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1、光信息专业基础实验光信息专业基础实验讲义讲义09 光信息科学与技术专业光信息科学与技术专业佛山科学技术学院佛山科学技术学院光电信息与技术实验室编写1实验一实验一 全息光栅的制作全息光栅的制作全息光栅作为一种重要的分光元件, 近年来在光全息、光通信、光互连、光交换、光计算等方面获得了广泛的应用。与刻划光栅相比，全息光栅具有没有鬼线、杂散光少、分辨率高、适用光谱范围宽、有效孔径大、生产效率高、衍射效率高、成本低廉和易于制作等突出优点。 另外,全息法制作光栅的特点主要体现在以下几点:1) 光路的排布灵活,适合制作不同空间频率的光栅；2) 光栅尺寸可做得很大；3) 制作效率高；4) 若制作正交正弦光栅
2、，全息法则更显优越。正是因为这些优点使全息光栅在光栅的研制中独领风骚1。光栅质量的好坏取决于栅条的平行性和等周期性。单色均匀平面波是制作全息光栅的理想用光2。全息光栅中使用较多的有黑白光栅和正弦光栅，亮度按矩形函数变化的光栅称为黑白光栅；亮度按正弦函数变化的周期图形叫做正弦光栅，见图 2-1(a)和(b)。图 2-1 (a)黑白光栅 (b)正弦光栅(a) (b)【实验目的实验目的】1. 掌握空间频率较低的全息平面光栅的制作原理与方法；2. 学会在全息台上光学元件的共轴调节技术、扩束与准直的基本方法，熟练地获得和检验平行光；3. 学会测定全息光栅的空间频率。【预备问题预备问题】1什么是光栅常数？
3、什么是空间频率？什么是线性曝光？什么曝光情况下获得正弦光栅？什么情况下获得黑白光栅？了解正弦光栅和黑白光栅的衍射图样有何不同。【实验仪器实验仪器】光学防震平台，He-Ne 激光器，定时器，50%分束镜，平面镜，全息干板，像屏，底片夹，透镜，显影、定影用具，读数显微镜等。2【实验原理实验原理】两列同频率的相干平面光波以一定夹角相交时，在两光束重叠区域将产生干涉现象。如图 2-2(a) 所示，在 z=0 的（x y）平面（该平面垂直于纸面）上将接收到一组平行于 y 轴的明暗相间的直条纹，其光强分布和条纹间距分别为（2-1）（2-2）式中：1、2 分别为两束相干光与（x y）平面的法线夹角，1+2=
4、为两束光的会聚角。当两束光对称入射即1=2= 时，有（2-3）2sin2d令为干涉条纹的空间频率，则（2-4）)2sin(21d如果在 z=0 处平行于（x y）平面放置一块全息干板，如图 2-2（b）所示，则经曝光、显影、定影等处理后，即可获得一张全息光栅。当空间频率比较小时，称之为低频全息光栅。图 2-2 两束平行光干涉1. 实验光路实验光路本实验采用马赫曾德尔干涉光路，如图 2-3 所示。它主要由两块 50%的分束器BS1、BS2和两块全反射镜 M1、M2组成。四个反射面互相平行，中心光路构成一个平)sin(sin2cos1 2210xII)(21cos)(21sin21 sinsin
5、212121d3行四边形。扩束镜 C 和准直透镜 L 共焦后产生平行光（为了提高平行光的质量还可以在 C 和 L 的公共焦点处加上针孔滤波器 E，在 C 和 L 间适当位置加入光阑 D） ，平行光射到 BS1上分成两束，这两束光经过 M2、M3反射后在 BS2上相遇发生干涉，在BS2后面的白屏（或毛玻璃屏）P 上可观察到干涉条纹，如果条纹太细可用显微镜来观察，干涉条纹为等距直条纹。用记录介质放在干涉场中记录条纹，经曝光、显影、定影等处理后就得到低频全息光栅。图 2-3 马赫曾德尔干涉光路2. 空间频率的估算空间频率的估算由式（2-3）可以看出，干涉条纹的间距 d 是由两光束的会聚角决定的。改变
6、角便可获得不同光栅常数的光栅。当比较小时，d，因此，只要测出，便可估算光栅的空间频率。具体办法是将透镜 L0放在两光束重叠区，则两光束在 L0的后焦面上会聚成两个亮点，如图 2-4 所示。若两亮点间的距离为 x0，透镜焦距为 f，则两光束的会聚角可表示为 x0/f ，光栅的空间频率为：（2-fx05）4图 2-4 估算光栅空间频率的光路【实验内容及步骤实验内容及步骤】1. 调节激光光束平行于工作台面，用自准直法调整各光学元件表面与激光束主线垂直。2. 按图 2-3 光路依次加入光学元件，调整好马赫曾德尔干涉光路，使两光束到达 P屏的光程相等。调节 M1和 BS2使两光束在 P 屏处重合。3.
7、调节扩束镜 C 和准直透镜 L 使之产生平行光。4. 实验要求制作mm 和mm 光栅各一块，按要求预先计算出两光束在透镜L0的后焦面上形成的两亮点间的距离 x0。5. 屏 P 处放入透镜 L0，使其与光束共轴。然后调整 BS2的方位，使两个亮点沿水平方向拉开到预定距离 x0。x0值可用钢尺或读数显微镜测量。6. 撤去透镜L0，关闭光开关，将全息干板置于P屏处，稳定数十秒钟后进行曝光。注意控制曝光时间，当经显影、定影、水洗干燥后得到全息光栅。曝光处于全息干版的线性感光区内，得到的是正弦型全息光栅。7. 用激光束垂直照射全息光栅，用一白纸在光栅后方空间观察衍射图样。8. 测出自制全息光栅的空间频率
8、，并与设计值相比较。【注意事项注意事项】1. 眼睛不能直接对着激光观察。观察光斑时应将激光束照射在白屏上进行观察。 2. 光学元件通光表面应保持清洁，切勿用手、布片、纸片等擦拭。3. 拍摄前几分钟及整个曝光时间内，人员必须离开全息台并保持静止，以防止震动，确保全息照相在稳定状态下进行。【思考题思考题】1怎样的曝光条件可以得到正弦型全息光栅？52. 用激光束正入射照明正弦型全息光栅，得到的衍射图样会有什么特点？3. 设计一个拍摄全息光栅的光路，希望能减少光学元件的使用。【参考文献参考文献】1 类成新, 李凤灵.全息光栅实验系统的制作. 山东理工大学学报(自然科学版).21(6),2007.78-
9、80.2 黄德康,曹望和,朱茂华等.高质量全息光栅的制作.光学技术.28(3),2002.255-256.注释*鬼线：光栅是刻有大量等距刻痕的光学元件。在刻制过程中，刻痕位置稍有差错，就会明显影响光栅的光学效果。刻机周期性重复出现的误差，使光程差发生相应的变化，用这样的光栅所形成的光谱，往往在每根强度谱线两侧伴随有一系列杂乱的弱线，这就叫“罗兰鬼线” ，简称“鬼线。实验二实验二 电光调制及声光调制电光调制及声光调制在外加电场的作用下，晶体的折射率发生变化，此现象称为电光效应。在输入光强恒定时，晶体外加随时间变化的调制电信号，则输出光强随调制信号电压变化而变化，该现象称为电光调制。电光调制响应时
10、间很短（10-10s） ，在激光通信、激光测距、激光调Q、光学处理等方面得到了广泛的应用。【实验目的实验目的】1.掌握晶体电光调制的原理和实验方法；2.观察电光调制实验现象，并测量电光晶体的参数；3.实现模拟信号光通讯。【预备问题预备问题】1.什么是普克尔电光效应，什么是横向电光调制？ 2.什么是电光晶体的半波电压，如何测量？3.光通信中，铌酸锂晶体的工作点应选在调制曲线的什么位置，如何实现？ 【实验实验仪器仪器】光学导轨，起偏器，检偏器，/4 波片，He-Ne 激光器及电源，铌酸锂(LiNbO3）晶体，电光调制信号源，硅光电探测器，有源音箱，MP3 声音源，双踪示波器。【实验实验原理原理】1
11、.1.电光效应电光效应 通常,电场E 引起折射率n 的变化用下式表示: (1) .2 0bEaEnn6式中a和b为常数，n0为E =0时的折射率。由一次项aE引起折射率变化的效应称为线性电光效应或普克尔电光效应普克尔电光效应（pokells），由二次项bE2 引起折射率变化的效应称为二次电光效应或克尔效应克尔效应（kerr）。一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应则可能存在于任何物质中，一次效应要比二次效应显著。晶体在外加电场作用时，折射率椭球的三个主轴位置和长度随与外加电场E的大小和方向及晶体的性质发生变化。晶体的电光效应分为横向电光效应和纵向电光效应横向电光效应和纵向电光
12、效应两种，电场方向与光的传播方向平行时产生的电光效应称为纵向电光效应（以 KDP 晶体为代表） ，电场方向与光的传播方向垂直时产生的电光效应称为横向电光效应（以晶体为代表） 。3LiNbo光在各向异性晶体中传播时，不同方向光的折射率不同，通常用折射率椭球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的关系。在本实验中，我们只做 LiNbO3晶体横向调制实验。铌酸锂晶体属于三角晶系，3m 晶类，主轴 z 方向有一个三次旋转轴，光轴与 z 轴重合，是单轴晶体，折射率椭球是旋转椭球，其表达式为: （2）1222 022222222 ezyxnz nyx nz ny nx式中n0和ne分别为晶体寻常光和非常光的
13、折射率,如图1所示。加上电场后折射率椭球发生畸变，当 x轴方向加电场，光沿 z轴方向传播时，垂直于光轴 z轴方向的折射率椭球截面由圆变为椭圆，晶体由单轴晶变为双轴晶，此截面椭圆方程为:（3）12)1()1(222 222 02 222 0xyEyEnxEnxxx其中的称为电光系数。对上式进行主轴变换，可得到: 22（4）1)1()1(2 222 02 222 0yEnxEnxx考虑到1，经化简，有 : xEn222 0xxEnnn223 0021xyEnnn223 0021ezznnn图 1 折射率椭球yZnx xnZ ny7（5） 此时折射率椭球截面的椭圆方程简化为:12222 yxnynx
14、（6）由式（5）看出，铌酸锂晶体在 X 轴向加电场后，新折射率椭球绕 z 轴转动了450，转角大小与外加电场的大小无关，而椭圆的长度与外加电场成线性关系。当光沿晶体光轴 z 方向传输时，经过长度为 l 的晶体后，x、y方向的偏振光产生的位相差为：（7） dlVnlnnxoyx223.2)(2 式中d为晶体在 x 方向的尺寸，Vx为加在晶体x方向的电压。当 =（光程差/2）时，晶体所加的电压称为“半波电压半波电压” ，以 V 表示。由式(7)得半波电压为：（8）lndVo2232 将式（8）代入（7） ，得相位差为：(9)xVV由式（7）看出，铌酸锂晶体横向电光效应产生的位相差不仅与外加电压 V
15、x成正比，还与晶体长度比 l/d 有关。因此，在实际运用中，为了减小 Vx，通常使 l/d 较大，即晶体被加工成细长的扁长方体。2.2.电光调制电光调制 图 2 为横向电光调制原理图，起偏器的偏振方向平行于 X 轴，检偏器平行于 Y 轴，因此入射光经起偏器后变为平行于 X 轴的线偏振光，它在铌酸锂晶体的感应轴 x 和y（相对 x、y 轴旋转 45o）投影的振幅和位相均相等，则位于晶体表面（z =0）的光波可表示为：, （10）AEx)0(AEy)0(所以，入射光的强度为：2222)0()0(AEEIyxi（11）8图 2 电光强度调制原理当光通过长为 l 的铌酸锂晶体后，x和y两分量之间产生相位差，即i yxAelEAlE)(,)(（12）通过检偏振片出射的光，是该两分量在y 轴上的投影之和，（13）) 1( 2) 1(45cos)(iio tyeAeAE输出光强 It可写成：（14）2sin2)1)(1(2)()(222AeeAEEIii tytyt所以光强 的透过率T为：(15)2sin2it IIT将式（9）代入式（15） ，则： )sin(
