КВАНТОВАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА.
ОПТИКА ЛАЗЕРОВ.
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
Для студентов, обучающихся
По специальностям 200400.62, 222900.62
МОСКВА 2013
Составители: Е.А. Андрущак,
Ю.П. Бородин,
С.С. Копенкин,
А.Д. Орлов
Редактор Е.А. Андрущак
Методические указания к лабораторным работам предназначены для получения практических навыков и представлений в рамках читаемых курсов.
Материал предназначен для студентов дневного отделения и может быть использован для самостоятельной работы при освоении базового курса кафедры.
Печатается по решению редакционно-издательского совета института.
Рецензенты: В.И. Индришенок, В.Ш. Берикашвилли
ã МИРЭА, 2013
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ МОДУЛЯТОРОВ СВЕТА
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является ознакомление с принципами работы и конструкцией электрооптического модулятора (ЭОМ) на основе поперечного эффекта Поккельса и исследование свойств электрооптических модуляторов света.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ
2.1. Рекомендуемая литература:
1. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т.4, Оптика, -М.: Физматлит, 2006.- 792 с.
2. Дмитриев В.Г. и др. Прикладная нелинейная оптика,-М.: Физматлит, 2004.- 512с.
3. Астайкин А.И. и др. Основы оптоэлектроники, -М.: Высшая школа, 2007,- 277с.
2.2. Изучить следующие вопросы:
-электрооптические эффекты в кристаллах;
-преобразование поляризации лазерного излучения в электроуправляемых фазовых пластинах;
-принцип работы фазовых, поляризационных и амплитудных модуляторов на основе электрооптического эффекта в кристаллах;
-методы описания и расчета поляризации лазерного излучения с помощью поляризационных матриц (факультативно).
ОСНОВНОЕ РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ
Задание 1.Исследование амплитудно-модуляционной характеристики электрооптического модулятора (ЭОМа).
3.1.1. Собрать установку (Рис.3.1.1.) и включить приборы.
 |
Рис. 3.1.1. Блок-схема лабораторной установки.
1-лазер гелий-неоновый; 2-электрооптический модулятор (ЭОМ); 3-поляризатор-анализатор; 4-фотоприемное устройство (ФПУ); 5-блок питания ФПУ; 6-осциллограф; 7-источник постоянного напряжения; 8-обтюратор (прерыватель пучка).
Проверить правильность установки лазера на оптической скамье (ОС), перемещая для этого измерительный экран вдоль ОС, предварительно сняв с ОС все оборудование кроме лазера. Допустимое отклонение луча лазера от центра экрана 1-2 мм на всей длине ОС. При большем отклонении провести юстировку лазера, используя настроечные элементы, имеющиеся на устройстве крепления лазера.
3.1.2 Установить на ОС ФПУ и обтюратор, после чего юстировкой лазера и ФПУ (в отсутствии ЭОМа и поляризатора) добиться полного попадания лазерного луча в апертуру ФПУ, что соответствует максимуму (1,0-1,3В) сигнала (прямоугольные импульсы) на экране осциллографа, при этом малая ручка канала усиления осциллографа должна находиться в крайнем правом положении. Примечание: электроды проводов, идущих от генератора синусоидальных колебаний к делителю, должны быть отсоединены от генератора. Кроме того, кабель, идущий от усилителя низкой частоты, должен быть отсоединен от осциллографа.
3.1.3. Установить поляризатор на оптическую скамью таким образом, чтобы луч проходил примерно через центр поляризатора и, изменяя азимут поляризатора, установить его в такое положение (стрелка поляризатора на нуле градусов), при котором излучение лазера, приходящее на ФПУ, было бы максимальным (стрелка поляризатора на нуле градусов, сигнал на экране осциллографа порядка 0,7-0,9 В).
3.1.4. Установить ЭОМ на оптическую скамью и с помощью его юстировочных винтов добиться свободного прохождения лазерного луча через кристалл ЭОМа (амплитуда прямоугольных импульсов на экране осциллографа – максимальная - порядка 0,1-0,15 В, луч лазера на выходе из ЭОМа – один, яркий), при этом кристалл ЭОМа должен находиться под углом 45 градусов к плоскости поляризации лазерного луча (вертикальной плоскости), а постоянное и переменное напряжение на нем должны быть равны нулю.
3.1.5. Вращением поляроида свести к минимуму лазерный луч на ФПУ (сигнал на экране осциллографа минимальный).
Проверить возможность установления минимума амплитудно-модуляционной характеристики подачей на ЭОМ постоянного напряжения в пределах 0-50В. При необходимости провести дополнительные регулировки, изменяя азимут поляроида.
3.1.6. Снять амплитудно-модуляционную характеристику ЭОМа – зависимость интенсивности излучения (по амплитуде электрического сигнала) от величины постоянного напряжения на модуляторе в пределах от 0 до 299В.
Рекомендуемые градации постоянного напряжения - 20В.
При проведении измерений, плавно меняя постоянное напряжение в зоне минимума и максимума модуляционной характеристики, найти соответствующие им напряжения.
Результаты измерений рекомендуется свести в таблицу, указанную ниже.
| U-,В | 0 | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 | 120 | 140 | 160 | 180 | 200 | 220 | 240 |
| I,мВ | |||||||||||||
| U-,В | 260 | 280 | 299 | ||||||||||
| I,мВ |
3.1.7. Построить график зависимости интенсивности излучения от постоянного напряжения, подаваемого на кристалл ЭОМа. Изучить качественный характер полученной модуляционной характеристики.
3.1.8. Определить полуволновое напряжение электроопти-ческого модулятора.
Задание 2. Исследование электрических режимов работы электрооптического модулятора.
 |
3.2.1. Собрать установку (Рис.3.2.1.) и включить приборы.
Рис. 3.2.1. Блок-схема лабораторной установки:
Позиции 1-8 те же, что на рис. 3.1.1, поз.9 - генератор синусоидальных колебаний низкой частоты.
3.2.2. На кристалл ЭОМа помимо постоянного напряжения (см. рис 3.2.1.) подать переменное напряжение с генератора низкой частоты.
Убедиться в наличии низкочастотной модуляции интенсивности излучения синусоидальным напряжением на выходе электрооптического модулятора путем наблюдения электрического сигнала на экране осциллографа.
3.2.3. Меняя постоянное напряжение на кристалле ЭОМа, найти рабочую точку с наименьшими нелинейными искажениями синусоидального сигнала.
3.2.4. Установить максимально возможную глубину модуляции лазерного излучения в рабочей точке при увеличении амплитуды синусоидального модулирующего сигнала (до начала появления нелинейных искажений).
Установить оптимальную амплитуду переменного напряжения. Вычислить коэффициент глубины модуляции сигнала для выбранной рабочей точки.
3.2.5. Исследовать форму и характер нелинейных искажений сигнала при изменении постоянного напряжения на ЭОМе, устанавливая текущие рабочие точки на границах линейного участка, при максимуме и минимуме модуляционной характеристики.
По результатам наблюдений определить полуволновое напряжение, сравнить его с результатами п. 3.1.8.
Задание 3. Исследование поляризационных режимов работы электрооптического модулятора.
3.3.1. Собрать установку (Рис.3.3.1.) и включить приборы.
 |
Рис. 3.3.1. Блок-схема лабораторной установки:
Позиции 1-9 те же, что на рис. 3.2.1, 10 - фазовая четвертьволновая пластинка.
3.3.1. Установить постоянное напряжение, соответствующее минимуму модуляционной характеристики (максимум нелинейных искажений).
3.3.2. Исследовать форму и характер нелинейных искажений сигнала при изменении азимута фазовой пластинки.
3.3.3. Вращая фазовую пластинку, найти положение с минимальными нелинейными искажениями (рабочую точку модулятора).
3.3.4. Убедиться, что установка на входе излучения фазовой пластинки с правильно выбранным азимутом позволяет выйти в рабочую точку без напряжения постоянного смещения.
3.3.5. С помощью поляризатора-анализатора исследовать поляризацию излучения, приходящего на кристалл ЭОМа после фазовой пластинки.
Задание 4. Передача через оптическую линию связи звукового сообщения.
3.4.1. Собрать линию оптической связи и передать через нее звуковое сообщение с магнитофона.
 |
Рис. 3.4.1. Блок-схема лабораторной установки:
1-лазер He-Ne; 2-четвертьволновая фазовая пластинка; 3-ЭОМ; 4-поляризатор-анализатор; 5-ФПУ; 6-блок питания ФПУ; 7-усили-тель с громкоговорящим выходом; 8-осциллограф; 9-магнитофон.
3.4.2. Изменяя положение рабочей точки модулятора (изменяя постоянное напряжение и (или) азимут четвертьволновой пластинки) оценить органолептически (на слух) нелинейные искажения.
Заключение
4.1.Провести анализ полученных результатов и теорети-чески обосновать их.
4.2.Оформить индивидуальный отчет в соответствии с установленными требованиями.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое естественное и искусственное двойное лучепреломление? Что такое обыкновенный и необыкновенный лучи?
2. Что такое линейный электрооптический эффект?
3. Что достигается выбором угла 45° между плоскостью поляризации луча и направлением внешнего электрического поля при распространении света в кристалле?
4. Показатель преломления какой компоненты волны, распространяющейся в кристалле, изменяется под действием внешнего электрического поля?
5. Объясните принцип работы электрооптического модулятора.
6. Что такое полуволновое напряжение?
7. Как меняется форма и характер нелинейных искажений сигнала при изменении постоянного напряжения на ЭОМе?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИНИЕ В ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯХ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является экспериментальное изучение закономерностей формирования интерференционных полей при наложении двух лазерных пучков, а также знакомство с особенностями формирования электрических интерференционных сигналов и получение основных представлений о метрологических возможностях лазерной интерферометрии.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ
2.1.Рекомендуемая литература:
1. Бутиков Е.И. Оптика, - М.: Лань, 2012. -608с.
2.Ландсберг Г.С. Оптика.-М.: Физматлит, 2003.- 848с.
3.Застрогин Ю.Ф. Прецизионные измерения параметров движения с использованием лазера М.: ЁЁ Медиа, 2012.- 274с.
2.2. Изучить следующие вопросы:
-интерференция двух когерентных монохроматических световых волн;
-видностъ интерференционного поля, влияние на него различных факторов: длины когерентности излучения, поляризации световых волн, интенсивности волн и т.д.
-геометрия интерференционного поля, связь интерференционной картины с геометрией волновых фронтов интерферирующих волн;
-принцип действия лазерного двухлучевого интерферометра Майкельсона;
-фотоэлектрическое формирование электрических интерференционных сигналов и способы их обработки;
-применение интерференции лазерных лучей в оптических измерителях перемещений и колебаний объектов.
