【正文】 1 激光原理與 技術(shù) 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 編著：劉安玲 孫利平 劉 莉 黃利元 周 遠(yuǎn) 譚志光 袁 媛 長(zhǎng)沙學(xué)院電子與通信工程系 光電通信實(shí)驗(yàn)室 光電信息工程教研室 2020 年 1 月 1 目錄 實(shí)驗(yàn)一 晶體的電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn) ..................................................... 1 實(shí)驗(yàn)二 聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn) ................................................................... 5 實(shí)驗(yàn)三 ND： YAG 激光器調(diào)腔實(shí)驗(yàn) .......................................... 14 實(shí)驗(yàn)四 ND： YAG 激光器調(diào) Q 實(shí)驗(yàn) ......................................... 22 實(shí)驗(yàn)五 ND： YAG 激光器倍頻實(shí)驗(yàn) .......................................... 27 實(shí)驗(yàn)六 氦氖激光器調(diào)腔及其性能研究實(shí)驗(yàn) ............................. 31 14 實(shí)驗(yàn)一 晶體的電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1． 研究 LN 晶體的一次電光效應(yīng) 特性 ，了解電場(chǎng)對(duì)晶體的作用機(jī)理。 2． 掌握電光調(diào)制的工作原理及光路調(diào)整方法。 3． 了解 LN 晶體 橫 向電光效應(yīng)在光通信中的應(yīng)用，并通過實(shí)驗(yàn) 對(duì)光通信中的調(diào)制、傳輸、解調(diào)過程有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)。 二、實(shí)驗(yàn)原理 電光效應(yīng)一般是指介質(zhì)在 外加 電場(chǎng)的作用下， 其 折射率 將 發(fā)生變化 ，當(dāng)光波通過此介質(zhì)時(shí)，其傳輸特性就受到影響而改變，這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。 電光效應(yīng)按電壓與折射率變化的關(guān)系可分為：一級(jí)電光效應(yīng)和二級(jí)電光效應(yīng)。一級(jí)電光效應(yīng)是指介質(zhì)折射率的變化正比于電場(chǎng)強(qiáng)度，是由 Pockels 于 1893 年發(fā)現(xiàn)的，故也稱為Pockels（泡克爾斯）效應(yīng)。二級(jí)電光效應(yīng)是指介質(zhì)折射率的變化與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，是 Kerr 于 1875 年發(fā)現(xiàn)的，因此，也稱為 Kerr（克爾）效應(yīng)。 泡克爾斯效應(yīng)一般發(fā)生在本來就各向異性的介質(zhì)中，如各種晶體。而 kerr 效應(yīng)一般發(fā)生在各向同性的介質(zhì)中。它們的作用機(jī)理，都是由于電場(chǎng)對(duì)介質(zhì)極化的結(jié)果：即介質(zhì)中的分子在電場(chǎng)作用下被極化或原極化方向發(fā)生變化。 Kerr 效應(yīng)較明顯的材料一般有硝基笨等。其自然狀態(tài)是各向同性的，在被電場(chǎng)極化后變?yōu)楦飨虍愋裕a(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。而 Pockels 效應(yīng)則多發(fā)生在一些晶體如 LiNbO3(鈮酸鋰，簡(jiǎn)稱 LN)晶體上，他們本來就是單軸晶體，各向異性、電場(chǎng)的極化使它們?cè)瓨O化情況發(fā)生變化，由單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體。 在極化的方式上。一般又有橫向施 加電場(chǎng)（垂直于光軸）和縱向施加電場(chǎng)（平行于光軸）二種方式。由于橫向電場(chǎng)的 Pockels 效應(yīng)具有半波電壓低、線性度較好的特點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用。按此方式制成的電光調(diào)制器被廣泛地應(yīng)用于光通訊領(lǐng)域，成為當(dāng)今信息社會(huì)不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)。 在本實(shí)驗(yàn)中，我們采用對(duì) LN 晶體橫向施加電場(chǎng)的方式來研究 LiNbO3 晶體的電光效應(yīng)。其中，晶體被加工成 5 5 30mm3 的長(zhǎng)條，光軸沿長(zhǎng)軸通光方向，在兩側(cè)鍍有導(dǎo)電電極，以便施加均勻的電場(chǎng)。 光 軸電 極通 光 面電 極 LN 在自然狀態(tài)下是 一種比較典型的單軸晶體，具有很好的電光特性。當(dāng)我們對(duì)晶體施加電壓時(shí)，材料中的極化情況發(fā)生變化，會(huì)產(chǎn)生出一個(gè)新的光軸，從而使晶體產(chǎn)生了一個(gè)附2 加的各向異性。 如果一束線偏振光通過這樣一個(gè)晶體，讓我們看一下在施加電壓前后晶體對(duì)它有何影響：在加壓前晶體是一個(gè)單軸晶體，且光軸在長(zhǎng)軸通光方向。一束沿通光方向傳播的線偏振光，將不會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象，不會(huì)被分解成 o 光 e 光，當(dāng)光穿過晶體離開時(shí)，其偏振態(tài)將不會(huì)發(fā)生變化，還是一個(gè)按原方向振動(dòng)的線偏振光。 當(dāng)我們?cè)诰w兩側(cè)施加一定強(qiáng)度的電壓后，由于分子的極化方向受電場(chǎng)影響發(fā)生了變化， 并生成了一個(gè)新的附加光軸，使晶體由原來的單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體，這時(shí)沿通光方向傳播的光將不再與光軸平行，雙折射現(xiàn)象將會(huì)發(fā)生，穿過晶體。這將使經(jīng)過的光的偏振態(tài)發(fā)生變化。如果我們?cè)诰w后放有一個(gè)檢偏器，我們就會(huì)觀察到在施加電場(chǎng)前后，通過檢偏器的光強(qiáng)會(huì)有變化。 通過上面的分析我們看到，如果一束光通過一個(gè)由起偏器、 LN 晶體、檢偏器組成的一個(gè)系統(tǒng)，我們就可以通過對(duì) LN 晶體施加電壓來改變系統(tǒng)的輸出光強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光強(qiáng)的控制。如果這個(gè)電壓是一系列電脈沖信號(hào)的話，則可實(shí)現(xiàn)了對(duì)光的調(diào)制。晶體的電光調(diào)制正是基于這個(gè)原理。 三 、實(shí)驗(yàn)儀器 1．光學(xué)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)軌 800mm 1 根 2．導(dǎo)軌滑塊 6 個(gè) 3．二維可調(diào)半導(dǎo)體激光器 650nm 4mW 1 套 4．激光功率指示計(jì) 1 套 5．偏振片 2 套 6． 1/4 波片 1 套 7．三維可調(diào)電光晶體 及 附件 1 套 8．二維可調(diào)擴(kuò)束鏡 1 套 9．二維可調(diào)光電二極管探頭 1 套 10．白屏 1 個(gè) 11. 雙蹤示波器 1 臺(tái) 12. 音頻信號(hào)源 1 個(gè) 四、實(shí)驗(yàn) 內(nèi)容與 步驟 驗(yàn)證 LN 晶體在自然狀態(tài)下的單軸晶體特性和施加電壓后晶體變?yōu)殡p軸晶體的情況 為此，我們采用會(huì)聚偏振光的干涉圖像來直觀地對(duì)其進(jìn)行觀察。實(shí)驗(yàn)步驟和光路如下： 1） 將半導(dǎo)體激光器、起偏器、擴(kuò)束鏡、 LN 晶體、檢偏器、白屏依次擺放，使擴(kuò)束鏡緊靠 LN 晶體 2） 分別接連好半導(dǎo)體激光器電源（在激光功率指示計(jì)后面板上）和晶體驅(qū)動(dòng)電源（千萬不可插錯(cuò)位）將驅(qū)動(dòng)電壓旋鈕逆時(shí)針旋至最低。 3） 打開激光功率指示計(jì)電源，激光器亮。調(diào)整激光器的方向和各附件的高低，使各光學(xué)元件盡量同軸且與光束垂直，旋轉(zhuǎn)起偏器，使透過起偏器的光盡量強(qiáng)一些（因半導(dǎo)體激光器的輸出光為部分偏振光） 4） 觀察白屏上的圖案并轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器觀察圖案的變化，應(yīng)可觀察到由十字亮線或暗線和環(huán)3 形線組成的圖案。這種圖案是典型的會(huì)聚偏振光穿過單軸晶體后形成的干涉圖案 5） 打開晶體驅(qū)動(dòng)電源，將狀態(tài)開關(guān)打在直流狀態(tài)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)整旋鈕 ，調(diào)高驅(qū)動(dòng)電壓，觀察白屏上圖案的變化。將會(huì)觀察到圖案由一個(gè)中心分裂為兩個(gè)心，這是典型的會(huì)聚偏振光經(jīng)過雙軸晶體時(shí)的干涉圖案。 研究 LN 晶體的電光特性和 特征 參 量 實(shí)驗(yàn)步驟和光路如下： 1） 將上個(gè)實(shí)驗(yàn)中的擴(kuò)束鏡和 LN 晶體取下，使系統(tǒng)按激光器、起偏器、檢偏器、白屏排列。 2） 打開激光功率指示計(jì)電源，調(diào)整系統(tǒng)光路，使光學(xué)元件盡量與激光束等高、同軸、垂直。 3） 旋轉(zhuǎn)起偏器、使透過起偏器的光盡量強(qiáng)一些，旋轉(zhuǎn)檢偏器使白屏上的光點(diǎn)盡量弱。這時(shí)起偏器與檢偏器相互垂直，系統(tǒng)進(jìn)入消光的狀態(tài)。 4） 將 LN 晶體放置于起偏器與檢偏器之間，調(diào)整其高度 和方向盡量使 LN 晶體與光束同軸、垂直。 5） 將晶體驅(qū)動(dòng)電源的電壓調(diào)至最低，狀態(tài)開關(guān)打到直流狀態(tài)，觀察白屏上的光斑亮度。仔細(xì)調(diào)整 LN 晶體的角度和方位，盡量使白屏上的激光光斑最暗（理論上講， LN 晶體的加入應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的消光狀態(tài)無影響，但由于 LN 晶體本身固有的缺陷和激光光束的品質(zhì)問題，系統(tǒng)消光狀態(tài)將會(huì)變化）。 6） 取下白屏換上激光功率計(jì)探頭，記下此時(shí)的光功率值 Pmin 7） 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)整旋鈕，緩慢調(diào)高驅(qū)動(dòng)電壓，并記錄下電壓值和激光功率值，可每50V 記錄一次。特別注意記錄最大功率值 Pmax 和對(duì)應(yīng)的電壓值 Vλ /2 8） 根據(jù)上兩步記錄 的數(shù)據(jù)，求出系統(tǒng)消光比 M= Pmax / Pmin 和半波電壓 Vλ /2 畫出電壓與輸 出 功率的對(duì)應(yīng)曲線 (可在全部實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行 )。 9） 取下 LN 晶體 ， 旋轉(zhuǎn)檢偏器，記錄下系統(tǒng)輸出最大的光功率 Po，計(jì)算 LN 晶體的透過率 T= Pmax / Po 10） 消光比 M 、透過率 T、 半波電壓 Vλ /2是表征電光晶體品質(zhì)的三個(gè)重要特征參量。 研究 靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)調(diào)制波形的影響 通過上一個(gè)實(shí)驗(yàn)所繪制的曲線，我們看到電壓與輸出光強(qiáng)的關(guān)系并不是完全線性的，只是在二分之一 Vλ /2處是近似線性的。響應(yīng)的非線性就會(huì)在調(diào) 制時(shí)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)波形失真的問題，如果一個(gè)正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)的靜態(tài)工作點(diǎn)在 0 或 Vλ /2處，還會(huì)出現(xiàn)信號(hào)倍頻現(xiàn)象。這就要求我們?cè)谑闺姽饩w工作時(shí)找到一個(gè)好的靜態(tài)工作點(diǎn)，以使波形失真最小且最靈敏。靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置有多種方案，可以是電學(xué)的也可 以 是光學(xué)的。 以下實(shí)驗(yàn)是為了觀察靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)輸出波形的影響，實(shí)驗(yàn)步驟與光路如下： 1） 將上一個(gè)實(shí)驗(yàn)電路中的功率指示計(jì)探頭取下，換上光電二極管探頭，使系統(tǒng)光路按半導(dǎo)體激光器、起偏器、 LN 晶體、檢偏器、光電二極管探頭順序排列。 4 2） 將驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形插座和接受信號(hào)波形插座分別與雙蹤示波器 CH1 和 CH2 通道連接，光電二極管探頭與信號(hào)輸入插座連接。 3） 將狀態(tài)開關(guān)置于正弦波位置，幅度調(diào)節(jié)鈕旋至最大。 4） 示波器置于雙蹤同時(shí)顯示，以驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形為觸發(fā)信號(hào)，正弦波頻率約為 1KHZ。 5） 旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)節(jié)旋鈕改變靜態(tài)工作點(diǎn)，觀察示波器上的波形變化。特別注意，接收信號(hào)波形失真最小、接受信號(hào)幅度最大，出現(xiàn)倍頻失真時(shí)的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓。對(duì)照上一個(gè)實(shí)驗(yàn)中的曲線圖，理解靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)調(diào)制波形的影響。 感性認(rèn)識(shí) 1/4 波片對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響和作用 在起偏器與 LN 晶體間放入 1/4 波片。分別將靜態(tài)工作電壓置于倍頻失真點(diǎn)、接收信號(hào)波形失真最小、接 收信號(hào)波形幅度最大點(diǎn)（參考上一步驟的參數(shù)），旋轉(zhuǎn)λ /4 波片，觀察接收波形的變化情況，體會(huì) 1/4 波 片 對(duì)靜 態(tài)工作 點(diǎn)的影響和作用。 感性認(rèn)識(shí)光通信中的調(diào)制、傳輸、解調(diào)過程 音頻信號(hào)的調(diào)制與傳輸。將音頻信號(hào)接入音頻插座，狀態(tài)開關(guān)置于音頻狀態(tài)。觀察示波器上的波形，打開后面的喇叭開關(guān)，監(jiān)聽音頻調(diào)制與傳輸效果。 五、 思考題 1．加直流電壓前后屏上顯現(xiàn)的晶體出射光強(qiáng)的變化，可判定晶體產(chǎn)生電光效應(yīng)，其理由何在。 2． 電 光晶體調(diào)制器應(yīng)滿足什么條件方能使輸出波形不失真 ？ 5 實(shí)驗(yàn) 二 聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn) 一、實(shí) 驗(yàn)?zāi)康? 1． 觀察 聲光 相互作用現(xiàn)象 。 2． 知道 布喇格衍射的實(shí)驗(yàn)條件和特點(diǎn)。 3． 通過對(duì)聲光器件衍射效率和帶寬等的測(cè)量，加深對(duì)其概念的理解。 4． 學(xué)會(huì) 測(cè)量聲光偏轉(zhuǎn)和聲光調(diào)制曲線。 二、 實(shí)驗(yàn) 原理 聲波是一種彈性波（縱向應(yīng)力波），在介質(zhì)中傳播時(shí)，它使介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性形變，從而激起介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)沿聲波的傳播方向振動(dòng)，引起介質(zhì)的密度呈 疏密相間的交替變化，因此，介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。超聲場(chǎng)作用的這部分如同一個(gè)光學(xué)的“位相光柵”，該光柵間距（光柵常數(shù)）等于聲波波長(zhǎng) λ s。 與普通光柵相比，其不同在于不存在不透光部分，每一部分 都有光透過，但其折射率不同。 當(dāng)光波通過此介質(zhì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光的衍射。其衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲場(chǎng)的變化而變化。這就是聲光效應(yīng)。 早在上世紀(jì) 30 年代就開始了聲光衍射的實(shí)驗(yàn)研究。 60 年代激光器的問世為聲光現(xiàn)象的研究提供了理想的光源，促進(jìn)了聲光效應(yīng)理論和應(yīng)用研究的迅速發(fā)展。聲光效應(yīng)為控制激光束的頻率、方向和強(qiáng)度提供了一個(gè)有效的手段。利用聲光效應(yīng)制成的聲光器件，如聲光調(diào)制器、聲光偏轉(zhuǎn)器和可調(diào)諧濾光器等，在激光技術(shù)、光信號(hào)處理和集成光通訊技術(shù)等方面有著重要的應(yīng)用。 聲波在介質(zhì)中傳播分為行波和駐波兩種形式。聲 駐波是由波長(zhǎng)、振幅和相位相同，傳播方向相反的兩束聲波疊加而成的。 當(dāng)聲波垂直入射到兩種介質(zhì)的分界面上時(shí)就會(huì)產(chǎn)生駐波。假如分界面兩邊介質(zhì)的聲阻抗相差很大，則根據(jù)邊界條件，在界面上有質(zhì)點(diǎn)位移、振動(dòng)速度00 ?? ua 和 。因而，在反射點(diǎn)處位移和速度的相位產(chǎn)生 180176。的突變。在界面處總是發(fā)生位移波節(jié)和聲壓波腹。如由分界面兩邊介質(zhì)的聲阻抗相差不大的表面上反射時(shí)，聲波的一部分能量轉(zhuǎn)移到第二種介質(zhì)中，反射的振幅小于發(fā)射的振幅。這時(shí)，在第一種介質(zhì)中