【正文】 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。 研究 靜態(tài)工作點對調(diào)制波形的影響 通過上一個實驗所繪制的曲線，我們看到電壓與輸出光強的關(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。仔細調(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)將會變化）。 3） 旋轉(zhuǎn)起偏器、使透過起偏器的光盡量強一些，旋轉(zhuǎn)檢偏器使白屏上的光點盡量弱。這種圖案是典型的會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)動電源，將狀態(tài)開關(guān)打在直流狀態(tài)，順時針旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)整旋鈕 ，調(diào)高驅(qū)動電壓，觀察白屏上圖案的變化。 三 、實驗儀器 1．光學(xué)實驗導(dǎo)軌 800mm 1 根 2．導(dǎo)軌滑塊 6 個 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 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)擴束鏡 1 套 9．二維可調(diào)光電二極管探頭 1 套 10．白屏 1 個 11. 雙蹤示波器 1 臺 12. 音頻信號源 1 個 四、實驗 內(nèi)容與 步驟 驗證 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，我們采用會聚偏振光的干涉圖像來直觀地對其進行觀察。如果我們在晶體后放有一個檢偏器，我們就會觀察到在施加電場前后，通過檢偏器的光強會有變化。 如果一束線偏振光通過這樣一個晶體，讓我們看一下在施加電壓前后晶體對它有何影響：在加壓前晶體是一個單軸晶體，且光軸在長軸通光方向。 在本實驗中，我們采用對 LN 晶體橫向施加電場的方式來研究 LiNbO3 晶體的電光效應(yīng)。 在極化的方式上。它們的作用機理，都是由于電場對介質(zhì)極化的結(jié)果：即介質(zhì)中的分子在電場作用下被極化或原極化方向發(fā)生變化。一級電光效應(yīng)是指介質(zhì)折射率的變化正比于電場強度，是由 Pockels 于 1893 年發(fā)現(xiàn)的，故也稱為Pockels（泡克爾斯）效應(yīng)。 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，并通過實驗 對光通信中的調(diào)制、傳輸、解調(diào)過程有一個感性認識。二級電光效應(yīng)是指介質(zhì)折射率的變化與電場強度的平方成正比，是 Kerr 于 1875 年發(fā)現(xiàn)的，因此，也稱為 Kerr（克爾）效應(yīng)。 Kerr 效應(yīng)較明顯的材料一般有硝基笨等。一般又有橫向施 加電場（垂直于光軸）和縱向施加電場（平行于光軸）二種方式。其中，晶體被加工成 5 5 30mm3 的長條，光軸沿長軸通光方向，在兩側(cè)鍍有導(dǎo)電電極，以便施加均勻的電場。一束沿通光方向傳播的線偏振光，將不會發(fā)生雙折射現(xiàn)象，不會被分解成 o 光 e 光，當光穿過晶體離開時，其偏振態(tài)將不會發(fā)生變化，還是一個按原方向振動的線偏振光。 通過上面的分析我們看到，如果一束光通過一個由起偏器、 LN 晶體、檢偏器組成的一個系統(tǒng)，我們就可以通過對 LN 晶體施加電壓來改變系統(tǒng)的輸出光強，從而實現(xiàn)對輸出光強的控制。實驗步驟和光路如下： 1） 將半導(dǎo)體激光器、起偏器、擴束鏡、 LN 晶體、檢偏器、白屏依次擺放，使擴束鏡緊靠 LN 晶體 2） 分別接連好半導(dǎo)體激光器電源（在激光功率指示計后面板上）和晶體驅(qū)動電源（千萬不可插錯位）將驅(qū)動電壓旋鈕逆時針旋至最低。將會觀察到圖案由一個中心分裂為兩個心，這是典型的會聚偏振光經(jīng)過雙軸晶體時的干涉圖案。這時起偏器與檢偏器相互垂直，系統(tǒng)進入消光的狀態(tài)。 6） 取下白屏換上激光功率計探頭，記下此時的光功率值 Pmin 7） 順時針旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)整旋鈕，緩慢調(diào)高驅(qū)動電壓，并記錄下電壓值和激光功率值，可每50V 記錄一次。響應(yīng)的非線性就會在調(diào) 制時產(chǎn)生一個信號波形失真的問題，如果一個正弦驅(qū)動信號的靜態(tài)工作點在 0 或 Vλ /2處，還會出現(xiàn)信號倍頻現(xiàn)象。 4 2） 將驅(qū)動信號波形插座和接受信號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輸入插座連接。特別注意，接收信號波形失真最小、接受信號幅度最大，出現(xiàn)倍頻失真時的靜態(tài)工作點電壓。 感性認識光通信中的調(diào)制、傳輸、解調(diào)過程 音頻信號的調(diào)制與傳輸。 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 實驗 二 聲光效應(yīng)實驗 一、實 驗?zāi)康? 1． 觀察 聲光 相互作用現(xiàn)象 。 二、 實驗 原理 聲波是一種彈性波（縱向應(yīng)力波），在介質(zhì)中傳播時，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)點沿聲波的傳播方向振動，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。其衍射光的強度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化。聲光效應(yīng)為控制激光束的頻率、方向和強度提供了一個有效的手段。 當聲波垂直入射到兩種介質(zhì)的分界面上時就會產(chǎn)生駐波。在界面處總是發(fā)生位移波節(jié)和聲壓波腹。為了在聲光介質(zhì)中形成駐波，沿聲傳播方向上聲光介質(zhì)的兩個面要嚴格平行，平行度要優(yōu)于 5/? 。 圖 2 所示就是這種波在 十個彼此相等的瞬時間隔時的情況。在駐波中，彼此相距 λ s/2 的各點完全不振動，這些點稱為波節(jié)。 6 x 匹配網(wǎng)絡(luò) 壓電換能器 驅(qū)動源 聲光介質(zhì) 圖 1 駐波聲光調(diào)制器 圖 2 聲光介質(zhì)中超聲駐波的形成過程 沿 X 正方向和負方向傳播的振動可以寫成如下形式 ? ?? ?.sin ,sin21 xktAa xktAassss ?? ?? ?? 應(yīng)用加法定理可得到合成駐波的表達式 xktAa ss co ssin2 ?? （ 1） 由此可直接得出，在 xkscos 等于零的各點，位移 a 恒等于零；這是在 x 等于 π /2 的奇數(shù)倍時產(chǎn)生的。在超聲駐波的作用下，聲光介質(zhì)的折射率 變化 由下式表示： （ 3） 其中 n? 為聲致折射率改變幅值； s? 是超聲波的 圓 頻率； sk 是超聲波的波數(shù)。 xktntxn ss s ins in2),( ????7 按照聲波頻率的高低以及聲波和光波作用長度的不同，聲光 相 互作用可以分為拉曼－納斯衍射和布拉格衍射兩種類型。 設(shè)寬度為 q 的光波垂直入射寬度為 L 聲波柱，如圖 4 所示。 應(yīng)該注意到：由 于 )0(0s in ???? 整數(shù)mmkk si ?siism mkkm ??? ????s innLLknvvJI imm ????? ??2)(),(2)()( 22 vJvJ mm ??1)(2)( 1 220 ?? ?? vJvJ m???????????????????????????????????012022/])12([2/])12(s i n [2/])12([2/])12(s i n [)(2/)2(2/)2s i n (2/)2(2/)2s i n ()(r sisisisirr sisisisirpqkrlkqkrlkqkrlkqkrlkvJqqrklkqrklkqrklkqrklkvJqELknv i)(?? ik8 表明無吸收時衍射光各級極值光強之和應(yīng)等于入射光強，即光功率是守恒的。 因此， 若能合理選擇參數(shù)，并使超聲場足夠強，可使入射光能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到 +1 級（或 ?1 級）衍射 極值上 。對于駐波超聲場，這些鏡面是完全不動的，如圖6 所示。對于相距 λ s 的兩個不同鏡面上的衍射情況，如圖 6b 所示， 由 C、 E 點反射的 2?、 3?光束具有 同相位 的條件 ， 其 光程差 FE＋ EG 必須等于光波波長的整數(shù)倍 ，即 （ 9） 考慮到 θ i＝θ d ，所以 niBs ??? ?sin2 （ 10） 或者 ssisiB fnn ????? 22s in ?? （ 11） 式中 θ i＝θ d＝θ B ， ?B 稱為布喇格角 。 v 可以用聲致折射率的變化Δ n 來表示，即 （ 13） 則 ?????? ?????? ?? nLII i ??221s in 21 （ 14） 設(shè)介質(zhì)是各向同性的，由晶體光學(xué)可知，當光波和聲波沿某些對稱方向傳播時，Δ n 由介質(zhì)的彈光系數(shù) P 和介質(zhì)在聲場作用下的彈性應(yīng)變幅值 S 決定，即 PSnn 321??? （ 15） )1,0()s in( s in ???? mnm idis ?????????????????????????2sin2cos2120vIIvIIiinLv ?? ??2衍射光 1? 2? ?s ?i ?d B C x (a) ?s C E ?i ?d 2? 3? (b) A D G F 入射光 x 1 2 入射光 2 3 3 x 圖 6 產(chǎn)生布喇格衍射條件的模型 )1,0()c o s( c o s ???? mnmx idi ???10 式中 S與超聲驅(qū)動功率 Ps 有關(guān)，而超聲功率與換能器的面積（換能器寬度 H換能器長度 L）、聲速 s? 與能量密度 2221 Ss??（ ? 是介質(zhì)密度 ） 有關(guān)，即 ? ? HLSSHLPsssS 2322 2121 ????? ???????? （ 16） 因此， 32 SS HLPS ??? （ 17） 于是 3333221221SSSS IPnHL PPnn ???? ????? （ 18） 式中， HLPI ss ? 稱為超聲強度。 四、實驗 內(nèi)容與 步驟 （一）超聲駐波場中光衍射的實驗觀察 1．按照圖 7 塔好光路； 2．