【正文】 【實(shí)驗(yàn)儀器及裝置】 LD 激光二極管（帶尾纖輸出，F(xiàn)C 型接口） 1 只 LED 發(fā)光二極管 1 只 L。 52 / 70實(shí)驗(yàn)八 LD/LED 的 PIV 特性曲線測(cè)試【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?學(xué)習(xí) LED 和 LD 的工作原理和基本特性； 測(cè)試 LED/LD 的功率－電流（PI）特性和電壓－電流（VI）特性，并計(jì)算閾值電流和外微分量子效率； 了解溫度對(duì)閾值電流和輸出功率的影響。 掃描干涉儀的通光孔，在平時(shí)不用時(shí)應(yīng)用膠帶封好，防止灰塵進(jìn)入。激光器 掃描干涉儀 放大器放大器電源激光電源 鋸齒波發(fā)生器示波器Y X小孔光闌圖 4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖【注意事項(xiàng)】 調(diào)節(jié)過程中應(yīng)避免激光直射人眼，以免對(duì)眼睛造成危害。由示波器上顯示的縱模、橫模波形測(cè)出縱模頻率間隔、橫模頻率間隔，和理論值進(jìn)行比較。 根據(jù)干涉儀的曲率半徑計(jì)算出干涉儀的自由光譜范圍，再由給定的反射率計(jì)算出精細(xì)常數(shù) 。 觀察示波器上展現(xiàn)的的頻譜圖，進(jìn)一步細(xì)調(diào)干涉儀的方位螺絲，使譜線盡量強(qiáng)，噪聲盡量小。 將放大器的接收部位對(duì)準(zhǔn)掃描干涉儀的輸出端，本實(shí)驗(yàn)中掃描干涉儀的腔長(zhǎng) ，20lm?反射率 。 調(diào)整光路。共焦球面干涉儀的反射率 和精細(xì)常數(shù) 之間有RRF(15)21???【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】 按實(shí)驗(yàn)裝置圖（圖 4）連接線路，經(jīng)檢查無誤，方可接通。 也表征?? F了在自由光譜范圍內(nèi)可分辨的光譜單元的數(shù)目。它表征波長(zhǎng)在 范圍內(nèi)的光，??1??~? 50 / 70產(chǎn)生的干涉圓環(huán)不互相重疊。l ? A B 1 ， 2 ， 3 1 ′ ， 2 ′ ， 3 ′ l 圖 3 共焦球面掃描干涉儀內(nèi)部光路圖（2）共焦球面干涉儀的性能指標(biāo)①自由光譜范圍 ??由干涉方程（7） ，對(duì) 和 求全微分得 ，則kk????(11)21()4l?式（11）所表示的 就是干涉儀的自由光譜范圍。若 m 是光線在腔內(nèi)往返的次數(shù)，則 1 組經(jīng)歷了 4m 次反射；2 組經(jīng)歷了 4m+2 次反射。l lR當(dāng)一束波長(zhǎng)為 的光近軸入射到干涉儀內(nèi)時(shí)，在忽略球差情況下，光線走一閉合路徑，即光?線在腔內(nèi)反射，往返兩次之后又按原路行進(jìn)。壓電陶瓷內(nèi)外兩面加上鋸齒波電壓后，驅(qū)動(dòng)一個(gè)反射鏡做周期性運(yùn)動(dòng)，用以改變腔長(zhǎng)而實(shí)現(xiàn)光譜掃描。1R②為壓電陶瓷環(huán)，其特性是若在環(huán)的內(nèi)外壁上加上一定數(shù)值的電壓，環(huán)的長(zhǎng)度將隨之發(fā)生變化，而且長(zhǎng)度的變化量與外加電壓的幅度成線性關(guān)系，這正是掃描干涉儀被用來掃描的基本條件。反射鏡鍍有高反射膜，兩塊鏡中的12Rl?一塊是固定不變的，另一塊固定在可隨外加電壓而變化的壓電陶瓷上，如圖 2 所示。由于共焦腔衍射損失小而且在反射鏡上的光斑尺寸很小，因此可以大大降低對(duì)反射面的加工要求，便于批量生產(chǎn)、推廣使用。首先由于共焦腔具有高度的模簡(jiǎn)并特性，所以不需要嚴(yán)格的模匹配，甚至光的行跡有些離軸也無甚影響。在本實(shí)驗(yàn)中，它起著關(guān)鍵作用。共焦球面掃描干涉儀是一種分辨率很高的分光儀器，已成為激光技術(shù)中一種重要的測(cè)量設(shè)備。同時(shí)，由于激光科學(xué)的發(fā)展，迫切需要對(duì)激光器的輸出光譜特性進(jìn)行分析。 共焦球面掃描干涉儀1958 年法國(guó)人柯勒斯（Connes）根據(jù)多光束的干涉原理，提出了一種共焦球面干涉儀。這些都是由于激光器腔長(zhǎng) L01TE的變化所得到的。例如，增益頻1?、 ??寬為 、腔長(zhǎng) 的平凹（ ）諧振激光器，?L=??，按式（2）算得為 ；對(duì)于橫模 和橫模 之間的頻率差用8625Hz?0TEM01（即 ）表示，將各值代入，可得相鄰橫模頻率差01??、 0mn???、 8 .(01)arcos[()()].(.0).41Hz???? ??????? ??? ?、這支激光器的增益帶寬 內(nèi)包含 個(gè)縱模。圖 1 常見的橫模光斑圖任意一個(gè) 模的頻率 經(jīng)計(jì)算得mnqTEMmnq?1212(1)arcos[()]4cLLr???? ????? ?? ?其中 分別是諧振腔兩反射鏡的曲率半徑。（2）橫模對(duì)于滿足形成駐波共振條件的各個(gè)縱模來說，還可能存在著橫向場(chǎng)分布不同的橫模。腔長(zhǎng) L 越短，則 越大，? ??就越少。q? q?相鄰兩縱模（ ）的頻率差為1q??(2)2cL????激光器對(duì)不同頻率的光有不同的增益，只有增益值大于閾值的頻率才能形成振蕩而產(chǎn)生激光。一般 q可以很大，m、n 都很小。我們用符號(hào)“ ”來描述激光諧振腔內(nèi)電磁場(chǎng)的情況?？v模描述了激光器輸出光頻率的個(gè)數(shù)；橫模描述了在垂直于激光傳播方向的平面內(nèi)光場(chǎng)的分布情況?！緦?shí)驗(yàn)儀器】共焦球面掃描干涉儀，高速光電接收器及其電源，鋸齒波發(fā)生器，示波器，氦氖激光器及其電源【實(shí)驗(yàn)原理】 激光器的振蕩模式激光器內(nèi)能夠存在的穩(wěn)定光振蕩的形式稱為激光模式。 禁止用手觸及光學(xué)零件的透光表面。 注意激光高壓電源，以免觸電或短路。? 結(jié)果比較由(4)式算出 值，并進(jìn)一步算出 值，將這個(gè)計(jì)算值同由實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果算出的 值進(jìn)0?? ?行比較。10 測(cè)量光強(qiáng)橫向分布移動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)，使狹縫和硅光電池接收器同時(shí)掃過光束，移動(dòng)的方向應(yīng)與光傳播方向垂直，每隔 ～，記錄光功率指示儀的讀值，測(cè)量激光束的光強(qiáng)橫向分布，重復(fù)測(cè)量三次，并測(cè)量 值。10 43 / 70①⑤⑥②③④①氦氖激光器；②反射鏡；③反射鏡；④狹縫；⑤硅光電池；⑥光功率指示儀圖 3 測(cè)量裝置示意圖【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】 測(cè)量前的準(zhǔn)備按圖 3 擺好光路各部件，打開氦氖激光器電源，調(diào)整激光器輸出鏡，產(chǎn)生激光振蕩，直到輸出光能量最大。然后根據(jù)式(1)?()z?算出光束發(fā)散角 。測(cè)量狹縫連同其后面的硅光電池作為一個(gè)整體沿光束直徑方向做橫向掃描，由和硅光電池連接的反射式檢流計(jì)給出激光束光強(qiáng)橫向分布。這種激光器輸出光束的束腰位0?2????于諧振腔輸出平面鏡的位置，我們測(cè)量距束腰距離 約為 3～5m 處的光束半徑。試驗(yàn)裝置如圖 3 所示。0()Iz()z? 42 / 700()Ir0()Err()z?圖 2 高斯光束的振幅分布和光強(qiáng)分布 光束半徑和發(fā)散角的測(cè)量氦氖激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，體積不大，輸出的波長(zhǎng)為 的紅光。圖 2 中畫出了激光束橫向振幅分布（虛線）和光強(qiáng)分布（實(shí)線） ，并且已將 和0()Ez歸一化。()rz?0()Er0()z1e光束半徑 定義為振幅下降到中心振幅 的點(diǎn)離中心的距離。由于橫向光場(chǎng)振幅分布是高斯分布，r故這樣的激光束稱為高斯光。定義雙曲線漸近線的夾角 為激光束的發(fā)散角，則有?（ 很大） (1)02()z????由(1)式可知，只要我們測(cè)得離束腰很遠(yuǎn)的 處的光斑大小 ，便可算出激光束發(fā)散角。 激光束的發(fā)散角 ?激光器發(fā)出的激光束在空間的傳播如圖 1 所示，光束截面最細(xì)處為束腰， 是光束傳播z方向?！緦?shí)驗(yàn)儀器】氦氖激光器、光功率指示儀、硅光電池接收器、狹縫、微動(dòng)位移臺(tái) 【實(shí)驗(yàn)原理】激光束的發(fā)散角和橫向光斑大小是激光應(yīng)用中的兩個(gè)重要參數(shù)，激光束雖有方向性好的特點(diǎn)，但它也不是理想的平行光，而是具有一定大小的發(fā)散角。以內(nèi)。 調(diào)節(jié)載物平臺(tái)的轉(zhuǎn)向應(yīng)在177。 供電電源應(yīng)提供保護(hù)地線，示波器的地線需與系統(tǒng)良好連接?！緦?shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)】 為防止強(qiáng)激光束長(zhǎng)時(shí)間照射而導(dǎo)致光敏管疲勞或損壞，調(diào)節(jié)或使用后請(qǐng)隨即用塑蓋將光電接收孔蓋好。注：?在揚(yáng)聲器播音的同 時(shí) ，亦可由示波器 監(jiān)視調(diào)制波形和解調(diào)波形。 39 / 70 測(cè)量超聲波的波速將超聲波頻率 F（80MHz） 、偏轉(zhuǎn)角 與激光波長(zhǎng) （）各值代入公式 ，d??dsF???V即可計(jì)算出超聲波在介質(zhì)中的傳播速度 。（2） 測(cè)得各調(diào)制頻率 F 值所對(duì)應(yīng)的衍射光強(qiáng) Id，畫出衍射光強(qiáng)～調(diào)制頻率的關(guān)系曲線（I d～F） ，該曲線中的 Id 峰值 Idmax 應(yīng)與中心頻率相對(duì)應(yīng)，而其與下降 3dB 所對(duì)應(yīng)的頻率差即為聲光調(diào)制器的帶寬。 待測(cè)得 1 級(jí)光和 0 級(jí)光點(diǎn)間的距離 d 與 聲光調(diào)制器到接收孔之間的距離L（由導(dǎo)軌面上標(biāo)尺讀出） 后，由于 L＞＞d，即可求出聲光調(diào)制的偏轉(zhuǎn)角：注：改變頻率時(shí)應(yīng)隨時(shí)調(diào)節(jié)“載波幅度” 旋鈕，以盡量保持調(diào)制幅度（載波電壓表指示讀數(shù)）一致。 測(cè)試聲光調(diào)制頻率偏轉(zhuǎn)特性（1） 將“載波選擇”開關(guān)置于Ⅰ和Ⅱ的位置，調(diào)節(jié)“載波頻率”旋鈕，微調(diào)接收器橫向測(cè)微計(jì)，使其始終跟蹤一級(jí)光的位置。 觀察聲光調(diào)制隨頻率偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象（1） 按測(cè)試“聲光調(diào)制幅度特性”的步序，先將“載波選擇”置于“關(guān)”的位置， 記下接收器滑座橫向測(cè)微計(jì)在 0 級(jí)時(shí)的讀數(shù) d0。 38 / 70注：為獲得較好的線性效果，應(yīng)控制激光功率，不使接收光強(qiáng)飽和，其接收光強(qiáng)指示的最大值應(yīng)在 的讀數(shù)范圍內(nèi)。 測(cè)試聲光調(diào)制的幅度特性（1） 取去像屏，使激光束的 0 級(jí)光仍落在光敏接收孔的中心位置上。當(dāng)一級(jí)衍射光最強(qiáng)時(shí)，聲光調(diào)制器即運(yùn)轉(zhuǎn)在布拉格條件下的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)。（2） 打開載波選擇開關(guān)，撥至“80MHz”的檔級(jí)，調(diào)節(jié)“載波幅度”旋鈕，此時(shí) 80MHz的超聲波即對(duì)聲光介質(zhì)進(jìn)行調(diào)制。 將光電接收器前端的彈簧鋼絲夾夾持住白色像屏。10176。 調(diào)節(jié)載物平臺(tái)的高度和轉(zhuǎn)向，使激光束恰在聲光調(diào)制器的透光孔中間穿過，再用壓桿將聲光調(diào)制器緊固定。 用所提供的電纜線分別將前面板的“調(diào)制監(jiān)視”與“解調(diào)輸出”插座與雙蹤示波器的YⅠ 、Y Ⅱ 輸入端相連，移去接收器塑蓋時(shí)，接收光強(qiáng)指示表應(yīng)有讀數(shù)。（2） 調(diào)節(jié)激光器尾部的夾持螺釘，使激光束的光點(diǎn)保持在接收器的塑蓋中心位置上（去除蓋子則光強(qiáng)指示最大） ，此后激光器與接收器的位置不宜再動(dòng)。調(diào)節(jié)激光器架上的三只夾持螺釘使激光束基本保持水平，用直尺量激光器光源輸出口高度與光電接收器中心高度，使二者等高。注意使各滑座的 0 刻度處在光具座的中心位置。 所有滑動(dòng)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。揚(yáng)聲器 將有源揚(yáng)聲器插入后面板的“解調(diào)監(jiān)聽”插座即可發(fā)聲，音量由有源揚(yáng)聲器中的音量控制旋鈕控制。解調(diào)輸出 光電接收信號(hào)由“解調(diào)輸出”插座輸出，主控單元中的內(nèi)置信號(hào)（或外調(diào)輸入信號(hào)）由“調(diào)制監(jiān)視”插座輸出。 （如使用 HeNe 激光管，需自配電源，且其輸出直流高壓務(wù)必按正負(fù)極性正確連接）聲光調(diào)制 由聲光調(diào)制器的 BNC 插座引出的同軸電纜插入主控單元后面板的“載波輸出”插座上。? 解調(diào)監(jiān)聽 直接送有源揚(yáng)聲器發(fā)聲的輸出插座。? 載波輸出 輸出超聲功率至聲光調(diào)制器的插座。圖 4 控制單元后面板 36 / 70圖 4 為電路單元的儀器后面板圖，板面各插座的功能如下：? 交流電源 右側(cè)下部為標(biāo)準(zhǔn)三芯電源插座，用以連接 220V 交流市電，插座上方系保護(hù)電源用的熔絲。? 載波電壓指示 數(shù)字顯示聲光調(diào)制的超聲信號(hào)幅度。（插入外來信號(hào)時(shí) 1kHz 內(nèi)置的音頻信號(hào)自動(dòng)斷開）? 調(diào)制幅度旋鈕 用以調(diào)節(jié)音頻調(diào)制信號(hào)的幅度。? 調(diào)制監(jiān)視插座 將調(diào)制信號(hào)輸出到示波器顯示的插座。? 載波幅度旋鈕 用于調(diào)節(jié)聲光調(diào)制的超聲信號(hào)功率。? 解調(diào)輸出插座 解調(diào)信號(hào)的輸出插座，可送示波器顯示。二、電路系統(tǒng)除光電轉(zhuǎn)換接收部件外，其余電路單元全部組裝在同一主控單元之中。 34 / 70圖 2 聲 光 調(diào) 制 實(shí) 驗(yàn) 系 統(tǒng) 組 成載 波 頻 率 指 示載 波 幅 度 指 示接 收 光 強(qiáng) 指 示聲 光 晶 體調(diào) 制 信 號(hào) 源激 光 電 源主 控 單 元激 光 器 光 電 信 號(hào)解 調(diào) 輸 出調(diào) 制 波 解 調(diào) 波 信 號(hào)解 調(diào) 輸 出外 接 調(diào) 制 信 號(hào)或 音 頻 信 號(hào) 超 聲 載 波 信 號(hào) 源 光 電 接 收線 陣 信 號(hào) 輸 出（ 擴(kuò) 展 用 ）YⅡⅠ圖 2 聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖一、光路系統(tǒng)由激光管（L） 、聲光調(diào)制晶體（AOM）與光電接收（R） 、CCD 接收等單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)。同時(shí)由此也可求得超聲波在介質(zhì)中的傳播速度為：(4)ds???V【實(shí)驗(yàn)儀器及裝置】圖 2 所示為聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)框圖。滿足布拉格衍射的條件是： (2)sFSin???2??（式中 F 與 分別為超聲波的頻率與速度， 為光波的波長(zhǎng)）s?當(dāng)滿足入射角 較小，且 的布拉格衍射條件下，由（1）式可知，此時(shí)i?Bi ，并有最強(qiáng)的正一級(jí)（或負(fù)一級(jí)）的衍射光呈現(xiàn)。前者通常聲頻較高，聲光作用程較長(zhǎng)；后者則反之。(1)?????????????????ssi NkKN????242sn式中 N 為衍射光的級(jí)數(shù)， 、 k 分別為入射光的波長(zhǎng)和波數(shù) ， 與 K 分別為超?s聲波的波長(zhǎng)和波數(shù) 。如圖 1 所示為聲光調(diào)制原理圖。聲光器件由聲光介質(zhì)和換能器兩部分組成。介質(zhì)隨超聲應(yīng)變與折射率變化的這一特性，可使光在介質(zhì)中傳播時(shí)發(fā)生衍射，從而產(chǎn)生聲光效應(yīng)：存在于超聲波中的此類介質(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)）即為聲波波長(zhǎng)。 32 / 70實(shí)驗(yàn)五 聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)原理； 研究聲場(chǎng)與光場(chǎng)相互作用的物理過程； 測(cè)量聲光效應(yīng)的幅度特性和偏轉(zhuǎn)特性。 調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器功率時(shí)，不要用力過大而損壞功率調(diào)節(jié)旋鈕。四、磁光調(diào)制與光通訊實(shí)驗(yàn)演示（可選做）將音頻信號(hào)（來自收音機(jī)、錄音機(jī)、CD 唱盤等音源）輸入到“外調(diào)輸入”插座，將有源揚(yáng)聲器插入“解調(diào)輸出”插座，