光电子技术实验课程

目录实验一用法布里－珀罗（F-P）干涉仪测量钠黄双线的波长差.....-1-实验二偏振光实验..........................................-6-实验三电光调制实验.......................................-13-实验四磁光调制实验.......................................-22-实验五声光调制实验.......................................-32-实验六氦氖激光束光斑大小和发散角的测量...................-40-实验七氦氖激光器的模式分析...............................-45-实验八LD/LED的P-I-V特性曲线测试.........................-52-实验九光电探测原理实验（上）.............................-58-实验十光电探测原理实验（下）.............................-64--1-实验一用法布里－珀罗（F-P）干涉仪测量钠黄双线的波长差【实验目的】1、了解F-P干涉仪的结构，掌握调节与使用F-P干涉仪的方法；2、用F-P干涉仪测定钠黄双线的波长差。【仪器和装置】两块内侧面镀高反射膜的光学玻璃板。其中一块固定位置安装，另一块由测微螺旋经20:1（50:1）机械传动装置控制移动，并由预置螺旋控制，实验前可按实验需要将动镜预置到某一位置。光源是低压钠灯，通过毛玻璃可形成扩展的面光源。助视工具是一个小型显微镜，配升降调节磁性座。仪器装置见图1图1实验仪器图【主要技术指标】反射镜：30mm,平面度1/20移动镜预置螺旋：最小分度值0.01mm，行程10mm测微螺旋精度：最小分度值0.01mm，估读0.001mm测量精度最小读数值0.0005mm,行程1.25mm（20:1）最小读数值0.0002mm,行程0.5mm（50:1）低压钠光源：20W-2-【实验原理】法布里－珀罗（F-P）干涉仪是根据平行平面板反射单色光的多光束叠加产生细窄明亮干涉条纹的基本原理制造的，如图2所示，F-P干涉仪的主要部件是两块各有一面镀高反射膜的玻璃板G1和G2，使镀膜面相对，夹一层厚度均匀的空气膜，利用这层空气膜就能够产生多光束干涉现象。来自光源任一点的单色光以入射角照射到平行板上，这时透射光是许多透过平板的平行光束的叠加。任一对相邻光束的光程差为并且由计算得出，透射光束叠加后的光强220sin)1(411RRII式中R是反射率。这个结果表明，I'随改变而变化。并且，当)2,1,0mm（时I'为极大值。当)2,1,0(2/)12(mm时，I'为极小值。【实验内容及步骤】一、实验准备，观察多光束干涉条纹1、光学实验平台上，放置F-P干涉仪使其面向实验者，仪器中心离实验台边缘约40cm并将仪器的两个磁性底座锁紧。转动预置螺旋，直到Gl和G2两个镜面相距约1mm（注意：切勿使两镜相碰）。2、低压钠灯S安置在光路中的适当位置，取下毛玻璃屏，插入灯窗挡板至钠灯，通过灯窗挡板小孔的光束在两个镜面之间反射形成一系列光点，需用镜子的调节旋钮消除镜面间的倾斜角，使正对镜面观察时这些光点是重合的，表明两镜面已近乎平行。此时通过F-Pcos2nd图2干涉原理图-3-干涉仪镜面已可看见干涉条纹。3、离F—P干涉仪镜面约10cm处放置f=45透镜，离透镜约20cm（两底座之间）处放置小型显微镜。此时取下灯窗挡板，再在F-P干涉仪上插入毛玻璃屏FG形成面光源，就能够从该系统（图3）的轴向观察到一系列明亮细锐的多光束干涉圆环。经过更细致的调节，当圆环很清晰且干涉环不随眼睛的移动发生直径大小的变化，表明两个镜面已经严格平行了。图3观察多光束干涉条纹二、测定钠黄双线的波长差照亮毛玻璃屏FG的钠灯发出的两种波长的黄光各产生一套同心的圆形干涉条纹。预置螺旋和透镜不动，调节测微螺旋，在移动动镜改变G1和G2距离（注意勿使两镜相碰）的过程中，可以发现，在某长度上，这两套干涉环会重叠起来，此时干涉环看起来最为稀疏；而在另一长度上，一套干涉环恰好夹在另一套干涉环中间，此时干涉环看起来最为密集。仔细操作，可以相当准确地测定这一居中位置。根据前面实验原理，透射光的加强条件为)(cos2极大md若只考虑环系的中心处（cos＝1），当一环系位于另一环系中间时则有21111212mmd(1)其中1＞2。当动镜继续移动，经过二环系重合，再度居中时，221222112mmd(2)从(2)式减去(1)式，得到-4-2212112122mmmmdd若1和2波长差很小，近于相等，则得1221212dd(3)其中21或可为二波长平均值的平方2m。对钠黄双线，可取（589．3nm）2。实验时，转动测微螺旋（适当配合预置螺旋），先使G1和G2两镜逐渐靠近，直到几乎接触（但不可相碰），此时钠黄光产生的两个干涉环系实际上相重合。随着动镜逐渐移开，两个环系也逐渐分开，直到一环系恰好位于另一环系中间时，记下测微螺旋读数Ｄl，继续移远动镜，两个环系经过重合又分开，当一环系再次恰好位于另一环系中间位置时，记下测微螺旋读数Ｄ2（如图4）。图4读数示意图因实验测得微螺旋读数（Ｄ2－Ｄl）是与玻璃板G1和G2距离（d2－dl）之比为K=20:1（50:1），因此在处理数据时公式(3)中的（d2－dl）＝（Ｄ2－Ｄl）／K，代入公式经计算，即可得钠黄双线波长差。本实验宜进行多次测量取平均值。图5实验光路图两环互相居中测量D1两环相互靠近两环再次居中测量D2-5-在光路中加入一个小型显微镜M，对观测工作更有利（如图5）。它将干涉圆环经过透镜L成的实像放大成虚像。【数据记录及处理】表1实验数据表ＤlＤ2Ｄ2－Ｄld2－dl第一组第二组第三组平均值21dd代入公式（3）计算出钠双线波长差21。【实验注意事项】1、仪器轻拿轻放，防止碰撞和震动，以防止两镜面擦伤。2、禁止用手触及光学零件的透光表面。3、转动测微螺旋和调节螺丝时动作要轻，不要急促右斜向用力。4、移动钠灯时需一手持灯体一手托底座。5、禁止调节F-P干涉仪后面一个镜面。-6-实验二偏振光实验【实验目的】1、加深对布儒斯特角定义和马吕斯定律的理解；2、了解半波片的作用；3、通过检测1/4波片位相延迟角，熟悉偏振光干涉原理。【实验仪器及装置】导轨、氦氖激光器、光学测角台、透镜、波片、偏振片、光电探头、光电流放大器等【实验内容及步骤】一、测量布儒斯特角按图1所示在光具座上布置光路。使He-Ne激光发出的细光束通过一个偏振轴为水平方向的起偏器之后，照射立在光学测角台上的黑玻璃镜，转动测角台，使反射光束原路返回，以此位置为零度，再转动测角台，使入射角约达56~57时锁紧度盘，利用滑动座升降微调装置适当降低测角台，然后放松转动臂，在光电探头随着转臂缓慢转动过程中测量反射光的相对光强。经反复观测，找到反射光为最暗（甚至为零）的位置，其入射角B就是布儒斯特角。图1测量布儒斯特角【数据记录及处理】表1布儒斯特角实验数据表第一次第二次第三次平均值布儒斯特角B-7-二、马吕斯定律如果光源中的任一波列（用振动平面E表示）投射在起偏器P上（图2），只有相当于它的成分之一的Ey（平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成分Ex（＝Ecos）则被吸收。若投射在检偏器A上的线偏振光的振幅为Eo，则透过A的振幅为E0cos（这里是P与A偏振方向之间的夹角）。由于光强与振幅的平方成正比，所以透射光强I随而变化的关系为20cosII这就是马吕斯定律。实验步骤：让激光束垂直通过起偏器成为偏振光，用检偏器检查时，使两个偏振器的透振方向的夹角在从0转动一周的过程中，用连接光电流放大器的探头测量透射光强的相对值I，每10或15读取一次数据。然后画出I~关系曲线。图2起偏器【数据记录及处理】表2马吕斯定律实验数据表0o15o30o45o60o75o90o105o120o135o150o165oI180o195o210o225o240o255o270o285o300o315o330o345oI-8-三、半波片的作用光束进入双折射晶体时被分成符合折射定律的寻常光（o光）和不符合折射定律的非寻常光（e光）。o光和e光都是偏振光，但在晶体内有不同的波速，因此通过厚度一定的晶片时光程也不同。设晶片厚度为d，o光和e光通过晶片后就有相位差dnneo2＝式中表示光的波长，no和ne表示该晶片对o光和e光的折射率。使=(2k+1)(k=0,1,2…)的波片为半波片，它能使o光和e光发生相位差。符合使=(2k+1)/2(k=0,1,2…)条件的波片为1／4波片。波片的光轴平行于晶片的表面，在圆框上用短线标出。实验步骤：激光束通过起偏器P变成线偏振光，将检偏器A的透振方向定在屏C上光斑为最暗的角度上，然后在P和A之间加入半波片H（如图3所示）。使H绕水平轴转动360，同时观察C上发生消光现象的次数并作解释；再进一步，使激光束的入射面与检偏器正交，加入H后，将其旋转到C上消光位置，从该位置开始，将H分别转动15、30、45、60、75和90，相应地将A逐次转到消光位置，列表记录每次A需要转动的角度。从实验结果总结出平面偏振光通过半波片后，振动面的变化规律，并予以解释。图3实验光路图【数据记录及处理】表3半波片实验数据表一、H转动360oC上消光次数：得出结论：二、H转动角度：15o30o45o60o75o90oA转动角度：得出结论：激光器起偏器P1/2波片H检偏器A光屏C-9-四、1／4波片与椭圆偏振光、圆偏振光当振幅为A的面偏振光入射到石英晶体做成的波片时，若振动方向与波片光轴夹角，在直角坐标系内，o光和e光的振幅分别为Ao＝Asin和Ae＝Acos。从波片出射后的o光和e光的振动可以用两个互相垂直、同频率、有固定相位差的简谐振动方程表示，二者的合振动方程为椭圆方程，合振动矢量的端点轨迹一般为椭圆（如图4所示），所以称作椭圆偏振光。其中有个特殊情况，即＝／4，o光和e光振幅相等，合振动矢量的端点轨迹是圆，椭圆偏振光退化为圆偏振光，用检偏器检验，波片的透射光强是不变的。图4椭圆偏振光形成图实验步骤：光路与图3类似，只是更换了波片。使通过P的线偏振光与A正交，C上光斑达到最暗，然后在P和A之间加入1/4波片Q，直到C上光斑最暗，从这个消光位置开始，每当Q转动15、30、45、60、75、和90时，都将A转动360。根据屏上或光电接收装置显示的光强变化记录，可以判断通过1/4波片的透射光的偏振态（限于平面偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光）。-10-【数据记录及处理】表31／4波片实验数据图Q转动角度：光强变化现象结论（透射光的偏振态）15o30o45o60o75o90o五、1/4波片位相延迟角检测平行偏振光干涉光路如图3所示，P、Q、A分别为起偏器、1/4波片、检偏器，、分别是P、A的透光轴方向与波片快轴方向的夹角。如图4所示，通过检偏器A的两个分量的振动方向相同、位相差一定，因而发生干涉，干涉后的强度可表示为220cossin2sin2sin2II(1)式中I0是透过起偏器P的光强。对于某一确定的值，当检偏器A透光方向与波片透射的椭圆偏振光的长轴方向一致时，检偏器的透射干涉光强应有最大值Imax。如果与Imax对应的为m，为了确定m与的关系，可由（1）式0mddI得到2cos2mtgtg(2)对待测1/4波片，选定值后，旋转检偏器测出透射光强最大m的值，即可按式（2）计算1/4-11-波片的位相延迟角。我们注意到，当＝45时，有t