《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.docx
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《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
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
3 5V、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0.5~~5.5V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0.6328um（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：
0.5~~5.5V;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。
θ
驱动电源
θ
θ
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）
0.53
1.01
1.51
2.02
2.52
3.02
接收光强（V）
1.02
3.29
5.46
5.64
5.74
5.85
载波电压（V）
3.51
4.00
4.51
5.00
5.52
接收光强（V）
5.96
6.06
6.07
6.07
6.09
（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
ŋ=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5.3V，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
3 5V、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；α为M与y轴的夹角，β为N与y轴的夹角，α+β＝π/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
EM＝Esinωt
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，Exl＝Esinωtsinα
o光，Eyl＝Esin（ωt+φ）cosα
式中，下标l代表介质厚度，φ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＝-Exlsinβ
EyN＝Eylcosβ
EN＝ExN+EyN＝E[sin（ωt+φ）cosαcosβ-sinωtsinαsinβ]
可以证明，P与Q的设置，当α＝β＝π/4时输出最强，此时上式变为
ENm＝Esin（φ/2）cos（ωt+φ/2）＝Acos（ωt+φ/2）
式中，A＝Esin（φ/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
I∝A2＝E2sin2（φ/2）
此式对于克尔盒和泡克耳斯盒都适用，其中的φ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
φ＝2πkl（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φ与U的平方成线性关系。
现作如下的讨论：
1）如果U=0，则φ=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φ＝π，I∝E2。
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φ＝π，Q有最大的光输出。
o、e光相位差等于π，相应的光程差为λ/2，即（ne-no）l=λ/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Uλ/2或Uπ。
3）如果0＜U＜Uλ/2，则0＜φ＜π，I∝E2sin2（φ/2）。
这即是介于以上二者之间的情形。
Q将因φ的不同而要阻挡一部分光，Q的光输出，将是以φ/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。
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