光电技术_2011.doc

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1、光光 电电 技技 术术 湖北汽车工业学院湖北汽车工业学院 目目 录录 实验实验 1 1 TWYMAN-GREEN 干涉系统实验干涉系统实验1 实验实验 2 2 PSD 位置传感器实验位置传感器实验 10 实验实验 3 3 热释电远红外传感器辐射特性实验热释电远红外传感器辐射特性实验.12 实验实验 4 4 电光调制实验电光调制实验.13 实验实验 5 5 磁光效应实验磁光效应实验.18 实验实验 6 6 相关器研究及重要参数测量相关器研究及重要参数测量.24 实验实验 7 7 同步积分器的研究及其主要参数测量同步积分器的研究及其主要参数测量.32 实验实验 8 8 CCD 微机测径微机测径.4

2、1 实验实验 9 9 CCD 驱动电路和特性测试驱动电路和特性测试.47 实验实验 1010 光电倍增管参数测量光电倍增管参数测量.56 实验实验 1111 光电器件特性实验光电器件特性实验.60 实验实验 1212 光电透过率测量系统设计实验光电透过率测量系统设计实验.70 实验实验 1313 太阳能电池实验太阳能电池实验.75 实验实验 1414 液晶的电光特性实验液晶的电光特性实验.82 1 实验实验1 1 Twyman-Green 干涉系统实验 本实验采用CSY10L 激光多功能光电测试系统实验仪（Laser Universal Opto-Eletro Testing Systems）

3、，实验系统的光学原理如图1-1 所示： 图1-1 实验仪光学系统 1激光器 2,17衰减器 3,5,11定向孔 4,13移动反射镜 6,7,9,12反射镜 8,29物镜 10准直透镜 14分光 棱镜 15共焦显微镜 16多功能试件夹及组合工作台 18带压电陶瓷的组合工作台 19,27衍射试件夹 20成像透 镜 21目镜 22可调光阑 23光电接收器 24导轨 25,28直角棱镜 26傅氏透镜 30五维调节架 31光纤分束 器 32-光纤 33a外置式光纤传感器 33b内置式光纤传感器 34光纤夹持器 35备用试件 各种光学元件的切换与配置，组合成一种光学物理系统，实现定性观察与定量测试，最终由

4、光电接 收器23 接收，并将信号送入计算机，完成实验内容的显示与计算。 Twyman-Green 干涉系统光路：激光1 经衰减器2 调节光强，小孔3，5 定向，扩束镜8,10 扩束， 分光棱镜14 分光后，一路由工作台16 上试件返回，形成参考光(参考臂)，一路由工作台18 上试件返 回形成物光（测量臂），再返回分光镜14形成干涉场，经透镜20 成像（透镜21 选装），光阑22 滤波 （选装）后，在CMOS23上形成稳定干涉图样，由计算机程序实现实验显示与定量。 【实验目的实验目的】 1了解激光干涉测量的原理，了解激光干涉测量方法的优点和应用场合，掌握微米及亚微米量级 位移量的激光干涉测量方法

5、； 2了解激光干涉的近代方法数字干涉技术的原理和方法，了解数字干涉方法的特点及应用场 合，掌握干涉的实时检测技术； 3了解表面三维形貌的高精度实时测量原理，对评价指标PV，RMS 的定义有所掌握，实测一个 平面光学零件的表面形貌； 2 4了解光学系统波差的基本物理概念，掌握光学系统波差的激光干涉测量方法。 【实验仪器实验仪器】 CSY10L 激光多功能光电测试系统实验仪（一台），计算机（一台）。 【实验原理与内容实验原理与内容】 一、精密位移量的激光干涉测量 （一）原理 实验采用泰曼格林（Twyman-Green）干涉系统，T-G 干涉系统是著名的迈克尔逊白光干涉仪的 简化。用激光为光源，可获

6、得清晰、明亮的干涉条纹，其原理如图1-2 所示。 图 1-2 T-G 干涉系统 激光通过扩束准直系统 提供入射的平面波（平行光束）。设光轴方向为 Z 轴，则此平面波可用 1 L 下式表示： (1-1)( ) ikz U ZAe 式中A平面波的振幅，为波数，激光波长。2k 此平面波经半反射镜BS分为二束，一束经参考镜，反射后成为参考光束，其复振幅 用下式 1 M R U 表示： (1-2) () RR iZ RR UAe 式中参考光束的振幅，参考光束的位相，它由参考光程 决定。 R A RR Z R Z 另一束为透射光，经测量镜 反射，其复振幅，用下式表示： 2 M t U (1-3) () t

7、t iZ tt UA e 式中 测量光束的振幅，测量光束的位相，它由测量光程 决定。 t A tt Z t Z 此二束光在BS上相遇，由于激光的相干性，因而产生干涉条纹。干涉条纹的光强由下式决,I x y 定： (1-4) * ( , )I x yU U 式中， ，而，为， 的共轭波。 Rt UUU * Rt UUU * U * R U * t UU R U t U 当反射镜 与 彼此间有一交角2，并将式(1-2)，式(1-3)代入式(1-4)，且当较小，即 1 M 2 M 时，经简化可求得干涉条纹的光强为：sin (1-5) 0 ( , )2(1 cos2 )I x yIkl 3 式中激光光

8、强， 光程差，。 0 Il Rt lZZ 式(1-5)说明干涉条纹由光程差 及来调制。当为一常数时，干涉条纹的光强如图1-3 所示。当测l 量在空气中进行，且干涉臂光程不大，略去大气的影响，则 (1-6) 2 lN 因此，记录干涉条纹移动数，已知激光波长，由式(1-6)即可测量反射镜的位移量，或反射镜的轴向 变动量L。干涉条纹的计数，从图1-2 中知道，定位在BS 面上或无穷远上的干涉条纹由成像物镜L2 将条纹成在探测器上，实现计数。 图 1-3 干涉条纹 测量灵敏度为：当，则，（He-Ne 激光），则。1N 2l 0.63 m0.3lm 如果细分N，一般以1/10 细分为例，则干涉测量的最高

9、灵敏度为。0.03lm （二）内容 实验光路： 图 1-4 实验光路图 激光器1 发出的激光经衰减器2（用于调节激光强度）后由二个定向小孔3，5 引导，经反射镜6，7 进入扩束准直物 镜8，10（即图1-2中的L1），由分光镜14（即图1-2中BS）分成二束光，分别由反射镜16（即图1-2中的M1），18（M2） 反射形成干涉条纹并经成像物镜20（即图1-2 中L2）将条纹成于CMOS 23 上（即D），这样在计算机屏上就可看到干涉条 纹移动，调整PZT的电压，就可得到M2的一个微小位移，实现微位移的测量。 公共部分公共部分 1 开机，激光器1 迅速起辉，待光强稳定； 4 2 打开驱动电源开关

10、； 3 检查CMOS23上电信号灯亮否； 4 调整光路时若移开反射镜4，13，扩束激光；移入反射镜4，13，不扩束激光。 注：以下所有实验的开始部分均同公共部分注：以下所有实验的开始部分均同公共部分 本实验内容： 1 扩束； 2 在组合工作台16，18 上分别装平面反射镜，调节工作台16，18 上调平调向测微器，使二路反 射光较好重合（在成像物镜20 后焦面上，两反射光会聚的焦斑重合）； 3 打开计算机，然后微调工作台上测微器，在显示屏上看见干涉条纹； 4 调整CMOS 在轨道上的位置，使干涉条纹清晰，锁定23，再调节可调光阑22 孔径位置，滤除 分光镜寄生干涉光； 5 测量程序操作参见软件操

11、作说明书。 二、数字干涉测量 （一）原理 电子技术及计算机技术与传统的干涉检测方法相结合，就产生了一种新的位相检测技术数字干 涉技术，这是一种位相的实时检测技术。该方法不仅能实现干涉条纹的实时提取，而且可以利用波面数 据的存储功能消除干涉仪系统误差，消除或降低大气扰动及随机噪声，使干涉技术实现/100 的精度， 是目前干涉仪精度最高的近代方法。其原理如下图所示。 图 1-5 数字干涉系统 L1-准直物镜，L2-成像物镜，1-被测件，2-参考镜，3-压电器件（PZT），4-成像光电器件（CMOS） 图中的实验系统仍采用T-G 干涉仪，但参考镜2 由压电陶瓷PZT 驱动，产生位移。此位移的频率 与

12、移动量由计算机控制。设参考镜的瞬时位移为，被测表面的形貌（面形）为，则参考光 i l( , )w x y 路和测试光路可分别用下式表示： (1-7)exp 2 () Ri Uai k sl (1-8)exp 2 ( , ) t Ubi k sw x y 式中a,b 为光振幅常数。 5 参考光与测试光相干产生干涉条纹，其瞬时光强由式(1-7)与式(1-8)，可得： (1-9)( , , )1cos2 ( , ) i I x y lirk w x yl 式中是干涉条纹的对比度。 22 2()rab ab 式（1-9）说明，干涉场中任意一点的光强都是的余弦函数。由于随时间变化，因此式(1-9)的 i

13、 l i l 光强是一个时间周期函数，可用傅里叶级数展开。设r=1，则 (1-10) 011 ( , , )cos2sin2 iii I x y laaklbkl 式中：， 22 0 aab 1 2cos2( , )aabkw x y 1 2sin2( , )bablw x y 由三角函数的正交性，可求出Fourier 级数的各个系数，即 (1-11) 0 1 1 1 1 1 2 ( , , ) 2 ( , , )cos2 2 ( , , )sin2 n i i n ii i n ii i aI x y l n aI x y lkl n bI x y lkl n 而求得被测波面，由下式给出：

14、(1-12) 11 11 1 1 2 ( , , )sin2 11 ( , ) 222 ( , , )cos2 n ii i n ii i I x y lkl bn w x ytgtg kak I x y lkl n 式中，2 i lin 0,1,2,3i 为降低噪声，提高测量精度，可用P个周期进行驱动扫描，测量数据作累加平均，即 (1-13) 1 1 1 2 ( , , )sin2 1 ( , ) 22 ( , , )cos2 np ii i np ii i I x y lkl n w x ytg k I x y lkl n 式(1-13)说明孔径内任意一点的位相可由该点上的个光强的采样值计

15、算出来，因此，可获得整np 个孔径上的位相。除实现自动检测外，还可以测定被测件的三维形貌。 （二）内容 1. 扩束； 2调节工作台18 上的测微螺杆并启动压电晶体工作电源，使反射镜产生轴向位移，在计算机上看 到条纹平移； 3调整CMOS23 在轨道上的位置，使干涉条纹清晰，锁定23； 4调节可调光阑22 孔径位置，滤除寄生干涉光； 5测量程序操作参见软件操作说明书。 6 三、面形的三维干涉测量及评价（PV 值与RMS 值） （一）原理 本实验采用数字干涉测量原理进行，本实验与实验二的不同是测量中采用了扫描技术， 因而可以实现面形的三维测量。高精度光学平面零件的面形精度可用下列二个评价指标，如下

16、图所 示。 1 PV 值是表面形貌的最大峰谷值 2 RMS 值是表面形貌的均方根值，RMS 的定义是： 2 1 RMS N 式中，为单次测量值，为重复测定次数。 i xT i x i x T N N 图1-6 面形精度的评价 （二）内容 1 扩束； 2 调整CMOS23 在轨道上的位置，使干涉条纹清晰，锁定23； 3 调节可调光阑22 孔径位置，滤除寄生干涉光； 4 测量程序操作见软件操作说明书； 四、光学系统的波差测量。 （一）原理 如果光学系统存在像差，其出瞳平面上的光振动的位相分布与理想球面波所对应的位相分布将存在 差异，用函数来表示，并且可以写成( , )x y (1-14)( , )

17、( , )x ykW x y 式中， k 是波数（ ， 为光波长），W(x, y) 即代表实际波面和理想球面波波面2 /k 之间的偏差，称为波差。波差是光学系统成像质量的主要评价指标，测量出光学系统的波差就知道光学 系统的成像好坏。 光学系统波差可利用激光干涉方法进行测量。本实验以泰曼格林（Twyman-Green）干涉系统为 基础，使经过被测光学系统后的实际波面和干涉仪给出的标准波面（参考波面）干涉，对干涉图进行数 字处理，就能确定实际波面的形状和波差的大小。 7 图1-7 测量光学系统波差的干涉测量系统 光路原理如图1-7 所示，经扩束准直后的平面波通过半反射镜BS 分为两束，一束经标准参

18、考镜 反射后成为参考光束，另一束经被测光学系统会聚其焦点处，当该焦点与标准平面镜完全重合 1 M 2 M 时，所会聚的光束将原路返回，再次经过光学系统后成为被检光束。若不考虑标准参考镜和标准平面镜 等系统误差，参考波面和被检波面可分别表示为 (1-15)exp 2 R Uai kl (1-16)exp 2( , ) t Ubi kW x y 式中，a 和b 分别表示两个波面的振幅；k 为波数；l 为参考光程；W(x, y) 为光学系统的波差。 两光束所形成的干涉图可通过透镜L2 会聚由CCD 接收，利用数字干涉测量技术可实现波差的数 字求解，具体方法是：通过压电晶体驱动参考镜实现位相调制，当参

19、考镜移动步，每步移动量为 1 Mn 时，根据每一步所对应的干涉图分布： ，可求得被测光2n, , i I x y l2,1,2, i ln i in 学系统的波差 (1-17) 1 ( , , )sin(2)1 ( , ) 2( , , )cos(2) ii ii i x y lkl W x ytg kI x y lkl 与面形处理一样，结果以三维立体图，等高图显示，数据有波峰波谷值（PV）,均方根值 （RMS）和最大面形误差（Em）。 （二）内容 1. 调整扩束系统的物镜和透镜，使激光平行入射到分光棱镜14；并调整分光棱镜14的位置，使参 考光束严格偏转90 度。 2. 调整参考镜的倾斜量，

20、使参考光束进入到CMOS 的靶面内。 3. 将被测光学系统（10 倍物镜）放入到测量臂中，调整光学系统和标准平面镜之间的位置，使10 倍物镜的焦点落在平面镜表面。在实验中可用一张开一个小孔的绘图纸，将该绘图纸放在光学系统的焦 平面上，并使小孔与焦点重合。然后寻找焦点经平面镜反射后所形成的光点，调整平面镜的倾斜和轴向 距离，使反射光点落入到小孔内。 4. 微调平面镜的倾斜量，使被测光束进入CMOS 的靶面内并于参考光束重合，形成干涉条纹。 8 5. 运行干涉图的干涉处理软件，进入【实时采样】对话框，按【采样】按钮可使计算机自动驱动 压电晶体（PZT）进行条纹扫描和图象采集工作，并完成波差计算。通

21、过波面显示（三维立体显示、等 高图）观察波面形状及数据。 【数据处理数据处理】 表1:(其中)632.8nm 序号驱动位移量（L）条纹数（N） 测量位移量(2)N （L） 备注 表2:（被测工件：平面镜） 序号PVRMSEM等高图（凹或凸） 1 2 3 4 表3：被测透镜摘要： 序号RMSPV 1 2 3 平均 【思考题思考题】 1. 干涉测量的优点是什么？写出几个你了解的应用场合。 2在数字干涉测量中，采用下列方法可以提高测量精度吗? a. 增加一个周期内的台阶数(n) b. 增加扫描的周期数(p) 3为什么说数字干涉测量可以消除干涉仪自身的系统误差，而普通干涉仪则不可能，只能靠加工 水平来

22、保证？ 4光圈数N，局部光圈数N，最大面形误差EM 的物理意义以及与PV，RMS 的大致关系。 5波差代表什么？测量波差有什么意义？ （陈伟 编） 9 实验实验 2 2 PSD 位置传感器实验位置传感器实验 【实验目的实验目的】 1了解PSD器件工作原理。 2了解PSD器件对入射光强度改变的反应及光点大小对光生电流的影响。 【实验仪器实验仪器】 PSD基座(器件已装在基座上)、固体激光器、反射体、PSD处理电路单元、电压表、示波器 【实验原理实验原理】 PSD(position sensitive detector)是一种新型的横向光 电效应器件,当入射光点照在器件光敏面上时,激发光生 载流子

23、而产生电流，光生电流的大小与光点的大小无I 关,只和光点在器件上的位置有关系。当光点位于器件中 点(原点)时,光生电流，根据这一原理,将PSD器 12 II 件两极电流、变换成电压信号后再进行差分运算即 1 I 2 I 可知道光点的位置。PSD器件工作原理见图(2-1)。 【实验内容实验内容】 1.通过基座上端圆形观察孔观察 PSD 器件及在基 座上的安装位置,连接好 PSD 器件与处理电路,开启仪器电源,输出端 Vo 接电压表,此时因无光源照射, PSD 前聚焦透镜也无因光照射而形成的光点照射在 PSD 器件上,Vo 输出的为环境光的噪声电压,试用一 块遮光片将观察圆孔盖上,观察光噪声对输出

24、电压的变化。 2.将激光器插头插入“激光电源”插口，激光器安装在基座圆孔中并固定。注意激光束照射到反 射面上时的情况，光束应与反射面垂直。旋转激光器角度，调节激光光点， （必要时也可调节 PSD 前的 透镜）使光点尽可能集中在器件上。 3.仔细调节位移平台，用电压表观察输出电压 VO的变化，当输出为零时，再分别测两路信号电 压输出端 VO1、VO2的电压值，此时两个信号电压应是基本一致的。 4.从原点开始，位移平台分别向前和向后位移,因为 PSD 器件对光点位置的变化非常敏感，故每 次螺旋测微仪旋转 5 格（1/10mm）,并将位移值（mm）与输出电压值（V0）记录列表，作出 V/X 曲线，

25、求出灵敏度 S，SV/X。根据曲线分析其线性。 5.在前几步的基础上调整位移平台前后位置，使光点在平台位移时均能照在 PSD 器件的光敏面 上，如位移范围不够则可将激光器在激光器座中的位置前后作些调整。 6.开启激光电源，记录下光点位移时 VO端的最大输出值。 7.保持单元电路增益不变，将光源更换成激光教鞭或聚光小灯泡，记录下不同光源照射时输出端 的最大 VO值。 8.调节 PSD 入射光聚焦透镜（或激光器调焦透镜） ，使光斑放大，依次重复步骤 5、6，观察输出 电压的变化。 9.根据实验结果作出 PSD 器件光电特性的定性结论。 图 2-1 PSD 光电位置敏感 器件原理图 10 【数据处理

26、数据处理】 位移 电压 【注意事项注意事项】 实验中所用的固体激光器光点可调节，实验时请注意光束不要直接照射眼睛，否则有可能对视力造 成不可恢复的损伤。每一支激光器的光点和光强都略有差异，所以对同一 PSD 器件，光源不同时光生 电流的大小也是不一样的。实验时背景光的影响也不可忽视，尤其是采用日光灯照明时，或是仪器周围 有物体移动造成光线反射发生变化时，都会造成 PSD 光生电流改变，致使单元 V0输出端电压产生跳变， 这不是仪器的毛病。如实验时电压信号输出较小，则可调节一下激光器照射角度，使输出达到最大。 （陈伟 编） 11 实验实验 3 3 热释电远红外传感器辐射特性实验热释电远红外传感器

27、辐射特性实验 【实验目的实验目的】 1. 掌握热释电红外传感器的工作原理。 2. 掌握热释电红外传感器的辐射特性。 【实验仪器实验仪器】 热释电红外传感器、慢速电机、热释电红外探测电路单元、电加热器、菲涅尔透镜、电压表 【实验原理实验原理】 热释电红外传感器的具体结构和内部电路如图(3-1)所示，主要由 滤光片、PZT热电元件、结型场效应管FET及电阻、二极管组成。其中 滤光片的光谱特性决定了热释电传感器的工作范围。本仪器所用的滤 光片对5以下的光具有高反射率，而对于从人体发出的红外热源则m 有高穿透性，传感器接收到红外能量信号后实现了“热-电”的转变， 就有电压信号输出。 【实验内容实验内容

28、】 1.将菲涅尔透镜装在热释电红外传感器探头上,探头方向对准慢 速电机支座下透孔前的热源方向,按图标符号将传感器接入处理电路，接好发光二极管（显示实验单元 工作状态） 。开启电源,待电路输出稳定后开启热源,同时将慢速电机叶片拨开不使其挡住热源透射孔。 2.随着热源温度缓慢上升,观察热释电红外传感器的 Vo 端输出电压变化情况。可以看出传感器并 不因为热源温度上升而有所反应。 3.开启慢速电机,调节转速旋钮,使电机叶片转速尽量慢,不断地将透热孔开启遮挡。此时用电 压表或示波器观察输出电压端 Vo 就会发现输出电压也随之变化。当达到告警电压时,则发光管闪亮。 4.将传感器的安装方向调整 180面对

29、仪器前实验者，连接传感器探头与处理电路,输出端 Vo 接 电压表。 5.开启电源,待电路稳定后,实验者从探头前经过,移动速度从慢到快,距离从近到远,观察传感器的 反应，记录下传感器最大探测距离。 6.在探头前装上菲涅尔透镜,重复步骤 5,并尝试在探头的不同视场范围进入,记录下装透镜后最大 的探测距离和探测角度。加深对菲涅尔透镜作用的了解（实际应用中，菲涅尔透镜是必需的） 。 【思考题思考题】 逐步提高电机转速,当电机转速加快,叶片断续热源的频率增高到一定程度时,传感器又会出现无反应 的情况，请分析这是什么原因造成的？(可结合热释电红外传感器工作电路原理分析)。 （陈伟 编） 图 3-1 热释电

30、红外传 感器结构原理图 12 实验实验 4 4 电光调制实验电光调制实验 【实验目的实验目的】 1了解电光效应的原理； 2掌握电光调制的方法； 3了解电光调制的优点和应用领域。 【实验仪器实验仪器】 DGT-1型电光调制实验仪 【实验原理实验原理】 某些晶体在外加电场的作用下，其折射率随外加电场的改变而发生变化的现象称为电光效应，利用 这一效应可以对透过介质的光束进行幅度、相位或频率的调制，构成电光调制器。电光效应分为两种类 型： 1.一级电光（泡克尔斯Pockels）效应，介质折射率变化正比于电场强度。 2.二级电光（克尔Kerr）效应，介质折射率变化与电场强度的平方成正比。 本实验使用铌酸

31、锂（）晶体作电光介质，组成横向调制（外加电场与光传播方向垂直）的 3 LiNbO 一级电光效应。 图4-1 横向电光效应示意图 如图4-1所示，入射光方向平行于晶体光轴（Z轴方向），在平行于X轴的外加电场（E）作用下，晶 体的主轴X轴和Y轴绕Z轴旋转45，形成新的主轴X轴Y轴（Z轴不变），它们的感生折射率差为 ，它正比于所施加的电场强度E：n 3 0 nn rE 式中r为与晶体结构及温度有关的参量，称为电光系数。为晶体对寻常光的折射率。 0 n 当一束线偏振光从长度 、厚度为的晶体中出射时，由于晶体折射率的差异而使光波经晶体后出ld 射光的两振动分量会产生附加的相位差，它是外加电场E的函数：

32、（4-1） 33 00 222 ( ) l nln rEn rU d 式中为入射光波的波长。 同时为测量方便起见，电场强度用晶体两面极间的电压来表示，即。UEd 13 当相差时，所加电压 （4-2） 3 0 2 l UU n r d 称为半波电压，它是一个用以表征电光调制电压对相差影响的重要物理量。由（4-2）式可见，U 半波电压决定于入射光的波长、晶体材料和它的几何尺寸。由（4-1）、（4-2）式可得：U （4-3） 0 ( ) U U U 式中为时的相差值，它与晶体材料和切割的方式有关，对加工良好的纯净晶体而言。 0 0U 0 0 图4-2 电光调制器工作原理 由激光器发出的激光经起偏器P

33、后只透射光波中平行其透振方向的振动分量，当该偏振光垂直于 P I 电光晶体的通光表面入射时，如将光束分解成两个线偏振光，经过晶体后其X分量与Y分量的相差为 ，然后光束再经检偏器A，产生光强为的出射光。当起偏器与检偏器的光轴正交（AP）时，( )U A I 根据偏振原理可求得输出光强为： （4-4） 22 ( ) sin (2 )sin 2 AP U II 式中，为P与X两光轴间的夹角。 Px 若取45，这时U对的调制作用最大，并且 A I （4-5） 2 ( ) sin 2 AP U II 再由（4-3）式可得 (4-6) 2 sin ()() 2 AP U II U 于是可画出输出光强与相差

34、（或外加电压U）的关系曲线，即或如下： A I( ) A IU: A IU: 14 图4-3 光强与相差（或电压）间的关系 由此可见：当（或）（）时，；当( )2Uk2UkU0, 1, 2,.k 0 A I （或）时，；当为其它值时，在之间变化。( )21Uk(21)UkU AP II( )U A I0 P I: 由于晶体受材料的缺陷和加工工艺的限制，光束通过晶体时还会受晶体的吸收和散射，使两振动分 量传播方向不完全重合，出射光截面也就不能重叠起来。 于是，即使在两偏振光处于正交状态，且在45的条件下，当外加电压时， Px 0U 透射光强却不为0，即；当时，透射光强也不为，即。 min 0 A

35、 IIUU P I maxAP III 由此需要引入另外两个特征参量：消光比及透射率，其中为移去电 maxmin MII max0 TII 0 I 光晶体后转动检偏器A得到的输出光强最大值。M愈大，T愈接近于1，表示晶体的电光性能愈佳。半波 电压、消光比M，透光率T是表征电光介质品质的三个特征参量。U 从图4-3可见，相差在（或）附近时，光强与相差（或电压U）呈线性关系，22UU A I 故从调制的实际意义上来说，电光调制器的工作点通常就选在该处附近。图4-4为外加偏置直流电压与 交变电信号时光强调制的输出波形图。 图4-4 选择不同工作点时的输出波形 由图4-4可见：选择工作点()，输出波形

36、最大且不失真；选择工作点()或(2UU0U )，输出波形小且严重失真，同时输出信号的频率为调制频率的两倍。UU 工作点的偏置可通过在光路中插入一个波片其透光轴平行于电光晶体X轴（相当于附加一个固4 定相差）作为“光偏置”。但也可以加直流电压来实现。2 【实验内容实验内容】 15 (一)实验前的准备 电光调制实验系统如图4-5所示： 图4-5 电光调制实验系统结构 1. 按图4-5的结构图先在光具座上垂直放置好激光器和光电接收器。 2. 按系统连接方法将激光器、电光调制器、光电接收器等器件连接到位。（预先将光敏接收孔盖 上） 3. 光路准直：打开激光电源，调节激光电位器使激光束足够强。准直调整时

37、先将激光器沿导轨推 近接收器，调节激光器架上的三只夹持螺钉使激光束基本保持水平，并使激光束的光点落在接收器的塑 盖中心点上，然后将激光器远离接收器(移至导轨的另一端)；再次调节后面的夹持螺钉，使光点仍保持 在塑盖中心点上，此后激光器与接收器的位置不宜再动。 4. 插入起偏器（P），调节起偏器的镜片架转角，使其透光轴与垂直方向成角45 P （）。0 x 5. 将调制监视与解调监视输出分别与双踪示波器的Y、Y输入相连，打开主控单元的电源，此 时在接收器塑盖中心点应出现光点（去除盖子则光强指示表应有读数）。插入检偏器（A）转动检偏器， 使激光点消失，光强指示近于0，表示此时检偏器与起偏器的光轴已处于

38、正交状态（），即PA =45。 A 6. 使电光晶体按标记线向上插入镜片架中，并用两螺丝钉将定位压环予以固定，然后将镜片架插 入光具座，旋转镜片架至0刻度线即可使晶体的X轴处在铅直方向，再适当调节光源位置，务使激光束 正射透过，这时=45，此时光强应近于0（或最小）。如不为0，可调节激光电位器使其近于 Px 0。 7. 去除接收孔塑盖，打开主控单元的晶体偏压电源开关，稍加偏压，偏压指示表与光强指示表均 呈现一定值。 8. 必要时插入调节光强大小用的减光器和作为光偏置的波片构成完整的光路系统。 1 P4 (二)观察电光调制现象 1. 改变晶体偏压，观察输出光强指示的变化。 2. 改变晶体极性，观

39、察输出光强指示的变化。 3. 打开调制加载开关，适当调节调制幅度，使双踪示波器上呈现调制信号（Y）与解调输出波形 16 （Y）。 4. 插入波片，并使其光轴平行于晶体X轴（相当于加有“光偏置”）观察光电调制现象。4 2 P (三)测量电光调制特性 1. 作特性曲线 将直流偏压加载到晶体上，从0到允许的最大正（负）偏压值逐渐改变电压（U），测出对应于每 一偏压指示值的相对光强指示值，作曲线，得调制器静态特性。其中光电流有极大值和极 A IU: max I 小值。 min I 2. 测半波电压 与对应的偏压U即为被测的半波电压值。 max IU 3. 计算电光晶体的消光比和透光率 由光电流的极大值

40、、极小值得： 消光比 maxmin MII 将电光晶体从光路中取出，旋转检偏器A，测出最大光强值，可计算： 0 I 透射率 max0 TII 4. 电光调制与光通讯实验演示 将音频信号（来自广播收音机、录音机、CD机等音源）输入到本机的“外调输入”插座，将扬声器 插入“调制输出”插座，加晶体偏压至调制特性曲线的线性区域，适当调节调制幅度与解调幅度，即可 使扬声器播放出音响节目（示波器也可同时监视）。改变偏压试听扬声器音量与音质的变化。 【注意事项注意事项】 1.为防止强激光束长时间照射而导致光敏管疲劳或损坏，调节或使用好后应随即用塑盖将光电接 收孔盖好。 2.本实验使用的晶体根据其绝缘性能最大

41、安全电压约为 510V 左右，超值易损坏晶体。 3.加偏压时应从 0V 起逐渐缓慢增加至最大值，反极性时也应先退回到 0 值后再升压。 4.调节过程中应避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。 （陈伟 编） 17 实验实验 5 5 磁光效应实验磁光效应实验 【实验目的实验目的】 1了解磁光效应（磁旋转法拉第效应）； 2掌握磁旋转规律及应用。 【实验仪器实验仪器】 CGT1 型磁光调制实验仪 【实验原理实验原理】 1、 磁光效应 当平面偏振光穿透某种介质时，若在沿平行于光的传播方向施加一磁场，光波的偏振面会发生旋转， 实验表明其旋转角正比于外加的磁场强度，这种现象称为法拉第（Faraday）效应，

42、也称磁致旋光B 效应，简称磁光效应，即： (5-1)vlB 式中 l 为光波在介质中的路径，为表征磁致旋光效应特征的比例系数，称为维尔德（Verdet）常数。 由于磁致旋光的偏振方向会使反射光引起的旋角加倍，而与光的传播方向无关，利用这一特性在激 光技术中可制成具有光调制、光开关、光隔离、光偏转等功能性磁光器件，其中磁光调制为其最典型的 一种。 如图 5-1 所示，在磁光介质的外围加一个励磁线圈就构成基本的磁光调制器件。 图 5-1 磁光效应示意图 2、直流磁光调制 当线偏振光平行于外磁场入射磁光介质的表面时，偏振光的光强 I 可以分解成如图 5-2 所示的左旋 圆偏振光 IL和右旋圆偏振光

43、IR（两者旋转方向相反） 。由于介质对两者具有不同的折射率 nL和 nR，当它 们穿过厚度为 l 的介质后分别产生不同的相位差，体现在角位移上有： lnL L 2 lnR R 2 式中 为光波波长。 因，所以： RL 18 (5- 2 ) lnn RLRL 2 2 1 如折射率差正比于磁场强度 B，即可得（1）式，并由值与测得的 B 与 l 求出维尔德常 RL nn 数。 图 5-2 入射光偏振面的旋转运动 1、 交流磁光调制 用一交流电信号对励磁线圈进行激励，使其对介质产生一交变磁场，就组成了交流（信号）磁光调 制器（此时的励磁线圈称为调制线圈） ，在线圈未通电流并且不计光损耗的情况下，设起

44、偏器 P 的线偏 振光振幅为 A0，则 A0可分解为及两垂直分量，其中只有平行于 P 平面的分 0cos A 0sin A 0cos A 量才能通过检偏器，故有输出光强 （马吕斯定律） 2 0 2 0 cos)cos(IAI 其中为其振幅，为起偏器 P 与检偏器 A 主截面之间的夹角。 2 00 AI 当线圈通以交流电信号时，设调制线圈产生的磁场为，则介质相应地会 0sin iit 0sin BBt 产生旋转角，则从检偏器输出的光强为： 0sin t （5-3）)sin(2cos1 2 )(2cos1 2 )(cos 0 00 2 0 t II II 由此可知光输出可以是调制波的倍频信号。 以

45、上就是电信号致使入射光旋光角变化从而完成对输出光强调制的基本原理。 4、磁光调制的基本参量 磁光调制的性能主要由以下两个基本参量来描述。 （1）调制深度 （5-4） minmax minmax II II 式中 Imax和 Imin分别为调制输出光强的最大值和最小值，在的条件下，参照图 5-302 应用倍角公式，由（5-3）式得到在时的输出光强分别为： )(2cos1 2 0 max I I 19 （5-5）)(2cos1 2 0 min I I 图 5-3 调制光强幅度随旋光角变化的情况 （2）调制角幅度 0 令为光强调制幅度，将（5-5）式代入化简得 minmax IIIA 2sin2si

46、n 0 IIA 由此可见，若起偏器 P 与检偏器 A 主截面间夹角时，调制幅度可达最大值 45 。2sin 0max IIA 此时调制输出的极值光强为： )2sin1 ( 2 0 max I I （5-6）)2sin1 ( 2 0 min I I 将此式代入（5-4）式得时的调制深度和调制角幅度： 45 sin2 （5-7） minmax minmax 1 0 sin 2 1 II II 【实验内容实验内容】 （一）（一）实验实验前的准前的准备备 1按图 5-4（或图 5-5）组成实验系统，首先在光具座的滑座上放置好激光器和光电接收器（通常 光电接收器位于光具座右侧末端） 。 2参照图 5-4

47、 的实验系统，按系统连接方法将激光器、铽玻璃介质磁光调制器以及与检偏器一体 的光电接收器等组件连接到位。检偏器的两刻度盘均预置在 0 位（参见图 5-6） 。 3光路准直：打开电源开关，接通激光器电源，点亮激光器，调节激光器尾部的旋钮，使激光器 达足够光强。将激光器推近光电接收器，调节激光器架的前后各三只夹持螺钉，使激光器基本与光具座 导轨平行并使激光束落在接收部件塑盖的中心点上。然后将激光器远离（移至导轨的另一端） ，再次微 调后侧的夹持螺钉，务使光点仍落在塑盖的中心位置上。调准激光器与接收器的位置后不必再动。 4用所给的电缆线分别将“调制监视”与“解调监视”插座与双踪示波器的 Y与 Y的输入端相连。 20 图 5-4 系统实验测试 1 图 5-5 系统实验测试 2 图 5-6 检偏与光电接收组件 21 5插入起偏器（P2） ，移去接收单元塑盖时，接收光强指示应呈现读数；调节起偏器，使光强指示 器近于 0，表示检偏器与起偏器的光轴