棱鏡耦合測量系統

實驗二十六棱鏡耦合測量系統的安裝和M線的調試實驗目的掌握棱鏡耦合理論掌握和熟悉棱鏡耦合測量系統的安裝和調試調試和觀察到m線，區(qū)分導模和輻射模實驗原理1三層平板波導中的導模一個均勻的三層平板波導如下圖所示，它是由低折射率襯底和包層及高折射率波膜構成的，若假設波膜，襯底和包層的折射率分別為，和，則＞≥。包層通常為空氣，即=1圖1光波導當光線在波膜—包層的界面（上界面）及薄膜--襯底的界面(下界面）反復地發(fā)生全反射時，光波就限制在上、下界面之間按照鋸齒形的路線沿著與界面平行的方向（圖中Z軸方向）傳播形成導模。下面，我們進一步分析鋸齒形射線的傳播，并說明，鋸齒形射線與界面的夾角只能取有限個離散值，相應的導模模式只能是有限個。鋸齒形光線實際上是在薄膜內互相疊加的兩個均勻平面波，一個是斜向上傳播的，另一個是斜向下傳播的，它們的波面的法線即如圖所示的鋸齒形光線。平面波的波數，其中為自由空間中的常數，為自由空間中的波長，波矢量沿Z方向的分量（寫作）為：（1）而X方向的分量則分為這里（2）正負號分別相應于斜向上和斜向下傳播的光波。所以光波從波膜下界面出發(fā)向上行進到波膜上界面，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與原先從下界面出發(fā)的光波疊加在一起。要發(fā)生相互加強，這兩個光波的相位差應該等于的整數倍。這個維持導模的條件亦稱為橫向共振條件，也就是在橫向形成駐波的條件，對于厚度為d的薄膜，光波從下界面行進到上界面的相移是。在薄膜上界面的全反射相移是，從上界面橫過薄膜返回到下界面的相移是，在薄膜下界面的全發(fā)射相移是，因此，光波能在薄膜中傳播的條件，亦即平板波導中能形成導模的條件是：式中叫做模的階數，取以零開始的有限個正整數，上式可改寫為：（3）稱為平板波導的模方程，亦稱平板波導的模式本征值方程或平板波導的色散方程。該方程的未知數是或，對于給定的，就有確定的或，相應的叫做階導模的傳播常數，叫做階導模的模角。l利用全反射相移的公式，可知：（TE模）（TM模）（TE模）（TM模）將，的表示代入式（3），就得到兩種偏振態(tài)的平板波導模式的本征值方程。對TE模有(4)式中（5）(6)(7)對TM模，有（8）在導波光學中，丁一波導的模折射率或有效折射率（9）那么（10）（11）（12）實驗內容及步驟調節(jié)激光器的高度、俯仰和水平方位角，使激光束基本與導軌平行并通過轉盤中心，入射到棱鏡斜面上。耦合光斑的穩(wěn)定調節(jié)。調整棱鏡---波導系統在轉盤上的位置。使得輸入棱鏡的直角底位于轉盤中心附近，激光束在棱鏡底形成的光斑（稱耦合光斑）接近直角棱鏡的壓力點處，慢慢轉動轉盤，當角度適當時可以在屏上觀察到線。為了有效激勵波導所有可能的模式，當轉盤在所有導模的角度范圍內轉動時，應保持光斑不動，再不同角度上反復調節(jié)棱鏡在轉盤上的位置，可得到穩(wěn)定的耦合光斑。觀察線。緩慢轉動轉盤，線的中心亮斑會從一條線轉移到另一條線。注意光斑移動的方向。根據耦合角的大小辨別基模和高次模，數出線的條數。實驗數據思考題棱鏡耦合系統中輻射模和導模的能量是如何交換的？答;由于棱鏡底部空氣間隙層很薄，且在反射作用下空氣-薄膜界面形成一相反的迅衰場。正是用語這兩個相反的迅衰場的作用，才入射光耦合進波導。這一過程是可逆的，即介質波導中的導模功率也能轉化成為棱鏡介質中的空間光束。為什么在顯示屏上觀測到的是一組亮線，而不是一根亮線，這些亮