1、光學(xué)作為一門(mén)古老而又年青的科學(xué)，自六十年代初激光問(wèn)世以后，又進(jìn)入了一個(gè)空前蓬勃發(fā)展的新時(shí)期，涌現(xiàn)了許多嶄新的科學(xué)分支。隨著新型的電光、光電材料的不斷研制，形成了嶄新的光電子學(xué)，并促進(jìn)了現(xiàn)代應(yīng)用光學(xué)、光學(xué)工程的迅猛發(fā)展。近代光學(xué)與精密機(jī)械、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益密切融合，已經(jīng)成為一些新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。光波在介質(zhì)中傳播的過(guò)程中，若介質(zhì)處于其它較強(qiáng)的場(chǎng)如電場(chǎng)、磁場(chǎng)或者聲波引起的應(yīng)力場(chǎng)中，介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)一般將會(huì)發(fā)生變化，光在其中的傳播也會(huì)受到影響。實(shí)驗(yàn)3.1電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)與要求1、在電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)的是什么類(lèi)型的電光效應(yīng)？它的代表材料名稱(chēng)叫什么？2、理解電光晶體各個(gè)主軸的定義，性質(zhì)，調(diào)節(jié)

2、意義。3、實(shí)驗(yàn)中使用了哪些儀器設(shè)備？實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、進(jìn)一步理解物理光學(xué)、晶體光學(xué)中的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，提高綜合應(yīng)用這些知識(shí)解釋實(shí)際問(wèn)題的能力。2、了解除測(cè)量半波電壓的多種方法，掌握測(cè)量樣品相位差的方法，學(xué)習(xí)光路調(diào)節(jié)的有關(guān)技巧。實(shí)驗(yàn)原理電光效應(yīng)是指某些物質(zhì)在外加電場(chǎng)作用下，其光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變的現(xiàn)象。1875年，英國(guó)物理學(xué)家J.Kerr在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，玻璃板在強(qiáng)電場(chǎng)作用下具有雙折射性質(zhì)，稱(chēng)為Kerr效應(yīng)。后來(lái)科學(xué)家們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，許多液體和氣體都能產(chǎn)生Kerr效應(yīng)。觀察Kerr效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置如下圖所示。內(nèi)盛某種液體（例如硝基苯）的玻璃盒子稱(chēng)為Kerr盒，盒內(nèi)裝有平行板電容器，加電壓后產(chǎn)生橫向電場(chǎng)。Kerr盒

3、放置在兩正交偏振片之間。無(wú)電場(chǎng)時(shí)液體為各向同性，光不能通過(guò)P2。存在電場(chǎng)時(shí)液體具有了單軸晶體的性質(zhì)，光軸沿電場(chǎng)方向，此時(shí)有光通過(guò)P2。實(shí)驗(yàn)表明，在電場(chǎng)作用下，主折射率之差與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，故稱(chēng)Kerr效應(yīng)為二級(jí)電光效應(yīng)。電場(chǎng)改變時(shí)，通過(guò)P2的光強(qiáng)跟著變化，故Kerr效應(yīng)可用來(lái)對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制。液體在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生極化，這是產(chǎn)生雙折射的原因。電場(chǎng)的極化作用非常迅速，在加電場(chǎng)后不到109秒內(nèi)就可完成極化過(guò)程，撤去電場(chǎng)后在同樣短的時(shí)間內(nèi)重新變?yōu)楦飨蛲浴err效應(yīng)的這種迅速動(dòng)作的性質(zhì)可用來(lái)制造幾乎無(wú)慣性的光的開(kāi)關(guān)一一光閘，在高速攝影、光速測(cè)量和激光技術(shù)中獲得了重要應(yīng)用。VII14亠h-wr-T

4、=Lr1Pl觀察Kerr效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置1893年，德國(guó)物理學(xué)家F.C.A.Pockels發(fā)現(xiàn)，一些晶體在縱向電場(chǎng)（電場(chǎng)方向與光的傳播方向致）作用下會(huì)改變其各向異性性質(zhì)，產(chǎn)生附加的雙折射效應(yīng)。例如把磷酸二氫鉀晶體放置在兩塊平行的導(dǎo)電玻璃之間，導(dǎo)電玻璃板構(gòu)成能產(chǎn)生電場(chǎng)的電容器，晶體的光軸與電容器極板的法線一致，入射光沿晶體光軸入射。與觀察Kerr效應(yīng)一樣，可用正交偏振片系統(tǒng)觀察Pockels效應(yīng)。不加電場(chǎng)時(shí)，入射光在晶體內(nèi)不發(fā)生雙折射，光不能通過(guò)P2。加電場(chǎng)后，晶體感生雙折射，就有光通過(guò)P2。實(shí)驗(yàn)表明，Pockels效應(yīng)與所加電場(chǎng)強(qiáng)度的一次方成正比，故稱(chēng)為一級(jí)電光效應(yīng)。一級(jí)電光效應(yīng)只存在于不具有對(duì)

5、稱(chēng)中心的晶體中，二級(jí)電光效應(yīng)則可能存在于任何物質(zhì)中，一級(jí)效應(yīng)要比二級(jí)效應(yīng)顯著。大多數(shù)壓晶體管都能產(chǎn)生Pockels效應(yīng)。泡克爾斯效應(yīng)一般發(fā)生在本來(lái)就各向異性的一些晶體中，它們?cè)瓉?lái)是單軸晶體，各向異性，電場(chǎng)的極化使它們?cè)瓨O化情況發(fā)生變化，由單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體。克爾效應(yīng)一般發(fā)生在各向同性的介質(zhì)中（如硝基苯等），其自然狀態(tài)是各向同性的，在被電場(chǎng)極化后變?yōu)楦飨虍愋裕a(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。它們的作用機(jī)理，都是由于電場(chǎng)對(duì)介質(zhì)極化的結(jié)果，及介質(zhì)中的分子在電場(chǎng)作用下被極化或原極化方向發(fā)生變化。在極化的方式上，一般又有橫向施加電場(chǎng)（垂直于光軸）和縱向施加電場(chǎng)（平行于光軸）二種方式。由于橫向電場(chǎng)的泡克爾斯效應(yīng)具有半波

6、電壓低，線性度較好的特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。按此方式制成的電光調(diào)制器被廣泛地應(yīng)用于光通訊領(lǐng)域，成為當(dāng)今信息社會(huì)不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)。LN在自然狀態(tài)下是一種比較典型的單軸晶體，具有很好的電光特性。若對(duì)晶體施加電壓，材料中的極化情況發(fā)生變化，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的光軸，從而使晶體產(chǎn)生一個(gè)附加的各向異性。如果一束線偏振光通過(guò)這樣一個(gè)晶體，讓我們看一下在施加電壓前后晶體對(duì)它有何影響：在加壓前晶體是一個(gè)單軸晶體，且光軸在長(zhǎng)軸通光方向。一束沿通光方向傳播的線偏振光，將不會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象，不會(huì)被分解成o光和e光，當(dāng)光穿過(guò)晶體離開(kāi)時(shí)，其偏振態(tài)將不會(huì)發(fā)生變化，還是一個(gè)按原方向振動(dòng)的線偏振光。若在晶體兩側(cè)施加一定的電壓

7、后，由于分子的極化方向受電場(chǎng)影響而發(fā)生變化，并生成一個(gè)新的附加光軸，使晶體由原來(lái)的單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體，這時(shí)沿通光方向傳播的光將不再與光軸平行，將會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象。穿過(guò)晶體，使經(jīng)過(guò)的光的偏振態(tài)發(fā)生變化。如果在晶體后放一個(gè)檢偏器，就會(huì)觀察到在施加電場(chǎng)前后，通過(guò)檢偏器的光強(qiáng)的變化。通過(guò)上面的分析，可以看到，如果一束光通過(guò)一個(gè)由起偏器、LN晶體、檢偏器組成的系統(tǒng)，就可以通過(guò)對(duì)LN晶體施加電壓來(lái)改變系統(tǒng)的輸出光強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光強(qiáng)的控制。如果這個(gè)電壓是一系列電脈沖信號(hào)的話，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)光的調(diào)制。晶體的電光調(diào)制正是基于這個(gè)原理。一、一級(jí)電光效應(yīng)的一般描述當(dāng)光在各向異性晶體中傳播時(shí)，因光的傳播方向不同或者

8、是電向量的振動(dòng)方向不同，光的折射率也不同。通常采用折射率橢球的方法來(lái)描述折射率與光的傳播方向、電向量振動(dòng)方向的關(guān)系。折射率橢球方程為2x2ni22yz22門(mén)2門(mén)3(1)n1,n2,n3為主軸方向的折射率，對(duì)于各向同性介質(zhì)，三者相同。當(dāng)光在某些介質(zhì)中進(jìn)行傳播或者介質(zhì)處于外電場(chǎng)時(shí)，其光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，折射率橢球的形狀、大小、方位都會(huì)發(fā)生變化。其形式可用一般的橢球方程表示：222XyZ2yz2zx2222222n11n22n33n23n132型2n121(2)只考慮一級(jí)電光效應(yīng)，上兩式相應(yīng)項(xiàng)的系數(shù)之差與電場(chǎng)強(qiáng)度的一1次方成正比。由于晶體的各向異性，電場(chǎng)在x,y,z各個(gè)方向上的分量對(duì)橢球方程的各個(gè)系數(shù)

9、的影響是不同的。（3）式是一級(jí)電光效應(yīng)的普遍表達(dá)式。折射率的變化量可寫(xiě)成矩陣形式（4）式，式中rij元素構(gòu)成的6>3矩陣稱(chēng)為電光張量或電光系數(shù)矩陣。對(duì)于常見(jiàn)的電光晶體，由于對(duì)稱(chēng)性，18個(gè)線性電光系數(shù)中有許多是鈮酸鋰（LiNbO3）在橫向電光效應(yīng)的運(yùn)用上，通常是光傳播方向平行于光軸z方向，外電場(chǎng)加在晶體零，因此可以大大簡(jiǎn)化表達(dá)式。如42m晶類(lèi)（ADP、KDP等），41520，630，其余均為零，通常可由（3）式算出晶體在電場(chǎng)作用下折射率的變化值。晶體的一級(jí)電光效應(yīng)可分為兩種：加在晶體上的外電場(chǎng)方向與光在晶體中傳播方向平行時(shí)產(chǎn)生的電光效應(yīng)，稱(chēng)為縱向電光效應(yīng)；兩者互相垂直時(shí)產(chǎn)生的電光效應(yīng)，稱(chēng)為

10、橫向電光效應(yīng)。對(duì)于磷酸二氘鉀（KDP）類(lèi)型的晶體，用它的縱向電光效應(yīng)；對(duì)于鈮酸鋰（LiNbO3）類(lèi)型的晶體，通常用它的橫向電光效應(yīng)。1122nnn11122n22n21122n33n331Ex11Exr21Ex1-2n2312Ey13Ezr22Ey32Ey23Ez33Ez(3)4也42Ey43Ez1-2-n1312n1251Ex61Ex1訐1石12門(mén)3丄2n23丄2nia丄52Ey53Ez11r5162Ey63Ezri242ExEyEz(4)616263(10)二、鈮酸鋰（LiNbOs）晶體的橫向電光效應(yīng)（LiTaOs）晶體都屬于三角晶系，是電旋光F面以鈮酸鋰（LiNbOs）晶體為例討論。鈮酸

11、鋰和鉭酸鋰性能較好的人工合成的單軸晶體，故njn2no，n3ne，no和ne分別為晶體的尋常光和非尋常光的折射率。若取光軸為z軸方向，折射率橢球?yàn)橐訸為對(duì)稱(chēng)軸的旋轉(zhuǎn)橢球，垂直于Z軸的截面為圓。它的電光系數(shù)矩陣為：r2213jr220r510330x軸方向，即電場(chǎng)EEx,0,0。將上述條件代入（4）式，得到在x方向電場(chǎng)作用下，沿z方向傳播的光，在與z軸垂直的平面內(nèi)的折射率表達(dá)式：22xy22%Exxy1n。n。22進(jìn)行坐標(biāo)變換，寫(xiě)成標(biāo)準(zhǔn)橢圓形式筈與1，得到：nx山nxn。njExnn。：n（6）22式中nx,ny分別表示光振動(dòng)在新主軸x,y方向上的主折射率，可以證明鈮酸鋰（LiNbO3）晶體沿其

12、x軸加電場(chǎng)時(shí)，在晶體xy平面上形成的新主軸（稱(chēng)為感應(yīng)主軸）與未加電場(chǎng)時(shí)的軸成45角，感應(yīng)主軸z'與原主軸z基本重合。當(dāng)光沿著晶體光軸z方向傳播時(shí)，沿著x軸和y軸振動(dòng)的兩光波，由于它們的折射率不同，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為lz的晶體后產(chǎn)生位相差為:(nxny)lzdx(7)式中VxExdx為晶體在x軸方向上所加的直流電壓，dx為該方向上晶體的厚度，lz為光傳播方向上晶體的長(zhǎng)度，為光的波長(zhǎng)。在電光效應(yīng)中，使兩個(gè)光波產(chǎn)生位相差為（或使光程差為/2）所需要加的電壓，稱(chēng)為半波電壓，這里:d2n雋lz(8由此看出，橫向電光效應(yīng)的半波電壓與晶體的尺寸有關(guān)，減小電場(chǎng)方向的晶體厚度和增加光傳播方向的晶體長(zhǎng)度，可以降低

13、半波電壓，這是橫向電光效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。將（8）式代入式，可以得到:VxV(9)電光系數(shù)r22為蟲(chóng)2n0Vlz三、電光調(diào)制基本原理1、電光調(diào)制器要用激光作為傳遞信息的工具，首先要解決如何將傳輸信號(hào)加到激光輻射上去的問(wèn)題，我們把信息加載于激光輻射的過(guò)程稱(chēng)為激光調(diào)制，把完成這一過(guò)程的裝置稱(chēng)為激光調(diào)制器。由已調(diào)制的激光輻射還原出所加載信息的過(guò)程則稱(chēng)為解調(diào)。因?yàn)榧す鈱?shí)際上只起到了“攜帶”低頻信號(hào)的作用，所以稱(chēng)為載波，而起控制作用的低頻信號(hào)是我們所需要的，稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)，被調(diào)制的載波稱(chēng)為已調(diào)波或調(diào)制光。按調(diào)制的性質(zhì)而言，激光調(diào)制與無(wú)線電波調(diào)制相類(lèi)似，可以采用連續(xù)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及脈沖調(diào)制等形式，但激光調(diào)制多

14、采用強(qiáng)度調(diào)制。激光調(diào)制之所以常采用強(qiáng)度調(diào)制形式，主要是因?yàn)楣饨邮掌饕话愣际侵苯拥仨憫?yīng)其所接受的光強(qiáng)度變化的緣故。強(qiáng)度調(diào)制是根據(jù)光載波電場(chǎng)振幅的平方比例于調(diào)制信號(hào)，使輸出的激光輻射的強(qiáng)度按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。激光調(diào)制的方法很多，如機(jī)械調(diào)制、電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和電源調(diào)制等。其中電光調(diào)制器開(kāi)關(guān)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。因此，在激光調(diào)制技術(shù)及混合型光學(xué)雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應(yīng)用。電光調(diào)制根據(jù)所施加的電場(chǎng)方向的不同，可分為縱向電光調(diào)制和橫向電光調(diào)制。禾U用縱向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做縱向電光調(diào)制，利用橫向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做橫向電光調(diào)制。從LiNbOs晶體的橫向電光效應(yīng)可知，在外電場(chǎng)作用下的電光晶體相當(dāng)

15、于一個(gè)波片，可以改變通過(guò)它的光的偏振態(tài)，其位相延遲隨外電場(chǎng)的大小而變。把它放在一對(duì)偏振器之間，透過(guò)檢偏器的光強(qiáng)就隨電光延遲而改變，這樣，就構(gòu)成調(diào)制器。Ait2澀光曾電光晶體P后只透射光波中平行于其圖1電光調(diào)制器工作原理圖1為電光調(diào)制器的工作原理圖。由激光器發(fā)出的激光經(jīng)起偏器透射方向的振動(dòng)分量。X、Y、Z為晶體的三個(gè)主軸方向，光在Z方向傳播。當(dāng)該偏振光Ip垂直于電光晶體的通光表面入射時(shí)，如將光束分解成兩個(gè)線偏振光，經(jīng)過(guò)晶體后其X分量與Y分量的相位差為，然后光束再經(jīng)檢偏器A，產(chǎn)生光強(qiáng)為Ia的出射光。當(dāng)起偏器與檢偏器的光軸正交（AP）時(shí)，根據(jù)偏振原理可求得輸出光強(qiáng)為：IaIPsin2(2)sin2-

16、2式中，Px，為P與X兩光軸間的夾角。當(dāng)在晶體的x軸方向加電場(chǎng)E時(shí)，晶體的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，由單軸晶體轉(zhuǎn)化為雙軸晶體，在x,y方向上引起光的位相差。若取45°，電場(chǎng)E對(duì)lA的調(diào)制作用最大。其光強(qiáng)為：IAIPsin式中Ip為入射光強(qiáng)。2V將式（9）和式（10）代入上式后，得到：|AIpsin2（才）表明，透射光強(qiáng)隨外加電壓的大小而變化，通過(guò)電壓，可以控制出射光強(qiáng)。可畫(huà)出輸出光強(qiáng)|A與相差（或外加電壓V）的關(guān)系曲線。如圖2所示。圖2光強(qiáng)與相差（或電壓）間的關(guān)系2、調(diào)制器的主要性能參數(shù)（1）半波電壓一般情況下，半波電壓都具有較大的值（幾百伏），為了使用方便，總是要求半波電壓（圖2所示）越小

17、越好。由于半波電壓決定于入射光的波長(zhǎng)、晶體的光學(xué)性質(zhì)和幾何尺寸，為了降低半波電壓，應(yīng)選用電光系數(shù)大的晶體，在材料確定后，優(yōu)化其幾何尺寸可使半波電壓有所降低。（2）消光比M由圖2可見(jiàn)，當(dāng)2k（或V2kV）時(shí)，lA0。其中k0,1,2,（2k1）（或V（2k1）V）時(shí)，IaIp。其中k0,1,2,為其它值時(shí)，IA在0Ip之間變化。由上述討論，在理論上，當(dāng)V0時(shí)輸出光強(qiáng)應(yīng)為零。實(shí)際上由于晶體的不均勻性和加工精度不夠等原因，即使在兩偏振光處于正交狀態(tài)，且在px450的條件下，外加電壓V0時(shí)，輸出光強(qiáng)最小值不為零；外加電壓VV時(shí)，輸出光強(qiáng)也不為最大。在此引入特征參量：消光比M。其定義為：調(diào)制器最大輸出光

18、強(qiáng)Imax與最小輸出光強(qiáng)Imin之比稱(chēng)為消光比，即MImax'lmin，它表示電光調(diào)制器傳遞信號(hào)的最大對(duì)比度。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，越大越好。（3）工作點(diǎn)的選取從上述的討論知，輸出光強(qiáng)和調(diào)制電壓的關(guān)系為三角函數(shù)關(guān)系，可能造成輸出信號(hào)畸變。因此要避開(kāi)工作曲線中的拐點(diǎn)和變化劇烈部分，而利用其近于直線部分，即工作點(diǎn)選在線性區(qū)。一般要求工作點(diǎn)在中心點(diǎn)附近。可采用的辦法：一是加固定的直流電壓V/2；二是在光路系統(tǒng)中加一個(gè)/4波片（其透光軸平行于電光晶體的X軸），作為“光偏置”。實(shí)驗(yàn)儀器DGT-1電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀、示波器等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求DGT-1電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀使用要領(lǐng)圖3電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)醴SAMLiNGD

19、GT-1電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀圖4電路主控單元前面板一、電路系統(tǒng)電源開(kāi)關(guān)：用于控制主電源，接通時(shí)開(kāi)關(guān)指示燈亮；同時(shí)對(duì)半導(dǎo)體激光器供電。晶體偏壓開(kāi)關(guān)：用于控制電光晶體的直流電場(chǎng)。（僅在打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)后有效）偏壓調(diào)節(jié)旋鈕：調(diào)節(jié)直流偏置電壓，用以改變晶體外加直流電場(chǎng)的大小。偏壓極性開(kāi)關(guān)：改變晶體的直流電場(chǎng)極性。偏壓指示表：數(shù)字顯示晶體的直流偏置電壓。指示方式開(kāi)關(guān)：用于保持光強(qiáng)與偏壓指示值，以便于讀數(shù)。調(diào)制載入開(kāi)關(guān)：用于對(duì)電光晶體施加內(nèi)部的交流調(diào)制信號(hào)（內(nèi)置1KHz的正弦波）。外調(diào)輸入插座：用于對(duì)電光晶體施加外接的調(diào)制信號(hào)（插入外來(lái)信號(hào)時(shí)內(nèi)置信號(hào)自動(dòng)斷開(kāi)）調(diào)制幅度旋鈕：用于調(diào)節(jié)交流調(diào)制信號(hào)的幅度。調(diào)制監(jiān)視插座：

20、將光電接收放大后的信號(hào)輸出到示波器顯示，可與調(diào)制信號(hào)進(jìn)行比較。光強(qiáng)指示表：數(shù)字顯示經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的光電流相對(duì)值，可反映光強(qiáng)大小。解調(diào)幅度：用以調(diào)節(jié)解調(diào)監(jiān)視與信號(hào)輸出的幅度。解調(diào)輸出：解調(diào)信號(hào)經(jīng)輸出插口，可直接送有源揚(yáng)聲器發(fā)聲。二、系統(tǒng)連接光源：將半導(dǎo)體激光器電源線纜插入后面板的“至激光器”插孔中，如使用He-Ne激光管，其專(zhuān)用電源（自配）的輸出直流高壓務(wù)必按正負(fù)極性正確連接。晶體調(diào)制：由電光晶體的兩極引出的專(zhuān)用電纜插入后面板中間的兩芯高壓插座。光電接收：將光電接收部件（位于光具座末端）的專(zhuān)用多芯電纜連接到電路主控單元后面板“至接收器”的插座上，以便將光接收信號(hào)送到主控單元，同時(shí)主控單元也為光電接

21、收電路提供電源。信號(hào)輸出：光電接收信號(hào)由解調(diào)監(jiān)視插座輸出；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。以上兩信號(hào)可同時(shí)送入雙蹤示波器，以便比較兩者的波形。揚(yáng)聲器：將有源揚(yáng)聲器插入功率輸出插座即可發(fā)聲，音量由“解調(diào)幅度”控制。注：揚(yáng)聲器發(fā)聲的音質(zhì)與光路調(diào)整、晶體偏壓、調(diào)制幅度以及信號(hào)源的性能均有關(guān)聯(lián)。交流電源：主控單元后面板右側(cè)裝有帶開(kāi)關(guān)的三芯標(biāo)準(zhǔn)電源插座，用以連接220V交流電。三、儀器使用方法（一）、實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備1 按“電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖”，先在光具座上垂直放置好激光器和光電接收器。2 按系統(tǒng)連接方法將激光器、電光調(diào)制器、光電接收器等部件連接到位。（預(yù)先將光敏接收孔蓋上）3 光

22、路準(zhǔn)直：打開(kāi)激光電源，調(diào)節(jié)激光電位器使激光束有足夠強(qiáng)度。準(zhǔn)直調(diào)整時(shí)可先將激光器沿導(dǎo)軌推近接收器，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，并使激光束的光點(diǎn)落在接收器的塑蓋中心點(diǎn)上，然后將激光器遠(yuǎn)離接收器（移至導(dǎo)軌的另一端）；再次調(diào)節(jié)后面的夾持螺釘，使光點(diǎn)仍保持在塑蓋中心位置上，此后激光器與接收器的位置不宜再動(dòng)。4插入起偏器（P）,調(diào)節(jié)起偏器的鏡片架轉(zhuǎn)角，使其透光軸與垂直方向成P45°角（x00）5 將調(diào)制監(jiān)視與解調(diào)監(jiān)視輸出分別與雙蹤示波器的YI、YII輸入端相連，打開(kāi)主控單元的電源，此時(shí)在接收器塑蓋中心點(diǎn)應(yīng)出現(xiàn)光點(diǎn)（去除蓋子則光強(qiáng)指示表應(yīng)有讀數(shù)）。插入檢偏器（A），轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器

23、，使激光點(diǎn)消失，光強(qiáng)指示近于0,表示此時(shí)檢偏器與起偏器的光軸已處于正交狀態(tài)（PA），即A450。6 使電光晶體按標(biāo)記線向上插入鏡片架中，并用兩螺釘將定位壓環(huán)予以固定，然后將鏡片架插入光具座，旋轉(zhuǎn)鏡片架至0刻度線即可使晶體的X軸處在鉛直方向,再適當(dāng)調(diào)節(jié)光源位置,務(wù)使激光束正射透過(guò),這時(shí)PX450,此時(shí)光強(qiáng)應(yīng)近于0（或最小）。如不為0,可調(diào)節(jié)激光電位器使其近于0。7 去除接收孔塑蓋,打開(kāi)主控單元的晶體偏壓電源開(kāi)關(guān),稍加偏壓,偏壓指示表與光強(qiáng)指示表均呈現(xiàn)一定值。8必要時(shí)，插入調(diào)節(jié)光強(qiáng)大小用的減光器Pi和作為光偏置的/4波片構(gòu)成完整的光路系統(tǒng)。（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1觀察電光調(diào)制現(xiàn)象（1）改變晶體偏壓,觀察輸

24、出光強(qiáng)指示的變化。（2）改變晶體極性,觀察輸出光強(qiáng)指示的變化。（3）打開(kāi)調(diào)制加載開(kāi)關(guān)，適當(dāng)調(diào)節(jié)調(diào)制幅度，使雙蹤示波器上呈現(xiàn)調(diào)制信號(hào)（Yi）與解調(diào)輸出波形（Yii）。（4）插入/4波片P2,并使其光軸平行于晶體X軸（相當(dāng)于加有“光偏置”），觀察光電調(diào)制現(xiàn)象。2測(cè)量電光調(diào)制特性（1）作特性曲線將直流偏壓加載到晶體上，從0到允許的最大正（負(fù)）偏壓值逐漸改變電壓（U），測(cè)出對(duì)應(yīng)于每一偏壓指示值的相對(duì)光強(qiáng)指示值，作IAU曲線，得調(diào)制器靜態(tài)特性。其中光電流有極大值max和Imin。2）測(cè)半波電壓與Imax對(duì)應(yīng)的偏壓U即為被測(cè)的半波電壓U值。（3）計(jì)算電光晶體的消光比和透光率由光電流的極大、極小值，得：消光

25、比MImin將電光晶體從光路中取出，旋轉(zhuǎn)檢偏器A，測(cè)出最大光強(qiáng)值Io，可計(jì)算：透射率TI0注：測(cè)量Io值時(shí)應(yīng)控制光量大小不使光敏接收進(jìn)入飽和狀態(tài)。（4）電光調(diào)制與光通訊實(shí)驗(yàn)演示將音頻信號(hào)（來(lái)自廣播收音機(jī)、錄音機(jī)、CD機(jī)等音源）輸入到本機(jī)的“外調(diào)輸入”插座，將揚(yáng)聲器插入“調(diào)制輸出”插座，加晶體偏壓至調(diào)制特性曲線的線性區(qū)域，適當(dāng)調(diào)節(jié)調(diào)制幅度與解調(diào)幅度，即可使揚(yáng)聲器播放出音響節(jié)目（示波器也可同時(shí)監(jiān)視）。改變偏壓試聽(tīng)揚(yáng)聲器音量與音質(zhì)的變化。北京方式公司的電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀使用要領(lǐng)：實(shí)驗(yàn)的第一步，驗(yàn)證LN晶體在自然狀態(tài)下的單軸晶體特性及在施加電壓后變?yōu)殡p軸晶體的情況。1、將半導(dǎo)體激光器、起偏器、擴(kuò)束鏡、LN

26、晶體、檢偏器、白屏依次擺放，使擴(kuò)束鏡緊靠LN晶體。2、分別連接好半導(dǎo)體激光器電源（在激光功率指示計(jì)后面板上）和晶體驅(qū)動(dòng)電源（千萬(wàn)不可插錯(cuò)位），將驅(qū)動(dòng)電壓旋鈕逆時(shí)針旋至最低。3、打開(kāi)激光功率指示計(jì)電源，激光器亮。調(diào)整激光器的方向和各附件的高低，使各光學(xué)組件盡量同軸且與光束垂直，旋轉(zhuǎn)起偏器，使透過(guò)起偏器的光盡量強(qiáng)一些（因半導(dǎo)體激光器的輸出光為部分偏振光）。4、觀察白屏上的圖案并轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器觀察圖案的變化，應(yīng)可觀察到由十字亮線或暗線和環(huán)形線組成的圖案。這種圖案是典型的會(huì)聚偏振光穿過(guò)單軸晶體后形成的干涉圖案。5、打開(kāi)晶體驅(qū)動(dòng)電源，將狀態(tài)開(kāi)關(guān)打在直流狀態(tài)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)整旋鈕，調(diào)高驅(qū)動(dòng)電壓，觀察白屏上圖

27、案的變化。將會(huì)觀察到圖案由一個(gè)中心分裂為兩個(gè)中心，這是典型的會(huì)聚偏振光經(jīng)過(guò)雙軸晶體時(shí)的干涉圖案。雙軸錐光干涉圖單軸錐光干涉圖實(shí)驗(yàn)第二步，研究LN晶體的電光特性及測(cè)量參數(shù)。1、將上個(gè)實(shí)驗(yàn)中的擴(kuò)束鏡和LN晶體取下，使系統(tǒng)按激光器、起偏器、檢偏器、白屏排列。2、打開(kāi)激光功率指示計(jì)電源，調(diào)整系統(tǒng)光路，使光學(xué)組件盡量與激光束等高、同軸、垂直。3、旋轉(zhuǎn)起偏器，使透過(guò)起偏器的光盡量強(qiáng)一些，旋轉(zhuǎn)檢偏器使白屏上的光點(diǎn)盡量弱。這時(shí)起偏器與檢偏器相互垂直，系統(tǒng)進(jìn)入消光的狀態(tài)。4、將LN晶體放置于起偏器與檢偏器之間，調(diào)整其高度和方向盡量使LN晶體與光束同軸、垂直。5、將晶體驅(qū)動(dòng)電源的電壓調(diào)至最低，狀態(tài)開(kāi)關(guān)打到直流狀態(tài)

28、，觀察白屏上的光斑亮度。仔細(xì)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(duì)系統(tǒng)的消光狀態(tài)無(wú)影響，但由于LN晶體本身固有的缺陷和激光光束的質(zhì)量問(wèn)題，系統(tǒng)消光狀態(tài)將會(huì)變化）。6、取下白屏，換上激光功率計(jì)探頭，記下此時(shí)的光功率值Pmin。7、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)整旋鈕，緩慢調(diào)高驅(qū)動(dòng)電壓，并記下電壓值和光輝功率值，可每50V記錄一次。特別注意最大功率值Pmin和對(duì)應(yīng)的電壓值V2。&根據(jù)上兩步記錄的數(shù)據(jù)，求出系統(tǒng)消光比和半波電壓。畫(huà)出電壓與輸入功率的對(duì)應(yīng)曲線（可在全部實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行）。9、取下LN晶體，旋轉(zhuǎn)檢偏器，記錄系統(tǒng)輸出最大的光功率Po，計(jì)算LN晶體的透過(guò)率

29、T。Po10、消光比M、透過(guò)率T、半波電壓V2是表征電光晶體質(zhì)量的三個(gè)重要特征參量。實(shí)驗(yàn)第三步，研究電光晶體在光調(diào)制應(yīng)用中的一些具體問(wèn)題：靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)調(diào)制波形的影響。通過(guò)上一個(gè)實(shí)驗(yàn)所繪制的曲線，可以看到電壓與輸出光強(qiáng)的關(guān)系并不是完全線性的，只是在V2的二分之一處是近似線性的。響應(yīng)的非線性就會(huì)在調(diào)制時(shí)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)波形失真的問(wèn)題，如果一個(gè)正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)的靜態(tài)工作點(diǎn)在0或V2處，還會(huì)出現(xiàn)信號(hào)被倍頻的現(xiàn)象。這就要求我們?cè)谑闺姽饩w工作時(shí)找到一個(gè)好的靜態(tài)工作點(diǎn)，以使波形失真最小且最靈敏。靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置有多種方案，可以是電學(xué)的也可以是光學(xué)的。1、將上一個(gè)實(shí)驗(yàn)光路中的功率指示計(jì)探頭取下，換上光電二極管探頭，

30、使系統(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。2、將驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形插座和接受信號(hào)波形插座分別與雙蹤示波器的chi和ch2通道連接，光電二極管探頭與信號(hào)輸入插座連接。3、將狀態(tài)開(kāi)關(guān)置于正弦波位置，幅度調(diào)節(jié)鈕旋至最大。4、示波器置于雙蹤同時(shí)顯示，以驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形為觸發(fā)信號(hào)，正弦波頻率約為1KHz。5、旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)節(jié)旋鈕改變靜態(tài)工作點(diǎn)，觀察示波器上的波形變化。特別注意：接收信號(hào)波形失真最小、接受信號(hào)幅度最大，出現(xiàn)倍頻失真時(shí)的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓。對(duì)照上一個(gè)實(shí)驗(yàn)中的曲線圖，理解靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)調(diào)制波形的影響。6、在起偏器與LN晶體間放入1/4波片。分別將靜態(tài)工作電壓置于倍頻失真點(diǎn)，接收信

31、號(hào)波形失真最小，接收信號(hào)波形幅度最大點(diǎn)（參考上一步驟的參數(shù)），旋轉(zhuǎn)/4波片，觀察接收波形的變化情況，體會(huì)1/4波片對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響和作用。7、音頻信號(hào)的調(diào)制與傳輸。將音頻信號(hào)接入音頻插座，狀態(tài)開(kāi)關(guān)置于音頻狀態(tài)。觀察示波器上的波形，打開(kāi)后面的喇叭開(kāi)關(guān)，監(jiān)聽(tīng)音頻調(diào)制與傳輸效果。實(shí)驗(yàn)3.2磁光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)磁光效應(yīng)是指光與磁場(chǎng)中的物質(zhì)，或光與具有自發(fā)磁化強(qiáng)度的物質(zhì)之間相互作用所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象。這些現(xiàn)象均起源于物質(zhì)的磁化，反映了光與物質(zhì)磁性間的聯(lián)系。主要包括Faraday效應(yīng)、磁光Kerr效應(yīng)、Cotton-Motton效應(yīng)、Zeeman效應(yīng)和光磁效應(yīng)。當(dāng)線偏振光（見(jiàn)光的偏振）在介質(zhì)中傳播時(shí)，若在平行于光

32、的傳播方向上加一強(qiáng)磁場(chǎng)，則光振動(dòng)方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，并且線偏振光會(huì)變成橢圓光。這一現(xiàn)象由Faraday于1846年發(fā)現(xiàn)，稱(chēng)為Faraday效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，偏轉(zhuǎn)角度f(wàn)與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和光穿越介質(zhì)的長(zhǎng)度L的乘積成正比，即fVBL，比例系數(shù)V稱(chēng)為費(fèi)爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場(chǎng)方向。上述現(xiàn)象稱(chēng)為Faraday效應(yīng)或磁致旋光效應(yīng)。該效應(yīng)可用來(lái)分析碳?xì)浠衔铮蛎糠N碳?xì)浠衔镉懈髯缘拇胖滦馓匦裕辉诠庾V研究中，可藉以得到關(guān)于激發(fā)能級(jí)的有關(guān)知識(shí)；在激光技術(shù)中可用來(lái)隔離反射光，也可作為調(diào)制光波的手段。因?yàn)榇艌?chǎng)中電子的運(yùn)動(dòng)總附加有右旋的拉穆?tīng)栠M(jìn)動(dòng)，當(dāng)光的傳播方向相反時(shí)，偏振面旋轉(zhuǎn)角

33、方向不倒轉(zhuǎn)，所以Faraday效應(yīng)是非互易效應(yīng)。這種非互易的本質(zhì)在微波和光的通信中是很重要的。許多微波、光的隔離器、環(huán)行器、開(kāi)關(guān)就是用旋轉(zhuǎn)角大的磁性材料制作的。利用Faraday效應(yīng)，還可實(shí)現(xiàn)光的顯示、調(diào)制等許多重要應(yīng)用。反射光的變化是由Kerr于1877年發(fā)現(xiàn)，稱(chēng)為磁光Kerr效應(yīng)。所謂磁光Kerr效應(yīng)是指鐵磁性樣品的磁化狀態(tài)對(duì)從其表面反射的光的偏振狀態(tài)的影響。當(dāng)入射光為線偏振光時(shí)，樣品的磁性會(huì)引起反射光偏振面的旋轉(zhuǎn)和橢偏率的變化。當(dāng)一束線偏振光從磁化了的樣品表面反射時(shí)，反射光的偏振面相對(duì)于入射光的偏振面轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)小的角度，稱(chēng)為Kerr旋轉(zhuǎn)角k。同時(shí)反射光的偏振率也發(fā)生變化，這個(gè)變化稱(chēng)為Ke

34、rr橢偏率k，k和k都是磁化強(qiáng)度M的函數(shù)，通過(guò)探測(cè)k或k的變化可以推測(cè)出磁化強(qiáng)度M的變化。磁光Kerr效應(yīng)分極向、縱向和橫向三種，分別對(duì)應(yīng)物質(zhì)的磁化強(qiáng)度與反射表面垂直、與表面和入射面平行、與表面平行而與入射面垂直三種情形。極向和縱向磁光Kerr效應(yīng)的磁致旋光都正比于磁化強(qiáng)度，偏振面旋轉(zhuǎn)的方向與磁化強(qiáng)度方向有關(guān)。一般極向的效應(yīng)最強(qiáng)，縱向次之。橫向磁光Kerr效應(yīng)中實(shí)際上沒(méi)有偏振面的旋轉(zhuǎn)，只是反射率有微小的變化，變化量也正比于樣品的磁化強(qiáng)度。1898年P(guān).Zeeman等人證實(shí)了橫向克爾磁光效應(yīng)的存在。磁光Kerr效應(yīng)的應(yīng)用是觀察鐵磁材料中難以捉摸的磁疇（見(jiàn)磁介質(zhì)、鐵磁性）。因不同磁疇區(qū)的磁化強(qiáng)度的

35、不同取向使入射偏振光產(chǎn)生方向、大小不同的偏振面旋轉(zhuǎn)，通過(guò)偏振片觀察反射光時(shí)，將觀察到與各磁疇對(duì)應(yīng)的明暗不同的區(qū)域。利用現(xiàn)代技術(shù)，不但可進(jìn)行靜態(tài)觀察，還可進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究。這些都導(dǎo)致一些重要發(fā)現(xiàn)和關(guān)于磁疇、磁學(xué)參數(shù)的有效測(cè)量。表面磁光Kerr效應(yīng)（SurfaceMagneto-OpticKerrEffect,以下簡(jiǎn)稱(chēng)SMOKE）作為一種探測(cè)薄膜磁性的技術(shù)則出現(xiàn)于1985年，當(dāng)時(shí)SMOKE被首次用于研究在Au（001）表面外延生長(zhǎng)的Fe超薄膜的磁學(xué)性質(zhì)。由于SMOKE所表現(xiàn)出的亞原子單層的磁性探測(cè)靈敏度和易于與超高真空系統(tǒng)結(jié)合的特點(diǎn)使得它在近些年已經(jīng)發(fā)展成為一種重要的和常規(guī)的研究薄膜磁學(xué)性質(zhì)的技術(shù)。它

36、被廣泛應(yīng)用于研究表面超薄膜的磁有序、磁性相變、磁各向異性，以及層間耦合等多種磁學(xué)現(xiàn)象。同時(shí)SMOKE在商業(yè)上還被應(yīng)用于商用高密度的磁光存儲(chǔ)技術(shù)。Cotton-Motton效應(yīng)：1907年A.Cotton和H.Motton穆頓首先在液體中發(fā)現(xiàn)。當(dāng)光在透明介質(zhì)中傳播時(shí)，若在垂直于光的傳播方向上加一外磁場(chǎng)，則介質(zhì)表現(xiàn)出單軸晶體的性質(zhì)，光軸沿磁場(chǎng)方向，主折射率之差正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方。此效應(yīng)也稱(chēng)磁致雙折射。W佛克脫在氣體中也發(fā)現(xiàn)了同樣效應(yīng)，稱(chēng)佛克脫效應(yīng)，它比前者要弱得多。當(dāng)介質(zhì)對(duì)兩種互相垂直的振動(dòng)有不同吸收系數(shù)時(shí)，就表現(xiàn)出二向色性的性質(zhì)，稱(chēng)為磁二向色性效應(yīng)。Zeeman效應(yīng)：發(fā)光體放在磁場(chǎng)中時(shí)，光譜

37、線發(fā)生分裂的現(xiàn)象。是由于外磁場(chǎng)對(duì)電子的軌道磁矩和自旋磁矩的作用，或使能級(jí)分裂才產(chǎn)生的。其中譜線分裂為2條（順磁場(chǎng)方向觀察）或3條（垂直于磁場(chǎng)方向觀察）的叫正常Zeeman效應(yīng)；3條以上的叫反常Zeeman效應(yīng)。Optic-Magnet效應(yīng)：光照射物質(zhì)后，物質(zhì)磁性（如磁化率、磁晶各向異性、磁滯回線等）發(fā)生變化的現(xiàn)象。早在1931年就有光照引起磁化率變化的報(bào)導(dǎo)，但直到1967年R.W.蒂爾等人在摻硅的釔鐵石榴石（YIG）中發(fā)現(xiàn)紅外光照射引起磁晶各向異性變化之后才引起人們的重視。這些效應(yīng)多與非三價(jià)離子的代換有關(guān)，這種代換使亞鐵磁材料中出現(xiàn)了二價(jià)鐵離子，光照使電子在二、三價(jià)鐵離子間轉(zhuǎn)移，從而引起磁性的

38、變化。因此，光磁效應(yīng)是光感生的磁性變化，也稱(chēng)光感效應(yīng)。當(dāng)然這只是一種機(jī)制，其它機(jī)制的光磁效應(yīng)在光存儲(chǔ)、光檢測(cè)、光控器件方面的應(yīng)用還在研究之中。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)與要求1、在磁光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)的是哪一種磁光效應(yīng)？2、法拉第旋轉(zhuǎn)角和磁光調(diào)制的概念是怎樣的，如何進(jìn)行磁光調(diào)制?3、實(shí)驗(yàn)中使用了哪些些儀器設(shè)備？實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解各磁光效應(yīng)的定義和現(xiàn)象；2、理解本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)思想；3、進(jìn)一步理解磁致旋光相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，提高綜合應(yīng)用這些知識(shí)解釋實(shí)際問(wèn)題的能力;4、學(xué)習(xí)光路調(diào)節(jié)的有關(guān)技巧。實(shí)驗(yàn)原理由于磁致旋光的偏振方向會(huì)使反射光引起的旋角加倍，而與光的傳播方向無(wú)關(guān)，利用這一特性在激光技術(shù)中可制成具有光調(diào)制、光開(kāi)關(guān)、

39、光隔離、光偏振等功能性磁光器件，其中磁光調(diào)制為其最典型的一種。如圖1所示，在磁光介質(zhì)的外圍加一個(gè)勵(lì)磁線圈就構(gòu)成基本的磁光調(diào)制器件。法拉第效應(yīng)產(chǎn)生的旋光與自然光物質(zhì)產(chǎn)生的旋光有一個(gè)重大區(qū)別。自然旋光物質(zhì)有確定的右旋和左旋性質(zhì)，磁致旋光則不同。法拉第效應(yīng)來(lái)源于電磁場(chǎng)和物質(zhì)的相互作用。一束平面偏振光可以分解為兩個(gè)同頻率等振幅的左旋和右旋（相對(duì)于磁場(chǎng)）圓偏振光，當(dāng)它沿著磁場(chǎng)方向通過(guò)磁場(chǎng)中的介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)中的束縛電子在右旋和左旋的作用下作穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)。如果磁場(chǎng)與電子軌道平面垂直，則電子受到徑向洛侖茲力作用，力的方向取決于電矢旋轉(zhuǎn)方向。由于光具有左旋和右旋兩個(gè)電向量，由此電子所受的總徑向力有兩個(gè)不同的取值，電子

40、的軌道半徑也不同，從而對(duì)于給定的磁場(chǎng)有兩個(gè)電偶極矩、電極化率、折射率，致使兩個(gè)圓偏振光產(chǎn)生一定的位相差，引起電向量偏振面的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)線偏振光平行于外磁場(chǎng)入射磁光介質(zhì)的表面時(shí)，偏振光的光強(qiáng)I可以分解成如圖3所示的左旋圓偏振光IL和右旋圓偏振光Ir（兩者旋轉(zhuǎn)方向相反）。由于介質(zhì)對(duì)兩者具有不同的折射率nL和nR，當(dāng)它們穿過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)（如圖4）的介質(zhì)后分別產(chǎn)生不同的相位差，體現(xiàn)在角位移上有:圖3入射光偏振面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(1)式中為光波波長(zhǎng)。因?yàn)長(zhǎng)r)一血g)L式（2）中折射率nR為在磁場(chǎng)作用下右旋圓偏振光通過(guò)介質(zhì)的折射率,nL為左旋圓偏振光通過(guò)介質(zhì)的折射率。如折射率差nLnR正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度B，即可得式（1）

41、，并由值與測(cè)得的磁場(chǎng)B和介質(zhì)長(zhǎng)度L，求出維爾特常數(shù)V。在磁場(chǎng)B作用下，一個(gè)電子磁矩具有勢(shì)能VVeeB卩BLBLb2m2m(3)圖4平面偏振光沿B方向通過(guò)介質(zhì)偏振面的旋轉(zhuǎn)法拉第（Faraday）旋轉(zhuǎn)角的計(jì)算平面偏振光沿磁場(chǎng)道電子具有磁偶極矩B方向通過(guò)介質(zhì)偏振面的旋轉(zhuǎn)面如圖4所示。由量子理論知道，介質(zhì)中原子的軌11eL2m其中e為電子電荷，m為電子質(zhì)量，L為軌道角動(dòng)量。(6)其中Lb為電子的軌道角動(dòng)量沿磁場(chǎng)方向的分量。當(dāng)平面偏振光在磁場(chǎng)B作用下通過(guò)介質(zhì)時(shí)，光量子與軌道電子發(fā)生相互作用，光量子使軌道電子由,電子的動(dòng)能和以前一樣沒(méi)有改變，基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的軌道電子吸收了光量子的角動(dòng)量而勢(shì)能

42、則增加了4V,其值為V宜ALB2meB2meB2m其中正號(hào)對(duì)應(yīng)于左旋圓偏振光量子，與此同時(shí)光量子失去了AV能量。根據(jù)量子理論，光量子具有的能量為3,介質(zhì)對(duì)光量子的折射率n是的函數(shù)，即：nn宀。當(dāng)光量子與電子相互作用失去AV能量后，折射率n依賴(lài)于光量子能量3AV的函數(shù)形式是不會(huì)改變的，由此，對(duì)于折射率n可在3附近展開(kāi)有AVdnAVnn3n3(5)d3將式（4）代入并化簡(jiǎn)，則有eBdn2md其中正號(hào)對(duì)應(yīng)于右旋光量子nR，負(fù)號(hào)對(duì)應(yīng)于左旋光量子nL。再把式（6）求得的nR、nL和32c代入式（2）中，得到eLBdnedn2LB（7）2mcd2mcd式（7）表明法拉第旋光角B的大小和介質(zhì)長(zhǎng)度L成正比，和

43、磁場(chǎng)強(qiáng)度B成正比，并且和入射光的波長(zhǎng)入及介質(zhì)的色散蟲(chóng)有關(guān)。d入法拉第效應(yīng)產(chǎn)生的旋光現(xiàn)象與其它旋光現(xiàn)象有所不同。如常見(jiàn)的1/2波片和石英旋光片，它們的旋光方向與光的傳播方向有關(guān)。如將一個(gè)線偏振光從材料左側(cè)射到右側(cè)再反射回來(lái)，則在二次傳播中偏振面的旋轉(zhuǎn)方向相反，互相抵消，總的情況是偏振面并沒(méi)有旋轉(zhuǎn)。而法拉第效應(yīng)產(chǎn)生的旋光，其旋轉(zhuǎn)方向只與磁場(chǎng)方向有關(guān)，而同光的傳播方向無(wú)關(guān)。在上面的舉例中，如果旋光是由法拉第效應(yīng)引起的，總的情況是旋轉(zhuǎn)角度增大1倍，而不是相互抵消。這是法拉第效應(yīng)的一個(gè)重要特點(diǎn)，有著重要的應(yīng)用價(jià)值。磁光調(diào)制所謂光調(diào)制是指光的頻率、位相、振幅三個(gè)參量之一隨外加信號(hào)而變化。廣義地說(shuō)，光的傳播

44、方向或偏振方向隨外加信號(hào)改變，也可以稱(chēng)為光調(diào)制。磁光調(diào)制是利用磁光效應(yīng)來(lái)調(diào)制光的強(qiáng)度。若磁光效應(yīng)中的磁化線圈軸在線的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與線圈中的電流i成正比，即：Bki,k為比例系數(shù)；則光偏振面的旋轉(zhuǎn)角B和調(diào)制電流有線性關(guān)系。VLBVLki（8）若用交流電信號(hào)ii0sin3對(duì)勵(lì)磁線圈進(jìn)行激勵(lì)，使其對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)，就組成了交流（信號(hào)）磁光調(diào)制器（此時(shí)的勵(lì)磁線圈稱(chēng)為調(diào)制線圈）。在線圈未通電流并且不計(jì)光損耗的情況下，設(shè)起偏器P的線偏振光振幅為A0，則A0可分解為Aocosa及Aosina兩垂直分量，其中只有平行于P的平面的AoCOSa分量才能通過(guò)檢偏器，故有輸出光強(qiáng)22IAoCOSaIoCOSa（馬

45、呂斯定律）（9）式（9）中久為起偏器P與檢偏器A主截面之間的夾角，Io（IoAo）為a0時(shí)的光強(qiáng)值。如果在起偏器和檢偏器之間插入一個(gè)磁光介質(zhì)，則光通過(guò)介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生偏振面旋轉(zhuǎn)，這時(shí)的輸出光強(qiáng)為：IIocos2a0當(dāng)線圈通以交流電信號(hào)ii0sinst時(shí)，設(shè)調(diào)制線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)為BBosinet，則介質(zhì)相應(yīng)地會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角00sinet，則從檢偏器輸出的光強(qiáng)為:I0cos2a051cos2a02(io)Io1cos2a03sinet2由式（io）知：光輸出可以是調(diào)制波的倍頻信號(hào)對(duì)式（9）作數(shù)學(xué)處理，得:dil0sin2a(11)當(dāng)a45時(shí)，由偏振面旋轉(zhuǎn)所引起輸出光強(qiáng)的變化最大；當(dāng)a很小時(shí)，II°

46、;COS200，這時(shí)光強(qiáng)隨調(diào)制電流近似作線性變化。由此，為了減小調(diào)制失真，起偏器和檢偏器的偏振方向的初始角a必須取450。以上就是電信號(hào)致使入射光旋光角變化從而完成對(duì)輸出光強(qiáng)調(diào)制的基本原理。實(shí)驗(yàn)儀器CGT-1型磁光調(diào)制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由兩大單元組成，如圖5所示。圖5CGT-1型磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀光學(xué)系統(tǒng)6)和磁光調(diào)制系統(tǒng)的光路是由激光器、起偏器、帶調(diào)制線圈的磁光介質(zhì)、有測(cè)角裝置的檢偏器（圖光電接收器所組成。圖6檢偏與光電接收組件帶有測(cè)角裝置的檢偏器（如圖6所示）有兩個(gè)刻度盤(pán)，位于前端的圓盤(pán)四周由四檔0-90o的刻度盤(pán)構(gòu)成（以2.50分度）。旋轉(zhuǎn)帶光孔和刻線的錐體可調(diào)圓盤(pán)用以粗調(diào)檢偏器的角度，后面的精密測(cè)

47、微量角器，用以細(xì)調(diào)檢偏器的旋角。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求CGT-1磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀使用要領(lǐng)（一）實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備1 按磁光調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，首先在光具座的滑座上放置好激光器和光電接收器（通常光電接收器位于光具座右側(cè)末端）。2 參照上圖，按系統(tǒng)連接方法將激光器、鋱玻璃介質(zhì)磁光調(diào)制器以及與檢偏器一體的光電接收器等組件連接到位。檢偏器的兩刻度盤(pán)均預(yù)置在0位。3 光路準(zhǔn)直：打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，接通激光器電源，點(diǎn)亮激光器，調(diào)節(jié)激光器尾部的旋鈕，使激光器達(dá)足夠光強(qiáng)。將激光器推近光電接收器，調(diào)節(jié)激光器架的前后各三只夾持螺釘，使激光器基本與光具座導(dǎo)軸平行并使激光束落在接收部件塑蓋的中心點(diǎn)上。然后將激光器遠(yuǎn)離（移至導(dǎo)軸的另一端），再次

48、微調(diào)后側(cè)的夾持螺釘，務(wù)使光點(diǎn)仍落在塑蓋的中心位置上。調(diào)準(zhǔn)激光器與接收器的位置后不必再動(dòng)。4用所提供的電纜線分別將“調(diào)制監(jiān)視”與“解調(diào)監(jiān)視”插座與雙蹤示波器的Yi與Yii的輸入端相連。5插入起偏器（P2）,移去接收單元塑蓋時(shí)，接收光強(qiáng)指示應(yīng)呈現(xiàn)讀數(shù)；調(diào)節(jié)起偏器，使光強(qiáng)指示器近于0，表示檢偏器與起偏器的光軸正處于正交狀態(tài)（PA），記下起偏角度。再將起偏器旋轉(zhuǎn)約450角，使兩偏振面在此夾角下調(diào)制幅度達(dá)最大值。6 調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度，使光強(qiáng)指示的讀數(shù)在“45”左右。注：若激光器調(diào)至最大值而光強(qiáng)仍感太小時(shí)，需要適當(dāng)調(diào)節(jié)起偏器的轉(zhuǎn)角，重復(fù)上述步驟。7 將磁光調(diào)制器插入鏡片架中，擰緊定位壓環(huán)的兩只滾花螺釘，將調(diào)制

49、器予以固定，然后將鏡片架插入光具座后對(duì)準(zhǔn)中心，務(wù)使激光束正射透過(guò)。注：為使激光能正射透過(guò)磁光介質(zhì)，必需反復(fù)對(duì)激光、磁光調(diào)制介質(zhì)與光電接收孔三者加以準(zhǔn)直調(diào)整。為獲得較好的實(shí)驗(yàn)效果，光量宜調(diào)節(jié)在光強(qiáng)指示表為0.1（最小）至6.5（最大）的讀數(shù)范圍之內(nèi)。（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 觀察磁光調(diào)制現(xiàn)象（1）按磁光調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，參照系統(tǒng)連接方法準(zhǔn)備就緒（用鋱玻璃調(diào)制器線纜插入主控單元后面板的“調(diào)制輸出”兩插座中）。（2）打開(kāi)調(diào)制信號(hào)開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)輸出幅度，在示波器上可同時(shí)觀察到調(diào)制波形與解調(diào)輸出波形；再細(xì)調(diào)檢偏器的轉(zhuǎn)角，即可明顯地看到解調(diào)波與調(diào)制波的倍頻關(guān)系。2 測(cè)量調(diào)制深度與調(diào)制角幅度在示波器中顯示出解調(diào)波形時(shí)，調(diào)

50、節(jié)檢偏器偏角，讀出波形曲線上相應(yīng)的光強(qiáng)信號(hào)的最大值gax和最小值Imin，代入公式，計(jì)算出調(diào)制深度和調(diào)制角幅度0。3 測(cè)定旋光角與外加磁場(chǎng)的關(guān)系曲線改變調(diào)制電流的大小，測(cè)出不同電流下對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)lmax與lmin值，計(jì)算出和0值，作B（lM）曲線。4 測(cè)量直流磁場(chǎng)對(duì)磁光介質(zhì)的影響（1）按磁光調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，將勵(lì)磁電磁鐵（M）置于光具座上，電磁鐵中間放入火石玻璃的磁光介質(zhì)，（先將火石玻璃插在兩磁軛之間，磁軛平面與兩磁極相吻合）將電磁鐵引出線纜插入后面板的“勵(lì)磁輸出”兩插座中。（2）按“實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備”事項(xiàng)中“5”的步驟，使檢偏器與起偏器的光軸處于正交狀態(tài)（光強(qiáng)讀數(shù)近于0）。（3）開(kāi)啟直流電源，使勵(lì)磁

51、線圈通以直流電流Idc,細(xì)調(diào)檢偏測(cè)角器的度盤(pán)使光強(qiáng)讀數(shù)恢復(fù)近于0，記下前后測(cè)角器度盤(pán)讀數(shù)，其差值即為偏振面的旋角。（4）改變直流電流（由勵(lì)磁電流表讀出），測(cè)出相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角，畫(huà)出B（lDc）曲線。注：做實(shí)驗(yàn)3步驟時(shí)，需將鋱玻璃調(diào)制線圈的線纜插入“勵(lì)磁輸出”的插座內(nèi)。調(diào)制線圈中部頂端開(kāi)有小孔，用以插入特斯拉（場(chǎng)強(qiáng)）計(jì)測(cè)量線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度B（由于測(cè)試控頭處于線圈邊緣，其中部的B應(yīng)為2倍測(cè)試值）。如無(wú)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)，也可讀出電流|M值，作lM曲線。（IM>200mA）。為克服起始段過(guò)弱的讞制效應(yīng)，可調(diào)節(jié)起偏器（或檢偏器）的轉(zhuǎn)角，使其適當(dāng)偏離正交狀態(tài)（光強(qiáng)>0.1）后，再開(kāi)始作Im關(guān)系的測(cè)試。根據(jù)B

52、與偏角值，即可由=vlB計(jì)算出磁光介質(zhì)的維爾德常數(shù)。5磁光調(diào)制與光通訊實(shí)驗(yàn)演示將音頻信號(hào)（來(lái)自廣播收音機(jī)、錄音機(jī)、CD機(jī)等音源）輸入到“外調(diào)制輸入”插座，將有源揚(yáng)聲器插入“解調(diào)輸出”插座，即可發(fā)聲，音量由“解調(diào)幅度”控制。北京方式公司的磁光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀使用要領(lǐng)：觀察法拉第效應(yīng)，總結(jié)磁場(chǎng)與旋轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系。1、將設(shè)備按下圖擺放。激光器起偏簽電歳線圈和旋光材料檢偏器光功率計(jì)2、接好各個(gè)設(shè)備之間的聯(lián)機(jī)，打開(kāi)激光器和功率計(jì)電源，調(diào)整光路，使光束可穿過(guò)電磁線圈中心的磁致旋光材料。3、旋轉(zhuǎn)檢偏器，使功率計(jì)指示值最小，這時(shí)起偏器和檢偏器相互垂直，處于消光狀態(tài)。4、打開(kāi)線圈驅(qū)動(dòng)電源，將驅(qū)動(dòng)電源電流調(diào)到0.5A，

53、此時(shí)功率指示值將發(fā)生變化。5、重新旋轉(zhuǎn)檢偏器，使功率指示值盡可能的小，系統(tǒng)重新進(jìn)入消光狀態(tài)，記示此時(shí)的電流值和檢偏器的角度變化值和方向。6、按一定間隔增大電流，重復(fù)步驟5，記下相應(yīng)的電流值和檢偏器的角度變化值。7、根據(jù)電流與電磁線圈中磁場(chǎng)的關(guān)系和以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定與B的大致關(guān)系。（如有高斯計(jì)，可測(cè)出材料的Verdet常數(shù)，其中L=30mm）。&將激光器放到導(dǎo)軌另一端，使光束從電磁線圈的另一端穿過(guò)磁致旋光材料，改變勵(lì)磁電流，觀察旋光方向，并與步驟5中的方向進(jìn)行比較。9、交換驅(qū)動(dòng)電源的電流輸出導(dǎo)線，改變電磁線圈中的電流方向，改變電流大小，觀察旋光方向，掌握其中的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)3.3聲光效應(yīng)超聲

54、波在介質(zhì)中的傳播，在其內(nèi)產(chǎn)生周期性彈性形變，引起介質(zhì)光折射率的周期性變化，相當(dāng)于一個(gè)移動(dòng)的相位光柵，稱(chēng)為“聲光柵”。若同時(shí)有光傳過(guò)介質(zhì)，導(dǎo)致光傳播方向的偏轉(zhuǎn)（稱(chēng)為聲光衍射）和衍射光強(qiáng)的調(diào)制，又由于聲光柵以聲速在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致了衍射光的頻率相對(duì)于入射光產(chǎn)生了頻移。聲光效應(yīng)是指光通過(guò)某一受到超聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)發(fā)生的衍射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是光波與介質(zhì)中聲波相互作用的結(jié)果。利用聲光衍射效應(yīng)制成的器件，稱(chēng)為聲光器件。聲光器件能快速有效地控制激光束的強(qiáng)度、方向和頻率；還可把電信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。此外，聲光衍射還是探測(cè)材料聲學(xué)性質(zhì)的主要手段。它提供了一種方便而有效的控制光束頻率、強(qiáng)度和傳播方向的手段。早在2

55、O世紀(jì)3O年代，科學(xué)家們就已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)聲光衍射的實(shí)驗(yàn)研究。1922年，L.N.Brillouin在理論上預(yù)言了聲光衍射；1932年P(guān).J.W.Debye和F.W.Sears以及法國(guó)的R.Lucas和P.Biquard分別觀察到了聲光衍射現(xiàn)象。1935年起，印度科學(xué)院院報(bào)連續(xù)發(fā)表了Raman和Nath的一組論文，對(duì)聲光互作用理論作了解析和討論，奠定了聲光學(xué)的理論基礎(chǔ)。當(dāng)時(shí)他們的這些研究，只限于光學(xué)各向同性介質(zhì)中的聲光互作用。6O年代，激光器的問(wèn)世為聲光現(xiàn)象的研究提供了理想的光源，為聲光效應(yīng)賦予了新的生命。聲光衍射理論、新聲光材料及高性能聲光器件的設(shè)計(jì)和制造工藝都得到迅速發(fā)展。Dixon的研究把聲光互作用的研究推進(jìn)到光學(xué)各向異性介質(zhì)中去。1970年，實(shí)現(xiàn)了聲表面波對(duì)導(dǎo)光波的聲光衍射，并研制成功表面（或薄膜）聲光器件。1976年后，隨著聲光技術(shù)的發(fā)展，聲光信號(hào)處理已成為光信號(hào)處理的一個(gè)分支。一些優(yōu)秀的人工晶體如LiNbO3和TeO2等的成功生產(chǎn)，為聲光器件的發(fā)展和應(yīng)用推廣提供了有利條件。利用聲