光电子学实指导书

《光电子学》实验指导书

何宁编

桂林电子科技大学

2013年4月

前言

在现代通信系统中，利用光电子技术实现无线通信，保证通信的有效性是未来通信领域的一门新兴技术和发展方向。二十世纪下半叶，半导体的研究导出了微电子集成电路，同时也制造出了光电器件，它们对信息技术和计算机技术产生了极大的影响，由于微电子技术在向“微”方向的发展上不久将接近极限，而光电子技术还会继续向纵深发展，其应用面将会进一步扩大。

由于光通信具有波束隐蔽、接收天线小、通信速率高、抗电磁干扰和保密性强等优点，1960年激光出现以来，激光技术以其强大的生命力推动着光电子技术的发展，它在民用、医疗和军事方面都得到广泛应用，激光探潜、激光雷达、激光成像、激光测距、激光跟踪、激光制导等技术不断涌现，尤其近几年开展的大气光通信和水下光通信都有较好的实际应用，可以说二十一世纪是光电子技术的时代。

由于光电子技术是一门内容广泛的技术科学，而实验是课堂教学的延伸，通过基本实验可加深对课堂内容的理解，提高同学们的系统概念和实际操作能力，为日后工作和科学研究打下良好的基础。

光束调制

一、 实验目的

1、 理解电光转换的机理，了解内调制和外调制的实现方法。

2、 掌握光束的衍射角的定义和计算。

3、 熟悉常用电光器件和光测试设备的使用。

二、 实验内容及要求

1、 完成光束的直接光强度调制和声光调制。

2、 测试声光调制器的插入损耗和衍射角。

三、 实验原理及步骤

激光是一种光频电磁波，具有良好的相干性，并与无线电波相似。按其工作波长的不同可分为红激光（632nm ）、绿激光（532nm ）、蓝激光（473nm ）三种，将信息加载于激光（载波）的过程称为调制，起控制作用的低频信息称为调制信号。

光波的电场强度为

)cos()(C C C A t E ϕω+=

应用某种物理方法改变光波的振幅（Ac ）、频率（C ω）、相位(C ϕ)、强度和偏振等参量之一，使其按照调制信号的规律变化，那么激光束就受到了信号的调制。

根据调制器与激光器的关系，激光束调制的方法可分为内调制（直接调制）和外调制（间接调制）两种。内调制是指加载信号是在激光振荡过程中进行的，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性以实现调制，主要用于光通信的注入式半导体光源中。外调制是指激光形成后，在激光器的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理性能，当激光束通过调制器时，使光波的某个参量受到调制。

直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源，从而获得调制光信号。根据调制信号的不同类型，直接调制可分为模拟调制和数字调制两种，它们都是对光源进行直接强度调制，调制后的输出光功率是随调制信号而变化的。

声光调制器是由声光介质、电－声换能器、吸声（或反射）装置及驱动电源等组成，声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。当一束光通过变化的声场时，由于光和超声场的互作用，其出射光就具有随时间而变化的各级衍射光，衍射光的强度随超声波强度的变化而变化，调制信号是以电信号（幅度）形式作用于电－声换能器上，再转换为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。声光调制器原理如图1，直接强度调制原理如图2， 开关K 是连续光和脉冲光的切换开关。

＋V

图1 声光调制原理 图2 电光调制电路

实验步骤

直接调制（激光器波长为630nm ，激光驱动电路板）

1、 开启激光器控制电路，调整光路使连续光打在1米外的光靶上，并测出其光功率。

2、 将连续光切换为脉冲光，由信号源输出调制信号频率为1000Hz 的TTL 方波信号直

接驱动激光器，使它发出断续的激光。

3、 在光靶上观察光斑情况，并改变信号源的频率使其在1Hz ～500Hz 间变化，同时观

察光斑在光靶的变化。

间接调制（激光器波长为532nm ，声光调制器）

4、 开启激光器，在光路上离光源20厘米处放置一声光调制器。

5、 调整微调装置，使光束穿过声光调制器的小孔并打在光靶上，测出穿过声光调制器

前后的光功率，计算声光调制器的插入损耗。

6、 加入1000Hz 的TTL 方波调制信号到声光调制器，在光靶上观察光的衍射现象，记

下光斑衍射级数，测试衍射角。

四、 实验框图

图4 间接强度调制（外调制）

五、 实验设备

1、激光器

2、声光调制器

3、稳压电源

4、信号源

5、光功率计 六、实验报告

1、整理实验数据，分析实验结果。

2、简要说明内调制和外调制实现方法，并分析两种调制方式的效率。

实验二 光束扫描

一、 实验目的

1、 掌握机械扫描的实现方法和参数测试。

2、学会对扫描速度和偏转角的控制及光束实际扫描角度的数学计算方法。

3、熟悉常用电光器件和光测试设备的使用。

二、实验内容及要求

1、完成激光束的机械扫描和相关参数测试。

2、对实现电路和参数测试要深刻领会。

三、实验原理及步骤

光束扫描技术是激光应用的基本技术之一，实现的方法主要采用机械转镜、电光效应和声光效应等来实现。根据应用目的不同可分为光的偏转角连续变化的模拟式扫描和不连续的数字扫描。

机械扫描技术是目前最成熟的一种扫描方法，它是利用反射镜或棱镜等光学元件的旋转或振动来实现光束扫描，图1给出机械扫描装置原理图。激光束入射到一可转动的平面反射镜上，当平面镜转动时，平面镜反射的激光束方向就会改变，达到光束扫描的目的。

旋转方向 旋转方向

光靶 A B 图1 机械扫描装置 图2 扫描光路图

激光束的机械扫描受温度影响小，光损耗小，适用于各种波长的扫描。通过编程可控制它的扫描速度和旋转角度。实验采用步进电机来实现光束的扫描，步进电机级数为四级，步进量为0.9度∕步，通过计算可确定平面镜旋转的角度，也就可测得光束在光靶上移动（扫描）的距离和光束转过的角度，其原理如图2所示，1θ与2θ是平面镜转动前的入射角和反射角，而'1θ与'

2θ是平面镜转动后的入射角和反射角。实验中步进电机控制电路与计算机并行口（打印口）连接，程序由C ＋＋实现。扫描光路如图3所示。

c 光点移动距离 A B

扫描后光路 Δθ a

b 扫描前光路

O

图3 光束位置关系

根据光的反射原理，激光束以某一角度入射，以法线为对称轴，入射光束和出射光束与