光學綜合實驗報告要點

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1、光學綜合實驗報告 班級: 姓名: 學號: 日期: 序號 實驗項目 課時 實驗儀器（臺套數） 房間 指導教師 1 焦距測量 （分別在焦距儀和光學平臺上測 量） 4 焦距儀（3-4 ）、 光學平臺及配件（1-2） 西北 付輝、樊宏 2 典型成像系統(tǒng)的組建和分析 （在光學平臺上搭建顯微鏡、望遠 鏡、投影儀） 4 光學平臺及配件（1-2） 東南 付輝、樊宏 3 典型成像系統(tǒng)的使用 （使用商用典型成像系統(tǒng)） 4 顯微鏡（3）、望遠鏡（3）、 水準儀（2） 東南 付輝、樊宏 4 分光計的使用 （含調整、測量角度和聲速） 4

2、 分光計（3-4 ）、超聲光柵 （2） 東南 付輝、樊宏 5 棱鏡耦合法測波導參數 4 棱鏡波導實驗儀（2） 西南 郎賢禮、李建全 6 半導體激光器的光學特性測試 4 半導體激光器實驗儀（2） 西南 郎賢禮、李建全 7 電光調制 4 電光調制儀（2） 西南 郎賢禮、李建全 8 法拉第效應測試 4 法拉第效應測試儀（2） 東北 郎賢禮、李建全 9 聲光調制 4 聲光調制儀（2） 西南 郎賢禮、李建全 10 干涉、衍射和頻譜分析 4 光學平臺（1-2） 東北 」蘇紅、劉志健 11 邁克爾遜干涉儀 4 邁克爾遜

3、干涉儀（4） 東北 」蘇紅、劉志健 12 氮抗激光器綜合實驗 4 氮抗激光器綜合實驗儀 （3-4） 西南 西北 」蘇紅、劉志健 13 光學仿真實驗 4 計算機（2） 東南 」蘇紅、劉志健 實驗時間安排： 12月23或24日晚開始（具體時間屆時通知）。每晚（7: 00-10 : 30）;前四日輪流進行，每次一個半班。 第5天后不分班。大約開放 12-14個晚上。 每位同學的實驗項目不少于八個。 實驗報告內容： 內容：1、實驗現象和數據的記錄； 2、現象分析、數據計算和實驗總結。 （手寫或計算機編輯不限）。 上交：實驗結束后十天內由班長收集上交給教師劉志健

4、。 考試： 實驗結束后的一至三天。類型為簡答題。 成績：實驗表現（30） +實驗報告（30） +考試成績（40） 目錄 1、 焦距測量 4 2、 典型成像系統(tǒng)的組建和分析 7 3、 典型成像系統(tǒng)的使用 10 4、 分光計的使用 10 5、 棱鏡耦合法測波導參數 14 6、 半導體激光器的光學特性測試 22 7、 電光調制 29 8、 法拉第效應測試 38 9、 聲光調制 46 10、干涉、衍射和頻譜分析 47 11、邁克爾遜干涉儀 58 12、氨覆激光器綜合實驗 63 97 13、光學仿真實驗 本次所選做九個實驗依次為： 13光學仿真 1 .

5、焦距測量 2 .典型成像系統(tǒng)的組建和分析 3 .典型成像系統(tǒng)的使用 4 .分光計的使用 5 .棱鏡耦合法測波導參數 6 .半導體激光器的光學特性測試 7 . 電光調制 9 .聲光調制 11 .邁克爾遜干涉儀 實驗一光學仿真 在計算機上進行了偏振光研究。 具體的實驗內容如下： 內容一：起偏 內容二：消光 內容三：三塊偏振片的實驗 內容四：圓偏光和橢圓偏振光的產生 內容五：區(qū)分圓偏振光與自然光；橢圓偏振光與部分偏振光 個人總結：利用偏振片和波片區(qū)分各光源 首先，讓它們分別通過一個檢偏器，并將檢偏器繞光傳播方向旋轉一周，根據現象做 如下分析： (1)若出現2個

6、完全消光的位置，則為線偏振光 (2)若光強五變化，則可能是自然光和或圓偏振光 (3)若光強有變化，但無消光位置，則為部分偏振光或橢圓偏振光 (4)針對(2) (3)進一步區(qū)分，在檢偏器前加一塊 1/4波片。此時再旋轉檢偏器 (5)若光強無變化，則入射光為自然光；若出現 2個完全消光的位置，則為圓偏振光 (6)當波片光軸與與檢偏器透振軸方向平行式，如果出現 2個完全消光的位置，則入 射光為圓偏振光；若沒有消光位置，則為部分偏振光。 實驗二焦距測量 (一)用自準法和位移法測透鏡焦距 1：用自準法測薄凸透鏡焦距 ［實驗裝置］ 1、帶有毛玻璃白熾燈光源 S; 2、品字型物

7、像屏 P: SZ-14; 3、凸透鏡L: f , =190mm 4、 二維調整架：SZ-07; 5、平面反射鏡 M 6、三維調整架：SZ-16; 7、二維底座：SZ-02; 8、三維底座：SZ-01; 9、底座：SZ-04; 10、底座：SZ-04; ［實驗步驟］ 1、把全部器件夾好靠在標尺上，靠攏，調至共軸。 2、前后移動L,使在P屏上成一清晰的品字形像。 3、調M的傾角，使P屏上的像與物重合。 4、再前后微動L,使P上的像既清晰又與物同大小。 5、分別記下P和L的位置a1、a2。 6、把P和L都轉180。，重復做前四步。 7、再記下P和L新的位置bl、b2。 數據的記錄和

8、計算 fa=a2-a1 fb=b2-b1 被測透鏡焦距：f = (fa+ fb ) /2 al a2 b1 b2 52.3 73.2 52.3 67.4 fa 20.9 fb 15.1 f 18 單位：cm 實驗現象 前后移動L,在P屏上成一清晰的品字形像。 調M的傾角，P屏上的像與物重合。 再前后微動L, P上的像既清晰又與物同大小 2 、用位移法測凸透鏡焦距 ［實驗裝置簡圖］ 1、帶有毛玻璃白熾燈光源 S; 2、品字型物像屏 P: SZ-14; 3、凸透鏡L: f , =190mm 4、 二維調整架：SZ-07;

9、 5、白屏：SZ-13; 6、三維底座：SZ-01; 7、二維底座：SZ-02; 8、 三維底座：SZ-01 ; 9、底座：SZ-04 ; ［實驗步驟］ 1、把全部器件夾好，放在標尺導軌上，靠攏，目測調至共軸 2 、沿導軌前后移動 L,使品型物在屏 H上成一清晰的放大像，記下 L的位置al 3 、在沿導軌向后移動 L,使物在屏H上成一縮小像，記下 L的位置a2 4 、將P、L、H轉180。，重復做前三步，又得到 L的兩個位置bl、b2 數據的記錄和計算 fa , = (A2-da2) /4A fb , = (A2- db2 ) /4A 透鏡焦距：f , = (fa , +

10、fb ,) /2 al a2 b1 b2 52.3 73.2 52.3 67.4 fa 20.9 fb 15.1 f 18 單位：cm 實驗現象 沿導軌前后移動L,在品型物在屏 H上成一清晰的放大像。 在沿導軌向后移動 L,從而物在屏 H上成一縮小像。 實驗總結 1、不能用手摸透鏡的光學面。 2、透鏡不用時，應將其放在光具座的另一端，不能放在桌面上，避免摔壞。 3、區(qū)分物光經凸透鏡內表面和平面鏡反射后所成的像，前者不隨平面鏡轉動而 后者移動。 4、由于人眼對成像的清晰度分辨能力有限，所以觀察到的像在一定范圍內都清 晰，加之球差的影響，清晰

11、成像位置會偏離高斯像。為使兩者接近，減小誤差，記錄 數值時應使用左右逼近的方法。 5、物距像距法測凹透鏡焦距時不能找到像最清晰的位置，可能是： (1)輔助凸透鏡產生的像是放大的實像。 (2)輔助凸透鏡與物的距離遠大于凸透鏡的二倍焦距。 6、二種方法測量凸透鏡的焦距，從理論上講物像法最小、自 準法誤差最大，但自準法測量最簡單，常用做粗測。物像法測量時，物距和相距相等 實驗三典型成像系統(tǒng)的組建和分析 自組顯微鏡 數據的記錄和計算 顯微鏡放大率的測量值： M=100/ a 顯微鏡放大率的計算值： M= 25 x (A/ f o , x f e ,) 實驗現象和總結 沿標尺導軌

12、前后移動 F1 (F1緊挨毛玻璃裝置)；直至在顯微鏡系統(tǒng)中看清分劃板 F1的 刻線。 自組望遠鏡 數據的記錄和計算 望遠鏡放大率的測量值： M=100/ a 望遠鏡放大率的計算值： M=V(U1+V1+U2 / (U1XU2) 其中：U1= b -a、V1= c - b、U2=d- c 實驗現象和總結 1、把F和Le的間距調至最大，沿導軌前后移動 Lo,使一只眼睛通過 Le看到清晰的分劃板 F上的刻線。 2、再用另一只眼睛直接看分劃板 F上的刻線，讀出直接看到的 F上的100條線對應于通過 望遠鏡所看到F上的刻線格數a 3、用屏H找到F通過L所成的像，分別讀出 F、Lo

13、、H、Le的位置a、b、c、d 自組透射式幻燈 一、數據的記錄和計算 放映物鏡焦距和聚光鏡焦距的選擇： 放映物鏡白焦距：f 2= (M/ (M+1) 2) X D2 聚光鏡的焦距：f 1=D2/ (M+) -D2/ (M+1) 2X1/D1 其中：D2=U2+V2 D1=U1+V1 M為像的放大率 二、實驗現象和總結 1、L2與H的間隔固定在1.2米左右，前后移動 P,經L2在屏H上成一最清晰的像。 2、聚光鏡L1緊挨底片P的位置固定，拿去底片 P,沿導軌前后移動光源 S,其經聚光 鏡L1剛好成像于放映物鏡 L2的平面上。 實驗四典型成像系統(tǒng)的使用 使用生物顯微鏡、測量

14、顯微鏡、數碼顯微鏡、手持望遠鏡、天文望遠鏡等。詳見儀器說明書 1 .生物顯微鏡 1、調整儀器 將電源插頭插入外接電源插座(插入前應檢查電源電壓是否與儀器要求相符) 。外 接電源必須有接地線。 先將電位器調節(jié)手柄調到箭頭的小端位置，開啟電源開關轉動電 位器調節(jié)手柄至燈泡亮度適中的位置。 轉動物鏡轉換器，將 10X物鏡置入光路中。 將標本置于工作平臺上， 用片夾固定，轉動縱尺移動手輪和橫尺移動手輪使被觀察物進 入聚光鏡的照明區(qū)域內。轉動聚光鏡升降手輪，使聚光鏡上升至定位位置。撥動光欄撥 桿，將孔徑光欄開至中間大小位置。用右眼觀察，調焦使物像清晰(可轉動粗動調焦手 輪使工作平臺上升至見物像輪

15、廓，再用微動調焦手輪調焦到物像清晰) 。用左眼觀察， 并轉動雙目左鏡筒上的視度調節(jié)圈，也使標本成像清晰。 用雙手握住雙目外殼轉動兩鏡 筒，使兩目鏡出瞳中心距離適合您的雙眼瞳距，使兩眼圖像合一為止。轉動電位器調節(jié) 手柄調節(jié)光源亮度，撥動光欄撥桿調節(jié)孔徑光欄的大小； 也可根據使用的標本情況選擇 合適的濾色片放入聚光鏡的壓蓋(旋開即可換用不同的濾色片)下面，便能獲得良好的 物像襯度?？讖焦鈾诘拇笮】砂聪铝性瓌t調整，當取下目鏡向鏡筒內觀察時可看到孔徑 光欄像，使其充滿物像光孔的70%-80%通常會獲得滿意的效果。 濾色片的選擇可參考 下表：標本色藍紅、紫黃、棕濾片色黃綠藍配置選配選配隨機 2、

16、注意事項 使用高倍100xoil （油鏡）物鏡時，應在物鏡與標本之間滴上一小滴合成浸油（香 柏油）使用完畢應立即用脫脂棉沾少許酒精乙醴（ 3:7 ）混合液將油擦拭干凈，但要注 意保護100X物鏡，勿受損傷和浸油太多。使用高倍 100xoil （油鏡）物鏡時，標本的 蓋玻片厚度應滿足設計的 0.170.01mmi否則將影響成像的清晰度。 3、粗動防滑裝置的使用 儀器長期使用后有可能產生工作平臺下滑的現象， 這時只要按下圖所示的箭頭方向 旋緊松緊調節(jié)手輪，即可調整粗動調節(jié)手輪的松緊，防止工作臺的下滑 2、天文望遠鏡 為什么好多朋友剛開始為什么好多朋友剛開始為什么好多朋友剛開始為什么好

17、多 朋友剛開始使用天文望遠鏡使用天文望遠鏡使用天文望遠鏡使用天文望遠鏡時什么都 看不見時什么都看不見時什么都看不見時什么都看不見 ？ 答：安裝正確后，在目鏡里觀察到的正常光線是：白天白光，晚上黑光，為什么看不見 目標呢？因為天文望遠鏡具有高倍的特性，倍數和視場（可觀察到的范圍）是反比關系，由 于存在著高倍小視場的關系，所以一般新手比較難掌握找目標的技巧 ，望遠鏡看不見目 標不要著急，1.保護蓋全部打開了嗎？ 2 .安裝上最低倍（最長焦距）的目鏡了嗎？ 3 .找到目標了嗎？（這是最重要的環(huán)節(jié)） 4 .仔細調焦了嗎？解決了以上 4個問題，同時不要隔著玻璃窗觀察 .應該可以正常觀察 了.找

18、到目標是望遠鏡觀察的先決條件，只有目標進入望遠鏡，才能觀察到，由于天文 望遠鏡倍數比較高，視場范圍比較小，找目標要由近到遠，由大到小 ，同時要學會使用 尋星鏡快速尋找目標，這需要自己多加練習。 為什么有時看見的天體成象不太穩(wěn)定為什 么有時看見的天體成象不太穩(wěn)定為什么有時看見的天體成象不太穩(wěn)定為什么有時看見 的天體成象不太穩(wěn)定？答：需要花時間才能看到細節(jié)的一大原因是地球不穩(wěn)定的大氣。 由于在我們上方微弱但總是存在的熱氣流，使星像在高倍放大下總是顯得閃爍和沸騰。 這種閃爍的劇烈程度一一被稱為大氣視寧度一一每晚甚至是每分鐘都在變 ，特別是深空 的星云，星團.這需要觀察著要有極大的耐心和信心 ，這

19、就是所謂的“天文探索".人類所 有的探索都需要付出一定代價的.如何觀察天象如何觀察天象如何觀察天象如何觀 察天象？答：有的朋友安裝好天文望遠鏡，馬上想觀察到所有的天象，這種“一步登天”的 想法不切實際，我們所能觀察到的天體是在不斷運動著的 ，就是恒星也隨著季節(jié)的變化 而展現不同的景色，作為初次接觸天文觀察的朋友.一定需要持久的耐心和極大的信心 . A.需要一定的天文基礎知識，本店鋪提供的學習光盤可以很好的幫助朋友們入門學習 .B. 一定要知道當前的天文預報，可以在本店鋪要求提供，所謂"不打無準備之仗"就是這個 道理.C.不少朋友使用在這里購買的天文望遠鏡觀察到了許多天文天象 ，這說明學習

20、+# 出是一定有成果的，關鍵在“堅持一下的努力之中”去實踐. 天文望遠鏡提供了觀察天 體的硬件，而天體隨著它的位置距離不同而展現不同的效果，不同型號不同價格的天文 望遠鏡觀察的效果也不一樣，天文望遠鏡一般用來觀察太陽的黑子和耀斑，月亮上的環(huán) 行山、金星的盈虧、土星的光環(huán)、木星的條紋與衛(wèi)星、火星上的極冠以及仙女座大星云、 獵戶座大星云等 實驗五分光計的使用 基礎知識 測量頂角 1）取下平行平板，放上被測棱鏡，適當調整工作臺高度，用自準直法觀察，使 AB 面和AC面都垂直于望遠鏡光軸。 2）調好游標盤的位置，使游標在測量過程中不被平行光管或望遠鏡擋住，鎖緊制 動架（二）和游標盤，載物

21、臺和游標盤的止動螺釘。 3）使望遠鏡對準 AB面，鎖緊轉座與度盤、制動架（一）和底座的止動螺釘。 4）旋轉制動架（一）末端上的調節(jié)螺釘，對望遠鏡進行微調 （旋轉），使亮十字與十 字線完全重合。 5）記下對徑方向上游標所指標的度盤的兩個讀數，取其平均值 Am 6）放松制動架（一）與底座上的止動螺釘，旋轉望遠鏡，使對準AC面，鎖緊制動架（一） 與底座上的止動螺釘。 7）重復4）、5）得到的平均值 Bm 8）計算頂角：==180 -（Bm-Am） 最好重復測量三次，求得平均值。 測布儒斯特角 1、原理：自然光投射到各向同性兩種介質分界面上時，光要反射，在一般情況下反射 光為部分偏

22、振光，只有當入射角為某一特定角度時，反射光才成為電振動矢量垂直于入 射面的線偏振光，這個特定的角度稱為起偏角，用中 p表示。 布儒斯特角 布儒斯特定律示意圖 2、放平面反射鏡于載物 臺上，使從平行光管出射 的光束與平面反射鏡平行，轉動載物臺，形成入射和反射光束。 3、用檢偏器檢驗反射光的偏振態(tài)，將檢偏器轉過 90 ,從望遠鏡目鏡觀察。 4、首先，置望遠鏡與平行光管同軸，讀出游標所指示的度盤的讀數，此位置即為望遠 鏡的角位置，并鎖緊游標盤。然后轉動載物臺，同時轉動望遠鏡，以保證始終能觀察到 反射的狹縫像，

23、直至狹縫像消失或最暗，記下此時同一游標所指的度盤讀數，二值相減 值為①。^p = （180—①）/2 ; Op，為布儒斯特角的角度數， 可與理論值①p比較。 5、可換用其他的玻璃材料，如三棱鏡（材料為 ZF1, nD = 1.6475 ）,觀察能否找到消光 位置，并測出對應的①p,分析折射率對布儒斯特角的影響。 個人總結/實驗遇到的問題 1）問題：打開開關為何找不到綠色十字？ 解決：在大致的調光軸，平行后，調整工作臺平面大致平行，轉動角度，找不到綠 色十字，接下來再怎么調都找不到，在其他實驗儀器上相同的方法很快找到 了，后來從老師那得知，那臺實驗儀器是壞的， 2）問題：調光軸和調工

24、作臺都能使綠色十字與分劃板的十字從何要調哪個？在調好一 面是兩個十字重合后，轉動反射鏡 180度，又不重合了，怎么辦？ 解決：其實在調整分光計的時候，要用的方法，光軸調一半，工作臺調一半，使兩 個十字重合，然后再轉動工作臺 180度，再“分別調一半”，重復以上步驟直 到轉動反射鏡兩面的兩個十字都能重合。 3）問題：如何快速的找布儒斯特角？ 解決：轉動工作臺，光線最暗的角度大約就是布儒斯特角的位置，再用偏振片檢查， 實驗六 昵酸鋰晶體的電光調制 ［實驗目的］ 1 .掌握晶體電光調制的原理和實驗方法 2 .學會用簡單的實驗裝置測量晶體半波電壓、電光常數的實驗方法 3 .觀察電光效

25、應所引起的晶體光學性質的變化和會聚偏振光的干涉現象 ［實驗原理］ 1 . 一次電光效應的一般描述 2 .橫向電光調制 ［實驗裝置］ 實驗裝置如圖所示，由晶體電光調制電源，調制器和接收放大器三個主要部分組成 6.錄音機7.正弦波振蕩器 8. 揚聲器 9. 雙線示波器 1 .晶體電光調制電源： 調制電源由-300至+300V之間連續(xù)可調的直流電源、 單一頻率振蕩器、音樂片和放大器 組成，電源面板上有三位半數字面板表， 可顯示直流偏壓值。 晶體上加的直流電壓的極性通 過面板上的“極性”鍵可以改變，電壓的大小用“偏壓”上面的旋鈕調節(jié)。調制信號可以由 機內振蕩器或音樂家片提供，也可

26、以由外部通過前面板上的“輸入”插孔輸入任意電信號。 此調制信號是用裝在面板上的“信號選擇”鍵， 選擇三個信號中的任意信號。所有的調制信 號的大小是通過“幅度”上面的旋鈕控制。通過前面板上的“輸出”孔輸出阻抗的參考信號， 接到雙線示波器上與輸出信號比較，觀察調制器的輸出特性。 2 .調制器 調制器由三個可旋轉的偏振片和一塊鋸酸鋰晶體組成， 采用橫向調制方式。晶體放在兩 個正交的偏振片之間，起偏器和晶體的 X軸平行。偏振片和晶體之間可插入四分之一波片 偏振片和波片均可繞光軸旋轉。 晶體放在四維調節(jié)架上， 可精細調節(jié)，使光束嚴格沿光軸方 向通過晶體。 3 .接收放大器 接收放大器由

27、光電三極管和功率放大器組成。光電三極管把被調制的氮速激光經光電 轉換，輸入到功率放大器上，放大后的信號接收到雙線示波器，同參考信號比較， 觀察調制 器的輸出特性。交流輸出信號的大小通過 “交流輸出”上面的旋鈕調節(jié)。放大器內裝有揚聲 器，用來再現調制信號的聲音，放大器面板上還有“直流輸出”插孔，用于測量直流輸出光 強，繪出T-V曲線。 ［光路調節(jié)］ 調節(jié)激光管使激光束與晶體調節(jié)臺上表面平行， 同時使光束通過各光學元件中心。 調節(jié) 起偏器和檢偏器正交，且分別平行于 X, Y軸，放上晶體后各元件要細調。由于晶體的不均 勻性，在檢偏器后面的白屏上可看到一點弱光點， 然后緊靠晶體前放一毛玻

28、璃片， 這樣在白 屏上可觀察到單軸晶體的錐光干涉圖。 一個暗十字圖形貫穿整個圖樣， 四周為明暗相間的同 心干涉圓環(huán)，十字中心同時也是圓環(huán)的中心。 在觀察過程中反復微調晶體使干涉圖樣中心與 光點位置重合，同時盡可能使圖樣對稱、 完整，確保光束即與晶體光軸平行，又從晶體中心 穿過的要求，再調節(jié)使干涉圖樣出現清晰的暗十字，且十字的一條線平行于 X軸。 ［實驗內容］ 1.觀察晶體會聚偏振光干涉圖形和電光效應現象。 把輸入光強調到最大，屏上可看到干涉圖樣。 ⑴偏壓為零時呈現單軸晶體的錐光干涉圖，這一現象已在調節(jié)光路時看見過。 ⑵加上偏壓時呈現雙軸晶體的錐光干涉圖，它說明單軸晶體在電場作用

29、下變成雙軸晶 體。 ⑶兩個偏振片正交和平行時干涉圖形是互補的。 ⑷改變偏壓的極性時，干涉圖形旋轉 90度 ⑸只改變偏壓的大小時，干涉圖形不旋轉，只是雙曲線分開的距離發(fā)生變化。這一現 象表明，外加電場只改變感應主軸方向的主折射率的大小， 折射率橢球旋轉的角度和電場大 小無關。 2。測定鋸酸鋰晶體的透過率曲線（即 T-V曲線），求出半波電壓，算出電光系數 V22 ,并 和理論值比較。 在我們實驗中，用兩種方法測量鋸酸鋰晶體的半波電壓， 一種方法是極值法，另一種是調 制法，先面分別介紹： ⑴ 極值法 晶體上只加直流電壓， 不加交流信號，并把直流電壓從小到大逐漸改變時， 輸出光強出現

30、極小值和極大值，相鄰極小值和極大值對應的直流電壓之差就是半波電壓。 ⑵調制法 晶體上直流電壓和交流信號出現倍頻失真，與出現相鄰倍頻失真對應的直 流電壓之差就是半波電壓。 3 .改變直流偏壓，選擇不同的工作點，觀察正弦波電壓的調制特性。 電源面板上的信號 選擇琴鍵開關可以提供三種不同的調制信號， 按下“正弦”鍵，機內但一頻率的正弦波振蕩 器工作，此信號經放大后，加到晶體上，同時，通過面板上的“輸出”孔，輸出此信號，把 它接到雙線示波器的 Y1上，作為參考信號，改變直流偏壓，使調制器工作在不同的狀態(tài)， 把被調制信號以光電轉換、放大后接到雙線示波器的 Y上，和Y1上的參考信號相比較，工

31、 作點選定在曲線的極小值（或極大值）時，輸出信號“倍頻”失真；工作點選定在曲線的極 小值（或極大值）附近時信號失真，觀察時調制信號幅度不能太大， 否則調制信號本身失真， 輸出信號的失真無法判斷由什么原因引起的， 把觀察到的波形描述下來， 并和前面的理論分 析作比較。 4 .用1/4波片改變工作點，觀察輸出特性。 在上述實驗中，去掉晶體上所加的直流偏壓，把 1/4波片置入晶體和偏振片之間，繞光 軸緩慢旋轉時，可以看到輸出波形隨著發(fā)生變化。 當波片的快慢軸平行于晶體的感應軸方向 時，輸出光線性調制；當波片的快慢軸分別平行于晶體的 X, Y軸時，輸出光失真，出現“倍 頻”失真，因此，

32、把波片旋轉一周時，出現四次線性調制和四次“倍頻”失真 。 5 .光通訊的演示 按下電源面板上信號選擇開關中的“音樂”鍵，此時正弦信號被切斷，輸出裝在電源 里的“音樂”片信號。輸出信號通過放大器上的揚聲器播放，改變工作點，此時，所聽到的 音樂不同。 , ■-S &. QCIOCl|Ul  圖5 實驗過程： 參照實驗指導書進行試驗 一，觀察晶體會聚偏振光干涉圖形和電光效應現象。 1 .把輸入光強調到最大，屏上可看到干涉圖樣，電流最大，激光亮度最強，形 成的干涉是四個方向的。 2 .偏壓為零時顯示屏上呈現單軸晶體的錐光干涉圖樣 3 .加上

33、偏壓時顯示屏上呈現雙軸晶體的錐光干涉圖樣 4 .改變偏壓的極性時，觀察到干涉圖形旋轉 90度 5 .只改變偏壓的大小時，干涉圖形不旋轉，只是雙曲線之間的距離發(fā)生變化。 二，光通訊的演示 按下電源面板上信號選擇開關中的“音樂”鍵，通過放大器上的揚聲器播會播 放出圣誕歌 實驗七棱鏡耦合法測波與參數 ［實驗目的］ 1. 學習一種波導耦合方式一棱鏡耦合 2. 通過觀察棱鏡耦合的 m線，加深對波導模式耦合概念的理解 3. 通過測量不同m線中角，進一步加深對波導模式概念的理解 4. 掌握有效折射率的測量與計算方法 5. 掌握利用棱鏡耦合法測量波導參數的方法 6. 通過波導參數的計算

34、，學會數值求解超越方程的方 法 ［實驗儀器］ 激光器，棱鏡耦合測試系統(tǒng)，直角耦合棱鏡，平板玻璃波導 ［實驗原理］ 1.1三層平板波導中的導模 一個均勻的三層平板波導如下圖所示，它是由低折射率襯底和包層及高折射率波膜構 成的，若假設波膜，襯底和包層的折射率分別為 n1,門2和n0,則n1 > n2 > n0 0包層通常 為空氣，即n0=i 襯底 圖1光波導 當光線在波膜一包層的界面（上界面）及薄膜 --襯底的界面（下界面）反復地發(fā)生 全反射時，光波就限制在上、下界面之間按照鋸齒形的路線沿著與界面平行的方向（圖中 Z 軸方向）傳播形成導模。下面，我們進一步分析鋸齒形

35、射線的傳播，并說明，鋸齒形射線與 界面的夾角 仇只能取有限個離散值，相應的導模模式只能是有限個。 鋸齒形光線實際上是在薄膜內互相疊加的兩個均勻平面波，一個是斜向上傳播的， 另一個是斜向下傳播的，它們的波面的法線即如圖所示的鋸齒形光線。平面波的波數 k=n〔ko,其中ko =2兀/為自由空間中的常數， 九為自由空間中的波長，波矢量沿 Z方向 的分量（寫作P ）為： k = k0n1 sin61 （1） 而X方向的分量則分為 K = k這里 k=k0 nl cosW （2） 正負號分別相應于斜向上和斜向下傳播的光波。 所以光波從波膜下界面出發(fā)向上行進到波膜上界面，在上界面遭全反

36、射后返回到下界 面，在下界面又遭全反射后與原先從下界面出發(fā)的光波疊加在一起。 要發(fā)生相互加強，這兩 個光波的相位差應該等于 2n的整數倍。這個維持導模的條件亦稱為橫向共振條件，也就是 在橫向形成駐波的條彳對于厚度為 d的薄膜，光波從下界面行進到上界面的相移是 Kd。 在薄膜上界面的全反射相移是 —2中io,從上界面橫過薄膜返回到下界面的相移是 Kd ,在薄 膜下界面的全發(fā)射相移是 -2%2 ,因此，光波能在薄膜中傳播的條件，亦即平板波導中能形 成導模的條件是： 2Kd -2 12 一2 10 =2m二 式中m叫做模的階數，取以零開始的有限個正整數，上式可改寫為： Kd =m^

37、 +中12 十5 10 （3） 稱為平板波導的模方程， 亦稱平板波導的模式本征值方程或平板波導的色散方程。 該方程的 未知數是P或耳，對于給定的 m,就有確定的P或日，相應的P叫做m階導模的傳播常 數，日叫做m階導模的模角。 1利用全反射相移的公式，可知: 12 = tan J 12 =tan， 2.2. 2 ni sin f -n2 (TE 模) 2 上 32 J n2 sin2』- n2 Ri cos 4 (TM 模) 10 = tan， io = tan」 n； sin2 x - n： n1 cos91 / (TE 模) 2 2- 上 3。」

38、 ,nf sin2 9-n2 n1 cosu1 (TM模) 將叼2,巴。的表示代入式（3）,就得到兩種偏振態(tài)的平板波導模式的本征值方程。對 Kd = m： tan,i p j ； tan1 K 式中 TE模 ⑸ 對TM模，有 i Kd = m tan p—2 城n212 (6) . 2 . 2 2 1 2 q - - - kono _P K tan」 ni q 在導波光學中，丁一波導的模折射率或有效折射率 P Neff =— =n〔sinu1 ko 那么 K =(k；n2 — P2 1 =ko(n12-N2f ) p =(p2 -k02n|

39、 弋=ko(N2f —n“ 1 2 ? _ 1 2 q = : -kono =ko Neff - no (8) (9) (10) (11) (12) 1.2棱鏡耦合法激發(fā)光波導中導模 直接入射到平板波導上的光不能在平板波導中形成導模，要想在平板波導中形成導模 通常采用以下三種方法： 棱鏡耦合法，光柵耦合法，和端面耦合法。棱鏡耦合法是比

40、較方便 的方法，在導波激發(fā)的實驗中我們采用這種方法。 棱鏡耦合的結構如圖所示， 當入射的激光在棱鏡的底面上全反射時， 若入射光滿足相位 匹配條件，會產生光學隧道效應， 光會通過空氣隙進入薄膜。 相位匹配的條件是指光在棱鏡 中沿Z方向傳播的波矢量與光在薄膜沿 Z方向傳播的波矢分量相等。 (13) k0n3sin4 =k0 nlsin% =P 而傳播常數P滿足棱鏡--波導系統(tǒng)的本征值方程，由此本征值方程解出 P是一系列分 立的值，所以滿足相位匹配的 e3也是一系列分立的值。 當生滿足香味匹配時，光束就會從入射棱鏡被耦合進薄膜，然后從波導的另一頭從與

41、入射棱鏡完全相同的出射棱鏡中射出。 （光在波導與出射棱鏡中的行為與前面講的耦合原理 類似）。在例行情況下，從出射棱鏡中射出的光線投影在屏上應是一個光斑，但實際上由于 波導沿波的傳播方向的不均勻行賄時光在各個模式間耦合， 使波導出射時的光都存在，所以 會形成如圖所示的多條亮線，即 m線，其中有最亮光斑的那條線就是符合相位匹配條件的 模所對應的m線。 M線 1.3 有效折射率的計算 由于Neff = p/k0 ,所以由相位匹配的關系式可以改寫為 Neff =n3 sin 仇 （14） 但上式中的 色不是直接可測量量，所以可按幾何關系和 snell定律把Neff表為光在

42、入 射棱鏡表面的入射角中和入射棱鏡底角a的函數 1光線從法線左側入射 由幾何關系得： 丁 ?二-飛=； 2 2 口3 =: 3 所以 sin 飛 =sin : = = sin ： cos cos： sin = sin 1 - sin2 ； cos： sin : 由snell定律得： sin = n3 sin : .1 sin = 一sin n3 把它代入上式得： sin93 =sin 11--12~sin2中+cos(」sin中 \ rb n3 =—sin 二.n2 - sin2 : 工 cos： sin : n3 n3 所以 Neff =s

43、ina Jn2—sin2 中+cos" sin* (15) 2 光線從法線右側入射 有幾何關系得 --飛=?「二 2 2 3 sin 飛=sin : 一 二sin： cos：；"cos： sin : =sin ： ,1 - sin2『「cos二 sin ; = sin： 1 - 12 sin2 ；：-cos：」sin ： \ % % =—sin ■ nn2 -sin2 : - - cos： sin 所以 % % (16) Neff =sin -J ；n； -sin2 : - cos： sin ; 由（15）、（16）式可見，若測量出 中，在已知a、n3的情

44、況下就可以得到 Neff O 1.4 波導參數：膜厚度 d和膜折射率n1的計算 棱鏡-波導系統(tǒng)原則上可以看成一個四層平板波導系統(tǒng)，但在空氣間隙較大的情況下， 可以近似看成一個三層平板波導。 所以若測得兩個模的有效折射率、 如TE）、TE1的有效折射 率并已知ko、n。、n2,由（11）和（12）式即可得到兩個模的 P、q的值，可分別表示為 F）、q。及P、q1；由（10）式可得到兩個模 K的表達式（表達式中 電是待求值），可分別 表為Ko, K［由（4）式可列出以下兩個方程。 Kod =tan，P +tan 生 （17） IK。） " K1d =tan，艮］十 tan，十幾

45、（18） 出「 I" 借助計算機求解上述超越方程就可以求出 d1、n1 ［實驗內容］ 2.1 觀察m線 調節(jié)激光器的高度、俯仰和水平方位角，使激光束基本與導軌平行并通過轉盤中心， 入射到棱鏡斜面上。 1 .耦合光斑的穩(wěn)定調節(jié)。調整棱鏡 ---波導系統(tǒng)在轉盤上的位置。使得輸入棱鏡的直角底 位于轉盤中心附近，激光束在棱鏡底形成的光斑（稱耦合光斑）接近直角棱鏡的壓力點 處，慢慢轉動轉盤，當角度適當時可以在屏上觀察到 m線。為了有效激勵波導所有可能 的模式，當轉盤在所有導模的角度范圍內轉動時，應保持光斑不動，再不同角度上反復 調節(jié)棱鏡在轉盤上的位置，可得到穩(wěn)定的耦合光斑。 2 .觀察

46、m線。緩慢轉動轉盤， m線的中心亮斑會從一條線轉移到另一條線。注意光斑移 動的方向。根據耦合角的大小辨別基模和高次模，數出 m線的條數。 2.2 邛角的測量 反復調節(jié)棱鏡和轉盤的位置，使得入射到棱鏡斜面上的反射光可以通過光闌，表明此 時入射光與棱鏡的反射面垂直，記下此時的刻度，轉動轉盤再記下出現不同 m線的刻度， 此刻度與上述刻度的差即位不同模相對應的 邛角 2.3 有效折射率與波導參數的計算 利用附錄中的公式（15）、（16）由測量的中,在已知a、n3的情況下就可以得到有效 折射率Neff o用一種計算機語言編寫程序，數值求解附錄中的超越方程（ 17）、（18）.根據 已測

47、得的有效折射率及給定的襯底和包層的折射率在計算機上運行， 解出波導參數：膜厚度 d和膜折射率5。 實驗過程： 由于實驗儀器的損壞（平面波導片碎裂） ，所以我們首先是根據老師提供的材料，參照 另一組的實驗儀器，進行儀器安裝。通過在實驗中發(fā)現問題，不斷的調整棱鏡的位置，和 壓緊程度，終于組合成了一個可以進行試驗的裝置。 這個實驗我們只觀察了 m線，老師還給我們簡單介紹了一下怎么讀數。 首先打開激光器，通過調節(jié)激光器的高度，導軌的方向，使激光束通過轉盤的中心， 并調整棱鏡和波導片的角度，使激光出射到棱鏡上，而不是波導片上。然后由于激光束亮 度較暗，所以我們熄燈，緩慢轉動轉盤，在轉盤后的白

48、紙上能看到一條一條的亮線，其中 有一條最亮，向兩邊逐漸變暗。 最后老師給我們大概講了一下怎么讀數。先讀夜光讀數儀表盤上的數據，再加上側面 旋鈕上的讀數。旋鈕一共分成 100個小格，每個代表 0.01。加在一起即為最后讀數。 實驗八聲光調制 I 0 殿 光引級 實驗次 光與倒 光的偏 1.( 聞 Vs 然K 級光高 數 光的偏轉 轉即離 itimj MHZ) 品展 度 格數 (nmi) 10 7, 00 4.9 34 a 85. 158 ] 3. 0 9 0146 00

49、 1. 17 9. 00 湎 2. 0 7 50 5.3 34 0. 90. 156 1 7. 0 5 2.00 0156 00 s.4y 9. 00 00 3. D 5,6 0. 95. 157 1 9. 0 3 W65 00 9. 50 0。 4.0 氏2。 5.8 34 0. 100 159 I 4. 0 4 2.00 171 .00 too 2. 10 00 測星次數“ 也位謂可 ( mm ) 逐差法 = (d…一 d* * 3 ( mm )

50、平均值 平均波長 1 32,85641 U.UI4S6 594.4 2 32.K7I1K r a ； 3188615 0.01490 4 32,90086 5 32.915 的 1).01486 6 3193072 1.1溶帚鈉光燈波長＜4, =589.3nm) 不確定度i I 5。 5. D & 80 0 6. 0 也20 d 忙(例-4/ A = 2P48(y - 2P4KV— =0.0001 Unw. 1 H - 1 =0,00004蟒用 =u端=Ja； +△/ =0,00011 mm ui = AA‘ UaM4n

51、m, % =9x100% 474%. 注意事項 實驗中布拉格衍射不是理想的，可能會出現高級次衍射光等 現象。調節(jié)布拉格衍射時， 使1級衍射光最強即可 注意事項 1 .實驗儀器嬌貴，調節(jié)過程中不可操之過急，應耐心認真調節(jié)。聲光器件尤為貴重，注 意保護。 2 .不能將功率信號源的輸出功率長時間處于最大輸出功率狀態(tài)，以免燒壞。 3 .在觀察和測量以前，應將整個光學系統(tǒng)調至共軸。 4 .實驗結束后，應先關閉各儀器電源，再關閉總電源，以免損壞儀 實驗九邁克爾遜干涉儀

52、 1 .原始數據及處理原始數據及處理原始數據及處理原理 思考題及分析思考題 1、為什么白光干涉不易觀察到？ 答：兩光束能產生干涉現象除滿足同頻、同向、相位差恒 定三個條件外，其光程差還必須小于其相干長度。 而白光的相干長度只有微米量級， 所以只 能在零光程附近才能觀察到白光干涉。 2、為什么M1和M2沒有嚴格垂直時，眼睛移動干涉條紋會吞吐？ 答：因為沒有嚴格垂直時， 會形成一個披肩狀的光學腔。各處的光程差不相同，其干涉條紋。 1,2雙線的波長器:=。,59內5 測量次數 xi2 位置 c mm > 逐不法再列＜掙皿) △義 < jim ) 1 33. HM<)5

53、O.288OI U.61 2 33.39630 3 33.67745 4 3354S 3、討論干涉條紋吐出或吞入時的光程差變化情況。 答：吞入時，光程差變小。而吐出時， 光程差則變大。 4、為什么要加補償板？ 答：因為分束板的加入， 使其中一路光束比另一光束附加了一定的 光程。所以加入與分束板厚度相同的補償板來補償這部分光程差。 5、如何設計一個實驗，利用邁克爾遜干涉儀測玻璃的折射率？ 答：以白光發(fā)生干涉現象 時，確定零光程處。測定在光路中加入玻璃與否，白光產生干涉時 M2鏡移動的距離。再根 據所加入玻璃的厚度，計算出玻璃的折射率。 6、試根據邁克爾遜干涉儀的光路，說明各光學元件的作用，并簡要敘述調出等傾干涉、等 厚干涉和白光干涉條紋的條件及程序. 答：分束板：將光束分為兩路光束。補償板：補償 因分束板產生的光程差。粗調螺絲：調節(jié) 2M鏡的方位，使其與1M鏡大致垂直。細調拉絲： 精密調節(jié)2M鏡的方位，使使其與 1M鏡嚴格垂直。鼓輪：調節(jié) 2M鏡的位置，使光學腔的厚 度改變。 等傾干涉：光學腔應嚴格平行。等厚干涉：此時光學腔為披肩狀。白光干涉：零 光程處附近。