激光原理与技术实验参考书1Word文件下载.docx

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实验二声光效应实验5

实验三Nd：

YAG激光器调腔实验14

实验四Nd：

YAG激光器调Q实验22

实验五Nd：

YAG激光器倍频实验27

实验六氦氖激光器调腔及其性能研究实验31

实验一晶体的电光效应实验

一、实验目的

1．研究LN晶体的一次电光效应特性，了解电场对晶体的作用机理。

2．掌握电光调制的工作原理及光路调整方法。

3．了解LN晶体横向电光效应在光通信中的应用，并通过实验对光通信中的调制、传输、解调过程有一个感性认识。

二、实验原理

电光效应一般是指介质在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变，这种现象称为电光效应。

电光效应按电压与折射率变化的关系可分为：

一级电光效应和二级电光效应。

一级电光效应是指介质折射率的变化正比于电场强度，是由Pockels于1893年发现的，故也称为Pockels（泡克尔斯）效应。

二级电光效应是指介质折射率的变化与电场强度的平方成正比，是Kerr于1875年发现的，因此，也称为Kerr（克尔）效应。

泡克尔斯效应一般发生在本来就各向异性的介质中，如各种晶体。

而kerr效应一般发生在各向同性的介质中。

它们的作用机理，都是由于电场对介质极化的结果：

即介质中的分子在电场作用下被极化或原极化方向发生变化。

Kerr效应较明显的材料一般有硝基笨等。

其自然状态是各向同性的，在被电场极化后变为各向异性，产生双折射现象。

而Pockels效应则多发生在一些晶体如LiNbO3（铌酸锂，简称LN）晶体上，他们本来就是单轴晶体，各向异性、电场的极化使它们原极化情况发生变化，由单轴晶体变为双轴晶体。

在极化的方式上。

一般又有横向施加电场（垂直于光轴）和纵向施加电场（平行于光轴）二种方式。

由于横向电场的Pockels效应具有半波电压低、线性度较好的特点，因此得到了广泛应用。

按此方式制成的电光调制器被广泛地应用于光通讯领域，成为当今信息社会不可或缺的一项技术。

在本实验中，我们采用对LN晶体横向施加电场的方式来研究LiNbO3晶体的电光效应。

其中，晶体被加工成5×

5×

30mm3的长条，光轴沿长轴通光方向，在两侧镀有导电电极，以便施加均匀的电场。

LN在自然状态下是一种比较典型的单轴晶体，具有很好的电光特性。

当我们对晶体施加电压时，材料中的极化情况发生变化，会产生出一个新的光轴，从而使晶体产生了一个附加的各向异性。

如果一束线偏振光通过这样一个晶体，让我们看一下在施加电压前后晶体对它有何影响：

在加压前晶体是一个单轴晶体，且光轴在长轴通光方向。

一束沿通光方向传播的线偏振光，将不会发生双折射现象，不会被分解成o光e光，当光穿过晶体离开时，其偏振态将不会发生变化，还是一个按原方向振动的线偏振光。

当我们在晶体两侧施加一定强度的电压后，由于分子的极化方向受电场影响发生了变化，并生成了一个新的附加光轴，使晶体由原来的单轴晶体变为双轴晶体，这时沿通光方向传播的光将不再与光轴平行，双折射现象将会发生，穿过晶体。

这将使经过的光的偏振态发生变化。

如果我们在晶体后放有一个检偏器，我们就会观察到在施加电场前后，通过检偏器的光强会有变化。

通过上面的分析我们看到，如果一束光通过一个由起偏器、LN晶体、检偏器组成的一个系统，我们就可以通过对LN晶体施加电压来改变系统的输出光强，从而实现对输出光强的控制。

如果这个电压是一系列电脉冲信号的话，则可实现了对光的调制。

晶体的电光调制正是基于这个原理。

三、实验仪器

1．光学实验导轨800mm1根

2．导轨滑块6个

3．二维可调半导体激光器650nm4mW1套

4．激光功率指示计1套

5．偏振片2套

6．1/4波片1套

7．三维可调电光晶体及附件1套

8．二维可调扩束镜1套

9．二维可调光电二极管探头1套

10．白屏1个

11.双踪示波器1台

12.音频信号源1个

四、实验内容与步骤

1、验证LN晶体在自然状态下的单轴晶体特性和施加电压后晶体变为双轴晶体的情况

为此，我们采用会聚偏振光的干涉图像来直观地对其进行观察。

实验步骤和光路如下：

1）将半导体激光器、起偏器、扩束镜、LN晶体、检偏器、白屏依次摆放，使扩束镜紧靠LN晶体

2）分别接连好半导体激光器电源（在激光功率指示计后面板上）和晶体驱动电源（千万不可插错位）将驱动电压旋钮逆时针旋至最低。

3）打开激光功率指示计电源，激光器亮。

调整激光器的方向和各附件的高低，使各光学元件尽量同轴且与光束垂直，旋转起偏器，使透过起偏器的光尽量强一些（因半导体激光器的输出光为部分偏振光）

4）观察白屏上的图案并转动检偏器观察图案的变化，应可观察到由十字亮线或暗线和环形线组成的图案。

这种图案是典型的会聚偏振光穿过单轴晶体后形成的干涉图案

5）打开晶体驱动电源，将状态开关打在直流状态，顺时针旋转电压调整旋钮，调高驱动电压，观察白屏上图案的变化。

将会观察到图案由一个中心分裂为两个心，这是典型的会聚偏振光经过双轴晶体时的干涉图案。

2、研究LN晶体的电光特性和特征参量

1）将上个实验中的扩束镜和LN晶体取下，使系统按激光器、起偏器、检偏器、白屏排列。

2）打开激光功率指示计电源，调整系统光路，使光学元件尽量与激光束等高、同轴、垂直。

3）旋转起偏器、使透过起偏器的光尽量强一些，旋转检偏器使白屏上的光点尽量弱。

这时起偏器与检偏器相互垂直，系统进入消光的状态。

4）将LN晶体放置于起偏器与检偏器之间，调整其高度和方向尽量使LN晶体与光束同轴、垂直。

5）将晶体驱动电源的电压调至最低，状态开关打到直流状态，观察白屏上的光斑亮度。

仔细调整LN晶体的角度和方位，尽量使白屏上的激光光斑最暗（理论上讲，LN晶体的加入应对系统的消光状态无影响，但由于LN晶体本身固有的缺陷和激光光束的品质问题，系统消光状态将会变化）。

6）取下白屏换上激光功率计探头，记下此时的光功率值Pmin

7）顺时针旋转电压调整旋钮，缓慢调高驱动电压，并记录下电压值和激光功率值，可每50V记录一次。

特别注意记录最大功率值Pmax和对应的电压值Vλ/2

8）根据上两步记录的数据，求出系统消光比

M=Pmax/Pmin和半波电压Vλ/2

画出电压与输出功率的对应曲线（可在全部实验结束后进行）。

9）取下LN晶体，旋转检偏器，记录下系统输出最大的光功率Po，计算LN晶体的透过率T=Pmax/Po

10）消光比M、透过率T、半波电压Vλ/2是表征电光晶体品质的三个重要特征参量。

3、研究静态工作点对调制波形的影响

通过上一个实验所绘制的曲线，我们看到电压与输出光强的关系并不是完全线性的，只是在二分之一Vλ/2处是近似线性的。

响应的非线性就会在调制时产生一个信号波形失真的问题，如果一个正弦驱动信号的静态工作点在0或Vλ/2处，还会出现信号倍频现象。

这就要求我们在使电光晶体工作时找到一个好的静态工作点，以使波形失真最小且最灵敏。

静态工作点的设置有多种方案，可以是电学的也可以是光学的。

以下实验是为了观察静态工作点对输出波形的影响，实验步骤与光路如下：

1）将上一个实验电路中的功率指示计探头取下，换上光电二极管探头，使系统光路按半导体激光器、起偏器、LN晶体、检偏器、光电二极管探头顺序排列。

2）将驱动信号波形插座和接受信号波形插座分别与双踪示波器CH1和CH2通道连接，光电二极管探头与信号输入插座连接。

3）将状态开关置于正弦波位置，幅度调节钮旋至最大。

4）示波器置于双踪同时显示，以驱动信号波形为触发信号，正弦波频率约为1KHZ。

5）旋转电压调节旋钮改变静态工作点，观察示波器上的波形变化。

特别注意，接收信号波形失真最小、接受信号幅度最大，出现倍频失真时的静态工作点电压。

对照上一个实验中的曲线图，理解静态工作点对调制波形的影响。

4、感性认识1/4波片对静态工作点的影响和作用

在起偏器与LN晶体间放入1/4波片。

分别将静态工作电压置于倍频失真点、接收信号波形失真最小、接收信号波形幅度最大点（参考上一步骤的参数），旋转λ/4波片，观察接收波形的变化情况，体会1/4波片对静态工作点的影响和作用。

5、感性认识光通信中的调制、传输、解调过程

音频信号的调制与传输。

将音频信号接入音频插座，状态开关置于音频状态。

观察示波器上的波形，打开后面的喇叭开关，监听音频调制与传输效果。

五、思考题

1．加直流电压前后屏上显现的晶体出射光强的变化，可判定晶体产生电光效应，其理由何在。

2．电光晶体调制器应满足什么条件方能使输出波形不失真？

实验二声光效应实验

1．观察声光相互作用现象。

2．知道布喇格衍射的实验条件和特点。

3．通过对声光器件衍射效率和带宽等的测量，加深对其概念的理解。

4．学会测量声光偏转和声光调制曲线。

二、实验原理

声波是一种弹性波（纵向应力波），在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。

超声场作用的这部分如同一个光学的“位相光栅”，该光栅间距（光栅常数）等于声波波长λs。

与普通光栅相比，其不同在于不存在不透光部分，每一部分都有光透过，但其折射率不同。

当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。

其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。

这就是声光效应。

早在上世纪30年代就开始了声光衍射的实验研究。

60年代激光器的问世为声光现象的研究提供了理想的光源，促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。

声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。

利用声光效应制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等，在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要的应用。

声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。

声驻波是由波长、振幅和相位相同，传播方向相反的两束声波叠加而成的。

当声波垂直入射到两种介质的分界面上时就会产生驻波。

假如分界面两边介质的声阻抗相差很大，则根据边界条件，在界面上有质点位移、振动速度

。

因而，在反射点处位移和速度的相位产生180°

的突变。

在界面处总是发生位移波节和声压波腹。

如由分界面两边介质的声阻抗相差不大的表面上反射时，声波的一部分能量转移到第二种介质中，反射的振幅小于发射的振幅。

这时，在第一种介质中发生驻波和行波的组合。

F-SG1080型声光效应实验仪由两部分构成，一是声光晶体：

声光晶体由压电换能器（X0˚切石英晶体）和声光互作用介质（ZF6）组成。

为了在声光介质中形成驻波，沿声传播方向上声光介质的两个面要严格平行，平行度要优于

压电换能器与声光介质焊接成一体。

二是驱动源：

驱动源是一个正弦波高频功率信号发生器。

驱动源提供的正弦高频功率信号（见图1），通过匹配网络加到压电换能器上，换能器发出的超声波沿

正方向传播，到达对面后，被全反射，反射波沿

负方向传播，声光介质中就如同存在两列频率相同，振幅相等沿相反方向传播的超声波。

图2所示就是这种波在十个彼此相等的瞬时间隔时的情况。

沿正

方向传播的发射波用虚线表示；

沿负

方向传播的反射波用实线表示；

它们的叠加用点划线表示。

不难看出，叠加波具有相同的波长，只是在空间不产生位移。

这种有两个彼此相对的行波组成的振动称为驻波。

在驻波中，彼此相距λs/2的各点完全不振动，这些点称为波节。

位于两波节中间的点是波腹，这些点上的振