汕头大学：《光电子基础》课程教学资源（实验讲义）光电子基础实验讲义（第一版，共十六个实验）

汕头大学“光电信息科学与工程”本科专业 光电子基础实验讲义 第一版 广东省物理实验教学示范中心 光电子技术实验室编 2017年1月

汕头大学“光电信息科学与工程”本科专业 光电子基础实验讲义 第一版 广东省物理实验教学示范中心 光电子技术实验室编 2017 年 1 月

目 录 实验一 电光调制实验… 实验二 声光调制！ .9 实验三 光电倍增管电流倍增特性与特性参数测量实验…15 实验四 光电探测器性能指标测量实验…24 实验五 太阳能电池光伏特性测量实验…31 实验六 LD泵浦固体激光器的光路调整实验….37 实验七 半导体激光器输出特性测量实验， 42 实验八 氦氖激光器谐振腔调整及测量实验 .48 实验九 LED光电特性测试实验 .52 实验十 四象限探测器测量实验 .59 实验十一氦氖激光模式分析实验 .64 实验十二高斯光束的传输与变换实验， .72 实验十三LD泵浦Nd:YV04固体激光器性能参数测量实验.73 实验十四 LED温度特性及色度测量实验， .81 实验十五 LD耦合光纤激光器光电特性及温度特性测试实验.92 实验十六 线阵和面阵CCD传感器原理实验… ……99

目    录 实验一 电光调制实验…………………………………………………………1 实验二     声光调制………………………………………………………………………………………… 9 实验三 光电倍增管电流倍增特性与特性参数测量实验……………………15 实验四     光电探测器性能指标测量实验………………………………………24 实验五 太阳能电池光伏特性测量实验………………………………………31 实验六 LD 泵浦固体激光器的光路调整实验……………………………….37 实验七     半导体激光器输出特性测量实验……………………………………………………42 实验八     氦氖激光器谐振腔调整及测量实验……………………………………………….48 实验九     LED 光电特性测试实验……………………………………………………………………52 实验十     四象限探测器测量实验………………………………………………………………….59 实验十一    氦氖激光模式分析实验………………………………………………………………….64 实验十二    高斯光束的传输与变换实验………………………………………………………..72 实验十三    LD 泵浦 Nd: YVO4 固体激光器性能参数测量实验………………………..73 实验十四    LED 温度特性及色度测量实验……………………………………………………81 实验十五    LD 耦合光纤激光器光电特性及温度特性测试实验……………………92 实验十六 线阵和面阵 CCD 传感器原理实验…………………………………99

实验一 电光调制实验 一、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，并测量电光晶体的各参数。 3、实现模拟光通讯. 二、实验仪器 光学导轨、X轴一维调节滑座、起偏器及手动X轴旋转架、检偏器及手动X轴旋转架、 入/4波片及手动X轴旋转架、固体激光器、电光调制器、光电探测器、电光调制实验仪、 信号源 三、实验原理 某些晶体（固体或液体）在外加电场中，随着电场强度E的改变，晶体的折射率会发生 改变，这种现象称为电光效应。通常将电场引起的折射率的变化用下式表示： n=n°+aE。+bE+… (1) 式中a和b为常数，n°为E=O时的折射率。由一次项aE引起折射率变化的效应，称为一次 电光效应，也称线性电光效应或普克尔电光效应：由二次项引起折射率变化的效应，称为二 次电光效应，也称平方电光效应或克尔效应。电光效应根据施加的电场方向与通光方向相对 关系，可分为纵向电光效应和横向电光效应。利用纵向电光效应的调制，叫做纵向电光调 制：利用横向电光效应的调制，叫做横向电光调制。晶体的一次电光效应分为纵向电光效应 和横向电光效应两种。把加在晶体上的电场方向与光在晶体中的传播方向平行时产生的电光 效应，称为纵向电光效应，通常以KDP类型晶体为代表。加在晶体上的电场方向与光在晶 体里传播方向垂直时产生的电光效应，称为横向电光效应，以LNbo,晶体为代表。 (一)一次电光效应 n3 图1折射率椭球 铌酸锂晶体具有优良的压电、电光、声光、非线性等性能。本实验中采用的是LN电光晶 体.它的工作原理如下： y

1 实验一 电光调制实验 一、 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,并测量电光晶体的各参数。 3、实现模拟光通讯. 二、 实验仪器 光学导轨、X 轴一维调节滑座、 起偏器及手动 X 轴旋转架、检偏器及手动 X 轴旋转架、 λ/4 波片及手动 X 轴旋转架、固体激光器、电光调制器、光电探测器、电光调制实验仪、 信号源 三、 实验原理 某些晶体（固体或液体）在外加电场中，随着电场强度 E 的改变，晶体的折射率会发生 改变，这种现象称为电光效应。通常将电场引起的折射率的变化用下式表示: 0 2 0 0 n n aE bE     (1) 式中a和b为常数， 0 n 为E0=0时的折射率。由一次项aE0引起折射率变化的效应，称为一次 电光效应，也称线性电光效应或普克尔电光效应；由二次项引起折射率变化的效应，称为二 次电光效应，也称平方电光效应或克尔效应。电光效应根据施加的电场方向与通光方向相对 关系，可分为纵向电光效应和横向电光效应。利用纵向电光效应的调制，叫做纵向电光调 制；利用横向电光效应的调制，叫做横向电光调制。晶体的一次电光效应分为纵向电光效应 和横向电光效应两种。把加在晶体上的电场方向与光在晶体中的传播方向平行时产生的电光 效应，称为纵向电光效应，通常以KD P 类型晶体为代表。加在晶体上的电场方向与光在晶 体里传播方向垂直时产生的电光效应，称为横向电光效应 ，以 LiNbo3 晶体为代表。 （一）一次电光效应 铌酸锂晶体具有优良的压电、电光、声光、非线性等性能。本实验中采用的是 LN 电光晶 体. 它的工作原理如下： 图 1 折射率椭球 Z y x n n n3

LN晶体是三方晶体m=n2=n。,n3=n。,折射率椭球为以z轴为对称轴的旋转椭球， 垂直于z轴的截面为圆，如图1所示：其电光系数为： 0 -Y22 Y13 0 Y22 YBs 0 0 Y33 0 Y51 0 Y51 0 0 1-y2 0 0 没有加电场之前，LN的折射率椭球为 x2+y2, 3=1 (2) n n2 加上电场之后，其折射率椭球变为： a++少-a,w-1 (3) 进行主轴变换后得到： 民侵 (4) 考虑到”722E:<1,经化简得到 1 n=no+noyzEx 13 n,=n0-5n6Y22E 2 (5) 当X轴方向加电场时，新折射率椭球绕Z轴转动45°。折射率椭球界面的椭圆方程化为： (6) 经过晶体后，0光和e光产生的相位差为： 6-2要a-,1-受日 (7) 式中，d为外加电场方向上（即x方向）的晶体厚度，V为加在晶体x方向上的电压，E=片·

2 LN 晶体是三方晶体 1 2 n n  = o n ， 3 e n n  ，折射率椭球为以 z 轴为对称轴的旋转椭球， 垂直于 z 轴的截面为圆,如图 1 所示：其电光系数为： 22 13 22 13 33 51 51 22 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0                             没有加电场之前，LN 的折射率椭球为 22 2 2 2 1 o e xy z n n    （2） 加上电场之后，其折射率椭球变为: 2 1 1 1 22 2 2 22 0 2 2 22 0                      E y E xy n Ex x n x x    （3） 进行主轴变换后得到： 1 1 1 2 2 22 0 2' 2 22 0                     E y n Ex x n x   （4） 考虑到 n 22Ex 2 0  <<1，经化简得到 x x n n n 22E 3 0 0 2 1 ,    x y n n n 22E 3 0 0 2 1 ,    (5) 当 X 轴方向加电场时，新折射率椭球绕 Z 轴转动 45 。折射率椭球界面的椭圆方程化为： ௫′2 ௡ೣ′ 2 ൅ ௬′2 ௡೤′ 2 ൌ 1 (6) 经过晶体后,o 光和 e 光产生的相位差为: ' ' 2 ( ) x y n n      3 0 22 2 l l nV d     （7） 式中，d为外加电场方向上（即x方向）的晶体厚度，V为加在晶体x方向上的电压，ܧ௫ ൌ ௏ ௗ

(二)电光调制原理 2.1横向电光调制 图2为典型的利用LNbo,晶体横向电光效应原理的激光强度调制器。 “快”抽 (平行于x'轴) “慢”轴 电光晶体 〔平行于轴) 入射光束 输出光束 起偏器 (平行千x轴) 四分之一波片检偏器 (平行于y轴) 图2横向电光调制示意图 入射光经起偏振片后变为振动方向平行于x轴的线偏振光，它在晶体的感应轴x' 和y轴上的投影的振幅和相位均相等，设分别为 e =Ao cosot,e=Ao cosor (8) 或用复振幅的表示方法，将位于晶体表面(=0)的光波表示为 E(0)=A,E.(O)=A (9) 所以，入射光的强度是 1cE.E=|E(0)+E,(0=2A (10) 当光通过长为1的电光晶体后，x'和y两分量之间就产生相位差6，即 E(=A E (1)=Ae-16 (11) 通过检偏振片出射的光，是该两分量在y轴上的投影之和 ，6-后e- (12) 其对应的输出光强I:可写成 4,e,(G,=号e-e-训-2sm9 (13) 所以光强透过率T为 T= =sin28 (14) 由(7)(14)式可以看出，6和V有关，当电压增加到某一值时，X’、Y’方向的偏振光经过晶体 后产生2的光程差，位相差δ=元，T=100%,这一电压叫半波电压，通常用或表示。 V,是描述晶体电光效应的重要参数，在实验中，这个电压越小越好，如果V,小，需要的调制信

3 （二） 电光调制原理 2.1 横向电光调制 图2为典型的利用 LiNbo3 晶体横向电光效应原理的激光强度调制器。 图 2 横向电光调制示意图 入射光经起偏振片后变为振动方向平行于 x 轴的线偏振光，它在晶体的感应轴 x′ 和 y′轴上的投影的振幅和相位均相等，设分别为 x' ' 0 0 e cos , cos y   A te A t   （8） 或用复振幅的表示方法，将位于晶体表面（z=0）的光波表示为 x (0) , (0) ' y E AE A    (9) 所以，入射光的强度是 2 2 2 (0) (0) 2 i xy I    EE E E A     (10) 当光通过长为 l 的电光晶体后，x′和 y′两分量之间就产生相位差δ，即 i y x E l Ae E l A    ( ) ( ) ' ' (11) 通过检偏振片出射的光，是该两分量在 y 轴上的投影之和 ( 1) 2 ( )0   i y e A E (12) 其对应的输出光强 It 可写成 2 [( 1)( 1)] 2 sin 2 [( ) ( ) ] 2 2 2 0 0    e e A A I E E i i t y y         (13) 所以光强透过率 T 为 2 sin2    i t I I T (14) 由(7)(14)式可以看出，δ和V有关，当电压增加到某一值时，X’、Y’方向的偏振光经过晶体 后产生 2  的光程差，位相差 0 0     , 100 T ，这一电压叫半波电压，通常用V 或 2 V 表示。 V 是描述晶体电光效应的重要参数，在实验中，这个电压越小越好，如果V 小，需要的调制信