光学综合实验报告

1、光学综合实验报告班级：姓名学号日期序号实验项目课时实验仪器（台套数）房间指导教师1焦距测量（分别在焦距仪和光学平台上测量）4焦距仪（3-4）、光学平台及配件（1-2）西北付辉、樊宏2典型成像系统的组建和分析（在光学平台上搭建显微镜、望远镜、投影仪）4光学平台及配件（1-2）东南付辉、樊宏3典型成像系统的使用（使用商用典型成像系统）4显微镜（3）、望远镜（3）、水准仪（2）东南付辉、樊宏4分光计的使用（含调整、测量角度和声速）4分光计（3-4）、超声光栅（2）东南付辉、樊宏5棱镜耦合法测波导参数4棱镜波导实验仪（2）西南郎贤礼、李建全6半导体激光器的光学特性测试4半导体激光器实验仪（2）西南郎贤

2、礼、李建全7电光调制4电光调制仪（2）西南郎贤礼、李建全8法拉第效应测试4法拉第效应测试仪（2）东北郎贤礼、李建全9声光调制4声光调制仪（2）西南郎贤礼、李建全10干涉、衍射和频谱分析411迈克尔逊干涉仪412氦氖激光器综合实验413光学仿真实验4实验时间安排：12月23或24日晚开始（具体时间届时通知）。每晚第5天后不分班。大约开放12-14个晚上。每位同实验报告内容：内容：1、实验现象和数据的记录；2、现象分析、数上交：实验结束后十天内由班长收集上交给教师刘志考试：实验结束后的一至三天。类型为简答题。成绩：实验光学平台（1-2）东北丁苏红、刘志健迈克尔逊干涉仪（4）东北丁苏红、刘志健氦氖激

3、光器综合实验仪西南丁苏红、刘志健（3-4）西北计算机（2）东南丁苏红、刘志健（7：00-10：30）；前四日轮流进行，每次一个半班。学的实验项目不少于八个。t据计算和实验总结。（手写或计算机编辑不限）。2健。表现（30）+实验报告（30）+考试成绩（40）目录1、焦距测量42、典型成像系统的组建和分析73、典型成像系统的使用104、分光计的使用105、棱镜耦合法测波导参数146、半导体激光器的光学特性测试227、电光调制298、法拉第效应测试389、声光调制4610、干涉、衍射和频谱分析4711、迈克尔逊干涉仪5812、氦氖激光器综合实验639713、光学仿真实验本次所选做九个实验依次为:13

4、光学仿真1. 焦距测量2. 典型成像系统的组建和分析3. 典型成像系统的使用4. 分光计的使用5. 棱镜耦合法测波导参数6. 半导体激光器的光学特性测试7. 电光调制9.声光调制11.迈克尔逊干涉仪实验一光学仿真在计算机上进行了偏振光研究。具体的实验内容如下：内容一：起偏内容二：消光内容三：三块偏振片的实验内容四：圆偏光和椭圆偏振光的产生内容五：区分圆偏振光与自然光；椭圆偏振光与部分偏振光个人总结：利用偏振片和波片区分各光源首先，让它们分别通过一个检偏器，并将检偏器绕光传播方向旋转一周，根据现象做如下分析：（1）若出现2个完全消光的位置，则为线偏振光（2）若光强五变化，则可能是自然光和或圆偏振

5、光（3）若光强有变化，但无消光位置，则为部分偏振光或椭圆偏振光（4）针对（2）（3）进一步区分，在检偏器前加一块1/4波片。此时再旋转检偏器（5）若光强无变化，则入射光为自然光；若出现2个完全消光的位置，则为圆偏振光（6）当波片光轴与与检偏器透振轴方向平行式，如果出现2个完全消光的位置，则入射光为圆偏振光；若没有消光位置，则为部分偏振光。实验二焦距测量（一）用自准法和位移法测透镜焦距1：用自准法测薄凸透镜焦距实验装置23mimQ1、带有毛玻璃白炽灯光源S；2、品字型物像屏P：SZ-14；3、凸透镜L：f,=190mm；4、二维调整架：SZ-07；5、平面反射镜M；6、三维调整架：SZ-16；7

6、、二维底座：SZ-02；8、三维底座:SZ-01；9、底座:SZ-04；10、底座：SZ-04；实验步骤1、把全部器件夹好靠在标尺上，靠拢，调至共轴。2、前后移动L,使在P屏上成一清晰的品字形像。3、调M的倾角，使P屏上的像与物重合。4、再前后微动L,使P上的像既清晰又与物同大小。5、分别记下P和L的位置al、a2。6、把P和L都转180。，重复做前四步。7、再记下P和L新的位置bl、b2。数据的记录和计算fa=a2-a1fb=b2-b1被测透镜焦距：f=（fa+fb）/2实验现象前后移动L,在P屏上成一清晰的品字形像。调M的倾角，P屏上的像与物重合。再前后微动L,P上的像既清晰又与物同大小2

7、、用位移法测凸透镜焦距实验装置简图1、带有毛玻璃白炽灯光源S；2、品字型物像屏P：SZ-14；3、凸透镜L：f,=190mm；4、二维调整架：SZ-07；5、白屏：SZ-13；6、三维底座：SZ-01；7、二维底座：SZ-02；8、三维底座：SZ-01；9、底座：SZ-04；实验步骤1、把全部器件夹好，放在标尺导轨上，靠拢，目测调至共轴2、沿导轨前后移动L,使品型物在屏H上成一清晰的放大像，记下L的位置al3、在沿导轨向后移动L,使物在屏H上成一缩小像，记下L的位置a24、将P、L、H转1800，重复做前三步，又得到L的两个位置bl、b2数据的记录和计算fa，=（A2-da2）/4Afb，=（

8、A2-db2）/4A透镜焦距：f,=（fa,+fb,）/2ala2blb252.373.252.367.4fa20.9fb15.1f18单位：cm实验现象沿导轨前后移动L,在品型物在屏H上成一清晰的放大像。在沿导轨向后移动L，从而物在屏H上成一缩小像。实验总结1、不能用手摸透镜的光学面。2、透镜不用时，应将其放在光具座的另一端，不能放在桌面上，避免摔坏。3、区分物光经凸透镜内表面和平面镜反射后所成的像，前者不随平面镜转动而后者移动。4、由于人眼对成像的清晰度分辨能力有限，所以观察到的像在一定范围内都清晰，加之球差的影响，清晰成像位置会偏离高斯像。为使两者接近，减小误差，记录数值时应使用左右逼近

9、的方法。5、物距像距法测凹透镜焦距时不能找到像最清晰的位置，可能是：(1) 辅助凸透镜产生的像是放大的实像。(2) 辅助凸透镜与物的距离远大于凸透镜的二倍焦距。6、二种方法测量凸透镜的焦距，从理论上讲物像法最小、自准法误差最大，但自准法测量最简单，常用做粗测。物像法测量时，物距和相距相等实验三典型成像系统的组建和分析自组显微镜数据的记录和计算显微镜放大率的测量值：M=100/a显微镜放大率的计算值：M=|25X(A/fo,Xfe,)实验现象和总结沿标尺导轨前后移动Fl(Fl紧挨毛玻璃装置)；直至在显微镜系统中看清分划板F1的刻线。自组望远镜数据的记录和计算望远镜放大率的测量值：M=100/a望

10、远镜放大率的计算值：M=V(U1+V1+U2)/(U1XU2)其中：U1二b-a、V1=c-b、U2=d-c实验现象和总结1、把F和Le的间距调至最大，沿导轨前后移动Lo，使一只眼睛通过Le看到清晰的分划板F上的刻线。2、再用另一只眼睛直接看分划板F上的刻线，读出直接看到的F上的100条线对应于通过望远镜所看到F上的刻线格数a3、用屏H找到F通过L所成的像，分别读出F、Lo、H、Le的位置a、b、c、d自组透射式幻灯一、数据的记录和计算放映物镜焦距和聚光镜焦距的选择：放映物镜的焦距：f2=(M/(M+1)2)XD2聚光镜的焦距：f1=D2/(M+1)-D2/(M+1)2X1/D1其中：D2=U

11、2+V2；D1=U1+V1M为像的放大率二、实验现象和总结1、L2与H的间隔固定在1.2米左右，前后移动P，经L2在屏H上成一最清晰的像。2、聚光镜L1紧挨底片P的位置固定，拿去底片P，沿导轨前后移动光源S，其经聚光镜L1刚好成像于放映物镜L2的平面上。实验四典型成像系统的使用使用生物显微镜、测量显微镜、数码显微镜、手持望远镜、天文望远镜等。详见仪器说明书1. 生物显微镜1、调整仪器将电源插头插入外接电源插座(插入前应检查电源电压是否与仪器要求相符)。外接电源必须有接地线。先将电位器调节手柄调到箭头的小端位置，开启电源开关转动电位器调节手柄至灯泡亮度适中的位置。转动物镜转换器，将10X物镜置入

12、光路中。将标本置于工作平台上，用片夹固定，转动纵尺移动手轮和横尺移动手轮使被观察物进入聚光镜的照明区域内。转动聚光镜升降手轮，使聚光镜上升至定位位置。拨动光栏拨杆，将孔径光栏开至中间大小位置。用右眼观察，调焦使物像清晰(可转动粗动调焦手轮使工作平台上升至见物像轮廓，再用微动调焦手轮调焦到物像清晰)。用左眼观察，并转动双目左镜筒上的视度调节圈，也使标本成像清晰。用双手握住双目外壳转动两镜筒，使两目镜出瞳中心距离适合您的双眼瞳距，使两眼图像合一为止。转动电位器调节手柄调节光源亮度，拨动光栏拨杆调节孔径光栏的大小；也可根据使用的标本情况选择合适的滤色片放入聚光镜的压盖(旋开即可换用不同的滤色片)下面

13、，便能获得良好的物像衬度。孔径光栏的大小可按下列原则调整，当取下目镜向镜筒内观察时可看到孔径光栏像，使其充满物像光孔的70%-80%，通常会获得满意的效果。滤色片的选择可参考下表：标本色蓝红、紫黄、棕滤片色黄绿蓝配置选配选配随机2、注意事项使用高倍1OOXoil（油镜）物镜时，应在物镜与标本之间滴上一小滴合成浸油（香柏油）使用完毕应立即用脱脂棉沾少许酒精乙醚（3:7）混合液将油擦拭干净，但要注意保护100X物镜，勿受损伤和浸油太多。使用高倍lOOXoil（油镜）物镜时，标本的盖玻片厚度应满足设计的0.17±0.01mm，否则将影响成像的清晰度。3、粗动防滑装置的使用仪器长期使用后有可

14、能产生工作平台下滑的现象，这时只要按下图所示的箭头方向旋紧松紧调节手轮，即可调整粗动调节手轮的松紧，防止工作台的下滑2、天文望远镜为什么好多朋友刚开始为什么好多朋友刚开始为什么好多朋友刚开始为什么好多朋友刚开始使用天文望远镜使用天文望远镜使用天文望远镜使用天文望远镜时什么都看不见时什么都看不见时什么都看不见时什么都看不见?答:安装正确后,在目镜里观察到的正常光线是:白天白光,晚上黑光,为什么看不见目标呢?因为天文望远镜具有高倍的特性,倍数和视场（可观察到的范围）是反比关系,由于存在着高倍小视场的关系,所以一般新手比较难掌握找目标的技巧,望远镜看不见目标不要着急，1.保护盖全部打开了吗？2. 安

15、装上最低倍（最长焦距）的目镜了吗？3. 找到目标了吗?（这是最重要的环节）4. 仔细调焦了吗？解决了以上4个问题，同时不要隔着玻璃窗观察.应该可以正常观察了.找到目标是望远镜观察的先决条件，只有目标进入望远镜，才能观察到，由于天文望远镜倍数比较高，视场范围比较小，找目标要由近到远，由大到小,同时要学会使用寻星镜快速寻找目标,这需要自己多加练习。为什么有时看见的天体成象不太稳定为什么有时看见的天体成象不太稳定为什么有时看见的天体成象不太稳定为什么有时看见的天体成象不太稳定?答:需要花时间才能看到细节的一大原因是地球不稳定的大气。由于在我们上方微弱但总是存在的热气流，使星像在高倍放大下总是显得闪烁

16、和沸腾。这种闪烁的剧烈程度被称为大气视宁度每晚甚至是每分钟都在变,特别是深空的星云,星团.这需要观察着要有极大的耐心和信心,这就是所谓的"天文探索".人类所有的探索都需要付出一定代价的.如何观察天象如何观察天象如何观察天象如何观察天象?答:有的朋友安装好天文望远镜,马上想观察到所有的天象,这种"一步登天"的想法不切实际,我们所能观察到的天体是在不断运动着的,就是恒星也随着季节的变化而展现不同的景色,作为初次接触天文观察的朋友.一定需要持久的耐心和极大的信心.A.需要一定的天文基础知识，本店铺提供的学习光盘可以很好的帮助朋友们入门学习.B.一定要知道当前的

17、天文预报,可以在本店铺要求提供,所谓"不打无准备之仗"就是这个道理.C.不少朋友使用在这里购买的天文望远镜观察到了许多天文天象，这说明学习+付出是一定有成果的,关键在"坚持一下的努力之中"去实践.天文望远镜提供了观察天体的硬件，而天体随着它的位置距离不同而展现不同的效果，不同型号不同价格的天文望远镜观察的效果也不一样,天文望远镜一般用来观察太阳的黑子和耀斑，月亮上的环行山、金星的盈亏、土星的光环、木星的条纹与卫星、火星上的极冠以及仙女座大星云、猎户座大星云等实验五分光计的使用基础知识测量顶角1）取下平行平板，放上被测棱镜，适当调整工作台高度，用自准直法观

18、察，使AB面和AC面都垂直于望远镜光轴。2）调好游标盘的位置，使游标在测量过程中不被平行光管或望远镜挡住，锁紧制动架（二）和游标盘，载物台和游标盘的止动螺钉。3）使望远镜对准AB面，锁紧转座与度盘、制动架（一）和底座的止动螺钉。4）旋转制动架（一）末端上的调节螺钉，对望远镜进行微调（旋转），使亮十字与十5）记下对径方向上游标所指标的度盘的两个读数，取其平均值Am。6）放松制动架（一）与底座上的止动螺钉，旋转望远镜，使对准AC面，锁紧制动架（一）与底座上的止动螺钉。7）重复4）、5）得到的平均值Bm。8）计算顶角：a=180°-（Bm-Am）最好重复测量三次，求得平均值。测布儒斯特角1

19、、原理：自然光投射到各向同性两种介质分界面上时，光要反射，在一般情况下反射光为部分偏振光，只有当入射角为某一特定角度时，反射光才成为电振动矢量垂直于入射面的线偏振光，这个特定的角度称为起偏角，用P表示。不ntgp二ni;p角称为布儒斯特角。布儒斯特定律示意图2、放平面反射镜于载物台上，使从平行光管出射的光束与平面反射镜平行，转动载物台，形成入射和反射光束。3、用检偏器检验反射光的偏振态，将检偏器转过90°，从望远镜目镜观察。4、首先，置望远镜与平行光管同轴，读出游标所指示的度盘的读数，此位置即为望远镜的角位置，并锁紧游标盘。然后转动载物台，同时转动望远镜，以保证始终能观察到反射的狭缝

20、像，直至狭缝像消失或最暗，记下此时同一游标所指的度盘读数，二值相减值为。p'=（180-）/2;Op'为布儒斯特角的角度数，可与理论值p比较。5、可换用其他的玻璃材料，如三棱镜（材料为ZF1,nD=1.6475）,观察能否找到消光位置，并测出对应的P,分析折射率对布儒斯特角的影响。个人总结/实验遇到的问题1）问题：打开开关为何找不到绿色十字？解决：在大致的调光轴，平行后，调整工作台平面大致平行，转动角度，找不到绿色十字，接下来再怎么调都找不到，在其他实验仪器上相同的方法很快找到了，后来从老师那得知，那台实验仪器是坏的，2）问题：调光轴和调工作台都能使绿色十字与分划板的十字从何要

21、调哪个？在调好一面是两个十字重合后，转动反射镜180度，又不重合了，怎么办？解决：其实在调整分光计的时候，要用的方法，光轴调一半，工作台调一半，使两个十字重合，然后再转动工作台180度，再“分别调一半”，重复以上步骤直到转动反射镜两面的两个十字都能重合。3）问题：如何快速的找布儒斯特角？解决：转动工作台，光线最暗的角度大约就是布儒斯特角的位置，再用偏振片检查，实验六铌酸锂晶体的电光调制实验目的1. 掌握晶体电光调制的原理和实验方法2. 学会用简单的实验装置测量晶体半波电压、电光常数的实验方法3. 观察电光效应所引起的晶体光学性质的变化和会聚偏振光的干涉现象实验原理1一次电光效应的一般描述2.横

22、向电光调制实验装置实验装置如图所示，由晶体电光调制电源，调制器和接收放大器三个主要部分组成卜dV图3实验装置图1.偏振器2.铌酸锂电光晶体3.光电三极管4.放大器5.直流电源6.录音机7.正弦波振荡器8.扬声器9.双线示波器1. 晶体电光调制电源：调制电源由-300至+300V之间连续可调的直流电源、单一频率振荡器、音乐片和放大器组成，电源面板上有三位半数字面板表，可显示直流偏压值。晶体上加的直流电压的极性通过面板上的“极性”键可以改变，电压的大小用“偏压”上面的旋钮调节。调制信号可以由机内振荡器或音乐家片提供，也可以由外部通过前面板上的“输入”插孔输入任意电信号此调制信号是用装在面板上的“信

23、号选择”键，选择三个信号中的任意信号。所有的调制信号的大小是通过“幅度”上面的旋钮控制。通过前面板上的“输出”孔输出阻抗的参考信号，接到双线示波器上与输出信号比较，观察调制器的输出特性。2. 调制器调制器由三个可旋转的偏振片和一块铌酸锂晶体组成，采用横向调制方式。晶体放在两个正交的偏振片之间，起偏器和晶体的X轴平行。偏振片和晶体之间可插入四分之一波片,偏振片和波片均可绕光轴旋转。晶体放在四维调节架上，可精细调节，使光束严格沿光轴方向通过晶体。3. 接收放大器接收放大器由光电三极管和功率放大器组成。光电三极管把被调制的氦氖激光经光电转换，输入到功率放大器上，放大后的信号接收到双线示波器，同参考信

24、号比较，观察调制器的输出特性。交流输出信号的大小通过“交流输出”上面的旋钮调节。放大器内装有扬声器，用来再现调制信号的声音，放大器面板上还有“直流输出”插孔，用于测量直流输出光强，绘出T-V曲线。光路调节调节激光管使激光束与晶体调节台上表面平行，同时使光束通过各光学元件中心。调节起偏器和检偏器正交，且分别平行于X,Y轴，放上晶体后各元件要细调。由于晶体的不均匀性，在检偏器后面的白屏上可看到一点弱光点，然后紧靠晶体前放一毛玻璃片，这样在白屏上可观察到单轴晶体的锥光干涉图。一个暗十字图形贯穿整个图样，四周为明暗相间的同心干涉圆环，十字中心同时也是圆环的中心。在观察过程中反复微调晶体使干涉图样中心与

25、光点位置重合，同时尽可能使图样对称、完整，确保光束即与晶体光轴平行，又从晶体中心穿过的要求，再调节使干涉图样出现清晰的暗十字，且十字的一条线平行于X轴。实验内容1. 观察晶体会聚偏振光干涉图形和电光效应现象。把输入光强调到最大，屏上可看到干涉图样。偏压为零时呈现单轴晶体的锥光干涉图，这一现象已在调节光路时看见过。加上偏压时呈现双轴晶体的锥光干涉图，它说明单轴晶体在电场作用下变成双轴晶体。两个偏振片正交和平行时干涉图形是互补的。改变偏压的极性时，干涉图形旋转90度只改变偏压的大小时，干涉图形不旋转，只是双曲线分开的距离发生变化。这一现象表明，外加电场只改变感应主轴方向的主折射率的大小，折射率椭球

26、旋转的角度和电场大小无关。2。测定铌酸锂晶体的透过率曲线（即T-V曲线），求出半波电压，算出电光系数22，并和理论值比较。在我们实验中，用两种方法测量铌酸锂晶体的半波电压，一种方法是极值法，另一种是调制法，先面分别介绍：极值法晶体上只加直流电压，不加交流信号，并把直流电压从小到大逐渐改变时，输出光强出现极小值和极大值，相邻极小值和极大值对应的直流电压之差就是半波电压。调制法晶体上直流电压和交流信号出现倍频失真，与出现相邻倍频失真对应的直流电压之差就是半波电压。3. 改变直流偏压，选择不同的工作点，观察正弦波电压的调制特性。电源面板上的信号选择琴键开关可以提供三种不同的调制信号，按下“正弦”键，

27、机内但一频率的正弦波振荡器工作，此信号经放大后，加到晶体上，同时，通过面板上的“输出”孔，输出此信号，把它接到双线示波器的Y1上，作为参考信号，改变直流偏压，使调制器工作在不同的状态，把被调制信号以光电转换、放大后接到双线示波器的Y上，和Y1上的参考信号相比较，工作点选定在曲线的极小值（或极大值）时，输出信号“倍频”失真；工作点选定在曲线的极小值（或极大值）附近时信号失真，观察时调制信号幅度不能太大，否则调制信号本身失真，输出信号的失真无法判断由什么原因引起的，把观察到的波形描述下来，并和前面的理论分析作比较。4. 用14波片改变工作点，观察输出特性。在上述实验中，去掉晶体上所加的直流偏压，把

28、14波片置入晶体和偏振片之间，绕光轴缓慢旋转时，可以看到输出波形随着发生变化。当波片的快慢轴平行于晶体的感应轴方向时，输出光线性调制；当波片的快慢轴分别平行于晶体的X,Y轴时，输出光失真，出现“倍频”失真，因此，把波片旋转一周时，出现四次线性调制和四次“倍频”失真。5. 光通讯的演示按下电源面板上信号选择开关中的“音乐”键，此时正弦信号被切断，输出装在电源里的“音乐”片信号。输出信号通过放大器上的扬声器播放，改变工作点，此时，所听到的音乐不同。-I-VI:L一-IP丿七图4-X.AV-I-A图6实验过程：参照实验指导书进行试验一，观察晶体会聚偏振光干涉图形和电光效应现象。1.把输入光强调到最大

29、，屏上可看到干涉图样，电流最大，激光亮度最强，形成的干涉是四个方向的。2. 偏压为零时显示屏上呈现单轴晶体的锥光干涉图样3. 加上偏压时显示屏上呈现双轴晶体的锥光干涉图样4. 改变偏压的极性时，观察到干涉图形旋转90度5. 只改变偏压的大小时，干涉图形不旋转，只是双曲线之间的距离发生变化。二，光通讯的演示按下电源面板上信号选择开关中的“音乐”键，通过放大器上的扬声器播会播放出圣诞歌实验七棱镜耦合法测波导参数实验目的1. 学习一种波导耦合方式棱镜耦合2. 通过观察棱镜耦合的m线，加深对波导模式耦合概念的理解3. 通过测量不同m线角，进一步加深对波导模式概念的理解4. 掌握有效折射率的测量与计算方

30、法5. 掌握利用棱镜耦合法测量波导参数的方法6. 通过波导参数的计算，学会数值求解超越方程的方法实验仪器激光器，棱镜耦合测试系统，直角耦合棱镜，平板玻璃波导实验原理1.1三层平板波导中的导模一个均匀的三层平板波导如下图所示，它是由低折射率衬底和包层及高折射率波膜构成的，若假设波膜，衬底和包层的折射率分别为-,n和no，则ni>n上no。包层通常为空气，即n=1图1光波导当光线在波膜包层的界面（上界面）及薄膜-衬底的界面（下界面）反复地发生全反射时，光波就限制在上、下界面之间按照锯齿形的路线沿着与界面平行的方向（图中Z轴方向）传播形成导模。下面，我们进一步分析锯齿形射线的传播，并说明，锯齿

31、形射线与界面的夹角。只能取有限个离散值，相应的导模模式只能是有限个。1锯齿形光线实际上是在薄膜内互相叠加的两个均匀平面波，一个是斜向上传播的，另一个是斜向下传播的，它们的波面的法线即如图所示的锯齿形光线。平面波的波数knk，其中k2兀九为自由空间中的常数，九为自由空间中的波长，波矢量沿Z方向100'的分量（写作0）为：B=knsin0（1）011而X方向的分量则分为K=±k这里k=kncos0（2）011正负号分别相应于斜向上和斜向下传播的光波。所以光波从波膜下界面出发向上行进到波膜上界面，在上界面遭全反射后返回到下界面，在下界面又遭全反射后与原先从下界面出发的光波叠加在一起

32、。要发生相互加强，这两个光波的相位差应该等于2"的整数倍。这个维持导模的条件亦称为横向共振条件，也就是在横向形成驻波的条件，对于厚度为d的薄膜，光波从下界面行进到上界面的相移是Kd。在薄膜上界面的全反射相移是-2，从上界面横过薄膜返回到下界面的相移是Kd，在薄10膜下界面的全发射相移是-2*，因此，光波能在薄膜中传播的条件，亦即平板波导中能形12成导模的条件是：2Kd一2*一2*二2m兀1210式中m叫做模的阶数，取以零开始的有限个正整数，上式可改写为：Kd=m"+*+*（3）1210称为平板波导的模方程，亦称平板波导的模式本征值方程或平板波导的色散方程。该方程的未知数是卩

33、或0，对于给定的m，就有确定的0或0，相应的卩叫做m阶导模的传播常1数，0叫做m阶导模的模角。l利用全反射相移的公式，可知二tan-ip二tan-i12p10n)2十n丿2sin20n2ncos011Jmsim0-n2ncos011Lln2sin20-n2卫_i1ncos0p二tan-i10kii丿二tan-1no丿Jn2sin20-n、110ncos011（TE模）（TM模）（TE模）（TM模）将P,P的表示代入式（3）,就得到两种偏振态的平板波导模式的本征值方程。1210有Kd=mn+tan-1+tan-1式中K=(k2n2-p2)201p=(p2k2n2)202q=(p2-k2n2)20

34、0对TM模，有Kd二mn+tan-1仃nJ可丿+tan-1仃、2n2kn丿k0在导波光学中，丁一波导的模折射率或有效折射率N=nsin0effk110那么(n2-N2p=(p2-k2n2)202q=(p2-k2n2)200(N2eff(N21-n22effeff对TE模(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)1.2棱镜耦合法激发光波导中导模直接入射到平板波导上的光不能在平板波导中形成导模，要想在平板波导中形成导模通常采用以下三种方法：棱镜耦合法，光栅耦合法，和端面耦合法。棱镜耦合法是比较方便的方法，在导波激发的实验中我们采用这种方法。棱镜耦合的结构如图所示，当入射的激光在棱镜的底

35、面上全反射时，若入射光满足相位匹配条件，会产生光学隧道效应，光会通过空气隙进入薄膜。相位匹配的条件是指光在棱镜中沿Z方向传播的波矢量与光在薄膜沿Z方向传播的波矢分量相等。即knsin0=knsin0=B(13)033011而传播常数B满足棱镜一波导系统的本征值方程，由此本征值方程解出B是一系列分立的值，所以满足相位匹配的0也是一系列分立的值。3当0满足香味匹配时，光束就会从入射棱镜被耦合进薄膜，然后从波导的另一头从与3入射棱镜完全相同的出射棱镜中射出。(光在波导与出射棱镜中的行为与前面讲的耦合原理类似)。在例行情况下，从出射棱镜中射出的光线投影在屏上应是一个光斑，但实际上由于波导沿波的传播方向

36、的不均匀行贿时光在各个模式间耦合，使波导出射时的光都存在，所以会形成如图所示的多条亮线，即m线，其中有最亮光斑的那条线就是符合相位匹配条件的模所对应的m线。1.3有效折射率的计算由于S7,所以由相位匹配的关系式可以改写为14)N二nsin0eff33但上式中的03不是直接可测量量所以可按几何关系和snel1定律把J表为光在入射棱镜表面的入射角9和入射棱镜底角的函数0+殳_0=-a232所以sin03=sin(a+0)=sinacos0+cosasin9'由snell定律得：把它代入上式得：sin03所以=sin：'lsin29'+cosasin9'sin9=ns

37、in9'3lsin9=sin9n3111=sina'1sm29+cosasin9n2n13311.sinan2一sm29+cosasin9n3n33Neff=sinan2sin29+cosasin915)2光线从法线右侧入射有几何关系得I-03"I-a03"-Psin=sin(a-p')=sinacosp'-cosasinp'=sin叫'1-sin20cosasin0111二sina：1sm2p-cosasinpn2n'3311.=sinapn2-sm2p-cosasinpn3n33所以Neff=sinaJn2-sin

38、2p-cosasinp16)17)由（、（16）式可见若测量出p，在已知a、作的情况下就可以得到作护1.4波导参数：膜厚度d和膜折射率n的计算1棱镜-波导系统原则上可以看成一个四层平板波导系统，但在空气间隙较大的情况下可以近似看成一个三层平板波导。所以若测得两个模的有效折射率、如TE。、TE的有效折射率并已知k、n、n，由（11）和（12、式即可得到两个模的P、q的值，可分别表示为002p°、q及P、；由（10）式可得到两个模k的表达式（表达式中n2是待求值），可分别表为ko，k由式可列出以下两个方程。Kd=tan-10+tan-1Kd=tan-11+tan-i(q)1-(K1丿18

39、)借助计算机求解上述超越方程就可以求出d、n11实验内容2.1观察m线调节激光器的高度、俯仰和水平方位角，使激光束基本与导轨平行并通过转盘中心，入射到棱镜斜面上。1. 耦合光斑的稳定调节。调整棱镜-波导系统在转盘上的位置。使得输入棱镜的直角底位于转盘中心附近，激光束在棱镜底形成的光斑（称耦合光斑）接近直角棱镜的压力点处，慢慢转动转盘，当角度适当时可以在屏上观察到m线。为了有效激励波导所有可能的模式，当转盘在所有导模的角度范围内转动时，应保持光斑不动，再不同角度上反复调节棱镜在转盘上的位置，可得到稳定的耦合光斑。2. 观察m线。缓慢转动转盘，m线的中心亮斑会从一条线转移到另一条线。注意光斑移动的

40、方向。根据耦合角的大小辨别基模和高次模，数出m线的条数。2.29角的测量反复调节棱镜和转盘的位置，使得入射到棱镜斜面上的反射光可以通过光阑，表明此时入射光与棱镜的反射面垂直，记下此时的刻度，转动转盘再记下出现不同m线的刻度，此刻度与上述刻度的差即位不同模相对应的9角2.3有效折射率与波导参数的计算利用附录中的公式（15）、（16）由测量的9，在已知Q、n的情况下就可以得到有效3折射率N“。用一种计算机语言编写程序，数值求解附录中的超越方程（17）、（18）.根据eff已测得的有效折射率及给定的衬底和包层的折射率在计算机上运行，解出波导参数：膜厚度d和膜折射率ni。实验过程:由于实验仪器的损坏（

41、平面波导片碎裂），所以我们首先是根据老师提供的材料，参照另一组的实验仪器，进行仪器安装。通过在实验中发现问题，不断的调整棱镜的位置，和压紧程度，终于组合成了一个可以进行试验的装置。这个实验我们只观察了m线，老师还给我们简单介绍了一下怎么读数。首先打开激光器，通过调节激光器的高度，导轨的方向，使激光束通过转盘的中心，并调整棱镜和波导片的角度，使激光出射到棱镜上，而不是波导片上。然后由于激光束亮度较暗，所以我们熄灯，缓慢转动转盘，在转盘后的白纸上能看到一条一条的亮线，其中有一条最亮，向两边逐渐变暗。最后老师给我们大概讲了一下怎么读数。先读夜光读数仪表盘上的数据，再加上侧面旋钮上的读数。旋钮一共分成100个小格，每个代表0.01。加在一起即为最后读数。实验八声光调制(熾I0光与1级埃验次光与L级光的條级光霾北品数光的