實驗安排及要求及講義光電子技術(shù)實驗電子信息應(yīng)用物理

光電子技術(shù)實驗汪濤編重慶大學(xué)物理實驗中心2011年12月

光電子技術(shù)實驗安排及要求為了同學(xué)們養(yǎng)成良好的習(xí)慣，培養(yǎng)嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度，特要求如下：一、實驗過程1.實驗前：實驗預(yù)習(xí)(按要求完成實驗報告如下兩部分內(nèi)容)1.1實驗?zāi)康?.2理解并論述實驗原理實驗原理的論述要求采用自己的語言描述完成實驗內(nèi)容的相關(guān)物理原理，要求包括重要的公式、圖形、表格，達到的標準是讓他人能理解你的實驗原理。2.實驗中：2.1填寫好實驗原始記錄表格前面幾行的實驗及個人信息；2.1在實驗操作之前，熟悉實驗儀器，除了記錄實驗所需儀器及器材外，更重要的是記錄下測量儀器或工具的量程、最小量、估讀誤差等信息，因為這是測量中記錄數(shù)據(jù)有效數(shù)字的依據(jù)。系列實驗中主要有示波器、功率表、電壓表、米尺、角度測量儀器等2.3記錄數(shù)據(jù)要按有效數(shù)字記錄，版面盡量整潔；

實驗現(xiàn)象用簡短的文字或圖形描述2.4實驗完成后實驗數(shù)據(jù)要教師簽字后，整理完儀器才能離開教室。3.實驗后：3.1實驗步驟的要求同實驗原理；3.2實驗儀器及數(shù)據(jù)記錄部分要按照原始記錄整理下來，不得空白，這種習(xí)慣在實際工作時是必要而有益的，因為原始記錄在存放一段時間后，往往因為書寫不夠整潔、沒有條理、缺少相應(yīng)說明文字等原因而看不懂，整理的過程正是要彌補這一缺陷。3.3數(shù)據(jù)處理部分要嚴格按有效數(shù)字處理，能夠計算誤差或不確定度更好，這將影響成績的評定。有些實驗現(xiàn)象的分析、實驗后教師特別要求完成的思考題也在此處完成。3.4討論部分包括誤差的分析，問題的提出，實驗的建議等內(nèi)容，不硬性要求。4.實驗報告的提交：每份應(yīng)包含原始記錄，由學(xué)習(xí)委員統(tǒng)一收上來，最終學(xué)校存檔。二、實驗內(nèi)容：實驗1磁致旋光－法拉第效應(yīng)實驗2壓電陶瓷特性及振動的干涉測量實驗3液晶的電光效應(yīng)實驗4晶體的電光效應(yīng)三、實驗地點：DS1215預(yù)習(xí)、完成下一次實驗報告1.1，1.2完成實驗報告預(yù)習(xí)、完成下一次實驗報告1.1，1.2完成實驗報告3.1，3.2，3.3，3.4熟悉儀器，完成要求2.1，2.2提交上一次實驗報告實驗，記錄數(shù)據(jù)現(xiàn)象，見2.3教師簽字整理儀器、離開教室實驗前實驗中實驗后實驗流程總結(jié)五、輪換方法：第一次1-4組依次做實驗1-4，然后按下面順序輪換，實驗1實驗2實驗3實驗4六、實驗時間：上午下午晚上上午下午晚上11周2應(yīng)物0112周4應(yīng)物02應(yīng)物0113周2電子注：上午——8：30~11：30下午——14：30~17：30晚上——19：00~22：00分組表序號學(xué)號姓名班組別序號學(xué)號姓名班組別110電子011110應(yīng)物011210電子011210應(yīng)物011310電子011310應(yīng)物011410電子011410應(yīng)物011510電子011510應(yīng)物011610電子011610應(yīng)物011710電子011710應(yīng)物012810電子011810應(yīng)物012910電子012910應(yīng)物0121010電子0121010應(yīng)物0121110電子0121110應(yīng)物0121210電子0121210應(yīng)物0121310電子0121310應(yīng)物0131410電子0121410應(yīng)物0131510電子0121510應(yīng)物0131610電子0121610應(yīng)物0131710電子0131710應(yīng)物0131810電子0131810應(yīng)物0131910電子0131910應(yīng)物0142010電子0132010應(yīng)物0142110電子0132110應(yīng)物0142210電子0132210應(yīng)物0142310電子0132310應(yīng)物0142410電子0142410應(yīng)物0142510電子0142610電子0142710電子0142810電子0142910電子0143010電子014序號學(xué)號姓名班組別110應(yīng)物021210應(yīng)物021310應(yīng)物021410應(yīng)物021510應(yīng)物021610應(yīng)物021710應(yīng)物022810應(yīng)物022910應(yīng)物0221010應(yīng)物0221110應(yīng)物0221210應(yīng)物0221310應(yīng)物0231410應(yīng)物0231510應(yīng)物0231610應(yīng)物0231710應(yīng)物0231810應(yīng)物0231910應(yīng)物0232010應(yīng)物0242110應(yīng)物0242210應(yīng)物0242310應(yīng)物0242410應(yīng)物0242510應(yīng)物0242610應(yīng)物024

實驗1磁致旋光－法拉第效應(yīng)光束從具有磁矩的物質(zhì)反射或透射后，光的偏振狀態(tài)會發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)。已知的磁光效應(yīng)包括透射的法拉第效應(yīng)、科頓－穆頓效應(yīng)和反射的克爾效應(yīng)等。它們不是由于磁場與光直接相互作用的結(jié)果，而是由于磁場對正在吸收或反射光的物質(zhì)的影響造成的。磁光效應(yīng)可用來闡明固體的能譜，即可用來研究與磁化有關(guān)的能級結(jié)構(gòu)；磁光效應(yīng)亦可用來觀察磁性表面和透射磁性晶體內(nèi)部的磁化強度分布(磁疇結(jié)構(gòu))。應(yīng)用磁光效應(yīng)可以或可望制成磁光盤存儲器、磁光開關(guān)和調(diào)制器等各種磁光器件，它們在計算機技術(shù)、激光通訊、信息處粒中將發(fā)揮重要作用。本實驗通過對磁光材料樣品法拉第旋轉(zhuǎn)的測量，了解法拉第磁光效應(yīng)和磁光調(diào)制的基本原理；掌握測量法拉第旋轉(zhuǎn)(或法拉第旋轉(zhuǎn)譜)的實驗方法。實驗?zāi)康模?.觀察法拉第效應(yīng)并認識其規(guī)律。2.學(xué)習(xí)測量費爾德常數(shù)的方法，測量物質(zhì)的費爾德常數(shù)與波長的關(guān)系曲線。實驗原理：1845年，法拉第(MichaelFaraday)發(fā)現(xiàn)，將一塊玻璃放入強磁場中，它將使平行于磁場方向的線偏振光偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，此現(xiàn)象被稱為法拉第效應(yīng)。它第一次揭示了光與電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系。之后，費爾德(Verdet)對許多介質(zhì)的磁致旋光進行了研究，發(fā)現(xiàn)法拉第效應(yīng)在固體、液體和氣體中都存在。在法拉第效應(yīng)中，偏振面旋轉(zhuǎn)的角度與光在介質(zhì)中通過的距離L及平行于光傳播方向的磁感應(yīng)強度B成正比：(1)其中，比例系數(shù)V為費爾德(Verdet)常數(shù)，由材料本身和光波長決定，它表示在單位磁場強度下線偏振光通過單位長度的磁光介質(zhì)后偏振面旋轉(zhuǎn)的角度。一般物質(zhì)的費爾德常數(shù)都非常小，下表列出了一些物質(zhì)的Verdet常數(shù)(弧度/厘米·特斯拉)：物質(zhì)λ(nm)V(弧度/厘米·特斯拉)水589.31.31×102CS2589.34.17×102輕火石玻璃589.33.17×102重火石玻璃589.38~10×102鈰磷酸玻璃500.03.26×102YIG830.02.04×106(YTb)IG12703.78×103對于法拉第旋光現(xiàn)象的物理原因，可解釋為外加磁場使介質(zhì)分子的磁矩定向排列，當一束線偏振光通過它時，分解為兩個頻率相同、初相位相同的兩個圓偏振光，其中一個圓偏振光的電矢量是順時針方向旋轉(zhuǎn)，稱為右旋圓偏振光，而另一個圓偏振光是逆時針方向旋轉(zhuǎn)的，稱為左旋圓偏振光。這兩個圓偏振光在介質(zhì)中的折射率不同，分別以兩種不同的速度和無相互作用地傳播，當它們通過厚度為L的介質(zhì)之后產(chǎn)生的相位延遲分別為：(2)(3)因此兩束偏振光之間存在一相位差：(4)OAAALALδθ圖1AR當它們通過介質(zhì)之后，又合成為一線偏振光，其偏振方向相對于入射光旋轉(zhuǎn)了一個角度。如圖1所示，OA表示入射介質(zhì)的線偏振光的振動方向，將振幅A分解為左旋和右旋兩矢量AL和AR，假設(shè)介質(zhì)的長度L使右旋矢量AR剛轉(zhuǎn)回到原來的位置，此時左旋光矢量(由于)轉(zhuǎn)到AOAAAALδθ圖1AR(5)可以看出，A的偏振方向?qū)㈦S著光波的傳播向右旋轉(zhuǎn)，稱為右旋光效應(yīng)(如圖1所示)。由經(jīng)典電子論對色散的解釋可得出介質(zhì)的折射率和入射光頻率的關(guān)系為：(6)式中是電子的固有頻率，磁場作用使電子固有頻率改變?yōu)椋?是電子軌道在外磁場中的進動頻率)。于是介質(zhì)的折射率變?yōu)椋?7)式中的正負號分別對應(yīng)著兩個園偏振光折射率，即和。通常，和n相差很小，故有。將此式代入(5)式，并略去項(因)得：(8)又由式(7)可得：(9)將(9)代入(8)式得： (10)與(1)式相比可知中括號項就是費爾德常數(shù)，它與介質(zhì)在無磁場時的色散率、入射光波長等有關(guān)。法拉第效應(yīng)產(chǎn)生的旋光現(xiàn)象與晶體的自然旋光現(xiàn)象有所不同。如1/2波片和石英旋光片的旋光方向與光傳播的方向有關(guān)，若一束線偏振光從自然旋光材料左側(cè)射到右側(cè)再原路反射回來，則無論光束沿正逆方向傳播，迎著光束射過來的方向看去，偏振面總是向右旋轉(zhuǎn)，因此兩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有旋轉(zhuǎn)(如圖2所示)。而法拉第效應(yīng)產(chǎn)生的旋光現(xiàn)象，其偏振面旋轉(zhuǎn)方向只與磁場方向有關(guān)，而同光傳播的方向無關(guān)。如果沿磁場方向傳播時偏振面向右旋，那么光束沿逆方向傳播時，迎著傳播方向看去振動面將向左旋，因此只要磁場方向不變，旋轉(zhuǎn)角都朝一個方向增加，表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)角增大1倍，而不是互相抵消(如圖3所示)。此現(xiàn)象表明磁致旋光效應(yīng)是一個不可逆的光學(xué)過程，利用此原理可以制成光學(xué)隔離器或單通光閘等器件。圖圖2自然晶體旋光圖3磁致旋光反射鏡反射鏡反射光入射光右旋右旋入射光右旋磁場左旋磁場反射光實驗儀器：光學(xué)導(dǎo)軌，半導(dǎo)體激光器（或He-Ne激光器），汞燈，濾光片1組，凸透鏡兩個，偏振片（起偏器，檢偏器）各一個，電磁線圈+旋光材料，F(xiàn)LD-1法拉第效應(yīng)驅(qū)動電源，OPT-1A功率指示計，光功率探頭。激光器激光器起偏器電磁線圈和旋光材料檢偏器光功率計圖4光路布置圖與實拍光路實驗內(nèi)容：一、旋轉(zhuǎn)角和磁感應(yīng)強度B(電流)的關(guān)系1.在光學(xué)實驗導(dǎo)軌上按下圖布置光路并調(diào)整光路，使光束可穿過電磁線圈中心的磁致旋光材料。2.旋轉(zhuǎn)檢偏器,使功率計指示值最小，這時起偏器和檢偏器相互垂直,處于消光狀態(tài)。打開線圈驅(qū)動電源,將驅(qū)動電源電流調(diào)到0.5A，此時功率指示值將發(fā)生變化。3.重新旋轉(zhuǎn)檢偏器,使功率指示值盡可能的小，系統(tǒng)重新進入消光狀態(tài),記下此時的電流值和檢偏器的角度變化值和方向。按一定間隔增大電流，記下相應(yīng)的電流值和檢偏器的角度變化值。4.根據(jù)電流與電磁線圈中磁場的關(guān)系和以上實驗數(shù)據(jù)，檢驗θ與B(正比于i)的線性關(guān)系(采用最小二乘法求出相關(guān)系數(shù)，值總在0與±1之間。值越接近1，說明兩者的線性關(guān)系越好)。二、觀察偏振面旋轉(zhuǎn)方向與磁場方向的關(guān)系1.將激光器和光功率探頭位置互換，使光束從電磁線圈的另一端穿過磁致旋光材料，按一定間隔（0.5A）改變勵磁電流大小，觀察旋光方向和旋轉(zhuǎn)角θ，并與實驗一中的旋光方向和θ進行比較。2.將激光器和光功率探頭換回原位置，交換法拉第效應(yīng)驅(qū)動電源的電流輸出導(dǎo)線，改變電磁線圈中的電流方向，按一定的間隔改變電流大小，觀察旋光方向并與實驗一中的旋光方向作比較，分析其中原因。三、測量費爾德常數(shù)與波長的關(guān)系1.在光學(xué)實驗導(dǎo)軌上按下圖擺放器件。激光器激光器起偏器電磁線圈和旋光L1材料檢偏器L2光功率計濾光片圖5測量費爾德常數(shù)與波長關(guān)系的光路圖2.由(10)可知，費爾德常數(shù)，其中為荷質(zhì)比，c為光速，n為光在透明介質(zhì)中的折射率，它是波長λ的函數(shù)n(λ)，因此費爾德常數(shù)與波長和材料有關(guān)。保持勵磁電流不變(B不變)，采用汞燈光源，在光源后加上不同波長的濾光片，測量不同波長下的旋轉(zhuǎn)角θ，計算費爾德常數(shù)，畫出V-λ關(guān)系圖。實驗報告要求：根據(jù)電流與電磁線圈中磁場的關(guān)系和以上實驗數(shù)據(jù)，檢驗θ與B(正比于i)的線性關(guān)系(采用最小二乘法求出相關(guān)系數(shù))。說明偏振面旋轉(zhuǎn)方向與磁場方向的關(guān)系。問題與思考：1.根據(jù)法拉第效應(yīng)設(shè)計一個光學(xué)隔離器。2.如何利用實驗中的儀器實現(xiàn)磁光調(diào)制？3.如何消除自然旋光和雙折射等對實驗準確性的影響？4.在實驗內(nèi)容一中，如果兩個偏振器上都沒有轉(zhuǎn)動角度刻度，還能測出θ隨電流i(正比于B)的變化關(guān)系嗎？參考文獻：1.趙凱華，鐘錫華.光學(xué).北京：北京大學(xué)出版社，19842.游璞，光學(xué).北京：高等教育出版社，20033.周殿清，黃曉華，招倩兒，光學(xué)實驗：武漢大學(xué)出版社，4.高以智，激光實驗選編5.李允中，現(xiàn)代光學(xué)實驗實驗2壓電陶瓷特性及振動的干涉測量壓電陶瓷是一種具有電致伸縮特性的功能陶瓷，即材料在電場的作用下，其幾何尺寸會發(fā)生變化。一般其變化量非常微小。每伏*厘米的變化量通常在?這個量級，這種微小的變化量非常適合于微小位移控制、操作和精微加工。因此廣泛地被應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)、超精密機械等超微小尺寸的操控等領(lǐng)域。實驗?zāi)康模?.掌握利用干涉法測量壓電陶瓷壓電常量及振動特性的方法。2.了解邁克爾遜干涉儀的干涉原理及其結(jié)構(gòu)。實驗原理：1880年，居里兄弟(J.Curie和P.Curie)在研究熱電現(xiàn)象和晶體對稱性的時候，發(fā)現(xiàn)在石英單晶切片的電軸方向施加機械應(yīng)力時，可以觀測到在垂直于電軸的兩個表面上出現(xiàn)大小相等、符號相反的電荷；此后，在1881年，居里兄弟又發(fā)現(xiàn)了前者的逆效應(yīng)，即在上述晶體相對表面施加外加電場時，在該晶體垂直于電場的方向上產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力。通常把上述的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)，前者稱為正壓電效應(yīng)，后者則稱為逆壓電效應(yīng)(或稱電致伸縮效應(yīng))。 目前壓電材料的發(fā)展極為迅速，其應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)深入到電子技術(shù)、光學(xué)、超聲、精密機械、航天等領(lǐng)域。如壓電陶瓷驅(qū)動器就是利用逆壓電效應(yīng)制作的新型固態(tài)執(zhí)行器件，在精密光學(xué)、微機械電子(MEMS)技術(shù)、納米技術(shù)等高新技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。壓電陶瓷壓電特性的測量研究對探索材料的壓電機理，開發(fā)新型材料以及改進和充分利用現(xiàn)有材料都具有十分重要的意義。圖1實驗用的圓管形壓電陶瓷312具有壓電效應(yīng)的物體稱為壓電體，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)具有壓電特性的多種物體，其中有單晶，多晶(多晶陶瓷)及某些非晶固體，壓電體為納米研究的重要材料。本實驗選用的是一種圓管形的壓電陶瓷，其外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由鋯鈦酸鉛[Pb(Zr、Ti)O3]圖1實驗用的圓管形壓電陶瓷312設(shè)用E表示圓管加上電壓后，在內(nèi)外表面間形成的徑向電場的電場強度，用表示圓管軸向的應(yīng)變，a表示壓電陶瓷在準線性區(qū)域內(nèi)的電致伸縮系數(shù)，即壓電常數(shù)，于是(1)若壓電陶瓷的原始長度為l0，加在壓電陶瓷內(nèi)外表面的電壓為V，加電壓后長度為l，圓管的壁厚為(均以mm為單位)，則按式(C2-1)，有 (2)所以 (3)在上式中，，可以用游標尺測量，電壓V可由數(shù)字電壓表讀出，由于長度的變化量很小，無法用常規(guī)的長度測量方法解決，所以采用光干涉測量的方法，由改裝的邁克爾遜干涉儀進行測量。擴束鏡擴束鏡壓電陶瓷附件分束鏡反射鏡激光器光電探頭反射鏡驅(qū)動電源示波器驅(qū)動電壓提取信號12GRT圖2壓電陶瓷微小長度變化的干涉測量系統(tǒng)圖2為測量壓電陶瓷微小長度變化的示意圖，其結(jié)構(gòu)實際上就是一個邁克爾遜干涉儀。圖中G為分光板，在壓電陶瓷管的一端裝有激光反射鏡T，在邁克爾遜干涉儀中作為動鏡，動鏡的位移由驅(qū)動電源施加到壓電陶瓷上的電壓大小決定。如果改裝的邁克爾遜干涉儀已調(diào)好，在光電探測器R處可以接收到明暗相間的干涉條紋，當改變加在壓電陶瓷上的電壓時，兩相干光的光程差發(fā)生改變，就可觀測到屏上的干涉條紋在移動，干涉條紋移動的數(shù)目n和圓管長度的變化的關(guān)系如下：圖3干涉條紋移動數(shù)與驅(qū)動電壓的關(guān)系（4圖3干涉條紋移動數(shù)與驅(qū)動電壓的關(guān)系式中，為激光波長，為條紋漲出(或縮進)的數(shù)目。把式(4)代入(3)，整理后可得(5)這里需要指出的是，漲出(或縮進)的條紋數(shù)n并不嚴格隨電壓V作線性變化，僅是在某一電壓范圍內(nèi)具有準線性的特性，另外，壓電陶瓷的電致伸縮現(xiàn)象與磁滯回線相似，也有遲滯現(xiàn)象。圖3表示出了n和電壓變化的關(guān)系。如果壓電陶瓷上施加周期性的三角波電壓，干涉場中任一點的光強度(可用光電探頭檢測的電壓來表示)隨電壓的變化關(guān)系顯然應(yīng)該是如圖4所示的分段正弦函數(shù),正弦信號的頻率反映了振動的速度，三角波一個周期內(nèi)包含的正弦波周期數(shù)量反映了振幅。時間時間t(s)A光電信號(V)驅(qū)動電壓(V)時間t(s)圖4實驗儀器：光學(xué)隔振平臺，半導(dǎo)體激光器（650nm）及LD-2激光電源，分束鏡，反射鏡，擴束鏡，待測壓電陶瓷附件，壓電陶瓷驅(qū)動電源，光電二極管探頭。實驗內(nèi)容及步驟：一、壓電陶瓷壓電常數(shù)的測量及特性研究將光學(xué)隔振平臺放置在一個堅固，平穩(wěn)的桌面上，除四個隔振墊外，四周不要與任何物體相接觸。按圖5在平臺上搭制一套邁克爾遜干涉儀，其中的一個反射鏡采用壓電陶瓷附件。圖5將驅(qū)動電源分別與光探頭，壓電陶瓷附件和示波器相連。其中壓電陶瓷附件接驅(qū)動電壓插口，示波器CH1接驅(qū)動電壓波形插口。光電探頭接光探頭插口，示波器CH2接光探頭波形插口。仔細調(diào)整半導(dǎo)體激光器，使光束盡量平行于平臺表面。調(diào)整光路中各光學(xué)元件，使兩束反射光回到分束鏡合并后，盡量重合，且不要回到激光器出光孔中（進入激光諧振腔的激光會使激光器工作不穩(wěn)定）。觀察白屏上的干涉條紋，反復(fù)調(diào)整光學(xué)元件，盡量使干涉條紋變寬（兩光束基本重合后，夾角越小，條紋越寬），最好能達到擴束光斑中有2-3條干涉條紋。用筆在白屏上標記一個參考點，以作為記錄干涉條紋移動數(shù)的基準。將驅(qū)動電源面板上的波形開關(guān)打到左邊“—”狀態(tài)(此時為直流驅(qū)動信號)，打開驅(qū)動電源的電源開關(guān)（在后面板）。慢慢旋轉(zhuǎn)“直流電壓”旋鈕，觀察白屏上條紋的變化，應(yīng)可觀察到條紋的移動，表頭表示的驅(qū)動電壓的大小的值也將變化。將直流電壓降到最低，平靜一段時間，等干涉條紋穩(wěn)定后，緩慢轉(zhuǎn)動直流電壓旋鈕，觀察條紋的移動。條紋每移動過參考點一條，就記錄下相應(yīng)的電壓值；每移動一條干涉條紋，代表壓電陶瓷長度變化了1/2個波長，（即650/2nm=325nm。）到驅(qū)動電壓開至最大后，再從高壓反方向降壓并記錄相應(yīng)的電壓值和條紋移動之間的關(guān)系值。通過以上數(shù)據(jù)，畫出電壓(V)-條紋移動數(shù)(n)特性曲線(壓電陶瓷長度變化與條紋移動數(shù)n成比例)。求出壓電常數(shù)。本實驗中采用的壓電陶瓷材料為管狀，長度為40mm，壁厚1mm。二、壓電陶瓷振動特性的研究（激光干涉法）取下白屏，換上光電探頭，打開示波器。將示波器置于雙蹤顯示，CH1觸發(fā)狀態(tài)，CH1通道與驅(qū)動電壓波形相連（此接口的信號已衰減約10倍）。將驅(qū)動電源波形開關(guān)置于右側(cè)“”端(此時為交流驅(qū)動信號)，這時示波器CH1蹤應(yīng)可出現(xiàn)三角波形，調(diào)節(jié)驅(qū)動頻率，使示波器屏上出現(xiàn)1-2個三角波。將驅(qū)動幅度調(diào)到最大，“光放大”旋鈕旋到最大，CH2通道與光探頭波形相連，這時CH2蹤應(yīng)有一系列類似正弦波的波形,此為干涉條紋掃過光電二極管探頭的信號.改變驅(qū)動頻率和驅(qū)動幅度，觀察CH2蹤波形的變化情況，體會干涉條紋與壓電陶瓷振動的關(guān)系，如頻率、速度、振幅、波形相互之間的關(guān)系。 （注：CH2上的頻率反映了振動的速度，一個周期內(nèi)的周期數(shù)量反映了振幅。為什么？）將驅(qū)動電源波形開關(guān)置于右側(cè)“”端，調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓幅度為100V或以上，利用示波器測量壓電陶瓷在該電壓的振幅(測量方法自擬)。調(diào)節(jié)驅(qū)動頻率和光放大旋鈕，觀察示波器上的波形變化，記錄現(xiàn)象并分析原因。數(shù)據(jù)及實驗現(xiàn)象記錄1.壓電陶瓷壓電常數(shù)的測量及特性研究n012……N-1電壓最大時的位移NV(V)V(V)2.改變驅(qū)動頻率和驅(qū)動幅度，觀察CH2蹤波形的變化情況3.在教師指定的驅(qū)動電壓幅度、驅(qū)動頻率下，測量示波器上的某些量，要求利用這些測量數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理中能算出振動的幅度、壓電陶瓷振動速度。實驗報告畫出電壓(V)-條紋變化數(shù)(n)特性曲線(要求用正規(guī)坐標紙，不能手畫坐標紙)，求出壓電常數(shù)。闡述干涉條紋與壓電陶瓷振動的關(guān)系，如頻率、速度和振幅與波形的關(guān)系；完成上面實驗內(nèi)容二中第6條涉及的內(nèi)容。參考文獻：[1]MacyJrww．Two2dimensionfi'inge2pattemanalysis[J]．ApplOpt，1983，22(20)：3898—3901．[2]朱日宏，陳進榜．移相干涉術(shù)的一種新算法：重疊四步平均法[J]．光學(xué)學(xué)報，1995，14(12)：1289—1293

實驗3液晶的電光效應(yīng)液晶是1888年由奧地利植物學(xué)家Reinitzer首先發(fā)現(xiàn)的。一般的液體內(nèi)部分子排列是無序的，而液晶既具有液體的流動性，其分子又按一定規(guī)律有序排列，使它呈現(xiàn)晶體的各向異性。當光通過液晶時，會產(chǎn)生偏折面旋轉(zhuǎn)、雙折射等效應(yīng)。液晶分子是含有極性基團的極性分子，在電場作用下，偶極子會按電場方向取向，導(dǎo)致分子原有的排列方式發(fā)生變化，從而液晶的光學(xué)性質(zhì)也隨之發(fā)生改變，這種因外電場引起的液晶光學(xué)性質(zhì)的改變稱為液晶的電光效應(yīng)。目前人們發(fā)現(xiàn)、合成的液晶材料已近十萬種之多，有使用價值的也有4-5千種。隨著液晶在平板顯示器等領(lǐng)域的應(yīng)用和不斷發(fā)展，以及市場的巨大需求，人們對它的研究也進入了一個空前的狀態(tài)。本實驗希望通過一些基本的觀察和研究，對液晶材料的光學(xué)性質(zhì)及物理結(jié)構(gòu)有一個基本了解，并利用現(xiàn)有的物理知識進行初步的分析和解釋。實驗?zāi)康模貉芯烤€偏振光通過液晶盒后偏振態(tài)的變化規(guī)律，以及在交流電場作用下用的變化情況。觀察、測量工作電壓與透射光的強度、偏振態(tài)和光斑形狀的關(guān)系，確定液晶盒的扭曲角。掌握液晶的工作原理和特性。對液晶施加間歇驅(qū)動電壓，用示波器觀察液晶盒的響應(yīng)情況，測量液晶響應(yīng)的上升時間和下降時間。了解光電二極管的工作原理和工作條件，測量液晶在特定條件下的衍射情況，推算液晶材料的結(jié)構(gòu)尺寸。實驗原理：一、液晶的基本結(jié)構(gòu)大多數(shù)液晶材料都是由有機化合物構(gòu)成的。這些有機化合物分子多為細長的棒狀結(jié)構(gòu)，長度為數(shù)nm，粗細約為0.1nm量級，并按一定規(guī)律排列。根據(jù)排列的方式不同，液晶一般被分為三大類：圖1近晶相液晶圖2向列相液晶圖3膽甾相液晶1、近晶相液晶(如圖1）：分子分層排列，每一層內(nèi)的分子長軸相互平行且垂直或傾斜于層面。2、向列相液晶(如圖2）：分子的位置比較雜亂，不再分層排列，但各分子的長軸方向仍大致相同,光學(xué)性質(zhì)上有點像單軸晶體。3、膽甾相液晶(如圖3）：分子也是分層排列，每一層內(nèi)的分子長軸方向基本相同并平行于分層面,但相鄰的兩個層中分子長軸的方向逐漸轉(zhuǎn)過一個角度,總體來看分子長軸方向呈現(xiàn)一種螺旋結(jié)構(gòu)。以上的液晶特點大多是在自然條件下的狀態(tài)特征，當我們對這些液晶施加外界影響時，他們的狀態(tài)將會發(fā)生改變，從而表現(xiàn)出不同的物理光學(xué)特性。下面我們以最常用的向列液晶為例，分析了解它在外界人為作用下的一些特性和特點。圖不太清楚，以上三個步驟表現(xiàn)不明顯。圖不太清楚，以上三個步驟表現(xiàn)不明顯。圖4液晶盒的結(jié)構(gòu)圖5兩基片取向成90度的液晶我們在使用液晶的時候往往會將液晶材料夾在兩個玻璃基片之間，并對四周進行密封（如圖4）。為了我們的使用目的，將會對基片的內(nèi)表面進行適當?shù)奶幚恚员阌绊懸壕Х肿拥呐帕?。這里介紹相關(guān)的三個處理步驟。1、涂覆取向膜，在基片表面形成一種膜。2、摩擦取向，用棉花或絨布按一個方向摩擦取向膜。3、涂覆接觸劑。經(jīng)過這三個步驟后，就可以控制緊靠玻璃基片的液晶分子，使其平行于基片并按摩擦方向排列。如果我們使上下兩個基片的取向成一定角度，則兩個基片間的液晶分子就會形成許多層。圖5為兩基片取向成90度的情況。即每一層內(nèi)的分子取向基本一致，且平行于層面。相鄰層分子的取向逐漸轉(zhuǎn)動一個角度。從而形成一種被稱為扭曲向列的排列方式。這種排列方式和天然膽甾相液晶的主要區(qū)別是：扭曲向列的扭曲角是人為可控的，且“螺距”與兩個基片的間距和扭曲角有關(guān)。而天然膽甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人為控制。二、扭曲向列型液晶的電光效應(yīng)扭曲向列排列的液晶對入射光會有一個重要的作用，他會使入射的線偏振光的偏振方向順著分子的扭曲方向旋轉(zhuǎn)，類似于晶體的旋光效應(yīng)。在一般條件下旋轉(zhuǎn)的角度(扭曲角)等于兩基片之間的取向夾角。但如果我們對液晶物質(zhì)施加電場，就可能改變分子排列的規(guī)律。從而使液晶材料的光學(xué)特性發(fā)生改變。扭曲向列型光開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖6左所示，在兩塊玻璃板之間夾有正性向列相液晶，玻璃板的內(nèi)表面涂有透明電極，電極的表面預(yù)先作了定向處理，且上下電極上的定向方向相互垂直。所以從俯視方向看，液晶分子的排列從上電極沿-45度方向排列逐步地、均勻地扭曲到下電極的沿+45度方向排列，整個扭曲了90度。圖中P1的透光軸與上電極的定向方向相同，P2的透光軸與下電極的定向方向相同，于是P1和P2的透光軸相互正交。偏振片P1入射自然光偏振片P1入射自然光圖圖6偏振片P2出射光玻璃基板圖7光線垂直液晶面入射時相對透射率與外加電壓的關(guān)系在未加驅(qū)動電壓的情況下，來自光源的自然光經(jīng)過偏振片P1后只剩下平行于透光軸的線偏振光，該線偏振光到達輸出面時，其偏振面旋轉(zhuǎn)了90圖7光線垂直液晶面入射時相對透射率與外加電壓的關(guān)系施加的電壓足夠大時，在靜電場的作用下，除了基片附近的液晶分子被基片“錨定”以外，其他液晶分子趨于平行于電場方向排列。于是原來的扭曲結(jié)構(gòu)被破壞，成了均勻結(jié)構(gòu)，如圖6右所示。從P1透射出來的線偏振光的偏振方向在液晶中傳播時不再旋轉(zhuǎn)，保持原來的偏振方向到達下電極。這時光的偏振方向與P2正交，因而光被關(guān)斷。此時液晶的旋光性消失。由于上述光開關(guān)在沒有電場的情況下讓光透過，加上電場的時候光被關(guān)斷，因此叫做常通型光開關(guān)，又叫做常白模式。若P1和P2的透光軸相互平行，則構(gòu)成常黑模式。以上的分析只是對液晶盒在“開關(guān)”兩種極端狀態(tài)下的情況作了一些初步的分析。而對于這兩個狀態(tài)之間的中間狀態(tài)（加適當電壓時），也有著極其豐富多彩的光學(xué)現(xiàn)象。在實驗中我們將會一一觀察和分析。圖8圖8液晶的響應(yīng)速度圖7為光線垂直液晶面入射時相對透射率（以不加電場時的透射率為100%）與外加電壓的關(guān)系。由圖7可知，對于常白模式的液晶，其透射率隨外加電壓的升高而逐漸降低，在一定電壓下達到最低點，此后略有變化。可以根據(jù)此電光特性曲線圖得出液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓。閾值電壓：透過率為90％時的驅(qū)動電壓。關(guān)斷電壓：透過率為10％時的驅(qū)動電壓。液晶的電光特性曲線越陡，即閾值電壓與關(guān)斷電壓的差值越小，由液晶開關(guān)單元構(gòu)成的顯示器件允許的驅(qū)動路數(shù)就越多。四、扭曲型液晶的時間響應(yīng)特性加上(或去掉)驅(qū)動電壓能使液晶的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變，是因為液晶的分子排序發(fā)生了改變，這種重新排序需要一定時間，反映在時間響應(yīng)曲線上，用上升時間Tr和下降時間Td描述。給液晶開關(guān)加上一個如圖8所示的周期性變化的電壓，就可以得到液晶的時間響應(yīng)曲線。上升時間：透過率由10%升到90%所需時間。下降時間：透過率由90%降到10%所需時間。液晶的響應(yīng)時間越短，顯示動態(tài)圖像的效果越好，這也是液晶顯示器的重要指標。五、液晶光柵重復(fù)光開關(guān)的實驗，可以發(fā)現(xiàn)，當緩慢增加電壓至一定的值時（大約6V），液晶將沿一定方向形成一維長鏈，形如光柵，因而可以產(chǎn)生光柵衍射，稱之為液晶光柵。由，若測出衍射角，可以算出光柵常數(shù)。實驗儀器：光學(xué)實驗導(dǎo)軌1根（800mm），二維+LD（650nm）1個，偏振片（起偏器和檢偏器各一個），液晶盒一個，液晶驅(qū)動電源一臺，光功率指示計一臺，光功率探頭和光電二極管探頭各一個，白屏一個，鋼尺一把，雙蹤示波器一臺，導(dǎo)軌滑塊及導(dǎo)線若干。實驗內(nèi)容：一、液晶扭曲角的測量1.按照激光器、偏振片（起偏器）、液晶盒、偏振片（檢偏器）、功率計探頭的順序，在導(dǎo)軌擺好光路，連接各種導(dǎo)線。2.打開激光器，仔細調(diào)整各光學(xué)元件的高度和激光器的方向，盡量使激光從光學(xué)元件的中心穿過，進入功率計探頭。3.旋轉(zhuǎn)檢偏器和液晶盒，找到系統(tǒng)輸出功率最小的位置，記下此時檢偏器的位置（角度）。4.打開液晶驅(qū)動電源，將功能按鍵置于連續(xù)狀態(tài)，驅(qū)動電壓調(diào)整到12V，系統(tǒng)通光情況將發(fā)生變化。5.再次調(diào)整檢偏器和液晶位置，找到系統(tǒng)通光功率最小的位置，記下此時檢偏器的位置（角度）。6.步驟3與5之間的角度位置差，就是該液晶盒在該波長下的扭曲角。二、對比度1.重復(fù)上一實驗的1、2、3步，記下最小功率值Tmin。2.打開液晶驅(qū)動電源，將功能按鍵置于連續(xù)狀態(tài)。驅(qū)動電壓調(diào)整到12V，記下此時的系統(tǒng)輸出功率Tmax。3.對比度C=Tmin/Tmax，動態(tài)范圍DR=10logc(dB)。三、上升沿時間T1與下降沿時間T2的測量1.重復(fù)實驗一的1、2步。2.旋轉(zhuǎn)檢偏器，找到系統(tǒng)輸出功率較小的位置。3.用光探頭換下功率計探頭，連接好12V電源線（紅為+，黑為-，紅對紅，黑對黑）。4.將示波器的CH1通道用信號線與液晶驅(qū)動信號相連，CH1做觸發(fā)。CH2通道上的示波器表筆與光探頭相連（地線與12V的地相連，掛鉤掛在探頭線路板后的掛環(huán)上）。5.打開示波器電源，功能置于雙蹤顯示，CH1觸發(fā)。6.將功能按鍵置于間歇狀態(tài)，調(diào)整頻率旋鈕，觀察系統(tǒng)輸出光的變化情況和示波器上波形的情況。7.根據(jù)定義在示波器上測量上升沿時間和下降沿時間，估計液晶的響應(yīng)速度。四、通過測量衍射角推算出特定條件下，液晶的結(jié)構(gòu)尺寸1.取下實驗一中的檢偏器和功率計探頭。2.打開液晶驅(qū)動電源，將功能按鍵置于連續(xù)，將驅(qū)動電壓置于6V左右，等待幾分鐘，用白屏觀察液晶盒后光斑的變化情況。應(yīng)可觀察到類似光柵的衍射現(xiàn)象。3.仔細調(diào)整驅(qū)動電壓和液晶盒的角度，使衍射效果最佳。4.用尺子量出與衍射角相關(guān)的長度量，用光柵公式求出這個液晶“光柵”的光柵常數(shù)。五、觀察測量衍射斑的偏振狀態(tài)(選作)1.重復(fù)實驗四的1、2、3步。2.緊靠液晶盒放置檢偏器。3.用白屏觀察衍射斑。4.旋轉(zhuǎn)檢偏器，觀察各衍射斑的變化情況，指出其變化規(guī)律。數(shù)據(jù)及實驗現(xiàn)象記錄一、液晶扭曲角的測量：相應(yīng)數(shù)據(jù)二、對比度：相應(yīng)數(shù)據(jù)三、上升沿時間T1與下降沿時間T2的測量相應(yīng)數(shù)據(jù)相應(yīng)波形記錄(定性手繪)四、通過測量衍射角推算出特定條件下，液晶的結(jié)構(gòu)尺寸相應(yīng)數(shù)據(jù)五、觀察測量衍射斑的偏振狀態(tài)(選作)：現(xiàn)象描述

實驗4晶體的電光效應(yīng)實驗?zāi)康模?.掌握晶體電光調(diào)制的原理和實驗方法。2.學(xué)會利用實驗裝置測量晶體的半波電壓，并理解靜態(tài)工作點對電光調(diào)制特性的影響。3.觀察晶體電光效應(yīng)引起的晶體錐光干涉現(xiàn)象。實驗原理：一、折射率橢球nBnznynBnzny圖一晶體折射率橢球nAnx(nAnx式中，,為橢球三個主軸方向上的折射率，稱為主折射率(如圖一所示)。對于各向同性晶體，式(1)表示為一個球面；對于單軸晶體，式(1)表示為一個旋轉(zhuǎn)橢球面；對于雙軸晶體，式(1)表示為三軸橢球面。折射率橢球具有如下性質(zhì)：從折射率橢球的坐標原點O出發(fā)，向任意方向作一直線，令其代表光波的傳播方向。然后，通過O垂直作橢圓球的中心截面，該截面是一個橢圓，其長短半軸的長度和分別等于波法線沿、電位移矢量振動方向分別與和平行的兩個線偏振光的折射率和。顯然、、三者互相垂直，如果光波的傳播方向平行于x軸，則兩個線偏光波的折射率等于和。同樣當平行于軸和軸時，相應(yīng)的光波折射率亦可知。折射率橢球在非主軸坐標系中的普遍方程為：(2)二、鈮酸鋰晶體的一次電光效應(yīng)晶體在外界電場的作用下，由于極化而出現(xiàn)光學(xué)性能的改變，影響到光波在晶體中的傳播特性，這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。從微觀上來分析，這種現(xiàn)象的發(fā)生，就是足夠強的外電場已經(jīng)影響到晶體中的原子、分子的排列以及它們之間的相互作用。正是這種內(nèi)部的變化，使得晶體在宏觀上表現(xiàn)出光學(xué)性能的改變。表明光學(xué)性質(zhì)改變的一個重要標志就是晶體的折射率的空間分布發(fā)生了變化。這種變化可用一個非線性函數(shù)式表示：(3)其中i，j，k，l分別可取(1,2,3)，分別表示x、y、z三個方向，上式右邊第一項表明與E具有線性變化關(guān)系，被稱為線性電光效應(yīng)，也稱為一次電光效應(yīng)或泡克爾電光效應(yīng)（Pokells）；第二項表明與E的二次方成比例，這是三階非線性效應(yīng)，又稱為二次電光效應(yīng)或克爾效應(yīng)（Kerr）。在無對稱中心的晶體中（如鈮酸鋰晶體），由于，所以一次電光效應(yīng)比二次電光效應(yīng)要顯著的多。電極電極通光面Z圖二YXl光軸d晶體的一次電光效應(yīng)可由(i=1..6,j=1..3，為電光系數(shù))來描述，它表示折射率橢球各系數(shù)(見式2)在不同方向外電場的作用下發(fā)生的線性變化。電極電極通光面Z圖二YXl光軸d本實驗只做晶體的橫向電光強度調(diào)制實驗Ex(如圖二)。晶體屬于三角晶系,3m晶類，為單軸晶體。在未加電場時且光軸與Z軸重合時，其折射率橢球方程為:Ex(4)式中和分別為尋常光和非尋常光的折射率，在主軸x、y、z方向上的主折射率分別為：；；。加上電場后折射率橢球發(fā)生畸變，對于晶體，由于晶體的對稱性，其電光系數(shù)矩陣形式為：(5)當X軸方向加電場且光沿Z軸方向傳播時，晶體由單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體，垂直于光軸Z方向折射率橢球截面由圓變?yōu)闄E圓，新折射率橢球方程為：(6)用z=0平面與該橢球相截，其截面為一橢圓：XYX′YXYX′Y′nono45o圖三LiNbO3晶體在加電場Ex前（實線）后（虛線）折射率橢球截面的變化Ex進行主軸變換后得到：(8)和分別為加電場后新折射率橢球的主軸，稱為感應(yīng)主軸，是由x，y軸繞z軸旋轉(zhuǎn)得到的（如圖三所示）?？紤]到<<1，經(jīng)化簡得到相應(yīng)的感應(yīng)主折射率為：(9)于是新的折射率橢球方程為：(10)圖四為典型的利用晶體橫向電光效應(yīng)原理的激光強度調(diào)制器。圖四晶體橫向電光效應(yīng)原理圖其中起偏器的偏振方向平行于電光晶體的X軸，檢偏器的偏振方向平行于Y軸。因此入射光經(jīng)起偏器后變?yōu)檎駝臃较蚱叫杏赬軸的線偏振光，它在晶體的感應(yīng)主軸和軸上的投影的振幅和位相均相等，設(shè)分別為(11)或用復(fù)振幅的表示方法，將位于晶體表面(z=0)的光波表示為(12)所以,入射光的強度是(13)當光通過長為l的電光晶體后，在輸出面(z=l)處，和兩分量之間就產(chǎn)生位相差δ，即(14)通過檢偏器出射的光，是這兩分量在y軸上的投影之和(15)其對應(yīng)的輸出光強，可寫成(16)由(13)、(16)式，光強透過率T和位相延遲分別為(17)(18)其中V為所加電場的電壓，l為晶體沿光軸方向的長度，d為晶體沿電場方向的厚度。由此可見，δ和V有關(guān)，當電壓增加到某一值時，、方向的偏振光經(jīng)過晶體后產(chǎn)生的位相差(的光程差)，此時T=100%，我們稱這一電壓為半波電壓，通常用或表示。是描述晶體電光效應(yīng)的重要參數(shù)，在實驗中，這個電壓越小越好，如果小，需要的調(diào)制信號電壓也小，根據(jù)半波電壓值，我們可以估計出電光效應(yīng)控制透過強度所需電壓。由(18)式(19)由(18)、(19)式(20)因此，將(17)式改寫成(21)其中是直流偏壓，是交流調(diào)制信號，是其振幅，是調(diào)制頻率，從(21)式可以看出，改變或輸出特性，透過率將相應(yīng)的發(fā)生變化。由于對單色光，為常數(shù)，因而T將僅隨晶體上所加電壓V變化，如圖四所示，T與V的關(guān)系是非線性的，若工作點選擇不適合，會使輸出信號發(fā)生畸變。但在附近有一近似直線部分，這一直線部分稱作線性工作區(qū)，由上式可以看出：當時，。TT10.5OT~U曲線U/V調(diào)制信號時間圖五T~U關(guān)系曲線1．改變直流偏壓選擇工作點對輸出特性的影響(1)當，時,將工作點選定在線性工作區(qū)的中心處,此時,可獲得較高頻率的線性調(diào)制,把代入(16)式，得(22)當時(23)即。這時，調(diào)制器輸出的波形和調(diào)制信號波形的頻率相同，即線性調(diào)制。(2)當時調(diào)制器的工作點雖然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足小信號調(diào)制的要求，(22)式不能寫成公式(23)的形式，此時的透射率函數(shù)(22)應(yīng)展開成貝賽爾函數(shù)，即由(22)式(24)由(24)式可以看出，輸出的光束除包含交流的基波外，還含有奇次諧波。此時，調(diào)制信號的幅度較大，奇次諧波不能忽略。因此，這時雖然工作點選定在線性區(qū)，輸出波形仍然失真。(3)當,時，把代入(16)式(25)即。從(25)式可以看出，輸出光是調(diào)制信號頻率的二倍，即產(chǎn)生“倍頻”失真。若把代入(21)式，經(jīng)類似的推導(dǎo)，可得(26)即“倍頻”失真。這時看到的仍是“倍頻”失真的波形。(4)直流偏壓在附近或零附近變化時，由于工作點不在線性工作區(qū)，輸出波形將分別出現(xiàn)上下失真。綜上所述，電光調(diào)制是利用晶體的雙折射現(xiàn)象，將入射的線偏振光分解成o光和e光，利用晶體的電光效應(yīng)改變晶體的折射率，從而控制兩個振動分量形成的位相差，再利用光的相干原理兩束光疊加，從而實現(xiàn)光強度的調(diào)制。晶體的電光效應(yīng)靈明度極高，調(diào)制信號頻率最高可達Hz，因此在激光通信、激光顯示等領(lǐng)域內(nèi)，電光調(diào)制得到非常廣泛的應(yīng)用。三、錐光干涉錐光干涉也稱為匯聚光或發(fā)散光的干涉。若起偏器前加以個短焦距的聚光透鏡，使其焦點恰在晶片的后表面，則在晶體中形成發(fā)散錐光光束，到達檢偏器后便產(chǎn)生干涉圖樣。1.單軸晶體的光軸干涉圖將垂直光軸切割的單軸晶置于錐光干涉的光路中就可觀察到由黑十字和許多同心干涉環(huán)組成的光軸干涉圖，其中黑十字的兩臂分別平行起偏器和檢偏器的偏振軸方向。干涉圖的成因：把進入晶片的發(fā)散光錐看作許多以不同角度入射的平行光束，每條光束總能找到這樣兩條間隔適當?shù)钠叫泄饩€，使其入射角可以看作相等，如圖六中入射角為的AB和兩條光線，且AB的e光和的o光在從晶片出射時(E點)恰好相遇。從而使這兩條光線在透過晶片后在空氣中形成含有AB的e光和的o光的一條EF光線，并保持恒定的位相差向前傳播：(27)式中，l為晶片厚度；為AB和光線的入射角。EF光線中的e光和o光到達檢偏器發(fā)生干涉。其強度滿足(28)式，(28)當(或)時，＝0，干涉最暗；當(或)時，最大使干涉最強。對于某一確定角相鄰二平行光線，在三維空間中形成一個等位相差的圓錐。由(27)式知，錐光中角不同的光束，值也不相同，使隨的不同出現(xiàn)強弱變化。因此錐光干涉圖中形成明暗相間的干涉圓環(huán)。由(28)式知，在形成的亮環(huán)中，干涉強度又由角決定。在時，=0，即o光的振動方向(或e光的振動方向)與起偏器(或檢偏器)方向一致或垂直時有四個消光位置，從而與暗環(huán)連成沿起、檢偏器方向的黑十字臂。由于沿光軸方向傳播的光不產(chǎn)生光程差，即，因此干涉圖中黑十字的中心永遠是黑暗的。θθ1θ1θ2θ2ABA1CC1光軸B1DD1EMlFNe光o光圖六單軸晶體的錐光干涉2.雙軸晶體的銳角等分線錐光干涉雙軸晶體的銳角等分線錐光干涉成因與單軸晶體的錐光干涉相似。有如下特點：(1)當雙軸晶體的兩光軸出露點的連線與起偏器的偏振軸方向平行時，干涉圖出現(xiàn)黑十字。此時黑十字較細的臂平行起偏器，較粗的臂垂直起偏器。(2)轉(zhuǎn)動雙軸晶體，使兩光軸出露點連線偏離起偏器方向，視域中心變亮，黑十字被破壞。當兩光軸出露點聯(lián)線與起偏器成45o角時，形成標準的雙曲線，且兩條雙曲線的頂點恰是兩個光軸的出露點。繼續(xù)轉(zhuǎn)動雙軸晶體，雙曲線又被破壞，直到兩光軸出露點聯(lián)線與檢偏器方向平行時，又形成黑十字，此時與第一次出現(xiàn)的黑十字的粗細臂互換位置。轉(zhuǎn)動晶體一周出現(xiàn)四次黑十字。(3)除黑十字以外的其它空間形成兩套干涉環(huán)，它們都是以光軸為中心，開始是圓形，向外逐漸是似卵形，再向外呈“∞”形。實驗儀器：光學(xué)實驗導(dǎo)軌(800mm)一根，半導(dǎo)體激光器(650nm，4mW)一臺，OPT-1A功率指示計一臺，偏振片兩個(起偏器、檢偏器)，四分之一波片一個，鈮酸鋰晶體(5×5×30mm3)附件及JTDG1110型晶體驅(qū)動電源一套，可調(diào)擴束鏡一個，光電二極管探頭，白屏一個，雙蹤示波器一臺。實驗內(nèi)容及步驟：一、研究LN晶體的電光特性和參數(shù)將半導(dǎo)體激光器、起偏器、檢偏器、白屏依次擺放。連接半導(dǎo)體激光器電源（在激光功率計后面板上）。打開激光功率指示計電源，調(diào)整系統(tǒng)光路，使光學(xué)元件盡量與激光束等高、同軸、垂直。旋轉(zhuǎn)起偏器、檢偏器，使透過的光盡量強一些,記錄下系統(tǒng)輸出最大的光功率Po。旋轉(zhuǎn)檢偏器使白屏上的光點盡量弱。這時起偏器與檢偏器相互垂直，系統(tǒng)進入消光的狀態(tài)。將LN晶體放置于起偏器與檢偏器之間，連接晶體驅(qū)動電源（千萬不可插錯位），將驅(qū)動電壓旋鈕逆時針旋至最低。調(diào)整LN晶體高度和方向盡量使LN晶體與光束同軸、垂直。將晶體驅(qū)動電源的電壓調(diào)至最低，狀態(tài)開關(guān)打到直流狀態(tài)，取下白屏換上激光功率計探頭。仔細調(diào)整LN晶體的角度和方位，盡量使激光功率計上的功率最小（理論上講，LN晶體的加入應(yīng)對系統(tǒng)的消光狀態(tài)無影響，但由于LN晶體本身固有的缺陷和激光光束的品質(zhì)問題，系統(tǒng)消光狀態(tài)將會變化），記下此時的光功率值Pmin順時針旋轉(zhuǎn)