中，M

鏡的移動(dòng)范圍約為100mm，讀數(shù)精1110-4mm。M的位置由三部分讀數(shù)之和決定，這些讀數(shù)是導(dǎo)軌左側(cè)的毫米標(biāo)尺讀數(shù)m、讀數(shù)窗5顯示的讀數(shù)1—2m）與微調(diào)手輪2的讀數(shù)14m。在一次測量中，手輪5和2以避免逆轉(zhuǎn)空回引起測量誤差。11[實(shí)驗(yàn)原理]2-1點(diǎn)P處的光程差2dcos （2—1）式中，d為

M

為S

上的入射角。1 2 1

M

2之間的1相對位置有關(guān)。現(xiàn)將具體情況分析如下：1等傾干涉（定域干涉）1 M平行于ML1 2-3θm＝０，光程差 △＝２d=mλ 最大，干涉級(jí)次

最高，而后向外，依o oλ和固定不變，中央圓紋的干涉級(jí)次m將隨空氣平板厚度d而變化。當(dāng)移動(dòng)Ｍ使d增大或減小 λ／２時(shí)，中心處就向１外“產(chǎn)生”或向內(nèi)“消失”一個(gè)圓環(huán)。在中央圓紋附近，可認(rèn)為 sinθ 1 （2－2）m 2d θm+1mθm+1m式中m

，負(fù)號(hào)表示內(nèi)環(huán)干涉級(jí)次（m+1）高于相鄰的外環(huán)干涉級(jí)次m； )/2是平均角距離。式表明，當(dāng)m m1 mmd一定時(shí)，相鄰兩條紋的角間距 △θ 正比于光波λ反比于入射角mθ。因此，在Ｌ的焦面平面上內(nèi)環(huán)寬而疏，外環(huán)細(xì)而密，呈非均勻狀態(tài)分θm布。等厚干涉（定域干涉）

就構(gòu)成一個(gè)夾角很小的空氣楔，如１ ２ １ 22－4a所示。用單色平面波照明時(shí)，式中的cos為定值，干涉條紋是d面附近，就可直接觀察到這種等厚干涉條紋。若用擴(kuò)展光源照明，在交棱附近，即觀察面積很小時(shí)，可認(rèn)為cosθ的影響很小，因此在交棱附近可觀察到一組近似的等厚直線紋，如圖2—4b所示。遠(yuǎn)離楔棱處，即觀察面積較大，則dcosθ都對干涉條紋的形狀產(chǎn)生影響。由式看出，在△為常數(shù)時(shí)，若d0因此得到一組凸向楔棱的曲線條紋，稱為混合條紋。采用白光時(shí)，在M和1Md=0（或2黑）色條紋。圖2—3等傾干涉光路原理圖 圖2—4等厚干涉條紋與混合條紋M1、M2—平面反射鏡 分光板S—擴(kuò)展光源L—成象物鏡F—觀察單色非定域干涉用單色點(diǎn)光源照明干涉儀時(shí)，將觀察屏放入波場迭加區(qū)的任何位置處，都可觀察到干涉條紋，這種條紋稱為非定域干涉條紋。、圖2—5所示為利用邁氏干涉儀產(chǎn)生非定域干涉條紋的原理。S是照明、1單色點(diǎn)光源SGM1

平行于M（圖２5，S S121 分別是S在M、M 中的象，則S、S 和S 121 11 2 1 21垂直于M

M

2。觀察屏６位于垂直于直線的任何位置時(shí)，都可接收到與122—5aM不平行于圖1212225bSM、M6上，122可依次觀察到各種形狀的曲線條紋以至直線條紋，如圖2—5b所示。2 與等傾圓紋一樣，若M平行于Mdλ/2時(shí)，屏幕中心就“產(chǎn)生”或“消失”一個(gè)圓紋。連續(xù)改變d2 1失”N個(gè)圓紋，則M鏡的位移量△d為1dN2

（2—3）測出△d及N，就可計(jì)算出照明光源的光波長λ。本實(shí)驗(yàn)中的單色點(diǎn)光源，是用凸透鏡會(huì)聚He-Ne激光光束得到的。圖2—5非定域干涉條紋的形成L的測量M和M反射的兩光束迭加時(shí)，若它們的光程1 2差大于波列長度，則因它們不是由同一波列分割成的兩束光，故不能產(chǎn)生干L與光譜寬度的關(guān)系為L=λ2/△λ (2—4)光波通過相干長度所需的時(shí)間稱為相干時(shí)間，即τ=L/c (2—5)式中，c為光速。利用相干長度和相干時(shí)間，可以描述光源非單色性對干涉現(xiàn)象的影響在本實(shí)驗(yàn)中，通過改變M、M 之間的距離d，觀察條紋對比度的變化，1 2直至對比度變?yōu)榱?，就可測出光源的相干長度L。[內(nèi)容和步驟]MMMM。1 2 1 2如圖2—6所示放置儀器，在擴(kuò)束鏡后面放置一張白紙或毛玻璃屏，用眼睛觀察，調(diào)節(jié)激光器的方位，使激光束覆蓋G鏡。眼睛從分光鏡向反射1M84，1使兩組小激光斑點(diǎn)一一對應(yīng)重合，此時(shí)M1與M2就大致垂直了。非意域干涉條紋的調(diào)節(jié)和觀察2—62—2光束先會(huì)聚成一點(diǎn)光源后再射向G，位于E處毛玻璃屏６可接收到干涉條1紋，仔細(xì)調(diào)節(jié)8和3、使干涉圓環(huán)圓心位于現(xiàn)場中央。圖2－6調(diào)節(jié)Ｍ垂直于Ｍ１ ２6，觀察是否在每一位置都能接收到干涉條紋？為什么?2的旋向，觀察和總結(jié)圓環(huán)的“產(chǎn)生”或“消失”以及它們的疏密隨d值變化的規(guī)律性。測量Ｈe-Ne激光光波波長單向旋轉(zhuǎn)手輪2，將非定域干涉圓紋中心調(diào)至成暗斑或亮斑。記下此時(shí)M鏡的位置d;2移動(dòng)M鏡，數(shù)出從中心“產(chǎn)生”或向中心“消1 1 1失”100~200個(gè)干涉圓環(huán)，記下這時(shí)M的位置d，兩次讀數(shù)之差即為M1 2 1的移動(dòng)量d，利用式（2-3）計(jì)算Ｈe-Ne激光光波波長。等傾條紋的調(diào)節(jié)和觀察在擴(kuò)束物鏡后面放一塊毛玻璃，將球面波散射成為擴(kuò)展面光源，在E處用眼睛或聚焦于無窮遠(yuǎn)處望遠(yuǎn)鏡可看到一組以眼球或望遠(yuǎn)鏡的軸為中心3僅僅是圓心隨眼睛而移動(dòng)。這時(shí)看到的圓紋就是等傾干涉條紋。移動(dòng)M，觀察、歸納并解釋條紋隨d而變化的規(guī)律。1用觀察屏6代替眼睛或望遠(yuǎn)鏡，觀察在該屏上是否能接收到干涉條紋。若將散射屏逐漸靠近擴(kuò)束物鏡，再觀察在屏6上是否出現(xiàn)干涉條紋，解釋觀察到的現(xiàn)象。等厚干涉條紋的調(diào)節(jié)和觀察在第四步的基礎(chǔ)上（還是在擴(kuò)束鏡后使用毛玻璃片，移動(dòng)M1

鏡使圓紋變粗。當(dāng)視場中只剩下極少數(shù)圓紋時(shí)，微調(diào)34，使M

和M間構(gòu)成2 1一個(gè)很小的夾角。用眼睛對M1

鏡面附近調(diào)焦，可看到近似于等厚干涉的直線條紋。改變M，M間的夾角大小和

鏡的位置，就可觀察到條紋間2 1 1距及條紋曲率半徑的變化，總結(jié)其規(guī)律性。白光干涉條紋的調(diào)節(jié)和觀察測量白光光源的相干長度和透明介質(zhì)薄片的折射率。在第五步的基礎(chǔ)上（擴(kuò)束鏡后使用毛玻璃片觀察等厚干涉條紋，調(diào)出曲率半徑較大的曲線紋。旋轉(zhuǎn)手輪2，使條紋向圓心方向收縮，至條紋繼續(xù)緩慢地沿原方向旋轉(zhuǎn)手輪2，直到在視場中觀察到彩色的直線條紋為（或黑M1

M

的交線。旋轉(zhuǎn)手輪2，2使零級(jí)條紋位于視場中央，記下M1鏡所在的位置，緩慢旋進(jìn)手輪2至視場中彩色條紋剛剛消失為止。記錄此時(shí)M1平均波長，由L=2d，利用式及計(jì)算白光光源的相干長度、譜線寬度和相干時(shí)間。M2的旋轉(zhuǎn)方向，沿此方向調(diào)出1白光干涉條紋，并使零級(jí)條紋位于視場中央，記下M1

鏡的位置。在M鏡1前插入厚為l折射率為n的顯微鏡蓋玻璃片。由于光束I增加了光程差2l(m)2，若補(bǔ)償1的光程差2l(n)M鏡的1位置，測出薄片的厚度l，就可算出折射率n。若在M鏡前加一塊厚度與G板相等的平行平板，能否重新調(diào)出白光1 1干涉條紋？為什么？測量鈉黃光的相干長度He—Ne激光器發(fā)射的激光波長。用我們的邁氏干涉儀能否測出其相干長度？為什么？你觀察的結(jié)果如何？鈉黃光的平均波長為589.3nm環(huán)測出相干長度。調(diào)出納黃光的等傾干涉條紋，移動(dòng)M鏡可觀察到條紋對比度的周期性1變化，單方向旋轉(zhuǎn)手輪2，測出使圓條紋由最清晰（或最模糊）變?yōu)樽钅：ㄗ钋逦┑腗1

鏡的位置改變量d值，由L=2d，利用（2—4）和（2—5）計(jì)算鈉黃光的相干長度L，光譜寬度△λ和相干時(shí)間τ值。重復(fù)操作三次，取其平均值，并與白光干涉的結(jié)果比較。[思考題]觀察等厚干涉條紋時(shí)，能否用點(diǎn)光源照明？為什么？M鏡時(shí)，如何判斷等效空氣層的厚度是在增大（或減?。?？1如何判斷空氣楔楔角方向？本次實(shí)驗(yàn)引起測量誤差的原因有那些？如何提高測量精度？[注意事項(xiàng)]話、嚴(yán)禁用手觸摸光學(xué)元件。MM1 2

背面的螺釘時(shí)，用力不能過度，否則輕者使鏡面變形，影響測量精度；重者將損傷儀器。移動(dòng)M1齒輪。[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯

了解干涉儀的結(jié)構(gòu)，掌握調(diào)節(jié)與使用干涉儀的方法；干涉測定納雙線的波長差。[儀器和裝置]F—P干涉儀，鈉光燈，測量望遠(yuǎn)鏡等1 法布里—珀羅干涉儀是由兩塊間距為hGG3—11 1~ 1 波長，同時(shí)，還應(yīng)嚴(yán)格保持平行。為了避免G

外表面反射光20 100 1 22 的干擾，通常將此兩板做成有一小楔角。使用時(shí)，常將G可連續(xù)如果將兩板用熱膨脹系數(shù)很小的材料做成的間隔圈固定起來，則稱為標(biāo)準(zhǔn)具。2 圖3—1F—P干涉儀光路原理圖光源照明，在透鏡L等傾亮條紋。與邁克干涉儀的等傾圓紋要細(xì)銳得多，如圖3—2所示。一般情況下，測量邁氏儀產(chǎn)生的圓條紋時(shí)讀數(shù)精度為1條紋間距左右，對F—P干涉儀產(chǎn)生的圓條紋，其讀數(shù)精度可高達(dá)條10紋間距的1 ~ 1 。因此干涉儀常用于高精度計(jì)量技術(shù)與光譜精100 1000細(xì)結(jié)構(gòu)分析。3—3多光束干涉系統(tǒng)，就構(gòu)成這兩種干涉系統(tǒng)同時(shí)配套供應(yīng)的。圖3—2 兩種干涉儀產(chǎn)生的條紋的比較F—P干涉儀產(chǎn)生的多光束干涉條紋 b)邁氏干涉儀產(chǎn)生的雙光束等傾干涉條紋圖3—3 F—P干涉儀外形G1—可移動(dòng)平面鏡 G2—固定平面鏡 1—測量系統(tǒng)粗調(diào)手輪班 2—測量系統(tǒng)調(diào)手輪 3—G1G2傾角調(diào)節(jié)螺旋 4—G2的微調(diào)旋鈕[實(shí)驗(yàn)原理]在等傾干涉中，設(shè)干涉圓紋的中心級(jí)次為m，由于

不一定是整數(shù)，故可寫成

o om=m+εo 1ε是小于1N[m1紋的角半徑 為1N1n' h1n' hn[N1]1N與之對應(yīng)的圓紋直徑為2fn2fn' hn[N1]1N

（3—1）f為圖31中的透鏡Ln′是P干涉儀周圍介質(zhì)的折射率，n是GG是GG是照明光波長。1 2 1 2i，jD、D，由式就可計(jì)算i j出與之對應(yīng)的h值。如果投射到F—P干涉儀上的光波中含有兩個(gè)光譜成分λ、λ，其平均1 2波長為，則在L的焦平面上，可以得到分別用實(shí)線

）和虛線（λ）表2 1示的兩組同心圓條紋（λ2稍有差別。

>λ3—4所示。兩波長同級(jí)條紋的角半徑1對于靠近條紋中心的某點(diǎn)θ0，兩波長干涉條紋的級(jí)次差mmm1 2 2h 1 2 2h( )2 11 2另外，由圖3—4可知mee圖3—4 波長λ1和λ2的兩組等傾圓紋1 e是兩波長同級(jí)條紋的相對位移量，e較上兩式，當(dāng)λλ1 e22 1

e2h

（3—2）、h就可按式。應(yīng)該注意的是，利用上述方法測量△λ時(shí)，如果發(fā)生了干涉條紋級(jí)次交錯(cuò)現(xiàn)象，則△e應(yīng)在測量值的基礎(chǔ)上要加上一個(gè)e。根據(jù)前面實(shí)驗(yàn)原理，透射光的加強(qiáng)條件為2hcosm 極大)λ 若只考慮干涉條紋的中心處co＝，當(dāng)?shù)牧良y位于λ 1 2亮紋的中央時(shí)，有2hm

1

（3—3）1 11 1 22 1 22h m

m 11

（3—4）2 2 1 2 22從(3—4)式減去(3—3)式，得到2h2

h1

m1

m2

m1 2 21

波長差很小，近于相等，則得21 2

1h2 1

(3—5)此實(shí)驗(yàn)中，1

可用平均值[內(nèi)容和步驟]調(diào)試儀器（3—3）轉(zhuǎn)動(dòng)手輪1將G1與G22mmG1、G2背面的螺釘3使之松緊程度大致相同。點(diǎn)亮鈉燈，調(diào)節(jié)光窗位置，使之處于G1板的正前方。G的透射光中可看到23G和G內(nèi)表面已達(dá)1 2到平行。換用望遠(yuǎn)鏡觀察，略微調(diào)節(jié)螺釘4，便可得到圖3—2a所示的等傾圓紋。觀察現(xiàn)象2，緩慢減小G和G的間距，注意不能使兩者相碰。然1 2后反方向旋轉(zhuǎn)微調(diào)手輪2，增大h。這時(shí)視場中條紋數(shù)逐漸增加，并且開始λhe時(shí)，λ1

的第m級(jí)條紋與λ2λ

的第m－1級(jí)條紋重合，稱此為重級(jí)現(xiàn)象。若再繼續(xù)增大h，將出現(xiàn)△e>e，發(fā)生級(jí)次交錯(cuò)。值λ2的操作過程，增大h，使λ1

的亮紋位于λ2λ

的兩相鄰亮紋1的中央，讀取干涉儀的讀數(shù)D。1λh，使λ1

的亮紋與λ2λ

的亮紋逐漸靠近，然后重合，繼續(xù)增λ大h，兩套干涉條紋又重新分開，當(dāng)λ1

的亮紋再次位于λ2λ

的兩相鄰亮紋的中央時(shí)，讀取干涉儀的讀數(shù)D2。求得△h=D2－D1，利用公式（3-6）計(jì)算鈉雙線的波長差（鈉光燈平均波長為589.3n。重復(fù)幾次取平均值。兩環(huán)再次居中兩環(huán)再次居中兩環(huán)相互靠近兩環(huán)居中圖3-5測量示意圖兩環(huán)相互靠近兩環(huán)居中[思考題]原因是什么？在調(diào)節(jié)干涉時(shí)，開始往往是條紋中心偏在一邊甚至不在視場也隨之變大，這些現(xiàn)象如何解釋？如何糾正？在本實(shí)驗(yàn)中，鈉光譜的△λ=0.6n空氣平行平板間的最大間距h為多少？本實(shí)驗(yàn)中，干涉儀的讀數(shù)D與兩反射鏡之間的距離h么？實(shí)驗(yàn)四 用雙光源衍射法測量光譜儀狹縫寬度[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯掌握雙光源衍射法的基本原理，加深對夫瑯和費(fèi)衍射規(guī)律的理解；利用雙光源衍射法測定光譜儀狹縫寬度及兩刀口的平行性。[儀器和裝置]納光燈，長焦距聚光鏡，雙狹縫，被測狹縫光闌板，光具座。[實(shí)驗(yàn)原理]4—1aSAA后面的人眼看到縫S的平面上有虛的夫瑯和費(fèi)衍射圖樣4—1bθ紋任意一側(cè)相鄰暗紋之間的角間距為'0

（4—1）是待測狹縫寬度。只要測出相鄰暗紋之間的角間距θ′aθ而是采用光雙光源衍射法確定定狹縫寬度a及兩刀口的平行度。圖4—1 夫瑯和費(fèi)單縫射及光強(qiáng)分布圖圖4—2 雙光源衍射法實(shí)驗(yàn)光路圖a）和雙狹縫形狀圖b）2H—汞燈 F—濾光片 聚光鏡 B1B—雙狹縫 A—被測狹縫2圖4—3 上下錯(cuò)開的兩組衍射條紋4—2ab分別畫出了實(shí)驗(yàn)光路和作為衍射光源的雙縫。由汞燈H出的光經(jīng)過干涉濾光片F(xiàn)或普通的綠色濾光片后成為準(zhǔn)單色光。聚光鏡把光會(huì)聚在被測狹縫A上。雙縫BB把光分為兩個(gè)方向不同的光束照明1 2狹縫A，產(chǎn)生兩組同樣的衍射條紋。由于雙縫B和B上下錯(cuò)開，所以兩組1 2衍射條紋上下錯(cuò)開，如圖4—3所示。兩個(gè)中央亮紋對狹縫的張角ω等于雙縫B、B對狹縫A的張角，即1 2b （4—2）D式中，bBB是雙縫與被測狹縫之間的距離。前1 2說明ωθ角就是3當(dāng)兩中央亮紋之間有z角則由下式確定(z' （4—3）代入式中得(zb

（4—4）表明實(shí)驗(yàn)時(shí)只要記下對齊的暗紋數(shù)z，測出距離D，由給定的和b由上式計(jì)算出縫寬。z也不再嚴(yán)格成立；如果對準(zhǔn)的暗紋數(shù)只有一條也不2~4條之間為宜。利用這一原理，也可以測量狹縫兩刀口的平行度。為此應(yīng)在被測狹縫后放一個(gè)光闌板，此光闌板上開有上、中、下三個(gè)小孔，如圖4—4所示。測量縫寬時(shí)，眼睛挨在中先將眼睛挨在上孔后面觀察，移動(dòng)狹縫使上如果狹縫兩刀口平行，上下暗紋仍然是對齊的，否則就得稍稍移動(dòng)狹縫使上下暗紋重新對齊。記下狹縫移動(dòng)的距離△D就可以按下圖4—4開有三個(gè)小孔的光闌板以按下式計(jì)算出上下縫寬之差(zD （4—5）b1μm，大于1μm產(chǎn)品。[內(nèi)容和步驟]實(shí)驗(yàn)裝置的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)好的實(shí)驗(yàn)裝置要滿足如下要求：光源H光軸必須與導(dǎo)軌平行。直。光源被聚光鏡成象在被測狹縫上。測量狹縫的寬度，檢驗(yàn)狹縫鼓輪示值的準(zhǔn)確性。開啟納光燈電源等待片刻至納光燈發(fā)光穩(wěn)定。。前后移動(dòng)滑座，使兩中央亮紋之間有兩條暗紋上下對齊。前后移動(dòng)光源，使光源經(jīng)聚光鏡成象在被測狹縫上。利用齒輪、齒條機(jī)構(gòu)前后微動(dòng)狹縫，使上下暗紋準(zhǔn)確對齊，記下滑座在導(dǎo)軌上的坐標(biāo)D和狹縫在滑座上的坐標(biāo)D1 2（D、D）值。1 23條和４條暗紋上下對準(zhǔn)，重復(fù)步驟5，求出縫寬的平均值。使狹縫鼓輪示值分別為4，80μm和120μm重復(fù)步驟3、4（5，以檢驗(yàn)狹縫鼓輪示值的準(zhǔn)確性。檢查光譜儀狹縫兩刀口的平行度(1) 將狹縫固定在某一寬度（例如120，將眼睛挨在上孔后面，3紋重新對齊，記下狹縫在滑座上的坐標(biāo)D2。(2) 的平均值，對被測狹縫作出質(zhì)量評(píng)價(jià)。[思考題]在本實(shí)驗(yàn)中，還可以采用另一種方法計(jì)算狹縫寬度，其公式為a(z1

1)(z2

bz

（4—7）zz為第二次對齊的暗紋數(shù)zzD1 2 1 2為兩次對齊暗紋時(shí)狹縫移動(dòng)的距離，△z為兩次對齊的暗紋數(shù)之差。試證明這一公式，并用其計(jì)算縫寬，與前面的結(jié)果進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)中的聚光鏡有何作用（提示：從衍射性質(zhì)考慮）？亮紋之間的次級(jí)亮紋對齊行嗎？試討論本實(shí)驗(yàn)的誤差來源及減小測量誤差的方法。4—6xz軸旋轉(zhuǎn)此狹縫又會(huì)觀察到什么現(xiàn)象？圖6－6 被測狹縫繞x軸或繞z軸旋轉(zhuǎn)【注意事項(xiàng)】況下，都不能讓狹縫的兩刀口閉合，以免碰損刀口。實(shí)驗(yàn)五衍射光柵分光特性測量[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯了解光柵的分光原理及主要特性掌握測量光柵分光特性的實(shí)驗(yàn)方法。[儀器和裝置]分光儀，不同規(guī)格的衍射光柵，汞燈，讀數(shù)顯微鏡。[實(shí)驗(yàn)原理]衍射光柵最重要的應(yīng)用是用作為分光元件，熟悉其分光原理及主要特性，是正確使用光柵的基礎(chǔ)，下面介紹光柵在這方面的性質(zhì)。為d(sinisinθ|m| = 0,1,2,?? 為光號(hào)對應(yīng)于入射光與衍射光處在光柵法線的同側(cè)入射光與衍射光分別處在光柵法線的兩側(cè)。由式級(jí)外，均不重合，即發(fā)生“色散光柵的色散本領(lǐng)光柵的色散本領(lǐng)通常用角色散與線色散表示。角色散：波長差為單位波長的兩譜線分開的角距離稱為光柵的角色散。當(dāng)入射角一定時(shí)，對式（5—1）求微分得到角色散的表示式。d m （5—2）d dcos線色散。線色散表示式為：dlf

d

m （5—3）d d dcos式中，f是聚焦物鏡的焦距。光柵的色分辨本領(lǐng)光柵的色分辨本領(lǐng)定義為：波長λ與在該波長λ附近能被分辯的最小波長差δλ的比值，按照瑞利判據(jù)可以求出mN故分辨本領(lǐng)

AmN （5—4）式中，m是光譜的級(jí)次，N是光柵的總刻線數(shù)。光柵的自由光譜范圍范圍。表示為Rm

（5—5）但會(huì)縮小自由光譜范圍。另外從式可以看出，當(dāng)其它條件不變時(shí)，如何選擇光柵，應(yīng)根據(jù)具體要求綜合考慮。[內(nèi)容和步驟]先調(diào)節(jié)分光儀，步驟為：5—1所示，將被測光柵放到分光儀載物臺(tái)P上，使光柵平面垂直平分BB。調(diào)節(jié)B、B，直到在1 2 1 2望遠(yuǎn)鏡中觀察到從光柵平面反射回來的叉絲的象位于附圖3所示位置。把平臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°，重復(fù)以上調(diào)節(jié)步驟，使光柵平面與儀器轉(zhuǎn)軸平行并且垂直于平行光管的光軸。圖5—1光柵在載物臺(tái)上的放置方式5—2aB3使之達(dá)到上述要求。圖5—2光柵刻線方向與譜線位置圖光柵刻線平行于分光儀轉(zhuǎn)軸 b）光柵刻線不平行于刻線轉(zhuǎn)軸300線對/mm測出汞綠光λ=546.07u）在m±2θ，利用式計(jì)算該光柵的常數(shù)dθ的誤級(jí)與－1i是否為零。利用測得的衍射角計(jì)算出相應(yīng)的色散本領(lǐng)。分光計(jì)望遠(yuǎn)物鏡的焦距?=168mm。測量大角度入射時(shí)的汞黃光各高級(jí)次光譜的衍射角，計(jì)算出相應(yīng)的汞燈的光譜圖分析光譜不重疊的范圍，實(shí)際觀察并與理論值比較。觀察光柵刻線數(shù)N與分辨本領(lǐng)A的關(guān)系設(shè)法逐漸擋住入射光減小光柵通光面積，觀察汞黃雙線隨N減小發(fā)生的變化。取下光柵，用讀數(shù)顯微鏡測量刻劃面橫向?qū)挾萳，計(jì)算出相應(yīng)的N值，據(jù)此計(jì)算出±1，±2比較。分光儀平行光管通光孔徑22mm。600線對/mm解釋之。[思考題]如果光柵刻線不與分光計(jì)轉(zhuǎn)軸平行。對測量結(jié)果有無影響，為什么？[附錄]：

分光儀結(jié)構(gòu)中心軸旋轉(zhuǎn)?？潭缺P和游標(biāo)都裝有動(dòng)調(diào)整和鎖緊裝置，進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。光學(xué)系統(tǒng)由阿貝式準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡和可變狹縫的平行光管鏡可使分劃板成像清晰。附圖1 分光儀外形結(jié)構(gòu)通過放大鏡讀出相隔180°的兩個(gè)游標(biāo)的讀數(shù)（射像和實(shí)象的數(shù)字重合后再進(jìn)行讀數(shù)，從而可避免讀數(shù)誤差，角度的讀法以游標(biāo)的零線所處度盤的位置，讀出度值和分值（度盤共刻1080條線，格值0，讀游標(biāo)與度盤剛好重合的亮線條，得出分值和秒值，兩次數(shù)值相加，即得角度值（附圖。附圖 2附圖 3統(tǒng)系管鏡遠(yuǎn)望直準(zhǔn)自統(tǒng)系管鏡遠(yuǎn)望直準(zhǔn)自統(tǒng)系管光行平統(tǒng)系數(shù)讀盤度標(biāo)游學(xué)光4圖附實(shí)驗(yàn)六偏振光的獲得與檢測[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯;(圓偏光與橢圓偏振光的原理和方法。[儀器和裝置]白熾燈，鈉光燈，汞燈，Ｈ激光器，光電轉(zhuǎn)換器，分光計(jì)，偏光顯微鏡，光具座等。[實(shí)驗(yàn)原理]都有規(guī)律的變化，光矢量端點(diǎn)的軌跡是一個(gè)橢圓，稱為橢圓偏振光。從普通光源發(fā)出的光可以看作為具有一切可能振動(dòng)方向的許多光波的總強(qiáng)度為I =

它在部分偏振光的總強(qiáng)度I=I

中所占的比率p

min

t max

minP稱為偏振度，即

I I IPp

(6—1)I It

I對于自然光，各方向的強(qiáng)度相等，故P=0，對于線偏振光，P=1，其他情況下的P值都小于1。偏振度的數(shù)值愈接近1，光的偏振化程度愈高。從自然光獲得線偏振光的方法，歸納起來有以下四種:利用反射和折射；利用二向色性；利用晶體的雙折射；利用散射。在本實(shí)驗(yàn)中，將著重熟悉前三種方法。利用線偏振器和1波片，可組成圓偏振器和橢圓偏振器，用以產(chǎn)生圓偏4振光和橢圓偏振光。)α1波片后，仍為線偏振光，但2光失量的方向要向著快(或慢)軸方向旋轉(zhuǎn)2α角。線偏振器用來從自然光獲得線偏振光時(shí)，稱為起偏器，用來檢測線偏若觀察到兩次消光現(xiàn)象，則被檢光束為線偏振光。將1波片與檢片器配合使用，可以測檢圓偏振光、自然光、橢圓偏振4光與部分偏振光。例如，讓被檢光束正入射到

1波片上，將檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，若出現(xiàn)兩414若旋轉(zhuǎn)檢偏器一周無光強(qiáng)變化，則被檢測的入射光為自然光。若旋轉(zhuǎn)檢片器一周，雖有光強(qiáng)變化但無消光現(xiàn)象出現(xiàn)，則被檢測的入射光或?yàn)闄E圓偏振光或?yàn)椴糠制窆狻^(qū)分橢圓偏振光和部分偏振光時(shí)，首先不加

1波片，將檢偏器旋轉(zhuǎn)一4周。確定透射光強(qiáng)的最大位置；然后將1波片插在被檢測光波與檢偏器之間，4)按照下述方法，可以檢測橢圓偏振光的旋向。先使檢偏器的透光軸方或短軸11波片的快軸(或短軸)與被檢測橢圓偏振光的長軸(或4 4短軸)一致。然后將檢測偏器向著光強(qiáng)減小并達(dá)到消光的方向旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)方向即為被檢測橢圓偏光的旋向。[內(nèi)容和步驟]由反射和折射產(chǎn)生線偏振光，布魯斯特定律及應(yīng)用。6—1α(θi滿足條件tgθi=n (6—2)圖6—1應(yīng)用布魯斯特定律獲得偏振光的實(shí)驗(yàn)裝置1—光源 2—會(huì)聚透鏡 3—平行光管 4—起偏器 5—待測樣品6—分光計(jì)平臺(tái) 7—檢偏器 8—在物鏡焦面上裝有狹縫的望遠(yuǎn)鏡 9—光電池則反射光中只有s分量，這個(gè)結(jié)果稱為布魯斯特定律。(6—2)稱為布魯斯特公式式中的入射θ 表θ 稱為布魯斯特角從式(6—2)看出i B利用布魯斯定律，不僅可以獲得線偏振光，還可以用來測定介質(zhì)的折射率。6—1b指示偏振器透光軸方向的分度盤最小格值為。觀察起偏現(xiàn)象，測量介質(zhì)折射率θi角入射光方向也與入射面平行。不改變?chǔ)?/p>

，同時(shí)旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，直到θ=θi i

，光電B池的輸出為零時(shí)為止。這表示Rp已為零，滿足布魯斯特定律。由式(6—2)可計(jì)算出被測介質(zhì)的折射率n。rθi確定θB從反射率RsRPθiθB附近，P分量的光強(qiáng)很小，并隨入射角緩慢變化，因此，利用光強(qiáng)變化直接測量θBr～iθB則可提高測量精度。圖6—2

定義及r

~曲線ixy為入射面，z為入射角的法線 b)以

為參變量的i

~曲線i ，如圖6—2a所示。則i rE(r)

rE(i)

)tg

p p p i t tg

（6—3）r E(i)s

rE(i)s s

cos(i

) it6—2b畫出了以

為參變量，θi

為自變量 ~r i

曲線。 ~r

曲線有以下特點(diǎn):1）θ=θ 時(shí)， =0，因而

=0，滿足布魯斯特定律。i B r p入射θ 由θ 的一側(cè)變到另一側(cè)時(shí)改變符號(hào)，表明θ 的i B i B兩側(cè)，反射光有π位相突變。E(i)P

E(i)θ的變化也越大因此用 P 較Ei B r i EiS SθB，靈敏度最高。實(shí)驗(yàn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)起偏器，使起偏器透光軸與入射面法線方向之間的夾角 約在80°~87°之間，記下所取的值。對不同的入射角θ、旋轉(zhuǎn)檢r i i偏器，使其透光軸分別平行和垂直于入射面法線方向，測出相應(yīng)的RRs P值，利用 tg(r

RptgR s

) (6—4)計(jì)算 ，作出 ~曲線。該曲線與橫坐標(biāo)軸的交點(diǎn)就是所求的θr r i B值。θ 代入(6—2)求出n值，并和用前一方法求出的n值進(jìn)行比較。B(2)角θ=θ 時(shí)，從兩介質(zhì)的分界i B線偏光，但光強(qiáng)很小。如圖6—3Nθi=θ 時(shí)，反射光與透射光都是B偏振度很高而強(qiáng)度又接近相等的線偏振光。若不考慮玻璃片堆的吸收及在同一分界面上的多次 圖6—3玻璃片堆的反射與透射反射，則光矢量垂直于入射面分量的透射率約為T =(1－R)2N (6—5)s s式中，R是θ=θ 時(shí)，垂直分量在一個(gè)分界面上反射一次的反射率。s i B將N=5，10，15的玻璃堆依次放到分光計(jì)的載物平臺(tái)上。取去平行光管物鏡前的起偏器，使自然光θ=θ 入射到玻璃片堆的表面上，如圖6i B—3所示，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡以使透射光束處于正入射狀況，旋轉(zhuǎn)檢偏器一周，記

和最小光強(qiáng)I 代入式(10-1)求出透射光的偏振度max minP透射光強(qiáng)的最小值I 實(shí)為透射光的I(t),測出入射光中s分量的I(i),得min s sI(t)到T s ，將實(shí)測的Ts I(i) s

與由式（6—5）給出的Ts

進(jìn)行比較,討論并將分析結(jié)果寫入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。偏振棱鏡實(shí)驗(yàn),分析產(chǎn)生變化的原因。用尼科耳棱鏡作起偏器，測量人造偏振片、格蘭棱鏡的消光比,自擬實(shí)驗(yàn)方法與步驟。消光比的定義是IMminI

(6—6)max式中和I 分別是兩偏振器透光軸相互平行和垂直時(shí)測得的透射光強(qiáng)。max min消光比是衡量偏振器件質(zhì)量的重要指標(biāo)，常見的人造偏振片的消光比約為13。（３）θ。渥拉斯頓棱鏡的結(jié)構(gòu)及光路如圖6—4所示。不難證明，當(dāng)棱鏡頂角θ不是很大時(shí)，o光、e光與出射面法線的夾角為sin1[(n n)tg] （6—7）0 e圖6—4渥拉斯頓棱鏡He－Ne激光束作光源，測出由渥拉斯頓棱鏡輸出的o光間夾角，由給定的nno e用式θ偏振器，將透射光衰減到利于觀察時(shí)為止。否則，不利于觀察測量。波片及其作用（以下實(shí)驗(yàn)在光具座上完成）1波片對線偏振光的作用2 0根據(jù)所學(xué)知識(shí)，自己設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證1/2波片對線偏振光的作用，表格，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。橢圓偏振光的產(chǎn)生與檢測1）將起偏器P

、檢偏器P的透光軸調(diào)至正交。在P與P11 2 1 2 4波片=589.3n，使其旋轉(zhuǎn)36°，用以校正波片主軸方位，觀察消光0現(xiàn)象的次數(shù)，并解釋之。2)依次調(diào)節(jié)1波片的快軸方向與P4

的透光軸方向之間的夾角α=15°、30°、45°、60°、75°、90°，將P旋轉(zhuǎn)一周，觀察透過P的光強(qiáng)變化。2 2確定相應(yīng)的偏振態(tài)，理論分析其旋向并用實(shí)驗(yàn)證明之。實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入下表并畫出橢圓示意圖：11波片轉(zhuǎn)動(dòng)角度4檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)一周透射光強(qiáng)變化情況透射光的偏振態(tài)15°30°45°60°75°90°1/21/4[思考題]要求？為什么？何謂波片？如何確定波定的快（或慢）軸方向？實(shí)驗(yàn)七 電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、掌握晶體電光調(diào)制的原理和實(shí)驗(yàn)方法；2、學(xué)會(huì)用實(shí)驗(yàn)裝置測量晶體的半波電壓，繪制晶體特性曲線，計(jì)算電光晶體的消光比和透射率。【儀器和裝置】電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由光路與電路兩大單元組成，如圖1所示：圖1電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一、光路系統(tǒng)由激光管(P(LN(A與光電接收組件(P)和/4(P)1 2注：注：本系統(tǒng)僅提供半導(dǎo)體激光管(包括電源)作為光與其配套的電源．激光強(qiáng)度可由半導(dǎo)體激光器后背的電位器加以調(diào)節(jié)，故本系統(tǒng)未提供減光器(P)。1本系統(tǒng)未提供/4(P2可自行配臵。二、電路系統(tǒng)調(diào)制信號(hào)發(fā)生、偏壓與光電流指示表等電路單元均組裝在同一主控單元之中。圖2電路主控單元前面板圖2為電路單元的儀器面板圖，其中各控制部件的作用如下：用于控制主電源，接通時(shí)開關(guān)指示燈亮，同時(shí)對半導(dǎo)

體激光器供電。用于控制電光晶體的直流電場（僅在打開電源開關(guān)后

有效）調(diào)節(jié)直流偏置電壓，用以改變晶體外加直流電場的大小。偏壓極性開關(guān)改變晶體的直流電場極性。偏壓指示 數(shù)字顯示晶體的直流偏置電壓。指示方式開關(guān)用于保持光強(qiáng)與偏壓指示值，以便于讀數(shù)。用于對電光晶體施加內(nèi)部的交流調(diào)制信號(hào)（1KHz

的正弦波）用于對電光晶體施加外接的調(diào)制信號(hào)的插座。（插入外來信號(hào)時(shí)內(nèi)臵信號(hào)自動(dòng)斷開）調(diào)制幅度旋鈕用于調(diào)節(jié)交流調(diào)制信號(hào)的幅度。調(diào)制監(jiān)視插座將調(diào)制信號(hào)輸出送到示波器顯示的插座。將光電接收放大后的信號(hào)輸出到示波器顯示的插座，

可與調(diào)制信號(hào)進(jìn)行比較。光強(qiáng)指示 數(shù)字顯示經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的光電流相對值，可反映接收光強(qiáng)大小。解調(diào)幅度旋鈕用于調(diào)節(jié)解調(diào)監(jiān)視或解調(diào)輸出信號(hào)的幅度。解調(diào)輸出插座解調(diào)信號(hào)的輸出插座，可直接送有源揚(yáng)聲器發(fā)聲。三、系統(tǒng)連接1、光源將半導(dǎo)體激光器電源線纜插入后面板的“至激光器”插座（He—Ne輸出直流高壓務(wù)必按正負(fù)極性正確連接。2345、揚(yáng)聲器6

高壓插座。將光電接收部件（位于光具座末端）提供電源。光電接收信號(hào)由解調(diào)監(jiān)視插座輸出；主控單元中的內(nèi)置信號(hào)（或外調(diào)輸入信號(hào)）由調(diào)制監(jiān)視插座輸出。兩者分別送到雙蹤示波器，以便同時(shí)顯示波形，進(jìn)行比較。將有源揚(yáng)聲器插入功率輸出插座即可發(fā)聲，音量由“解調(diào)幅度”控制。主控單元后面板右側(cè)裝有帶開關(guān)的三芯標(biāo)準(zhǔn)電源插座，用以連接220V市電交流電源。注：揚(yáng)聲器發(fā)聲的音質(zhì)與光路調(diào)整、晶體偏壓、調(diào)制幅度以及信號(hào)源的性能均有關(guān)聯(lián)。注：揚(yáng)聲器發(fā)聲的音質(zhì)與光路調(diào)整、晶體偏壓、調(diào)制幅度以及信號(hào)源的性能均有關(guān)聯(lián)?！緦?shí)驗(yàn)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)生變位或頻率的調(diào)制，構(gòu)成電光調(diào)制器。電光效應(yīng)分為兩種類型：一級(jí)電光（泡克爾斯——Pockels）電場強(qiáng)度。二級(jí)電光（克爾——Kerr）平方成正比。本實(shí)驗(yàn)使用鈮酸理（LiNbO3

）晶體作電光介質(zhì)，組成橫向調(diào)制（外加電場與光傳播方向垂直）的一級(jí)電光效應(yīng)。圖3橫向電光效應(yīng)示意圖如圖3所示，入射光方向平行于晶體光軸（Z軸方向，在平行于X(E)作用下，晶體的主軸XYZ45，形成新的主軸’軸Y’軸Z軸不變所施加的電場強(qiáng)度E：nn3rE0式中r為與晶體結(jié)構(gòu)及溫度有關(guān)的參量，稱為電光系數(shù)。n為晶體對尋常光的折射率。0當(dāng)一束線偏振光從長度為l、厚度為d的晶體中出射時(shí)，由于晶體折射率的差異而使光波經(jīng)晶體后出射光的兩振動(dòng)分量會(huì)產(chǎn)生附加的相位差，它是外加電場E的函數(shù)：

l nl n3rE n3rU 0 0 d

(1)式中為入射光波的波長；同時(shí)為測量方便起見，電場強(qiáng)度用晶體兩面極間的電壓來表示，即U=Ed。當(dāng)相位差時(shí)，所加電壓UU

d2n3rl (2)0U稱為半波電壓，它是一個(gè)用以表征電光調(diào)制電壓對相位差影響的重要物理量。由(2)式可見，半波電壓U決定于入射光的波長、晶體材料和它的幾何尺寸。由(1)、(2)式可得：)

U U

式中0

為U＝0時(shí)的相位差值，它與晶體材料和切割的方式有關(guān)，對加工良好的純凈晶體而言＝0。0圖4為電光調(diào)制器的工作原理圖。由激光器發(fā)出的激光經(jīng)起偏器P后只透射光波中平行其透振方向的振動(dòng)分量，當(dāng)該偏振光IP

垂直于電光晶體的通光表面入射時(shí)，如將光束分解成兩個(gè)線偏振光，經(jīng)過晶體后其X分量與Y再經(jīng)檢偏器AI(AP)A時(shí)，根據(jù)偏振原理可求得輸出光強(qiáng)為：圖4電光調(diào)制器工作原理 )I I sinA P

sin22

式中 ，為P與X兩光軸間的夾角。P xA若取＝45UA

的調(diào)制作用最大，并且(U)再由（3）式可得

IAIPsin22

U I I sin2A P

2U

與相位差（或外加電壓U）的關(guān)系曲線，即I~

A A~U如下：A圖5光強(qiáng)與相位差（或電壓）間的關(guān)系 由此可見：(U)＝2k (或) (k=0，1, 2，)時(shí)，I A 當(dāng)(U)＝2k+1或U＝(2k+1)U時(shí)，I =A A 當(dāng)為其它值時(shí)，I在0~I A 由于晶體受材料的缺陷和加工工藝的限制疊起來。于是，即使在兩偏振片處于正交狀態(tài)，且在 45的條P x件下，A 當(dāng)外加電壓U＝0時(shí)，透射光強(qiáng)卻不為0，即I =I A PU＝UP

，即I =I IAmaxP由此需要引入另外兩個(gè)特征參量：AmaxPI I消光比

MImin

透射率

TmaxI0式中，Io

為移去電光晶體后轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器A得到的輸出光強(qiáng)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(zhì)品質(zhì)的三個(gè)特征參量。A5或(U＝U/2)IA（或電壓U）6為外加偏置直流電壓與交變電信號(hào)時(shí)光強(qiáng)調(diào)制的輸出波形圖。由圖6可見，選擇工作點(diǎn)②(U＝U/2)時(shí)，輸出波形最大且不失真。選擇工作點(diǎn)①(U＝0)或③(U＝U)時(shí)，輸出波形小且嚴(yán)重失真，同時(shí)輸出信號(hào)的頻率為調(diào)制頻率的兩倍。圖6 選擇不同工作點(diǎn)時(shí)的輸出波形／4晶體X軸（相當(dāng)于附加一個(gè)固定相差作為“光偏置【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】一、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備1、按圖1的結(jié)構(gòu)圖在光具座上垂直放置好激光器和光電接收器。2、所有滑動(dòng)座中心全部調(diào)至零位，并用固定螺絲鎖緊，使光器件初步共軸。3、光路準(zhǔn)直：器頭部保持固定。蓋中心位置上（去除蓋子則光強(qiáng)指示最大器的位置不宜再動(dòng)。P4、插入起偏器(P)，用白紙擋在起偏器后，調(diào)節(jié)起偏器的鏡片架轉(zhuǎn)角，使白紙上的光點(diǎn)亮度在最亮和最暗中間，這時(shí)透光軸與垂直方向約成P＝45。5將調(diào)制幅度和解調(diào)幅度調(diào)至最大，晶體偏壓調(diào)至零，關(guān)閉主控單元的晶體偏壓電源開關(guān)。A6、Yii輸入端相連，打開主控單元的電源，此時(shí)在接收器塑蓋中心點(diǎn)應(yīng)出現(xiàn)光點(diǎn)（去除蓋子則光強(qiáng)指示表應(yīng)有讀數(shù)(A)光強(qiáng)指示近于0(PA)。此時(shí)檢偏器與起偏器的角度不宜再動(dòng)。A注：2為使激光能正射透過晶體，必需反復(fù)對激光、晶體與光電接收孔者加以準(zhǔn)立調(diào)整．2為獲得較好的實(shí)驗(yàn)效果，光量宜調(diào)節(jié)在光強(qiáng)指示表為0.1(最小)至5．8(最大)的讀數(shù)范圍之內(nèi)．70（達(dá)到最小注：2為使激光能正射透過晶體，必需反復(fù)對激光、晶體與光電接收孔者加以準(zhǔn)立調(diào)整．2為獲得較好的實(shí)驗(yàn)效果，光量宜調(diào)節(jié)在光強(qiáng)指示表為0.1(最小)至5．8(最大)的讀數(shù)范圍之內(nèi)．8、打開主控單元的晶體偏壓電源開關(guān)。9、必要時(shí)插入調(diào)節(jié)光強(qiáng)大小用的減光器P和作為光偏置的／4波片構(gòu)成1完整的光路系統(tǒng)。（可選）二、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察及數(shù)據(jù)測量1、觀察電光調(diào)制現(xiàn)象改變晶體偏壓調(diào)節(jié)，觀察輸出光強(qiáng)指示的變化。將晶體偏壓調(diào)至（否則會(huì)損壞儀器，輸出光強(qiáng)指示的變化。2、測量電光調(diào)制特性作特性曲線改變偏壓極性之前，一定要將晶體偏壓調(diào)0（否則會(huì)損壞儀器。將直流偏壓加載到晶體上，從0到允許的最大偏壓值逐漸改變電壓A，測出對應(yīng)于每一偏壓指示值的相對光強(qiáng)指示值，作I~U曲線，得到A調(diào)制器靜態(tài)特性。其中光電流有極大值Imax

。正偏壓和負(fù)偏壓min各做一組值。如此時(shí)解調(diào)波形非正弦波，出現(xiàn)失真，說明激光器輸出光功率過大，應(yīng)微調(diào)激光器尾部旋扭使光功率略微減小。再重新測量曲線。測半波電壓與Imax對應(yīng)的偏壓U即為被測的半波電壓U值。由光電流的極大、極小值得：I消光比

MImaxmin計(jì)算：

將電光晶體從光路中取出，旋轉(zhuǎn)檢偏器A，測出最大光強(qiáng)值I，可0I透射率 T

maxI0注：注：I值時(shí)應(yīng)控制光量大小不使光敏接收進(jìn)入飽和狀態(tài)。0三、電光調(diào)制與光通訊實(shí)驗(yàn)演示（可選做）將音頻信號(hào)（CD機(jī)等音源）輸入到本機(jī)的“。改變偏壓試聽揚(yáng)聲器音量與音質(zhì)的變化。【實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)】1、為防止強(qiáng)激光束長時(shí)間照射而導(dǎo)致光敏管疲勞或損壞，調(diào)節(jié)或使用好后應(yīng)隨即用塑蓋將光電接收孔蓋好。2、本實(shí)驗(yàn)使用的晶體根據(jù)其絕緣性能最大安全電壓約為510V左右，超值易損壞晶體。3、調(diào)節(jié)過程中應(yīng)避免激光直射人眼，以免對眼睛造成危害。4、加偏壓時(shí)應(yīng)從0伏起逐漸緩慢增加至最大值，反極性時(shí)也應(yīng)先退回到0值后再升壓。5、調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器功率時(shí)，不要用力過大而損壞功率調(diào)節(jié)旋鈕。[思考題]如果入射光是線偏振光，且偏振方向與水平方向成30出射光波的水平分量與垂直分量的位相延遲/2；把1波片放進(jìn)光路4時(shí)，應(yīng)滿足那些條件？為什么？已知一塊電光晶體的半電壓U)0時(shí)的U50V，

41

波片，如果要得到理想的線性調(diào)制輸出，放在光路中的波片應(yīng)滿足什么條件？為什么？4如果在實(shí)驗(yàn)中讓A的透光軸與P實(shí)驗(yàn)八 聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)原理；2、研究聲場與光場相互作用的物理過程；3、測量聲光效應(yīng)的幅度特性和偏轉(zhuǎn)特性?！緦?shí)驗(yàn)原理】當(dāng)聲波在某些介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)隨時(shí)間與空間的周期性的彈性應(yīng)變，（或光折射率聲波中的此類介質(zhì)可視為一種由聲波形成的位相光柵（稱為聲光柵，其光柵的柵距（光柵常數(shù)）聲光器件由聲光介質(zhì)和換能器兩部分組成。前者常用的有鉬酸鉛PM所示為聲光調(diào)制原理圖。衍射光衍射光idB入射光聲光介質(zhì)聲波換能器射頻信號(hào)圖1 光1

調(diào)制的原理理論分析指出，當(dāng)入射角（入射光與超聲波面間的夾角）

滿足以下i

K

siniN

N2kN2

(1)s s

s2sN、k分別為入射光的波長和波數(shù)k，K分別為超聲波的波長和波數(shù)K。s s聲光衍射主要分為布拉格（Bragg）衍射和喇曼-奈斯（Raman-Nath）拉格衍射效率較高，故一般聲光器件主要工作在僅出現(xiàn)一級(jí)光的布拉格區(qū)。滿足布拉格衍射的條件是：Sin

(2)s（式中F與為光波的波長）s當(dāng)滿足入射角 較小，且 的布拉格衍射條件下，由（1）式i i BKB可知，此時(shí) B2k

，并有最強(qiáng)的正一級(jí)（或負(fù)一級(jí)）的衍射光呈現(xiàn)。入（掠射角與衍射角 之和稱為偏轉(zhuǎn)角 （參見圖（）i B d式：

KF d i

B k Vs s

(3)由此可見，當(dāng)聲波頻率F同時(shí)由此也可求得超聲波在介質(zhì)中的傳播速度為：V Fs

d【實(shí)驗(yàn)儀器及裝置】圖2所示為聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)框圖。由圖可見，聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由光路與電路兩大單元組成。線陣信號(hào)輸出（擴(kuò)展用）激光器聲光晶體光電信號(hào)解調(diào)輸出信號(hào)主控單元超聲載波信號(hào)源激光電源 載波頻率指示載波幅度指示外接調(diào)制信號(hào)或音頻信號(hào)調(diào)制信號(hào)源接收光強(qiáng)指示YⅠ解調(diào)波YⅡ調(diào)制波圖2聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖一、光路系統(tǒng)由激光管L、聲光調(diào)制晶體AO）與光電接收R、CCD元組裝在精密光具座上，構(gòu)成聲光調(diào)制儀的光路系統(tǒng)。注：注：本系統(tǒng)僅提供半導(dǎo)體激光管（包含電源）作為光源，如使用氦氖激光管或其他激光源時(shí)，需另配臵其它配套