物理光學(xué)實驗

物理光學(xué)實驗華中科技大學(xué)光電子科學(xué)與工程學(xué)院2011.9前 言本實驗教材是根據(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)定的實驗要求選編的。8射、偏振等方面。本實驗教材所列實驗項目均選自本院物理光學(xué)實驗室參編及長期使用的《物理光學(xué)實驗息類專業(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)實驗室的一般規(guī)則大部分光學(xué)元件用玻璃制成，光學(xué)面經(jīng)過精細拋光，一般都具有Ra0.010的粗糙度。使用時要輕拿輕放，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)允許后方可離開實驗室。實驗程序框圖了解實驗原理與內(nèi)容了解實驗原理與內(nèi)容↓根據(jù)實驗原理與內(nèi)容設(shè)計實驗方案，選定儀器與光學(xué)元件根據(jù)實驗原理與內(nèi)容設(shè)計實驗方案，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，擬定實驗步驟調(diào)試儀器或光路，擬定實驗步驟↓方案實施，調(diào)試出實驗現(xiàn)象方案實施，調(diào)試出實驗現(xiàn)象↓對實驗現(xiàn)象進行觀察與分析，測定實驗數(shù)據(jù)對實驗現(xiàn)象進行觀察與分析，測定實驗數(shù)據(jù)↓寫實驗報告，要求反映實驗過程，對實驗現(xiàn)象進行分析，思考問題寫實驗報告，要求反映實驗過程，對實驗現(xiàn)象進行分析，思考問題數(shù)據(jù)處理 （若有問題可重復(fù)實驗）一定要親自做實驗，對實驗現(xiàn)象進行分析，培養(yǎng)獨立自主的能力，會有成就感。老師指導(dǎo)為輔：問題不包辦，只做點撥提示，保證實驗正常進行。目 錄前言光學(xué)實驗室的一般規(guī)則實驗程序框?qū)嶒炓?菲涅耳雙棱鏡干涉及應(yīng)用 1實驗二 邁克耳遜干涉儀 6實驗三 用法布里－－珀（－P干涉儀測量鈉雙線的波長差 13實驗四 雙光源衍射法測量光譜儀狹縫寬19實驗五 衍射光柵分光特性測量 24實驗六 偏振光的獲得與檢測 30實驗七 電光調(diào)制實驗 37實驗八 聲光調(diào)制實驗 47--PAGE11-實驗一菲涅耳雙棱鏡干涉及應(yīng)用[實驗?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。[實驗原理]1－1a鏡的折射角α很小，一般約為30。從點（或縫）光源S個虛象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，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，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雙棱鏡干涉實驗裝置圖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，采用二次（共軛）成象126S，S1 2

的兩個實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（共軛）位置成象時，則有d B

（1－9）d A2由上兩式可解出dddd1 2

（1—10）實驗中，對d值的測量不應(yīng)少于三次，然后取其平均值d。D的計算d 1dd2d12設(shè)物鏡6從第一個位置移置至第二個（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各值代入式計算干涉濾光片中心透射波長。λ計算的相對誤差與標(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）實驗二邁克耳遜干涉儀[實驗?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，由于G 的色散會對不同波長的光波產(chǎn)生附加光程差，加入G可以補償這種附加光程差，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[實驗原理]2-1點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)?，F(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，干涉級次

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

，負號表示內(nèi)環(huán)干涉級次（m+1）高于相鄰的外環(huán)干涉級次m； )/2是平均角距離。式表明，當(dāng)m m1 mmd一定時，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，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。若用擴展光源照明，在交棱附近，即觀察面積很小時，可認為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，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，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—擴展光源L—成象物鏡F—觀察單色非定域干涉用單色點光源照明干涉儀時，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，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，屏幕中心就“產(chǎn)生”或“消失”一個圓紋。連續(xù)改變d2 1失”N個圓紋，則M鏡的位移量△d為1dN2

（2—3）測出△d及N，就可計算出照明光源的光波長λ。本實驗中的單色點光源，是用凸透鏡會聚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，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間稱為相干時間，即τ=L/c (2—5)式中，c為光速。利用相干長度和相干時間，可以描述光源非單色性對干涉現(xiàn)象的影響在本實驗中，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使兩組小激光斑點一一對應(yīng)重合，此時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光束先會聚成一點光源后再射向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M鏡的位置d;2移動M鏡，數(shù)出從中心“產(chǎn)生”或向中心“消1 1 1失”100~200個干涉圓環(huán)，記下這時M的位置d，兩次讀數(shù)之差即為M1 2 1的移動量d，利用式（2-3）計算Ｈe-Ne激光光波波長。等傾條紋的調(diào)節(jié)和觀察在擴束物鏡后面放一塊毛玻璃，將球面波散射成為擴展面光源，在E處用眼睛或聚焦于無窮遠處望遠鏡可看到一組以眼球或望遠鏡的軸為中心3僅僅是圓心隨眼睛而移動。這時看到的圓紋就是等傾干涉條紋。移動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（還是在擴束鏡后使用毛玻璃片，移動M1

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

和M間構(gòu)成2 1一個很小的夾角。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使零級條紋位于視場中央，記下M1鏡所在的位置，緩慢旋進手輪2至視場中彩色條紋剛剛消失為止。記錄此時M1平均波長，由L=2d，利用式及計算白光光源的相干長度、譜線寬度和相干時間。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）計算鈉黃光的相干長度L，光譜寬度△λ和相干時間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，能否用點光源照明？為什么？M鏡時，如何判斷等效空氣層的厚度是在增大（或減小）？1如何判斷空氣楔楔角方向？本次實驗引起測量誤差的原因有那些？如何提高測量精度？[注意事項]話、嚴禁用手觸摸光學(xué)元件。MM1 2

背面的螺釘時，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M1齒輪。[實驗?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，還應(yīng)嚴格保持平行。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，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)精度可高達條10紋間距的1 ~ 1 。因此干涉儀常用于高精度計量技術(shù)與光譜精100 1000細結(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[實驗原理]在等傾干涉中，設(shè)干涉圓紋的中心級次為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。兩波長同級條紋的角半徑1對于靠近條紋中心的某點θ0，兩波長干涉條紋的級次差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，如果發(fā)生了干涉條紋級次交錯現(xiàn)象，則△e應(yīng)在測量值的基礎(chǔ)上要加上一個e。根據(jù)前面實驗原理，透射光的加強條件為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，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)此實驗中，1

可用平均值[內(nèi)容和步驟]調(diào)試儀器（3—3）轉(zhuǎn)動手輪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1 2到平行。換用望遠鏡觀察，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。這時視場中條紋數(shù)逐漸增加，并且開始λhe時，λ1

的第m級條紋與λ2λ

的第m－1級條紋重合，稱此為重級現(xiàn)象。若再繼續(xù)增大h，將出現(xiàn)△e>e，發(fā)生級次交錯。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，讀取干涉儀的讀數(shù)D2。求得△h=D2－D1，利用公式（3-6）計算鈉雙線的波長差（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，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？在本實驗中，鈉光譜的△λ=0.6n空氣平行平板間的最大間距h為多少？本實驗中，干涉儀的讀數(shù)D與兩反射鏡之間的距離h么？實驗四 用雙光源衍射法測量光譜儀狹縫寬度[實驗?zāi)康腯掌握雙光源衍射法的基本原理，加深對夫瑯和費衍射規(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。[實驗原理]4—1aSAA后面的人眼看到縫S的平面上有虛的夫瑯和費衍射圖樣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 夫瑯和費單縫射及光強分布圖圖4—2 雙光源衍射法實驗光路圖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 上下錯開的兩組衍射條紋4—2ab分別畫出了實驗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。聚光鏡把光會聚在被測狹縫A上。雙縫BB把光分為兩個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上下錯開，所以兩組1 2衍射條紋上下錯開，如圖4—3所示。兩個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）表明實驗時只要記下對齊的暗紋數(shù)z，測出距離D，由給定的和b由上式計算出縫寬。z也不再嚴格成立；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光闌板，此光闌板上開有上、中、下三個小孔，如圖4—4所示。測量縫寬時，眼睛挨在中先將眼睛挨在上孔后面觀察，移動狹縫使上如果狹縫兩刀口平行，上下暗紋仍然是對齊的，否則就得稍稍移動狹縫使上下暗紋重新對齊。記下狹縫移動的距離△D就可以按下圖4—4開有三個小孔的光闌板以按下式計算出上下縫寬之差(zD （4—5）b1μm，大于1μm產(chǎn)品。[內(nèi)容和步驟]實驗裝置的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)好的實驗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。。前后移動滑座，使兩中央亮紋之間有兩條暗紋上下對齊。前后移動光源，使光源經(jīng)聚光鏡成象在被測狹縫上。利用齒輪、齒條機構(gòu)前后微動狹縫，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)量評價。[思考題]在本實驗中，還可以采用另一種方法計算狹縫寬度，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為兩次對齊暗紋時狹縫移動的距離，△z為兩次對齊的暗紋數(shù)之差。試證明這一公式，并用其計算縫寬，與前面的結(jié)果進行比較。實驗中的聚光鏡有何作用（提示：從衍射性質(zhì)考慮）？亮紋之間的次級亮紋對齊行嗎？試討論本實驗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】況下，都不能讓狹縫的兩刀口閉合，以免碰損刀口。實驗五衍射光柵分光特性測量[實驗?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驗方法。[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。[實驗原理]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，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，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光柵在載物臺上的放置方式5—2aB3使之達到上述要求。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，利用式計算該光柵的常數(shù)dθ的誤級與－1i是否為零。利用測得的衍射角計算出相應(yīng)的色散本領(lǐng)。分光計望遠物鏡的焦距?=168mm。測量大角度入射時的汞黃光各高級次光譜的衍射角，計算出相應(yīng)的汞燈的光譜圖分析光譜不重疊的范圍，實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，計算出相應(yīng)的N值，據(jù)此計算出±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)都裝有動調(diào)整和鎖緊裝置，進行精細調(diào)節(jié)。光學(xué)系統(tǒng)由阿貝式準(zhǔn)直望遠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°的兩個游標(biāo)的讀數(shù)（射像和實象的數(shù)字重合后再進行讀數(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)系管鏡遠望直準(zhǔn)自統(tǒng)系管鏡遠望直準(zhǔn)自統(tǒng)系管光行平統(tǒng)系數(shù)讀盤度標(biāo)游學(xué)光4圖附實驗六偏振光的獲得與檢測[實驗?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，偏光顯微鏡，光具座等。[實驗原理]都有規(guī)律的變化，光矢量端點的軌跡是一個橢圓，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方向的許多光波的總強度為I =

它在部分偏振光的總強度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。在本實驗中，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，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，雖有光強變化但無消光現(xiàn)象出現(xiàn)，則被檢測的入射光或為橢圓偏振光或為部分偏振光。區(qū)分橢圓偏振光和部分偏振光時，首先不加

1波片，將檢偏器旋轉(zhuǎn)一4周。確定透射光強的最大位置；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減小并達到消光的方向旋轉(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驗裝置1—光源 2—會聚透鏡 3—平行光管 4—起偏器 5—待測樣品6—分光計平臺 7—檢偏器 8—在物鏡焦面上裝有狹縫的望遠鏡 9—光電池則反射光中只有s分量，這個結(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θ

，同時旋轉(zhuǎn)望遠鏡，直到θ=θi i

，光電B池的輸出為零時為止。這表示Rp已為零，滿足布魯斯特定律。由式(6—2)可計算出被測介質(zhì)的折射率n。rθi確定θB從反射率RsRPθiθB附近，P分量的光強很小，并隨入射角緩慢變化，因此，利用光強變化直接測量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:1）θ=θ 時， =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)時改變符號，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。實驗時，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)計算 ，作出 ~曲線。該曲線與橫坐標(biāo)軸的交點就是所求的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值進行比較。B(2)角θ=θ 時，從兩介質(zhì)的分界i B線偏光，但光強很小。如圖6—3Nθi=θ 時，反射光與透射光都是B偏振度很高而強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，垂直分量在一個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的載物平臺上。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I 代入式(10-1)求出透射光的偏振度max minP透射光強的最小值I 實為透射光的I(t),測出入射光中s分量的I(i),得min s sI(t)到T s ，將實測的Ts I(i) s

與由式（6—5）給出的Ts

進行比較,討論并將分析結(jié)果寫入實驗報告。偏振棱鏡實驗,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,自擬實驗方法與步驟。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測得的透射光強。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，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為止。否則，不利于觀察測量。波片及其作用（以下實驗在光具座上完成）1波片對線偏振光的作用2 0根據(jù)所學(xué)知識，自己設(shè)計一個實驗，驗證1/2波片對線偏振光的作用，表格，記錄實驗數(shù)據(jù)并分析實驗結(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的光強變化。2 2確定相應(yīng)的偏振態(tài)，理論分析其旋向并用實驗證明之。實驗結(jié)果填入下表并畫出橢圓示意圖：11波片轉(zhuǎn)動角度4檢偏器轉(zhuǎn)動一周透射光強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？實驗七 電光調(diào)制實驗【實驗?zāi)康摹?、掌握晶體電光調(diào)制的原理和實驗方法；2、學(xué)會用實驗裝置測量晶體的半波電壓，繪制晶體特性曲線，計算電光晶體的消光比和透射率?！緝x器和裝置】電光調(diào)制實驗系統(tǒng)由光路與電路兩大單元組成，如圖1所示：圖1電光調(diào)制實驗系統(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，接通時開關(guān)指示燈亮，同時對半導(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（1KHz

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

可與調(diào)制信號進行比較。光強指示 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)輸出信號的幅度。解調(diào)輸出插座解調(diào)信號的輸出插座，可直接送有源揚聲器發(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)必按正負極性正確連接。2345、揚聲器6

高壓插座。將光電接收部件（位于光具座末端）提供電源。光電接收信號由解調(diào)監(jiān)視插座輸出；主控單元中的內(nèi)置信號（或外調(diào)輸入信號）由調(diào)制監(jiān)視插座輸出。兩者分別送到雙蹤示波器，以便同時顯示波形，進行比較。將有源揚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)制幅度以及信號源的性能均有關(guān)聯(lián)。注：揚聲器發(fā)聲的音質(zhì)與光路調(diào)整、晶體偏壓、調(diào)制幅度以及信號源的性能均有關(guān)聯(lián)。【實驗原理】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：一級電光（泡克爾斯——Pockels）電場強度。二級電光（克爾——Kerr）平方成正比。本實驗使用鈮酸理（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，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分量會產(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；同時為測量方便起見，電場強度用晶體兩面極間的電壓來表示，即U=Ed。當(dāng)相位差時，所加電壓UU

d2n3rl (2)0U稱為半波電壓，它是一個用以表征電光調(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分量，當(dāng)該偏振光IP

垂直于電光晶體的通光表面入射時，如將光束分解成兩個線偏振光，經(jīng)過晶體后其X分量與Y再經(jīng)檢偏器AI(AP)A時，根據(jù)偏振原理可求得輸出光強為：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光強與相位差（或電壓）間的關(guān)系 由此可見：(U)＝2k (或) (k=0，1, 2，)時，I A 當(dāng)(U)＝2k+1或U＝(2k+1)U時，I =A A 當(dāng)為其它值時，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，透射光強卻不為0，即I =I A PU＝UP

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

MImin

透射率

TmaxI0式中，Io

為移去電光晶體后轉(zhuǎn)動檢偏器A得到的輸出光強最大值。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時光強調(diào)制的輸出波形圖。由圖6可見，選擇工作點②(U＝U/2)時，輸出波形最大且不失真。選擇工作點①(U＝0)或③(U＝U)時，輸出波形小且嚴重失真，同時輸出信號的頻率為調(diào)制頻率的兩倍。圖6 選擇不同工作點時的輸出波形／4晶體X軸（相當(dāng)于附加一個固定相差作為“光偏置【實驗內(nèi)容及步驟】一、實驗準(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（去除蓋子則光強指示最大器的位置不宜再動。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，使白紙上的光點亮度在最亮和最暗中間，這時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，此時在接收器塑蓋中心點應(yīng)出現(xiàn)光點（去除蓋子則光強指示表應(yīng)有讀數(shù)(A)光強指示近于0(PA)。此時檢偏器與起偏器的角度不宜再動。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為獲得較好的實驗效果，光量宜調(diào)節(jié)在光強指示表為0.1(最小)至5．8(最大)的讀數(shù)范圍之內(nèi)．70（達到最小注：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為獲得較好的實驗效果，光量宜調(diào)節(jié)在光強指示表為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、必要時插入調(diào)節(jié)光強大小用的減光器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、實驗現(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)，觀察輸出光強指示的變化。將晶體偏壓調(diào)至（否則會損壞儀器，輸出光強指示的變化。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

。正偏壓和負偏壓min各做一組值。如此時解調(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，測出最大光強值I，可0I透射率 T

maxI0注：注：I值時應(yīng)控制光量大小不使光敏接收進入飽和狀態(tài)。0三、電光調(diào)制與光通訊實驗演示（可選做）將音頻信號（CD機等音源）輸入到本機的“。改變偏壓試聽揚聲器音量與音質(zhì)的變化。【實驗注意事項】1、為防止強激光束長時間照射而導(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、本實驗使用的晶體根據(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、加偏壓時應(yīng)從0伏起逐漸緩慢增加至最大值，反極性時也應(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，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波片放進光路4時，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如果在實驗中讓A的透光軸與P實驗八 聲光調(diào)制實驗【實驗?zāi)康摹?、了解聲光調(diào)制實驗原理；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?！緦嶒炘怼慨?dāng)聲波在某些介質(zhì)中傳播時，會隨時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 B2k

，并有最強的正一級（或負一級）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同時由此也可求得超聲波在介質(zhì)中的傳播速度為：V Fs

d【實驗儀器及裝置】圖2所示為聲光調(diào)制實驗儀的結(jié)構(gòu)框圖。由圖可見，聲光調(diào)制實驗系統(tǒng)由光路與電路兩大單元組成。線陣信號輸出（擴展用）激光器聲光晶體光電信號解調(diào)輸出信號主控單元超聲載波信號源激光電源 載波頻率指示載波幅度指示外接調(diào)制信號或音頻信號調(diào)制信號源接收光強指示YⅠ解調(diào)波YⅡ調(diào)制波圖2聲光調(diào)制實驗系統(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，需另配臵其它配套