【正文】 制器。晶體放在兩個(gè)正交的偏振片之間，起偏振片和晶體的x軸平行。晶體放在四維調(diào)節(jié)架上，可精細(xì)調(diào)節(jié)，使光束嚴(yán)格沿晶體光軸方向通過(guò)。光電接收器由PIN光電二極管和功率放大器組成。電箱內(nèi)裝有音箱插孔，用來(lái)再現(xiàn)聲音調(diào)制信號(hào)，面板上還有“調(diào)制信號(hào)”高頻插孔，用示波器測(cè)量顯示PIN光電二極管接收到的光強(qiáng)信號(hào)的大小。調(diào)節(jié)起偏格蘭棱鏡和檢偏振片正交，且分別平行于x軸，y軸，放上電光晶體后各器件要細(xì)調(diào)，精細(xì)調(diào)節(jié)是利用單軸晶體的錐光干涉圖樣的變化完成的。然后緊靠晶體前放一張鏡頭紙，這時(shí)在白屏上可觀察到單軸晶體的錐光干涉圖樣，如圖4。在觀察過(guò)程中要反復(fù)微調(diào)晶體，使干涉圖樣中心與光點(diǎn)位置重合，同時(shí)盡可能使圖樣對(duì)稱、完整，確保光束既與晶體光軸平行，又從晶體中心穿過(guò)的要求，再調(diào)節(jié)使干涉圖樣出現(xiàn)清晰的暗十字，且十字的一條線平行于x軸。2）加上直流偏壓時(shí)呈現(xiàn)雙軸晶體的錐光干涉圖樣，它說(shuō)明單軸晶體在電場(chǎng)的作用下變成了雙軸晶體。4）只改變直流偏壓的大小時(shí)，干涉圖樣不旋轉(zhuǎn)，只是雙曲線分開的距離發(fā)生變化。(即T～U曲線)，求出半波電壓Uπ，再算出電光系數(shù)γ22 在實(shí)驗(yàn)中，用兩種方法測(cè)量鈮酸鋰晶體的半波電壓，一種方法是極值法，另一種方法是調(diào)制法。調(diào)整光電接收器對(duì)準(zhǔn)激光光點(diǎn)，放大器的直流輸出接到電箱，再增大直流偏壓到最大，保持再減小直流偏壓到零，若讀數(shù)始終不超過(guò)200mV，則可以開始測(cè)量數(shù)據(jù)了。偏壓U(V)102030405060708090100光強(qiáng)T(mV)偏壓U(V)110120130140150160170180190200光強(qiáng)T(mV)偏壓U(V)210220230240250260270280290300光強(qiáng)T(mV)偏壓U(V)310320330340350360370380390400光強(qiáng)T(mV)偏壓U(V)410420430440450460470480490500光強(qiáng)T(mV)偏壓U(V)510520530540550560570580590600光強(qiáng)T(mV)以T為縱坐標(biāo)，U為橫坐標(biāo)，畫T～U關(guān)系曲線，確定半波電壓Uπ的數(shù)值，并計(jì)算電光系數(shù)。2）調(diào)制法晶體上直流電壓和交流信號(hào)同時(shí)加上，與直流電壓調(diào)到輸出光強(qiáng)出現(xiàn)極小值或極大值對(duì)應(yīng)的電壓值時(shí)，輸出的交流信號(hào)出現(xiàn)倍頻失真，出現(xiàn)相鄰倍頻失真對(duì)應(yīng)的直流電壓之差就是半波電壓Uπ。這種方法比極值法更精確，因?yàn)橛脴O值法測(cè)半波電壓時(shí)，很難準(zhǔn)確的確定T～U曲線上的極大值或極小值，因而其誤差也較大。如果觀察不到兩次倍頻失真，則需要重新調(diào)節(jié)暗十字形干涉圖樣，調(diào)整好后再做。改變直流偏壓，使調(diào)制器工作在不同的狀態(tài)，把被調(diào)制信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大后接到雙蹤示波器的CH2上，和CH1上的參考信號(hào)比較。工作點(diǎn)選定在曲線的直線部分，即U0=Uπ/2附近時(shí)是線性調(diào)制；工作點(diǎn)選定在曲線的極小值(或極大值)時(shí)，輸出信號(hào)出現(xiàn)“倍頻”失真；工作點(diǎn)選定在極小值(或極大值)附近時(shí)輸出信號(hào)失真，觀察時(shí)調(diào)制信號(hào)幅度不能太大，否則調(diào)制信號(hào)本身失真，輸出信號(hào)的失真無(wú)法判斷由什么原因引起的，把觀察到的波形描下來(lái)，并和前面的理論分析作比較。4）用1/4波片改變工作點(diǎn)，觀察輸出特性在上述實(shí)驗(yàn)中，去掉晶體上所加的直流偏壓(直流偏壓調(diào)至0V)，把1/4波片置入晶體和偏振片之間，繞光軸緩慢旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以看到輸出信號(hào)隨著發(fā)生變化。因此，把波片旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，出現(xiàn)四次線性調(diào)制和四次“倍頻”失真。5）光通訊的演示電源面板的轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到“音頻”擋，此時(shí)，正弦信號(hào)被切斷，輸出裝在電源箱里的“音頻”信號(hào)。如改變直流偏壓的大小，則會(huì)聽(tīng)到音樂(lè)的音質(zhì)有變化，說(shuō)明音樂(lè)也有失真和不失真。把音樂(lè)信號(hào)接到示波器上，可以看到我們聽(tīng)到的音樂(lè)信號(hào)的波形，它是由振幅相的不同頻率的正弦波迭加而成的。激光管點(diǎn)亮10分鐘后，達(dá)到熱平衡，輸出功率和模式開始穩(wěn)定，可以開始實(shí)驗(yàn)。3．PIN光電二極管應(yīng)避免強(qiáng)光照射，以免燒壞。4．電源上的旋鈕順時(shí)針?lè)较驗(yàn)樵鲆婕哟蟮姆较?，因此，電源開關(guān)打開前，所有旋鈕應(yīng)該逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)到頭，關(guān)儀器前，所有旋鈕逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)到頭后再關(guān)電源。本世紀(jì)初進(jìn)行的世界能源儲(chǔ)量調(diào)查顯示，全球剩余煤炭只能維持約216年，石油只能維持45年，天然氣只能維持61年，用于核發(fā)電的鈾也只能維持71年。根據(jù)計(jì)算，現(xiàn)在全球每年排放的CO2已經(jīng)超過(guò)500億噸。推廣使用太陽(yáng)輻射能、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源是今后的必然趨勢(shì)。太陽(yáng)的光輻射可以說(shuō)是取之不盡、用之不竭的能源。在地球大氣圈外， /m2，稱為太陽(yáng)常數(shù)。在地球海平面上，正午垂直入射時(shí)，太陽(yáng)輻射的功率密度約為1kW /m2 ，通常被作為測(cè)試太陽(yáng)電池性能的標(biāo)準(zhǔn)光輻射強(qiáng)度。每年到達(dá)地球的輻射能相當(dāng)于49000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒能。太陽(yáng)能發(fā)電有兩種方式。光—電直接轉(zhuǎn)換方式是利用光生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能，光—電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽(yáng)能電池。隨著研究工作的深入與生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，太陽(yáng)能發(fā)電的成本下降很快，而資源枯竭與環(huán)境保護(hù)導(dǎo)致傳統(tǒng)電源成本上升。根據(jù)所用材料的不同，太陽(yáng)能電池可分為硅太陽(yáng)能電池，化合物太陽(yáng)能電池，聚合物太陽(yáng)能電池，有機(jī)太陽(yáng)能電池等。本實(shí)驗(yàn)研究單晶硅，多晶硅，非晶硅3種太陽(yáng)能電池的特性。太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，電源面板如圖5所示。調(diào)節(jié)光源與太陽(yáng)能電池之間的距離可以改變照射到太陽(yáng)能電池上的光功率，具體數(shù)值由光功率計(jì)測(cè)量。電壓源：可以輸出0～8V連續(xù)可調(diào)的直流電壓。電壓/光功率表：通過(guò)“測(cè)量轉(zhuǎn)換”按鍵，可以測(cè)量輸入“電壓輸入”接口的電壓，或接入“光功率輸入”接口的光功率計(jì)探頭測(cè)量到的光功率數(shù)值。通過(guò)“電壓量程”或“光功率量程”，可以選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。圖5 太陽(yáng)能電池特性實(shí)驗(yàn)儀太陽(yáng)能電池利用半導(dǎo)體PN結(jié)受光照射時(shí)的光伏效應(yīng)發(fā)電，太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)大面積平面PN結(jié)，圖1為PN結(jié)示意圖。N型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的自由電子，幾乎沒(méi)有空穴。勢(shì)壘電場(chǎng)會(huì)使載流子向擴(kuò)散的反方向作漂移運(yùn)動(dòng)，最終擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡，使流過(guò)PN結(jié)的凈電流為零。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢(shì)壘電場(chǎng)推向N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)有過(guò)量的電子而帶負(fù)電，P區(qū)有過(guò)量的空穴而帶正電，PN結(jié)兩端形成電壓，這就是光伏效應(yīng)，若將PN結(jié)兩端接入外電路，就可向負(fù)載輸出電能。圖2 太陽(yáng)能電池的輸出特性負(fù)載電阻為零時(shí)測(cè)得的最大電流ISC稱為短路電流。太陽(yáng)能電池的輸出功率為輸出電壓與輸出電流的乘積。若以輸出電壓為橫坐標(biāo)，輸出功率為縱坐標(biāo)，繪出的PV曲線如圖2點(diǎn)劃線所示。： (1)填充因子是表征太陽(yáng)電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，其值越大，電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高，~。理論分析及實(shí)驗(yàn)表明，在不同的光照條件下，短路電流隨入射光功率線性增長(zhǎng)，而開路電壓在入射光功率增加時(shí)只略微增加，如圖3所示。單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到10%。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池成本低，重量輕，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。 1．硅太陽(yáng)能電池的暗伏安特性測(cè)量暗伏安特性是指無(wú)光照射時(shí)，流經(jīng)太陽(yáng)能電池的電流與外加電壓之間的關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，為得到所需的輸出電流，通常將若干電池單元并聯(lián)。因此，它的伏安特性雖類似于普通二極管，但取決于太陽(yáng)能電池的材料，結(jié)構(gòu)及組成組件時(shí)的串并連關(guān)系。要求測(cè)試并畫出單晶硅, 多晶硅，非晶硅太陽(yáng)能電池組件在無(wú)光照時(shí)的暗伏安特性曲線。測(cè)試原理圖如圖6所示。 圖6 伏安特性測(cè)量接線原理圖將電壓源調(diào)到0V，然后逐漸增大輸出電壓。 將電壓輸入調(diào)到0V。逐漸增大反向電壓，記錄電流隨電壓變換的數(shù)據(jù)于表1中。討論太陽(yáng)能電池的暗伏安特性與一般二級(jí)管的伏安特性有何異同。打開遮光罩。測(cè)試儀設(shè)置為“光功率測(cè)量”。將測(cè)量到的光強(qiáng)記入表2。按圖7A接線，按測(cè)量光強(qiáng)時(shí)的距離值(光強(qiáng)已知)，記錄開路電壓值于表2中。將單晶硅太陽(yáng)能電池更換為多晶硅太陽(yáng)能電池，重復(fù)測(cè)量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。表2 3種太陽(yáng)能電池開路電壓與短路電流隨光強(qiáng)變化關(guān)系距 離(㎝)101520253035404550光功率(W)光強(qiáng)I=P/S(W/m2)單晶硅開路電壓VOC(V)短路電流ISC(mA)多晶硅開路電壓VOC(V)短路電流ISC(mA)非晶硅開路電壓VOC(V)短路電流ISC(mA)根據(jù)表2數(shù)據(jù)，畫出三種太陽(yáng)能電池的開路電壓隨光強(qiáng)變化的關(guān)系曲線。3．太陽(yáng)能電池輸出特性實(shí)驗(yàn)按圖8接線，以電阻箱作為太陽(yáng)能電池負(fù)載。表3 3種太陽(yáng)能電池輸出特性實(shí)驗(yàn) 光強(qiáng)I= W/m2單晶硅輸出電壓V(V)01……輸出電流I(A)輸出功率PO(W)多晶硅輸出電壓V(V)01……輸出電流I(A)輸出功率PO(W)非晶硅輸出電壓V(V)01……輸出電流I(A)輸出功率PO(W)根據(jù)表3數(shù)據(jù)作3種太陽(yáng)能電池的輸出伏安特性曲線及功率曲線，并與圖2比較。由(1)式計(jì)算填充因子。入射到太陽(yáng)能電池板上的光功率Pin=IS1，S1為太陽(yáng)能電池板面積。，需用遮光罩罩住太陽(yáng)能電池，以降低太陽(yáng)能電池的溫度，減小實(shí)驗(yàn)誤差；，燈罩表面的溫度都很高，請(qǐng)不要觸摸；，否則可能燒壞可變負(fù)載；。早在本世紀(jì)30年代就開始了聲光衍射的實(shí)驗(yàn)研究。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。1. 了解聲光效應(yīng)的原理；2. 了解拉曼－奈斯衍射(RamanNath Diffraction)和布拉格衍射(Bragg Diffraction)的實(shí)驗(yàn)條件和特點(diǎn)；3. 測(cè)量聲光偏轉(zhuǎn)和聲光調(diào)制曲線；4. 測(cè)量聲光調(diào)制器的衍射效率；5. 完成聲光通信實(shí)驗(yàn)光路的安裝及調(diào)試。當(dāng)光束通過(guò)有超聲波的介質(zhì)后就會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，這就是聲光效應(yīng)。聲光效應(yīng)有正常聲光效應(yīng)和反常聲光效應(yīng)之分。在各項(xiàng)異性介質(zhì)中，聲光相互作用可能導(dǎo)致入射光偏振狀態(tài)的變化，產(chǎn)生反常聲光效應(yīng)。正常聲光效應(yīng)可用拉曼奈斯的光柵假設(shè)作出解釋，而反常聲光效應(yīng)不能用光柵假設(shè)作出解釋。本實(shí)驗(yàn)只涉及到各項(xiàng)同性介質(zhì)中的正常聲光效應(yīng)。入射光為沿方向傳播的平面波，其角頻率為，在介質(zhì)中的波長(zhǎng)為，波矢為。由于光速大約是聲速的倍，在光波通過(guò)的時(shí)間內(nèi)介質(zhì)在空間上的周期變化可看成是固定的。通常，和為二階張量?？梢?jiàn)，當(dāng)平面光波入射在介質(zhì)的前界面上時(shí)，超聲波使出射光波的波振面變?yōu)橹芷谧兓陌櫿鄄妫瑥亩淖兂錾涔獾膫鞑ヌ匦?，使光產(chǎn)生衍射?？紤]到在出射面上各點(diǎn)相位的改變和調(diào)制，在平面內(nèi)離出射面很遠(yuǎn)一點(diǎn)的衍射光疊加結(jié)果為寫成等式為 (5)式中，為光束寬度，為衍射角，為與有關(guān)的常數(shù)，為了簡(jiǎn)單可取為實(shí)數(shù)。與一般的光柵方程相比可知，超聲波引起的有應(yīng)變的介質(zhì)相當(dāng)于光柵常數(shù)為超聲波長(zhǎng)的光柵。由于，這種頻移是很小的。由(111)式可知，正比于。由(19)式和(111)式表明，各級(jí)衍射光相對(duì)于零級(jí)對(duì)稱分布。上述的超聲衍射稱為拉曼－奈斯衍射，有超聲波存在的介質(zhì)起一平面位光柵的作用。如圖12所示。能產(chǎn)生這種衍射的光束入射角稱為布拉格角。可以證明，布拉格角滿足 (13)式中(113)稱為布拉格條件。在布拉格衍射條件下，一級(jí)衍射光的效率為 (15)式中， 為超聲波功率，和為超聲換能器的長(zhǎng)和寬，為反映聲光介質(zhì)本身性質(zhì)的常數(shù)，為介質(zhì)密度，為光彈系數(shù)。理論上布拉格衍射的衍射效率可達(dá)100％，拉曼－奈斯衍射中一級(jí)衍射光的最大衍射效率僅為34％，所以使用的聲光器件一般都采用布拉格衍射。從(10)式可知，超聲光柵衍射會(huì)產(chǎn)生頻移，因此利用聲光效應(yīng)還可以制成頻移器件。測(cè)量聲光調(diào)制器的衍射效率:衍射效率η定義為：以上討論的是超聲行波對(duì)光波的衍射。不過(guò)，各級(jí)衍射光不再是簡(jiǎn)單地產(chǎn)生頻移的單色光，而是含有多個(gè)傅立葉分量的復(fù)合光。主要技術(shù)指標(biāo)激光波長(zhǎng)532nm工作頻率150MHz衍射效率≥70％正弦重復(fù)頻率≥8MHz靜態(tài)透過(guò)率≥90%工作原理本產(chǎn)品由聲光調(diào)制器及驅(qū)動(dòng)電源兩部分組成。外加文字和圖像信號(hào)以正弦（連續(xù)波）輸入驅(qū)動(dòng)電源的調(diào)制接口“調(diào)制”端，衍射光光強(qiáng)將隨