目 录
实验一 用法布里－珀罗（F-P）干涉仪测量钠黄双线的波长差................- 1 -
实验二 偏振光实验 .........................................................................................- 6 -
实验三 电光调制实验 ...................................................................................- 13 -
实验四 磁光调制实验 ...................................................................................- 22 -
实验五 声光调制实验 ...................................................................................- 32 -
实验六 氦氖激光束光斑大小和发散角的测量 ...........................................- 40 -
实验七 氦氖激光器的模式分析 ...................................................................- 45 -
实验八 LD/LED 的 P-I-V 特性曲线测试 .....................................................- 52 -
实验九 光电探测原理实验（上） ...............................................................- 58 -
实验十 光电探测原理实验（下） ...............................................................- 64 -
实验一 用法布里－珀罗（F-P）干涉仪测量钠黄双线的波长差
【实验目的】
1、 了解 F-P 干涉仪的结构，掌握调节与使用 F-P 干涉仪的方法；
2、 用 F-P 干涉仪测定钠黄双线的波长差。
【仪器和装置】
两块内侧面镀高反射膜的光学玻璃板。其中一块固定位置安装，另一块由测微螺旋经 20:1
（50:1）机械传动装置控制移动，并由预置螺旋控制，实验前可按实验需要将动镜预置到某
一位置。
光源是低压钠灯，通过毛玻璃可形成扩展的面光源。
助视工具是一个小型显微镜，配升降调节磁性座。仪器装置见图 1
图 1 实验仪器图
【主要技术指标】
反射镜： 30mm, 平面度 1/20Ⅰ
移动镜预置螺旋：最小分度值 ，行程 10mm
测微螺旋精度：最小分度值 ，估读
测量精度 最小读数值 ,行程 （20:1）
最小读数值 ,行程 （50:1）
低压钠光源：20W
【实验原理】
法布里－珀罗（F-P）干涉仪是根据平行
平面板反射单色光的多光束叠加产生细窄
明亮干涉条纹的基本原理制造的，如图 2 所
示，F-P 干涉仪的主要部件是两块各有一面
镀高反射膜的玻璃板 G1 和 G2，使镀膜面相
对，夹一层厚度均匀的空气膜，利用这层空
气膜就能够产生多光束干涉现象。来自光
源任一点的单色光以入射角 照射到平行
板上，这时透射光是许多透过平板的平行
光束
的叠加。任一对相邻光束的光程差为
并且由计算得出，透射光束叠加后的光强
式中 R 是反射率。这个结果表明，I' 随 改变而变化。并且，当
时 I' 为极大值。当
时，I' 为极小值。
【实验内容及步骤】
一、实验准备，观察多光束干涉条纹
1、 光学实验平台上，放置 F-P 干涉仪使其面向实验者，仪器中心离实验台边缘约 40cm 并将
仪器的两个磁性底座锁紧。转动预置螺旋，直到 Gl 和 G2 两个镜面相距约 1mm （注意：
切勿使两镜相碰）。
2、 低压钠灯 S 安置在光路中的适当位置，取下毛玻璃屏，插入灯窗挡板至钠灯，通过灯窗
挡板小孔的光束在两个镜面之间反射形成一系列光点，需用镜子的调节旋钮消除镜面间的
2
2
0
sin
)1(
4
1
1
R
R
II
)2,1,0 Ⅰ mm （
)2,1,0(2/)12( Ⅰ mm
cos2nd
图 2 干涉原理图
倾斜角，使正对镜面观察时这些光点是重合的，表明两镜面已近乎平行。此时通过 F-P 干
涉仪镜面已可看见干涉条纹。
3、 离 F—P 干涉仪镜面约 10cm 处放置 f=45 透镜，离透镜约 20cm（两底座之间）处放置小
型显微镜。此时取下灯窗挡板，再在 F-P 干涉仪上插入毛玻璃屏 FG 形成面光源，就能够
从该系统（图 3）的轴向观察到一系列明亮细锐的多光束干涉圆环。经过更细致的调节，
当圆环很清晰且干涉环不随眼睛的移动发生直径大小的变化，表明两个镜面已经严格平行
了。
图 3 观察多光束干涉条纹
二、测定钠黄双线的波长差
照亮毛玻璃屏 FG 的钠灯发出的两种波长的黄光各产生一套同心的圆形干涉条纹。预置
螺旋和透镜不动，调节测微螺旋，在移动动镜改变 G1 和 G2 距离（注意勿使两镜相碰）的过
程中，可以发现，在某长度上，这两套干涉环会重叠起来，此时干涉环看起来最为稀疏；而
在另一长度上，一套干涉环恰好夹在另一套干涉环中间，此时干涉环看起来最为密集。仔细
操作，可以相当准确地测定这一居中位置。
根据前面实验原理，透射光的加强条件为
若只考虑环系的中心处（cos ＝1），当一环系位于另一环系中间时则有
(1)
其中Ⅰ1 ＞ Ⅰ2。当动镜继续移动，经过二环系重合，再度居中时，
(2)
)(cos2 极大 md
21111 2
1
2
mmd
22122 2
1
12
mmd
从(2)式减去(1)式，得到
若Ⅰ1 和 Ⅰ2 波长差很小，近于相等，则得
(3)
其中 或可为二波长平均值的平方 。对钠黄双线，可取（589．3nm）2。实验时，转动测
微螺旋（适当配合预置螺旋），先使 G1 和 G2 两镜逐渐靠近，直到几乎接触（但不可相碰），
此时钠黄光产生的两个干涉环系实际上相重合。随着动镜逐渐移开，两个环系也逐渐分开，
直到一环系恰好位于另一环系中间时，记下测微螺旋读数Ｄl，继续移远动镜，两个环系经过
重合又分开，当一环系再次恰好位于另一环系中间位置时，记下测微螺旋读数Ｄ2（如图 4）。
图 4 读数示意图
因实验测得微螺旋读数（Ｄ2－Ｄl）是与玻璃板 G1 和 G2 距离（d2－dl）之比为 K=20:1
（50:1），因此在处理数据时公式(3)中的（d2－dl）＝（Ｄ2－Ｄl）／K，代入公式经计算，即
可得钠黄双线波长差。本实验宜进行多次测量取平均值。
图 5 实验光路图
2212112122 mmmmdd
12
2
1
21 2 dd
2
1
2
m
两 环 互 相 居
中测量 D1
两环相互靠近 两 环 再 次 居
中测量 D2
在光路中加入一个小型显微镜 M，对观测工作更有利（如图 5）。它将干涉圆环经过透镜
L 成的实像放大成虚像。
【数据记录及处理】
表 1 实验数据表
Ｄl Ｄ2 Ｄ2－Ｄl d2－dl
第一组
第二组
第三组
平均值
代入公式（3）计算出钠双线波长差 。
【实验注意事项】
1、 仪器轻拿轻放，防止碰撞和震动，以防止两镜面擦伤。
2、 禁止用手触及光学零件的透光表面。
3、 转动测微螺旋和调节螺丝时动作要轻，不要急促右斜向用力。
4、 移动钠灯时需一手持灯体一手托底座。
5、 禁止调节 F-P 干涉仪后面一个镜面。
2 1d d
21
实验二 偏振光实验
【实验目的】
1、 加深对布儒斯特角定义和马吕斯定律的理解；
2、 了解半波片的作用；
3、 通过检测 1/4 波片位相延迟角，熟悉偏振光干涉原理。
【实验仪器及装置】
导轨、氦氖激光器、光学测角台、透镜、波片、偏振片、光电探头、光电流放大器等
【实验内容及步骤】
一、测量布儒斯特角
按图 1 所示在光具座上布置光路。使 He-Ne 激光发出的细光束通过一个偏振轴为水平方
向的起偏器之后，照射立在光学测角台上的黑玻璃镜，转动测角台，使反射光束原路返回，
以此位置为零度，再转动测角台，使入射角约达 56Ⅰ~57Ⅰ时锁紧度盘，利用滑动座升降微调
装置适当降低测角台，然后放松转动臂，在光电探头随着转臂缓慢转动过程中测量反射光的
相对光强。经反复观测，找到反射光为最暗（甚至为零）的位置，其入射角B 就是布儒斯特
角。
图 1 测量布儒斯特角
【数据记录及处理】
表 1 布儒斯特角实验数据表
二、马吕斯定律
如果光源中的任一波列（用振动平面 E 表示）投射在起偏器 P 上（图 2），只有相当于它
的成分之一的 Ey（平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成分 Ex （＝Ecos）则被吸收。
若投射在检偏器 A 上的线偏振光的振幅为 Eo，则透过 A 的振幅为 E0cos （这里 是 P 与
A 偏振方向之间的夹角）。由于光强与振幅的平方成正比，所以透射光强 I 随 而变化的关系
为
这就是马吕斯定律。
实验步骤：让激光束垂直通过起偏器成为偏振光，用检偏器检查时，使两个偏振器的透
振方向的夹角在 从 0Ⅰ转动一周的过程中，用连接光电流放大器的探头测量透射光强的相
对值 I，每 10Ⅰ或 15Ⅰ读取一次数据。然后画出 I~ 关系曲线。
图 2 起偏器
【数据记录及处理】
表 2 马吕斯定律实验数据表
q 0 o 15 o 30 o 45 o 60 o 75 o 90 o 105
o
120
o
135
o
150
o
165
o
I
q 180
o
195
o
210
o
225
o
240
o
255
o
270
o
285
o
300
o
315
o
330
o
345
o
I
第一次 第二次 第三次 平均值
布儒斯特角B
20 cosII
三、半波片的作用
光束进入双折射晶体时被分成符合折射定律的寻常光（o 光）和不符合折射定律的非寻
常光（e 光）。o 光和 e 光都是偏振光，但在晶体内有不同的波速，因此通过厚度一定的晶片
时光程也不同。设晶片厚度为 d，o 光和 e 光通过晶片后就有相位差
式中Ⅰ表示光的波长，no 和 ne 表示该晶片对 o 光和 e 光的折射率。使 = (2k+1) (k=0, Ⅰ1, Ⅰ
2…)的波片为半波片，它能使 o 光和 e 光发生相位差Ⅰ。 符合使 = (2k+1)/2 (k=0, Ⅰ1, Ⅰ
2…)条件的波片为 1／4 波片。波片的光轴平行于晶片的表面，在圆框上用短线标出。
实验步骤：激光束通过起偏器 P 变成线偏振光，将检偏器 A 的透振方向定在屏 C 上光斑
为最暗的角度上，然后在 P 和 A 之间加入半波片 H （如图 3 所示）。使 H 绕水平轴转动 360，
同时观察 C 上发生消光现象的次数并作解释；再进一步，使激光束的入射面与检偏器正交，
加入 H 后，将其旋转到 C 上消光位置，从该位置开始，将 H 分别转动 15Ⅰ、30Ⅰ、45Ⅰ、
60Ⅰ、75Ⅰ和 90Ⅰ，相应地将 A 逐次转到消光位置，列表记录每次 A 需要转动的角度。从实
验结果总结出平面偏振光通过半波片后，振动面的变化规律，并予以解释。
图 3 实验光路图
【数据记录及处理】
表 3 半波片实验数据表
一、H 转动 360 o C 上消光次数： 得出结论：
二、H 转动角度： 15 o 30 o 45 o 60 o 75 o 90 o
dnn eo
2
＝
激光器 起 偏 器
P
1/2 波片 H 检偏器 A 光 屏
C
A 转动角度：
得出结论：
四、1／4 波片与椭圆偏振光、圆偏振光
当振幅为 A 的面偏振光入射到石英晶体做成的波片时，若振动方向与波片光轴夹Ⅰ角，
在直角坐标系内，o 光和 e 光的振幅分别为 Ao＝A sinⅠ 和 Ae＝A cosⅠ。从波片出射后的 o 光
和 e 光的振动可以用两个互相垂直、同频率、有固定相位差的简谐振动方程表示，二者的合
振动方程为椭圆方程，合振动矢量的端点轨迹一般为椭圆（如图 4 所示），所以称作椭圆偏振
光。其中有个特殊情况，即 ＝Ⅰ／4，o 光和 e 光振幅相等，合振动矢量的端点轨迹是圆，
椭圆偏振光退化为圆偏振光，用检偏器检验，波片的透射光强是不变的。
图 4 椭圆偏振光形成图
实验步骤：光路与图 3 类似，只是更换了波片。使通过 P 的线偏振光与 A 正交，C 上光
斑达到最暗，然后在 P 和 A 之间加入 1/4 波片 Q，直到 C 上光斑最暗，从这个消光位置开始，
每当 Q 转动 15Ⅰ、30Ⅰ、45Ⅰ、60Ⅰ、75Ⅰ、和 90Ⅰ时，都将 A 转动 360Ⅰ。根据屏上或光电
接收装置显示的光强变化记录，可以判断通过 1/4 波片的透射光的偏振态（限于平面偏振光、
椭圆偏振光和圆偏振光）。
【数据记录及处理】
表 3 1／4 波片实验数据图
Q 转动角度： 光强变化现象 结论（透射光的偏振态）
15 o
30 o
45 o
60 o
75 o
90 o
五、1/4 波片位相延迟角检测
平行偏振光干涉光路如图 3 所示，P、Q、A 分别为起偏器、1/4 波片、检偏器，Ⅰ、分
别是 P、 A 的透光轴方向与波片快轴方向的夹角。如图 4 所示，通过检偏器 A 的两个分量的
振动方向相同、位相差一定，因而发生干涉，干涉后的强度可表示为
(1)
式中 I0 是透过起偏器 P 的光强。
对于某一确定的Ⅰ值，当检偏器 A 透光方向与波片透射的椭圆偏振光的长轴方向一致时，
检偏器的透射干涉光强应有最大值 Imax。如果与 Imax 对应的为m，为了确定m 与的关系，
可由（1）式
得到
(2)
2 20 cos sin 2 sin 2 sin 2
I I
0
m
d
dI
2
cos
2
mtg
tg
对待测 1/4 波片，选定Ⅰ值后，旋转检偏器测出透射光强最大m 的值，即可按式（2）计算 1/4
波片的位相延迟角。
我们注意到，当＝45Ⅰ时，有 tg2ⅠⅠⅠ，则不能用（2）计算。实际上，这时检偏器的
透射光强 ，无论取什么值，I 总是在Ⅰ＝45Ⅰ时有极大值 Imax，
因此，用本方法测量位相延迟角Ⅰ时，不能选取Ⅰ＝45Ⅰ。
从误差理论知道，若ⅠⅠ和ⅠⅠm 是Ⅰ和Ⅰm 的随机误差，则Ⅰ的均方根误差为
(3)
上式表明，ⅠⅠ和ⅠⅠ对Ⅰ的影响与和Ⅰ的值有关，并且Ⅰ从 0Ⅰ90Ⅰ以及从 180ⅠⅠ90Ⅰ而
单调减小。因此，当Ⅰ在ⅠⅠ2 附近，Ⅰ的测量精度最高，同理可得，当Ⅰ＝45Ⅰ附近时，Ⅰ的
测量误差却最大。
进一步分析表明，对于位相延迟角接近ⅠⅠ2 的波片，若取Ⅰ＝35Ⅰ或Ⅰ＝55Ⅰ左右，则测
量误差ⅠⅠ最小；而Ⅰ值偏离 35Ⅰ越远，误差越大，所以实测时，以选取Ⅰ＝35Ⅰ或Ⅰ＝55Ⅰ为
宜。
实验步骤：
1、 在如图 3 的实验装置中，取下 1/4 波片，旋转起偏器和检偏器，使它们的透光轴方向平行，
此时光电探测器的输出最大。
2、 在起偏器和检偏器之间放入待检测的 1/4 波片，并使 1/4 波片表面和系统光轴垂直，并尽
可能使其转动中心在系统的光轴上。转动 1/4 波片使其快轴（或慢轴）方向与起偏器和检
偏器透光轴方向一致。此时光电探测器输出最大。分别记下起偏器、1/4 波片、检偏器的
度盘指示值。
3、 转动起偏器，使其透光轴转过某一Ⅰ角（注意转动方向）。
4、 转动检偏器，找到平行偏振光干涉光强的最大值（即光电探测器输出最大值）位置。这时
检偏器透光轴转过的角度即为m （注意转动方向）.
5、 将Ⅰ、m 代入（2）式，计算待测 1/4 波片的位相延迟角Ⅰ。
cos2sin12/0 II
2 2
2 2
2
sin 4 sin 4
m
mtg
＝
对同一待测 1/4 波片，选用稍有不同的Ⅰ值进行多次测量，列出数据表格，计算不同Ⅰ值时的
位相延迟角及误差。
【数据记录及处理】
表 4 1/4 波片位相延迟角检测实验数据
第一次测量 第二次测量 第三次测量
Ⅰ Ⅰ Ⅰ
m m m
cosⅠ cosⅠ cosⅠ
Ⅰ Ⅰ Ⅰ
Ⅰ Ⅰ Ⅰ
【实验注意事项】
1、 仪器轻拿轻放，防止碰撞和震动，以防止镜面擦伤。
2、 禁止用手触及光学零件的透光表面。
3、 调 节 过 程 中 应 避 免 激 光 直 射 人 眼 ， 以 免 对 眼 睛 造 成 危 害 。
实验三 电光调制实验
【实验目的】
1、 掌握晶体电光调制的原理和实验方法；
2、 学会用实验装置测量晶体的半波电压，绘制晶体特性曲线，计算电光晶体的消光比和透射
率。
【仪器和装置】
电光调制实验系统由光路与电路两大单元组成，如图 1 所示：
图 1 电光调制实验系统结构
一、光路系统
由激光管（L）、起偏器(P)、电光晶体(LN)、检偏器(A)与光电接收组件(R)以及附加的减
光器(P1)和Ⅰ/4 波片(P2)等组装在精密光具座上，组成电光调制器的光路系统。
二、电路系统
注：Ⅰ 本系统仅提供半导体激光管(包括电源)作为光源，如使用氦
氖激光管或其他激光源时，需另加与其配套的电源．
Ⅰ 激光强度可由半导体激光器后背的电位器加以调节，故本系
统未提供减光器(P1)。
Ⅰ 本系统未提供Ⅰ/4 波片(P2)即可进行实验，如有必要可自行配置。
除光电转换接收部件外，其余包括激光电源、晶体偏置高压电源、交流调制信号发生、
偏压与光电流指示表等电路单元均组装在同一主控单元之中。
图 2 电路主控单元前面板
图 2 为电路单元的仪器面板图，其中各控制部件的作用如下：
Ⅰ 电源开关 用于控制主电源，接通时开关指示灯亮，同时对半导体激光器供电。
Ⅰ 晶体偏压开关 用于控制电光晶体的直流电场。（仅在打开电源开关后有效）
Ⅰ 偏压调节旋钮 调节直流偏置电压，用以改变晶体外加直流电场的大小。
Ⅰ 偏压极性开关 改变晶体的直流电场极性。
Ⅰ 偏压指示 数字显示晶体的直流偏置电压。
Ⅰ 指示方式开关 用于保持光强与偏压指示值，以便于读数。
Ⅰ 调制加载开关 用于对电光晶体施加内部的交流调制信号。（内置 1KHz 的正弦波）
Ⅰ 外调输入插座
用于对电光晶体施加外接的调制信号的插座。
（插入外来信号时内置信号自动断开）
Ⅰ 调制幅度旋钮 用于调节交流调制信号的幅度。
Ⅰ 调制监视插座 将调制信号输出送到示波器显示的插座。
Ⅰ 解调监视插座
将光电接收放大后的信号输出到示波器显示的插座，可与调制信号
进行比较。
Ⅰ 光强指示 数字显示经光电转换后的光电流相对值，可反映接收光强大小。
Ⅰ 解调幅度旋钮 用于调节解调监视或解调输出信号的幅度。
Ⅰ 解调输出插座 解调信号的输出插座，可直接送有源扬声器发声。
三、系统连接
1、光源 将半导体激光器电源线缆插入后面板的“至激光器”插座中。（如使用
He—Ne 激光管需另配套专用电源，其输出直流高压务必按正
负极性正确连接）。
2、晶体调制 由电光晶体的两极引出的专用电线插入后面板中间的两芯高压插座。
3、光电接收 将光电接收部件（位于光具座末端）的专用多芯电缆连接到电路主控
单元后面板“至接收器”的插座上，以便将光接收信号送到主控单元，
同时主控单元也为光电接收电路提供电源。
4、信号输出 光电接收信号由解调监视插座输出；主控单元中的内置信号（或外调
输入信号）由调制监视插座输出。两者分别送到双踪示波器，以便同
时显示波形，进行比较。
5、扬声器 将有源扬声器插入功率输出插座即可发声，音量由“解调幅度”控制。
6、交流电源 主控单元后面板右侧装有带开关的三芯标准电源插座，用以连接
220V 市电交流电源。
【实验原理】
某些晶体在外加电场的作用下，其折射率随外加电场的改变而发生变化的现象称为电光
效应，利用这一效应可以对透过介质的光束进行幅度、相位或频率的调制，构成电光调制器。
电光效应分为两种类型：
(1) 一级电光 （泡克尔斯——Pockels）效应，介质折射率变化正比于电场强度。
(2) 二级电光 （克尔——Kerr）效应，介质折射率变化与电场强度的平方成正比。
本实验使用铌酸理（LiNbO3 ）晶体作电光介质，组成横向调制（外加电场与光传播方向
垂直）的一级电光效应。
注：扬声器发声的音质与光路调整、晶体偏压、
调制幅度以及信号源的性能均有关联。
图 3 横向电光效应示意图
如图 3 所示，入射光方向平行于晶体光轴 （Z 轴方向），在平行于 X 轴的外加电场(E)作
用下，晶体的主轴 X 轴和 Y 轴绕 Z 轴旋转 45Ⅰ，形成新的主轴 X’轴 —Y’轴（Z 轴不变），
它们的感生折射率差为Ⅰn，它正比于所施加的电场强度 E：
式中 r 为与晶体结构及温度有关的参量，称为电光系数。
n0 为晶体对寻常光的折射率。
当一束线偏振光从长度为 l、厚度为 d 的晶体中出射时，由于晶体折射率的差异而使光波
经晶体后出射光的两振动分量会产生附加的相位差，它是外加电场 E 的函数：
(1)
式中Ⅰ为入射光波的波长；同时为测量方便起见，电场强度用晶体两面极间的电压来表
示，即 U=Ed。
当相位差 ＝ 时，所加电压
(2)
U 称为半波电压，它是一个用以表征电光调制电压对相位差影响的重要物理量。由(2)
式可见，半波电压 U 决定于入射光的波长Ⅰ、晶体材料和它的几何尺寸。由(1)、(2)式可得：
(3)
rEnn 30
3 3
0 0
2 2 2 l
nl n rE n r U
d
3
02
d
U U
n r l
0( )
U
U
U
式中0 为 U＝0 时的相位差值，它与晶体材料和切割的方式有关，对加工良好的纯净晶
体而言0＝0 。
图 4 为电光调制器的工作原理图。
由激光器发出的激光经起偏器 P 后只透射光波中平行其透振方向的振动分量，当该偏振
光 IP 垂直于电光晶体的通光表面入射时，如将光束分解成两个线偏振光，经过晶体后其 X 分
量与 Y 分量的相差为 (U)，然后光束再经检偏器 A，产生光强为 IA 的出射光。当起偏器与
检偏器的光轴正交(AⅠP)时，根据偏振原理可求得输出光强为：
图 4 电光调制器工作原理
(4)
式中 ，为 P 与 X 两光轴间的夹角。
若取Ⅰ＝土 45Ⅰ。，这时 U 对 IA 的调制作用最大，并且
(5)
再由（3）式可得
于是可画出输出光强 IA 与相位差 （或外加电压 U）的关系曲线，即 IA~ （U）或 IA~ U 如
下：
2 2 ( )sin 2 sin
2A P
U
I I
xP
2 ( )sin
2A P
U
I I
2sin
2A P
U
I I
U
图 5 光强与相位差（或电压）间的关系
由此可见：当 (U)＝2k ( 或 U＝2kU ) (k=0，Ⅰ1, Ⅰ2，Ⅰ)时，IA=0
当 (U)＝2k +1 或 U＝(2k+1) U 时，IA = IP
当 (U)为其它值时， IA 在 0~ IP 之间变化。
由于晶体受材料的缺陷和加工工艺的限制，光束通过晶体时还会受晶体的吸收和散射，
使两振动分量传播方向不完全重合，出射光截面也就不能重叠起来。
于是，即使在两偏振片处于正交状态，且在 的条件下，
当外加电压 U＝0 时，透射光强却不为 0，即 IA = Imin Ⅰ0
U＝U 时，透射光强却不为 IP，即 IA = Imax ⅠIP
由此需要引入另外两个特征参量：
消光比 透射率
式中，Io 为移去电光晶体后转动检偏器 A 得到的输出光强最大值。
M 愈大，T 愈接近于 1，表示晶体的电光性能愈佳。半波电压 U 、消光比 M、透光率 T
是表征电光介质品质的三个特征参量。
从图 5 可见，相位差在＝/2 或(U＝U /2 )附近时，光强 IA 与相位差 （或电压 U）
Ⅰ45 xP
min
max
I
I
M
0
max
I
I
T
呈线性关系，故从调制的实际意义上来说，电光调制器的工作点通常就选在该处附近。图 6
为外加偏置直流电压与交变电信号时光强调制的输出波形图。
由图 6 可见，选择工作点Ⅰ (U＝U /2 )时，输出波形最大且不失真。
选择工作点Ⅰ (U＝0 ) 或Ⅰ (U＝U )时，输出波形小且严重失真，同时输出信号的频率
为调制频率的两倍。
图
6 选择不同工作点时的输出波形
工作点的偏置可通过在光路中插入一个Ⅰ／4 波片其透光轴平行于电光晶体 X 轴 （相当
于附加一个固定相差 ＝/2 ）作为“光偏置”。但也可以加直流电压来实现。
【实验内容及步骤】
一、实验准备
1、 按图 1 的结构图在光具座上垂直放置好激光器和光电接收器（预先将光敏接收孔盖上）。
2、 所有滑动座中心全部调至零位，并用固定螺丝锁紧，使光器件初步共轴。
3、 光路准直：
（1） 打开激光电源，调节激光电位器使激光束有足够强度。调节激光器架上的三只夹持
螺钉使激光束基本保持水平，用直尺量激光器光源输出口高度与光电接收器中心高
度，使二者等高。此时激光器头部保持固定。
（2） 调节激光器尾部的夹持螺钉，使激光束的光点保持在接收器的塑盖中心位置上（去
除盖子则光强指示最大），此后激光器与接收器的位置不宜再动。
4、 插入起偏器 (P)，用白纸挡在起偏器后，调节起偏器的镜片架转角，使白纸上的光点亮
度在最亮和最暗中间，这时透光轴与垂直方向约成 P＝45Ⅰ。
5、 按系统连接方法将激光器、电光调制器、光电接收器等部件连接到位。将调制幅度和解
调幅度调至最大，晶体偏压调至零，关闭主控单元的晶体偏压电源开关。
6、 将调制监视与解调监视输出分别与双踪示波器的 Yi、Yii 输入端相连，打开主控单元的
电源，此时在接收器塑盖中心点应出现光点（去除盖子则光强指示表应有读数）。插入检
偏器(A)转动检偏器，使激光点消失，光强指示近于 0，表示此时检偏器与起偏器的光轴
己处于正交状态(PⅠ A)，这时透光轴与垂直方向约成 A＝45Ⅰ。此时检偏器与起偏器的
角度不宜再动。
7、 将电光晶体插入光具座，使激光束透过，适当调节电光晶体平台上三个调节螺丝，使反
射光斑打在激光器光源输出口附近，和起偏器的反射点基本水平，此时激光束基本正射
透过。调节电光晶体旋转镜片架角度，使接收光强应近于 0 （达到最小），应该在 以
下。此时从示波器观察应出现倍频现象，即解调信号频率是调制信号频率的两倍。
8、 打开主控单元的晶体偏压电源开关。
9、 必要时插入调节光强大小用的减光器 P1 和作为光偏置的／4 波片构成完整的光路系统。
（可选）
二、实验现象观察及数据测量
1、 观察电光调制现象
(1) 改变晶体偏压调节，观察输出光强指示的变化。
(2) 将晶体偏压调至 0（否则会损坏仪器），改变晶体偏压极性，观察输出光强指示的变
化。
2、 测量电光调制特性
(1) 作特性曲线
改变偏压极性之前，一定要将晶体偏压调至 0（否则会损坏仪器）。
将直流偏压加载到晶体上，从 0 到允许的最大偏压值逐渐改变电压(U)，测出对应于每
注： ·为使激光能正射透过晶体，必需反复对激光、晶体与光电接
收孔者加以准立调整．
·为获得较好的实验效果，光量宜调节在光强指示表为 (最
小)至 5．8(最大)的读数范围之内．
一偏压指示值的相对光强指示值，作 IA~ U 曲线，得到调制器静态特性。其中光电流有极大
值 Imax 和极小值 Imin。正偏压和负偏压各做一组值。
如此时解调波形非正弦波，出现失真，说明激光器输出光功率过大，应微调激光器尾部
旋扭使光功率略微减小。再重新测量曲线。
(2) 测半波电压
与 Imax 对应的偏压 U 即为被测的半波电压 U 值。
(3) 计算电光晶体的消光比和透光率
由光电流的极大、极小值得：
消光比
将电光晶体从光路中取出，旋转检偏器 A，测出最大光强值 I0，可计算：
透射率
三、电光调制与光通讯实验演示（可选做）
将音频信号（来自广播收音机、录音机、CD 机等音源）输入到本机的“外调输入”插座，
将扬声器插入“解调输出”插座，加晶体偏压至调制特性曲线的线性区域，适当调节调制幅度
与解调幅度，即可使扬声器播放出音响节目（示波器也可同时监视）。
改变偏压试听扬声器音量与音质的变化。
【实验注意事项】
1、 为防止强激光束长时间照射而导致光敏管疲劳或损坏，调节或使用好后应随即用塑盖将
光电接收孔盖好。
2、 本实验使用的晶体根据其绝缘性能最大安全电压约为 510V 左右，超值易损坏晶体。
3、 调节过程中应避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。
4、 加偏压时应从 0 伏起逐渐缓慢增加至最大值，反极性时也应先退回到 0 值后再升压。
5、 调节半导体激光器功率时，不要用力过大而损坏功率调节旋钮。
min
max
I
I
M
0
max
I
I
T
注：测量 I0 值时应控制光量大小不使光敏接收进入饱和状态。
实验四 磁光调制实验
【实验目的】
1、 了解磁光调制实验原理；
2、 研究磁场与光场相互作用的物理过程；
3、 测量磁光效应的旋光特性和调制特性。
【实验原理】
1、 磁光效应
当平面偏振光穿透某种介质时，若在沿平行于光的传播方向施加一磁场，光波的偏振
面会发生旋转，实验表明其旋转角 正比于外加的磁场强度 B，这种现象称为法拉第(Fmday)
效应，也称磁致旋光效应，简称磁光效应。即：
(1)
式中 l 为光波在介质中的路径， 为表征磁致旋光效应特征的比例系数，称为维尔德
(Vedet)常数。由于磁致旋光的偏振方向会使反射光引起的旋角加倍，而与光的传播方向无
关，利用这一特性在激光技术中可制成具有光调制、光开关、光隔离、光偏转等功能性磁
光器件，其中磁光调制为其最典型的一种。
图 1 磁光效应示意图
如图 1 所示，在磁光介质的外围加一个励磁线圈就构成基本的磁光调制器件。
Bl
LASER
l
介介介介
介介介介
介介介介 介介介P 介介介A
介介介
介介介介
2、 直流磁光调制
当线偏振光平行于外磁场入射磁光介质的表面时，偏振光的光强 I 可以分解成如图 2
所示的左旋圆偏振光 IL 和右旋圆偏振光 IR （两者旋转方向相反）。由于介质对两者具有不
同的折射率 nL 和 nR，当它们穿过厚度为 l 的介质后分别产生不同的相位差，体现在角位移
上有：
式中Ⅰ为光波波长，因
(2)
如折射率差（nL nR）正比于磁场强度 B，其中磁场强度与线圈匝数等因素有关，通过(1)
式，由值与测得的 B 与 l 求出维尔德常数。
图 2 入射光偏振面的旋转移动
3、 交流磁光调制
用一交流电信号对励磁线圈进行激励，使其对介质产生一交变磁场，就组成了交流（信
号）磁光调制器（此时的励磁线圈称为调制线圈），在线圈末通电流并且不计光损耗的情况下，
设起偏器 P 的线偏振光振幅为 A0，则 A0 可分解为 A0cos 及 A0sin两垂直分量，其中只有平
行于 A 平面的 A0cos分量才能通过检偏器，故有输出光强
（马吕斯定律）
ln
ln
RR
LL
2
2
RL
1
2 L R L R
n n l
220
2
0 coscos AAI
其中 为其光强。
式中为起偏器 P 与检偏器 A 主截面之间的夹角，I0 为光强的幅值，当线圈通以交流电
信号 时，设调制线圈产生的磁场为 则介质相应地会产生旋转角
，则从检偏器输出的光强为：
(3)
由此可知光输出可以是调制波的倍频信号。
以上就是磁信号致使入射光旋光角变化从而完成对输出光强调制的基本原理。
4、 磁光调制的基本参量
磁光调制时性能主要由以下两个基本参量来描述。
(1) 调制深度
(4)
式中 Imax 和 Imin,分别为调制输出光强的最大和最小值, 在 的条件下，参照图 3
应用倍角公式，由（3）式得到在 时的输出光强分别为
(5)
如图 3 所示：
图 3 调制光强幅度随旋光角变化的情况
2
00 AI
tii sin0 tsin0BB
t sin0
tIIII sin2cos1
2
2cos1
2
cos 0
002
0
minmax
minmax
II
II
2
0
Ⅰ
2cos1
2
2cos1
2
0
min
0
max
I
I
I
I
(2) 调制角幅度 0
令 IA=ImaxImin 为光强调制幅度将（5）式代入化简得
由 此 可 见 ， 若 起 偏 器 P 与 检 偏 器 A 主 截 面 间 夹 角 ＝ 45Ⅰ 时 ， 调 制 幅 度 可 达
。
此时调制输出的极值光强为：
(6)
将此式代入（4）式得＝45Ⅰ时的调制深度和调制角幅度：
(7)
【实验仪器及装置】
磁光调制器系统结构由两大单元组成，如图 4 所示。
图 4 磁光调制器系统结构
2sin2sin0II A
2sin0max II
2sin1
2
2sin1
2
0
min
0
max
I
I
I
I
sin 2
minmax
minmax1
0 sin2
1
II
II
一、光路系统
由激光管(L)、起偏器(P)、带调制线圈的磁光介质(TG 或 ZF6)、有测角装置的检偏器(A)、
检偏器与光电转换成一体的接收单元(R)以及附加的减光器(P1)和直流励磁的电磁铁(M)等组
装在精密光具座上，组成磁光调制器的光路系统(图 4)。
光电接收器组件前部的检偏器(A)有两个刻度盘，位于前端的圆盘，其四周由四档 0~90Ⅰ
的刻度盘构成（以 Ⅰ分度）。旋转带光孔和刻线的锥体可调圆盘用以粗调检偏器的角度，
后面的精密测微量角器，用以细调检偏器的旋角，如图 5 所示。
图 5 检偏与电光接收组件
二、电路系统
除激光电源与光电转换接收部件，其余电路组装在主控单元中（图 6）。
注：铽玻璃与火石玻璃系磁光效应相异悬殊的两种介质，后者因
维尔德常数甚小而必须置于电磁铁的励磁线圈中，才能显著呈现
出磁光调制现象。实验时两者仅择其一，分别进行操作。
注：检偏器的粗调盘预置在 0 度，调节旋角时除大幅角调节外通
常只需调节精密测角器即可。
图 6 电路主控单元前面板
图 6 为电路主控单元的仪器前面板图，各控制与显示部分的作用如下：
Ⅰ 电源开关 用于控制主电源，接通时开关指示灯亮，同时对半导体激光器供电。
Ⅰ 外调输入插座 用于对磁光介质施加外接的调制信号的插座。
（插入外来信号时内置信号自动断开）
Ⅰ 调制加载开关 用于对磁光介质施加内部的交流调制信号。
（内置 1KHz 的正弦波）
Ⅰ 调制幅度旋钮 用于调节交流调制信号的幅度。
Ⅰ 直流励磁开关 用于对电磁铁施加直流调制电流。
（仅在打开电源后有效）
Ⅰ 励磁强度旋钮 调节直流励磁电流，用以改变对磁光介质施加的直流磁场的大小。
Ⅰ 励磁极性开关 用于改变直流磁场的极性。
Ⅰ 解调幅度旋钮 用于调节解调监视或解调输出信号的幅度。
Ⅰ 光强指示 数字显示经光电转换后的光电流相对值，可反映接收光强的大小。
Ⅰ 励磁指示 数字显示直流励磁电流。
Ⅰ 调制监视插座 将调制信号输出送到示波器显示的插座。
Ⅰ 解调监视插座 将光电接收放大后的信号输出送到示波器显示的插座，可与调制信
号进行比较。
Ⅰ 解调输出插座 解调信号的输出插座，可直接送有源扬声器发声。
图 7 电路主控单元后面板
图 7 为电路主控单元的后面板图，各插座作用如下：
Ⅰ 至接收器 与光电接收单元连接的线缆接口
Ⅰ 至激光器 供半导体激光器的电源插座
Ⅰ 励磁输出 供直流调制电流的插座
Ⅰ 调制输出 供交流调制信号电流的插座
三、系统连接
1、光源 将半导体激光器电源线缆插入后面板的“至激光器”插座中。（如使
用 He—Ne 激光管需另配套专用电源，其输出直流高压务必
按正负极性正确连接）。
2、磁光调制 将铽玻璃调制线圈两端引出线插入后面板上调制输出端插座。
3、光电接收 将光电接收部件（位于光具座末端）的电缆连接到电路主控单元后
面板“至接收器”的插座上，以便将光电接收信号送到主控单元，同
时主控单元也为光电接收电路提供电源。
4、信号输出 光电接收信号经主控单元转接后由解调监视插座输出；主控单元中
的内置信号（或外调输入信号）则由调制监视插座输出。两者分别
送到双踪示波器，以便同时显示波形，进行比较。
5、扬声器 将有源扬声器插入解调输出插座，以便作调制通讯的演示实验。
6、交流电源 主控单元后面板装有带开关的三芯标准插座，用以连接 220V 市电
交流电源。
【实验内容及步骤】
一、实验准备
1、 在光具座两端各放置激光器和光电接收器。
2、 所有滑动座中心全部调至零位，并用固定螺丝锁紧，使光器件初步共轴。
3、 光路准直：
（1） 打开激光电源，调节激光电位器使激光束有足够强度。调节激光器架上的三只夹持
螺钉使激光束基本保持水平，用直尺量激光器光源输出口高度与光电接收器中心高
度，使二者等高。此时激光器头部保持固定。
（2） 调节激光器尾部的夹持螺钉，使激光束的光点保持在接收器的中心，光强指示最大，
读数应在“5”以上，此后激光器与接收器的位置不宜再动。
二、交流磁光调制实验
1、 观察交流磁光调制现象
（1） 光路准直后，插入起偏器(P)，光电接收器前检偏器的两刻度盘（检偏器的粗调盘
及精密测角器盘）均预置在 0 位，接收光强指示应呈现读数；调节起偏器，使光强
指示器近 0（达到最小），表示检偏器与起偏器的光轴正处于正交状态(PⅠA)，记下
起偏器角度。再将起偏器旋转 45角，即＝45，使两偏振面在此夹角下调制幅
度达最大值 （参见(6)式），此时光强指示的读数在“4~ 5”为宜。
（2） 用所提供的电缆线分别将“调制监视”与“解调监视”插座与双踪示波器的 YI 与 YII 的
输入端相连，在示波器上可同时观察到调制波形与解调输出波形。
（3） 将磁光调制器插入光具座后对准中心，务使激光束正射透过。调节检偏器的粗调盘，
使接收光强应近于 0（达到最小），应该在 以下。打开调制信号开关，将调制幅
度和解调幅度调至最大，此时从示波器观察应出现倍频现象，即解调信号频率是调
制信号频率的两倍。关闭直流励磁开关。
注： 扬声器发声的音质与光路调整、调制幅度以及信号源的性能均有关联。
2sin0max II
注： 若激光器调至最大值而光强仍感太小时，需要适当调节起
偏器的转角，重复上述步骤。
（4） 减小调制幅度，观察减小调制幅度后对波形的影响。
2、 交流调制实验数据测量：测量调制深度与调制角幅度
将调制幅度旋钮确定于某一位置，在示波器中显示出解调波形时，调节检偏器偏角，
读出波形曲线上相应的光强信号的最大值 Imax（波形不失真的情况下最大光强）和最小
值 Imin（Imin 即为倍频状态时的光强），代入(4)式和(7)式，计算出调制深度 和调制角
幅度 0。
三、直流磁光调制实验
1、 观察直流磁光调制现象，并测量直流磁场对磁光介质的影响。
（1） 在交流磁光调制倍频状态下，将励磁电磁铁(M)置于光具座上在光电接收器前，并
在电磁铁中间放入重火石玻璃的磁光介质（先将重火石玻璃插在两磁轭之间，磁轭
平面与两磁极相吻合），如图 8 所示。
（2） 将励磁强度置于 0，此时仍能观察到倍频现象。
注意：此步骤后，光电接收器前检偏器的
的粗调盘不得再转动，而此时,精密测角器盘
读数应仍在 0 位，如不在 0 位，则记录为 1。
（3） 开启直流励磁开关，适当增加励磁强度，使励
磁线圈通以直流电流 IDC ，此时原来的倍频现象
消失，再细调检偏器的精密测角器使光强读数
恢复近于 0，重新出现倍频现象，记下前后测
角器度盘读数 2，其差值| 2－ 1|即为偏振面的旋角 。
（4） 均匀改变直流电流的大小（由励磁电流表读出），测出相应的偏振面的旋角，
画出 ~B (IDC)的关系曲线。
注：为使激光能正射透过磁光介质，必需反复对激光、磁光调制介
质与光电接收孔三者加以准直调整。
图８励磁电磁铁及重火石
（5） 根据公式(1) （B 可以通过公式计算出来，l 为光波在磁光介质重火石中
的路径），重火石的维尔德(Vedet)常数 即可计算出来。
四、磁光调制与光通讯实验演示（可选做）
将音频信号（来自收音机、录音机、CD 唱盘等音源）输入到“外调输入”插座，将有源
扬声器插入“解调输出”插座，即可发声，音量由“解调幅度”控制。
【实验注意事项】
1、 调节过程中也应避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。
2、 调节半导体激光器功率时，不要用力过大而损坏功率调节旋钮。
3、 禁止用手触及光学零件的透光表面。
注：克服起始段过弱的调制效应，可调节起偏器(或检偏器)的转角，
使其适当偏离正交状态(光强＞)后，再开始作 ~B (IDC)关系
的测试。
Bl
实验五 声光调制实验
【实验目的】
1、 了解声光调制实验原理；
2、 研究声场与光场相互作用的物理过程；
3、 测量声光效应的幅度特性和偏转特性。
【实验原理】
当声波在某些介质中传播时，会随时间与空间的周期性的弹性应变，造成介质密度（或
光折射率）的周期变化。介质随超声应变与折射率变化的这一特性，可使光在介质中传播时
发生衍射，从而产生声光效应：存在于超声波中的此类介质可视为一种由声波形成的位相光
栅（称为声光栅），其光栅的栅距（光栅常数）即为声波波长。当一束平行光束通过声光介质
时，光波就会被该声光栅所衍射而改变光的传播方向，并使光强在空间作重新分布。
声光器件由声光介质和换能器两部分组成。前者常用的有钼酸铅（PM）、氧化碲等，后
者为由射频压电换能器组成的超声波发生器。如图 1 所示为声光调制原理图。
图 1 声光调制的原理
声光介质
声波吸收器
衍射光
入射光
射频信号
换能器
图1 声光调制原理
声波
i d B
理论分析指出，当入射角（入射光与超声波面间的夹角） 满足以下条件时，衍射光最
强。
(1)
式中 N 为衍射光的级数， 、k 分别为入射光的波长和波数 ， 与 K 分别为超
声波的波长和波数 。
声光衍射主要分为布拉格（Bragg）衍射和喇曼-奈斯（Raman-Nath）衍射两种类型。前
者通常声频较高，声光作用程较长；后者则反之。由于布拉格衍射效率较高，故一般声光器
件主要工作在仅出现一级光（N=1）的布拉格区。
满足布拉格衍射的条件是：
(2)
（式中 F 与 分别为超声波的频率与速度， 为光波的波长）
当满足入射角 较小，且 的布拉格衍射条件下，由（1）式可知，此时
，并有最强的正一级（或负一级）的衍射光呈现。
入射（掠射）角 与衍射角 之和称为偏转角 （参见图 1），由（2）式：
(3)
由此可见，当声波频率 F 改变时，衍射光的方向亦将随之线性地改变。
同时由此也可求得超声波在介质中的传播速度为：
(4)
【实验仪器及装置】
图 2 所示为声光调制实验仪的结构框图。由图可见，声光调制实验系统由光路与电路两
大单元组成。
i
ss
i Nk
K
NN
224
2
sin
2
k s
s
K
2
s
F
Sin
2
s
i Bi
k
K
B 2
i B d
ss
BBid Fk
K
V
2
d
s
F
V
图 2 声光调制实验系统框图
一、光路系统
由激光管（L）、声光调制晶体（AOM）与光电接收（R）、CCD 接收等单元组装在精密
光具座上，构成声光调制仪的光路系统。
二、电路系统
除光电转换接收部件外，其余电路单元全部组装在同一主控单元之中。
图 3 主控单元前面板
图2 声光调制实验系统组成
载波频率指示
载波幅度指示
接收光强指示
声光晶体
调制信号源
激光电源
主控单元
激光器
光电信号
解调输出
调制波
解调波
信号
解调输出
外接调制信号
或音频信号
超声载波信号源
光电接收
线阵
信号输出
（扩展用）
YⅠ
YⅠ
注：Ⅰ 本系统仅提供半导体激光管（包含电源）作为光源，
如使用氦氖激光管或其他激光源时，需另配置其它配套电源。
图 3 为电路单元的仪器前面板图，各控制部件的作用如下：
Ⅰ 电源开关 控制主电源，按通时开关指示灯亮，同时对半导体激光器供电。
Ⅰ 解调输出插座 解调信号的输出插座，可送示波器显示。
Ⅰ 解调幅度旋钮 用于调节解调监听与信号输出的幅度。
Ⅰ 载波幅度旋钮 用于调节声光调制的超声信号功率。
Ⅰ 载波选择开关 用于对声光调制超声源的选择：
关——无声光调制
80MHz——使用 80MHz 晶振的声光调制
Ⅰ——60～80MHz 声光调制
Ⅰ——80～100MHz 声光调制
Ⅰ 载波频率旋钮 用以调节声光调制的超声信号频率。
Ⅰ 调制监视插座 将调制信号输出到示波器显示的插座。（输出波形既可与解调
信号进行比较，也可呈现出射光的能量分布状态）
Ⅰ 外调输入插座 用于对声光调制的载波信号进行音频调制的插座。
（插入外来信号时 1kHz 内置的音频信号自动断开）
Ⅰ 调制幅度旋钮 用以调节音频调制信号的幅度。
Ⅰ 接收光强指示 数字显示经光电转换后光信号大小。
Ⅰ 载波电压指示 数字显示声光调制的超声信号幅度。
Ⅰ 载波频率指示 数字显示声光调制的超声信号频率。
图 4 控制单元后面板
图 4 为电路单元的仪器后面板图，板面各插座的功能如下：
Ⅰ 交流电源 右侧下部为标准三芯电源插座，用以连接 220V 交流市电，插座上
方系保护电源用的熔丝。
Ⅰ 至接收器 与光电接收器连接的接口插座。
Ⅰ 载波输出 输出超声功率至声光调制器的插座。
Ⅰ 激光器电源 供半导体激光器用的电源输出插座。
Ⅰ 解调监听 直接送有源扬声器发声的输出插座。
三、系统连接
1、光源 将半导体激光器电源线缆插入主控单元后面板的“激光器电源”插座中。
（如使用 He-Ne 激光管，需自配电源，且其输出直流高压务
必按正负极性正确连接）
2、声光调制 由声光调制器的 BNC 插座引出的同轴电缆插入主控单元后面板的“载
波输出”插座上。
3、光电接收 将光电接收部件（位于光具座末端）的多芯电缆连接到主控单元后面
板的“至接收器”航空插座上，以便将光电接收信号送到主控单元。
4、解调输出 光电接收信号由“解调输出”插座输出，主控单元中的内置信号（或外
调输入信号）由“调制监视”插座输出。以上两信号可同时送入双踪示
波器显示或进行比较。
5、扬声器 将有源扬声器插入后面板的“解调监听”插座即可发声，音量由有源扬
声器中的音量控制旋钮控制。（音量大小也与“载波幅度”与“解调
幅度”旋钮有关）
【实验内容及步骤】
一、 实验准备
1、 按图 2 的系统组成图先在光具座的滑座上放置好激光器和光电接收器。
2、 所有滑动座中心全部调至零位，并用固定螺丝锁紧，使光器件初步共轴。光电接收器的轴
心要与光具座中心线平行，并安置好声光调制器的载物台。注意使各滑座的 0 刻度处在光
具座的中心位置。
3、 光路准直：
（1） 打开激光电源，调节激光电位器使激光束有足够强度。调节激光器架上的三只夹持
螺钉使激光束基本保持水平，用直尺量激光器光源输出口高度与光电接收器中心高
度，使二者等高。此时激光器头部保持固定。
（2） 调节激光器尾部的夹持螺钉，使激光束的光点保持在接收器的塑盖中心位置上（去
除盖子则光强指示最大），此后激光器与接收器的位置不宜再动。
4、 按系统连接方法将激光器、声光调制器、光电接收等组件连接到位。
5、 用所提供的电缆线分别将前面板的“调制监视”与“解调输出”插座与双踪示波器的 YⅠ、YⅠ
输入端相连，移去接收器塑盖时，接收光强指示表应有读数。
6、 将声光调制器的透光孔置于载物平台的中心位置，用压杆将调制器初步固定，然后使该滑
座在靠近激光管附近的导轨内就位。
7、 调节载物平台的高度和转向，使激光束恰在声光调制器的透光孔中间穿过，再用压杆将声
光调制器紧固定。注意调节载物平台的转向应在±10°以内。
8、 将光电接收器前端的弹簧钢丝夹夹持住白色像屏。
二、 实验现象观察及数据测量
1、 观察声光调制的偏转现象
（1） 调节激光束的亮度，使在像屏中心有明晰的光点呈现，此即为声光调制的 0 级光斑。
（2） 打开载波选择开关，拨至“80MHz”的档级，调节“载波幅度”旋钮，此时 80MHz 的
超声波即对声光介质进行调制。
（3） 微调载物平台上声光调制器的转向，以改变声光调制器的光点入射角，即可出现因
声光调制而偏转的衍射光斑。当一级衍射光最强时，声光调制器即运转在布拉格条
件下的偏转状态。
2、 测试声光调制的幅度特性
（1） 取去像屏，使激光束的 0 级光仍落在光敏接收孔的中心位置上。
（2） 微调接收器滑座的测微机构，使接收孔横向移动到一级光的位置（监视“接收光强
指示”表使其达最大值）。
注：仔细调节光束对声光调制器的角度可使衍射光强
达最大值。
（3） 将载波选择开关拨至“80MHz”的档级，调节“载波幅度”旋钮，分别读出载波电压与
接收光强的大小，画出光强～调制电压的关系式（Id ～Um）。
3、 观察声光调制随频率偏转现象
（1） 按测试“声光调制幅度特性”的步序，先将“载波选择”置于“关”的位置，记下接收器
滑座横向测微计在 0 级时的读数 d0。
（2） 将“载波选择”开关置于Ⅰ和Ⅰ的位置，可以观察到 1 级光（或多级光）的平移变化
现象。
4、 测试声光调制频率偏转特性
（1） 将“载波选择”开关置于Ⅰ和Ⅰ的位置，调节“载波频率”旋钮，微调接收器横向测微
计，使其始终跟踪一级光的位置。分别记下载波频率指示 F 与测微计读数 d1。待
测得 1 级光和 0 级光点间的距离 d 与声光调制器到接收孔之间的距离 L（由导轨
面上标尺读出）后，由于 L＞＞d，即可求出声光调制的偏转角：
待测得 1 级光和 0 级光点间的距离 d 与声光调制器到接收孔之间的距离 L（由
导轨面上标尺读出）后，由于 L＞＞d，即可求出声光调制的偏转角：
画出偏转角——调制频率的关系曲线（θd～F）。
（2） 测得各调制频率 F 值所对应的衍射光强 Id，画出衍射光强～调制频率的关系曲线
（Id～F），该曲线中的 Id 峰值 Idmax 应与中心频率相对应，而其与下降 3dB 所对应
的频率差即为声光调制器的带宽。
5、 测量声光调制器的衍射效率
衍射效率η定义为：
即最大衍射光强 Idmax 与 0 级光强 I0 之比，分别测得最强衍射光与 0 级光的光强值，其比
注：为获得较好的线性效果，应控制激光功率，不使接收光强饱
和，其接收光强指示的最大值应在 的读数范围内。
注：改变频率时应随时调节“载波幅度”旋钮，以尽量保持调制幅
度（载波电压表指示读数）一致。
L
d
d
o
d
max
值即为衍射效率（取 F=80MHz）。
6、 测量超声波的波速
将超声波频率 F（80MHz）、偏转角 与激光波长 （）各值代入公式 ，
即可计算出超声波在介质中的传播速度 。
三、 声光调制与光通讯实验演示（可选做）
将音频信号（来自广播收音机、录音机、CD 机等音源）输入到本机的“外调输入”插座，
将扬声器插入主控单元后面板的“解调监听”插座，打开载波选择开关至 80MHz 档位，适当调
节载波幅度与解调幅度即可使扬声器播放出音响节目。
【实验注意事项】
1、 为防止强激光束长时间照射而导致光敏管疲劳或损坏，调节或使用后请随即用塑盖将光电
接收孔盖好。
2、 调节过程中必须避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。
3、 供电电源应提供保护地线，示波器的地线需与系统良好连接。
4、 调节半导体激光器功率时，不要用力过大而损坏功率调节旋钮。
5、 调节载物平台的转向应在±10°以内。
d
d
s
F
V
sV
注：Ⅰ在扬声器播音的同时，亦可由示波器监视调制波形和解调波形。
Ⅰ如需观察载波或调幅波信号需用频响 100MHz 以上的示波器。
实验六 氦氖激光束光斑大小和发散角的测量
【实验目的】
1、 加深对高斯光束物理图像的理解；
2、 掌握外腔式氦氖激光器的使用和调整方法；
3、 掌握测量激光束光斑大小和发散角的方法；
4、 深入理解基模激光束横向光场高斯分布的特性及激光束发散角的意义。
【实验仪器】
氦氖激光器、光功率指示仪、硅光电池接收器、狭缝、微动位移台
【实验原理】
激光束的发散角和横向光斑大小是激光应用中的两个重要参数，激光束虽有方向性好的
特点，但它也不是理想的平行光，而是具有一定大小的发散角。在激光准直和激光干涉测长
仪中都需要设置扩束望远镜来减小激光束的发散角。
1、激光束的发散角
激光器发出的激光束在空间的传播如图 1 所示，光束截面最细处为束腰， 是光束传播
方向。若束腰截面半径为 ，距束腰为 处的光斑半径为 ，则有
其中 是激光波长，上式可改写成双曲线方程
双曲线的形状如图 1 所示。定义双曲线渐近线的夹角 为激光束的发散角，则有
（ 很大） (1)
由(1)式可知，只要我们测得离束腰很远的 处的光斑大小 ，便可算出激光束发散角。
z
0 z ( )z
2
0 2
0
( ) 1 ( )
z
z
2 2
22
200
( )
1
( )
z z
0
2 2 ( )z
z
z
z 2 ( )z
图 1 高斯光束的发散角
2、激光束横向光场分布
如图 1，激光束沿 轴传播，其基模的横向光场振幅 随柱坐标值 的分布为高斯分布
的形式
(2)
式中 是离束腰 处横截面内中心轴线上的光场振幅， 是离束腰 处横截面的光
束半径， 则是该横截面内离中心 处的光场振幅。由于横向光场振幅分布是高斯分布，
故这样的激光束称为高斯光。当量值 时，则 为 的 倍。
光束半径 定义为振幅下降到中心振幅 的点离中心的距离。
实际测量中，我们测得的是光束横向光强分布，光强正比于振幅的平方，故将(2)式两边
平方，得
(3)
式中 表示所对应的光强，光束半径 也可定义为光强下降为中心光强 倍的点离
中心点的距离。
图 2 中画出了激光束横向振幅分布（虚线）和光强分布（实线），并且已将 和
归一化。在光束半径 范围内集中了 ％的总功率。
0
Z
( )z
z 00E r
2 2[ ( )]
00 00( ) ( )
r zE r E z e
00( )E z z ( )z z
00( )E r r
( )r z 00( )E r 00( )E z 1 e
( )z 1 e
2 2
2 2
2 2 [ 2 ( )]
00 00 00
[ 2 ( )]
00
( ) ( ) ( )
( )
r z
r z
I r E r E z e
I z e
I ( )z 2
1
e
00( )E z 00( )I z
( )z
图 2 高斯光束的振幅分布和光强分布
3、光束半径和发散角的测量
氦氖激光器结构简单，操作方便，体积不大，输出的波长为 的红光。本实验对
氦氖激光束的光束半径和发散角进行测量。试验装置如图 3 所示。所用的激光器是平凹型谐
振腔氦氖激光器，其腔长为 ，凹面曲率半径为 ，则可得到其束腰处的光斑半径为
(4)
由 值，可由(1)式 计算出激光束的发散角 。这种激光器输出光束的束腰位于
谐振腔输出平面镜的位置，我们测量距束腰距离 约为 3～5m 处的光束半径。为了缩短测量
装置的长度，采用了平面反射镜折返光路，如图 3 所示。测量狭缝连同其后面的硅光电池作
为一个整体沿光束直径方向做横向扫描，由和硅光电池连接的反射式检流计给出激光束光强
横向分布。根据测得的激光束光强横向分布曲线，求出光强下降到最大光强的
（ ）倍处的光束半径 ，它就是激光光斑大小的描述。然后根据式(1)
算出光束发散角 。
测量时应使测量狭缝的宽度是光斑大小的 以下。
0 0 ( )I r 0 0 ( )E r
r
( )z
1 e
21 e
L R
1 1
2 4
0 ( ) ( 1)
L R
L
0 02
z
21 e
( )z
2 ( )z z
1 10
Ⅰ氦氖激光器；Ⅰ反射镜；Ⅰ反射镜；Ⅰ狭缝；Ⅰ硅光电池；Ⅰ光功率指示仪
图 3 测量装置示意图
【实验内容及步骤】
1、 测量前的准备
按图 3 摆好光路各部件，打开氦氖激光器电源，调整激光器输出镜，产生激光振荡，直
到输出光能量最大。调整标尺及平面反射镜使激光束照亮测量狭缝，取 值约 3～5m，缝宽
小于光斑大小的 ，接好光功率指示仪。
2、 测量光强横向分布
移动微动平台，使狭缝和硅光电池接收器同时扫过光束，移动的方向应与光传播方向垂
直，每隔 ～，记录光功率指示仪的读值，测量激光束的光强横向分布，重复测量三
次，并测量 值。
3、 确定光斑半径 及发散角
以平均值做出光功率指示仪随测量位移之间的变化曲线，由曲线求出光斑半径 ，并
算出 值。
4、 结果比较
由(4)式算出 值，并进一步算出 值，将这个计算值同由实验测量结果算出的 值进行
比较。
Ⅰ
Ⅰ
Ⅰ
Ⅰ
Ⅰ
Ⅰ
z
1 10
z
( )z
( )z
0
【注意事项】
1、 调节过程中应避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。
2、 注意激光高压电源，以免触电或短路。
3、 测量过程中应减小震动，避免光斑在狭缝口晃动。
4、 禁止用手触及光学零件的透光表面。
实验七 氦氖激光器的模式分析
【实验目的】
1、 了解激光模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；
2、 了解本实验使用的重要分光仪器——共焦球面扫描干涉仪的原理、性能，掌握其使用方法；
3、 通过实验观测和分析，掌握激光束模式分析的基本方法。
【实验仪器】
共焦球面扫描干涉仪，高速光电接收器及其电源，锯齿波发生器，示波器，氦氖激光器
及其电源
【实验原理】
1、 激光器的振荡模式
激光器内能够存在的稳定光振荡的形式称为激光模式。激光模式分为纵模和横模两类。
纵模描述了激光器输出光频率的个数；横模描述了在垂直于激光传播方向的平面内光场的分
布情况。激光的线宽和相干长度由纵模决定，而光束发散角、光斑直径和能量的横向分布则
由横模决定。我们用符号“ ”来描述激光谐振腔内电磁场的情况。 代表横向电
磁场，m、n 下标表示沿垂直于传播方向某特定横模的阶数，q 表示纵模的阶数。一般 q 可以
很大，m、n 都很小。
（1）纵模
当腔长 L 恰好是半个波长的整数倍时，才能在腔内形成驻波，形成稳定的振荡，故有
(1)
q 即为纵模的阶数， 是光波在激活物质中的波长，故有 ，c 是光速， 是腔内介
质的折射率，代入(1)式，可得
mnqTEM TEM
2L q
c
2q
c
q
L
为在腔内能形成稳定振荡的频率，不同的整数 q 值对应着不同的输出频率 。
相邻两纵模（ ）的频率差为
(2)
激光器对不同频率的光有不同的增益，只有增益值大于阈值的频率才能形成振荡而产生
激光。例如 的氦氖激光器，其相邻纵模频率差 ，若其增
益曲线的频宽为 ，则可输出 10 个纵模。腔长 L 越短，则 越大，输出的纵模
就越少。对于增益频宽 的激光，若 L 小于 ，则将输出一个纵模，即输出单
纵模的激光。
（2）横模
对于满足形成驻波共振条件的各个纵模来说，还可能存在着横向场分布不同的横模。同
一纵模不同横模，其频率亦有差异。
图 1 常见的横模光斑图
任意一个 模的频率 经计算得
其中 分别是谐振腔两反射镜的曲率半径。若横模阶数由 m 增到 ，n 增到
，则有
q q
1q
2
c
L
1L m 82 10c L Hz
10 Hz
10 Hz
mnqTEM mnq
1 2
1 2
2
2 ( 1)arccos[(1 )(1 )]
4mnq
c L L
q m n
L r r
1 2r r、 m m m
n n n
00TEM 10TEM
30TEM 11TEM 21TEM
20TEM
上面两式相减，可得不同横模之间得频率差为
(3)
横模频率差（3）式和纵模频率差（2）式相比，二者差一个分数因子，并且相邻横模
（ ）之间的频率差 一般总是小于相邻纵模之间的频率差。例如，增益频
宽为 、腔长 的平凹（ ）谐振激光器，其纵模频率差
按式（2）算得为 ；对于横模 和横模 之间的频率差用
（即 ）表示，将各值代入，可得相邻横模频率差
这支激光器的增益带宽 内包含 个纵模。当用扫描干涉仪来分析这支激光器的
模式时，若它仅存在 模，有时可看到 3 个尖峰，有时看到两个尖峰；当还存在
模时，可有两组或三组尖峰，有的组可能有一个尖峰。这些都是由于激光器腔长 L 的变化所
得到的。用扫描干涉仪分析激光器模式是很方便的。
2、 共焦球面扫描干涉仪
1958 年法国人柯勒斯（Connes）根据多光束的干涉原理，提出了一种共焦球面干涉仪。
到了 60 年代，这种共焦系统广泛用作激光器的谐振腔。同时，由于激光科学的发展，迫切需
要对激光器的输出光谱特性进行分析。全息照相和激光准直要求的是单横模激光器；激光测
长和稳频技术不仅要求激光器具有单横模性质，而且还要求具有单纵模的输出。共焦球面扫
描干涉仪是一种分辨率很高的分光仪器，已成为激光技术中一种重要的测量设备。本实验正
是通过它将彼此频率差异甚小（几十至几百 MHz），用眼睛和一般光谱仪器都分不清的各个
不同纵模、不同横模展现成频谱图来进行观测的。在本实验中，它起着关键作用。
共焦腔结构有许多优点。首先由于共焦腔具有高度的模简并特性，所以不需要严格的模
匹配，甚至光的行迹有些离轴也无甚影响。同时反射镜面的倾斜程度也没有过分苛刻的要求，
这一点对扫描干涉仪是特别有利的。由于共焦腔衍射损失小而且在反射镜上的光斑尺寸很小，
因此可以大大降低对反射面的加工要求，便于批量生产、推广使用。
1 2
1 2
2
2 ( 1 )arccos[(1 )(1 )]
4m n q
c L L
q m n m n
L r r
1 2
1 2
1
( )arccos[(1 )(1 )]
2mn m n
c L L
m n
L r r
、
1 1m n 、
10 Hz L= 1 21r m r ，
10 Hz 00TEM 01TEM 00 01 、
0 0 0 1 0 1m n 、
8
1 2 8
01
3 10 1
(0 1)arccos[(1 )(1 )] 10 ( )
2 1
Hz
00、
10 Hz
00TEM 01TEM
Ⅰ间隔圈； Ⅰ压电陶瓷环
图 2 扫描干涉仪内部结构示意图
（1）共焦球面扫描干涉仪工作原理
共焦球面扫描干涉仪（简写为 FPS）是一个无源谐振腔，由两块球形凹面反射镜构成共
焦腔，即两块镜的曲率半径和腔长相等， 。反射镜镀有高反射膜，两块镜中的一
块是固定不变的，另一块固定在可随外加电压而变化的压电陶瓷上，如图 2 所示。图中，Ⅰ
为由低膨胀系数制成的间隔圈，用以保持两球形凹面反射镜 和 总是处在共焦状态。Ⅰ
为压电陶瓷环，其特性是若在环的内外壁上加上一定数值的电压，环的长度将随之发生变化，
而且长度的变化量与外加电压的幅度成线性关系，这正是扫描干涉仪被用来扫描的基本条件。
由于长度的变化量很小，仅为波长数量级，它不会改变腔的共焦状态，但是当线性关系不好
时，会给测量带来一定误差。
压电陶瓷内外两面加上锯齿波电压后，驱动一个反射镜做周期性运动，用以改变腔长
而实现光谱扫描。由于腔长 恰等于曲率半径 ，所以两反射镜焦点重合，组成共焦系统。
当一束波长为 的光近轴入射到干涉仪内时，在忽略球差情况下，光线走一闭合路径，即光
线在腔内反射，往返两次之后又按原路行进。从图 3 可以看出，一束入射光将有 1、2 两组透
射光。若 m 是光线在腔内往返的次数，则 1 组经历了 4m 次反射；2 组经历了 4m+2 次反射。
设反射镜的反射率为 R，Harcher 给出了 1、2 两组的透射光强分别为
(4)
(5)
这里 是入射光强，T 是透射率， 是往返一次所形成的位相差，即
1R 2R
Ⅰ
Ⅰ
1 2R R l
1R 2R
l
l R
2 2 2 1
1 0 2 2
2
( ) [1 ( ) sin ]
1 1
T R
I I
R R
2
2 1I R I
0I
(6)
当 （ 是任意整数），即
(7)
时，透射率有极大值
(8)
由于腔内存在着各种各样的吸收，我们假设吸收率为 A，则有
(9)
将式（9）代入式（8），在反射率 情况下，可有
(10)
由式（7）可知，改变腔长 或改变折射率 ，就可以使不同波长的光以最大透射率透射，
实现光谱扫描，可用改变腔内气体气压的方法来改变 ，本实验中将锯齿波电压加到压电陶
瓷上驱动和压电陶瓷相连的反射镜来改变腔长 ，以达到光谱扫描的目的。
图 3 共焦球面扫描干涉仪内部光路图
（2）共焦球面干涉仪的性能指标
Ⅰ自由光谱范围
由干涉方程（7），对 和 求全微分得 ，则
(11)
式（11）所表示的 就是干涉仪的自由光谱范围。由 可知，用
频率间隔来表示光谱自由范围则有
(12)
自由光谱范围 在 时，仅由腔长 决定。它表征波长在 范围内的光，
2 2l
k k
4 l k
22 2
max 1 0 (1 )T I I T R
1R T A
1R
max
2
1
4(1 )
T
A
T
l
l
A
B
1 介2 介3
1 ′ 介2 ′ 介3 ′
l
k k k
2
1( ) 4kk l
4c l
1 l ~
产生的干涉圆环不互相重叠。
Ⅰ分辨本领
干涉仪的分辨本领 定义为在波长 和在该处可分辨的最小波长间隔 的比值，即
(13)
Ⅰ精细常数
精细常数 是描述干涉仪谱线的细锐程度的，它被定义为干涉仪的自由光谱范围和分辨
率极限之比，即
(14)
其中 是干涉仪所能分辨出的最小频差，实验中就是一个模的半值宽度。 也表征了
在自由光谱范围内可分辨的光谱单元的数目。干涉仪精细常数受反射镜面的规整度和反射率
影响。共焦球面干涉仪的反射率 和精细常数 之间有
(15)
【实验内容及步骤】
1、 按实验装置图（图 4）连接线路，经检查无误，方可接通。
2、 打开激光器电源。
3、 调整光路。首先使激光束从光阑小孔通过，调整扫描干涉仪上下、左右位置，使光束正入
射孔中心，再细调方位螺丝，以使从干涉仪腔镜反射的最亮的光点回到光阑小孔的中心附
近，这时表明入射光束和扫描干涉仪的光轴基本重合。
4、 将放大器的接收部位对准扫描干涉仪的输出端，本实验中扫描干涉仪的腔长 ，
反射率 。
5、 接通放大器、锯齿波发生器、示波器的电源开关。
6、 观察示波器上展现的的频谱图，进一步细调干涉仪的方位螺丝，使谱线尽量强，噪声尽量
小。
7、 根据平凹激光器（ ）的腔长，用式(2)计算纵模频率差，再用式(3)计算该
纵模 1 阶和 2 阶横模频率差。
8、 根据干涉仪的曲率半径计算出干涉仪的自由光谱范围，再由给定的反射率计算出精细常数
。
0R
0R
0R
F
F
F
F
R R F
21
R
F
R
20l mm
99%R
1 21r m r ，
F
9、 以计算所得的自由光谱范围在示波器上定标，测出自由光谱范围 相对应的标尺长度，
计算出二者的比值——每厘米代表的频率间隔值。由示波器上显示的纵模、横模波形测出
纵模频率间隔、横模频率间隔，和理论值进行比较。再由(14)式求出精细常数 ，和(15)
式计算出的理论值进行比较。
图 4 实验装置示意图
【注意事项】
1、 调节过程中应避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。
2、 描干涉仪的压电陶瓷易碎，在实验过程中应轻拿轻放。
3、 扫描干涉仪的通光孔，在平时不用时应用胶带封好，防止灰尘进入。
4、 锯齿波发生器不允许空载，必须连接扫描干涉仪后，才能打开电源。
F
激光器 扫描干涉仪 放大器
放大器电源
激光电源
锯齿波
发生器
示波器
Y X
小孔光阑
实验八 LD/LED 的 P-I-V 特性曲线测试
【实验目的】
1、 学习 LED 和 LD 的工作原理和基本特性；
2、 测试 LED/LD 的功率－电流（P-I）特性和电压－电流（V-I）特性，并计算阈值电流和外
微分量子效率；
3、 了解温度对阈值电流和输出功率的影响。
【实验内容】
1、 测试 LD 的功率－电流（P-I）特性曲线和电压－电流（V-I）特性曲线；
2、 测试 LED 的功率－电流（P-I）特性曲线和电压－电流（V-I）特性曲线。
【实验仪器及装置】
1、 LD 激光二极管（带尾纤输出，FC 型接口） 1 只
2、 LED 发光二极管 1 只
3、 LD/ LED 电流源 1 台
4、 光功率计 1 台
5、 万用表 1 台
【实验原理】
1、 LED 工作原理
发光二极管是大多由Ⅰ-Ⅰ族化合物，如 GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷
砷化镓）等半导体制成的，其核心是 PN 结。因此它具有一般 P-N 结的 I-N 特性，即正向导
通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子
由 N 区注入 P 区，空穴由 P 区注入 N 区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数
载流子（多子）复合而发光，如图 1 所示。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在
靠近 PN 结面数 μm 以内产生。
假设发光是在 P 区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发
光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个
中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成
可见光。我们把发光的复合量与总复合量的比值称为内量子效率
(1)
式中，Nr 为产生的光子数，G 为注入的电子-空穴对数。但是，产生的光子又有一部分会被 LED
材料本身吸收，而不能全部射出器件之外。作为一种发光器件，我们更感兴趣的是它能发出
多少光子，表征这一性能的参数就是外量子效率
(2)
式中，NT 为器件射出的光子数。
发光二极管所发之光并非单一波长，如图 2 所示。由图可见，该发光管所发之光中某一
波长 λ0 的光强最大，该波长为峰值波长。理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导
体材料禁带宽度Ｅg 有关，即 λ≈1240/Eg（nm）式中 Eg 的单位为电子伏特（eV）。若能产生
可见光（波长在 380nm 紫光～780nm 红光），半导体材料的 Eg 应在 ～ 之间。
Ⅰ图 1 LED 发光原理 图 2 LED 光谱图
2、 LD 工作原理
从激光物理学中我们知道，半导体激光器的粒子数反转分布是指载流子的反转分布。正
常条件下，电子总是从低能态的价带填充起，填满价带后才能填充到高能态的导带；而空穴
则相反。如果我们用电注入等方法，使 p-n 结附近区域形成大量的非平衡载流子，即在小于
复合寿命的时间内，电子在导带，空穴在价带分别达到平衡，如图 3 所示，那么在此注入区
r
qi
N
G
T
qe
N
G
内，这些简并化分布的导带电子和价带空穴就处于相对反转分布，称之为载流子反转分布。
注入区称为载流子分布反转区或作用区。
结型半导体激光器通常用与 p-n 结平面相垂直的一对相互平行的自然解理面构成平面腔。
在结型半导体激光器的作用区内，开始时导带中的电子自发地跃迁到价带和空穴复合，产生
相位、方向并不相同的光子。大部分光子一旦产生便穿出 p-n 结区，但也有一部分光子在 p-n
结区平面内穿行，并行进相当长的距离，因而它们能激发产生出许多同样的光子。这些光子
在平行的镜面间不断地来回反射，每反射一次便得到进一步的放大。这样重复和发展，就使
得受激辐射趋于占压倒的优势，即在垂直于反射面的方向上形成激光输出。
图 3 半导体激光器的能带图
3、 LED/LD 的 V-I 特性
LD 和 LED 都是半导体光电子器件，其核心部分都是 P-N 结。因此其具有与普通二极管
相类似的 V-I 特性曲线，如图 4 所示。在正向电压正小于某一值时，电流极小，不发光；当
电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。我们将这一电压称为阈值电压或开门
电压。
图 4 LED/LD 的 V-I 特性曲线 图 5 LED/LD 的 P-I 特性曲线
LD
LED
4、 LED/LD 的 P-I 特性
在结构上，由于 LED 与 LD 相比没有光学谐振腔。因此，LD 和 LED 的功率与电流的 P-I
关系特性曲线则有很大的差别，如图 5 所示。LED 的 P-I 曲线基本上是一条近似的线性直线，
只有当电流过大时，由于 PN 结发热产生饱和现象，使 P-I 曲线的斜率减小。
对于半导体激光器来说，当正向注入电流较低时，增益小于 0，此时半导体激光器只能
发射荧光；随着电流的增大，注入的非平衡载流子增多，使增益大于 0，但尚未克服损耗，
在腔内无法建立起一定模式的振荡，这种情况被称为超辐射；当注入电流增大到某一数值时，
增益克服损耗，半导体激光器输出激光，此时的注入电流值定义为阈值电流 Ith 。
由图 5 可以看出，注入电流较低时，输出功率随注入电流缓慢上升。当注入电流达到并
超出阈值电流后，输出功率陡峭上升。我们把陡峭部分外延，将延长线和电流轴的交点定义
为阈值电流 Ith 。只有在工作电流 If>Ith 部分，P-I 曲线才近似一根直线。而在 If<Ith 部分，LD
输出的光功率几乎为零。根据其 P-I 曲线可以求出 LD 的外微分量子效率 ηD 。其具有如下关
系：
(3)
式中， 为普朗克常量， 为光子频率， 为电子电
量。由于 ，外微分量子效率 ηD 可以表示为
(4)
因此，在曲线中，曲线的斜率表征的就是外微分量子效率。
5、 LD 的温度特性
由于光电子器件是由半导体材料制成，因此温度对其光电特性影响也很大。随着温度的
增加，LD 的阈值逐渐增大，光功率逐渐减小，外微分量子效率逐渐减小。阈值与温度的近似
关系可以表示为：
(5)
式中，Tr 为室温，Ith（Tr）为室温下的阈值电流，T0 为特征温度。不同温度下，LD 的 P-I 曲
线如图 6 所示，根据此图可以求出 LD 的特征温度。
( )th f th D
hv
P P I I
e
10h J s v 10e C
thPP
D
f th
P e
I I hv
0( ) ( )
rT T
T
th th rI T I T e
图 6 LD 的温度特征曲线
【实验步骤】
1、 按图 7 线路连接 LD/LED，注意不要将极性接反！其极性连接图见图 8 和图 9。
2、 通电之前，确保“粗调”旋钮在最小值位置，这样可防止冲击电流损坏 LD。电流源
“DVD/Pointer”切换开关置于“Pointer”档，“恒功/恒流”开关置于“恒功”。开启 LD 的驱动电
源，缓慢调节电流旋纽逐渐增加工作电流，并用万用表测试 LD 两端的电压值。每隔一定
电流间隔，记录 LD 的电压值和光功率值。绘制 LD 的 P-I 曲线和 V-I 曲线。
图 7 连接框图
LD/ LED
电流源
光功率计
4
1
2
3
4
图 8 LD 引脚说明：1.激光器正&管壳；
2.激光器负；3.探测器负；4.探测器正。
1
2
3
图 9 LED 引脚说明：1.外壳；
负； 正。
表 1 LD 的 P-I-V 实验测试数据
I(mA) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 12 15 18
U(V)
P(μW)
3、“恒功/恒流”开关置于“恒流”，开启 LED 的驱动电源，缓慢调节电流旋纽逐渐增加工作
电流，并用万用表测试 LED 两端的电压值。每隔一定电流间隔，记录 LED 的电压值和光功
率值。绘制 LED 的 P-I 曲线和 V-I 曲线。
表 2 LED 的 P-I-V 实验测试数据
I(mA) 0 5 10 15 20 25 30 40 50 60
U(V)
P(μW)
【实验注意事项】
1、 LD/LED 电流源恒功测量时，如果仅调节“粗调”旋钮，而“细调”旋钮在最小位置，将不一
定能把 LD 输出功率调到足够大。此时必须使用“细调”旋钮来把输出功率调大。
2、 插拔 LD 之前，务必先把输出功率（粗调）旋钮调到最小，然后关闭电源开关。这是因为
带电插拔 LD 会造成 LD 的劣化。
3、 如果被测 LD 过流，则 Iop 显示窗口读数为 1。说明此时 Iop≥200mA，已超出本机的测量
范围。当 LD 已经劣化时，这种情况常常出现。此时请将输出功率（粗调）旋钮调回到最
小位置，关闭电源。
4、 在 LD 的 P-I-V 实验测中，电流值请勿超过 40mA，以免烧坏元器件。
5、 由于 LD 为静电敏感元件，因此操作者必须佩带防静电手腕，工作场所必须具备接地线，
焊接用的烙铁必须具备 ESD 功能。静电将造成 LD 的劣化，使得测量时出现 Iop 过流的
现象。另外，若 LD 的输出功率被调的过大，也容易损坏 LD，出现 LD 过流的现象。
6、 在使用过程中，出现任何异常情况，必须立即关机断电以确保安全。
【实验思考题】
为什么 LD/LED 的输出特性有较大差异？
实验九 光电探测原理实验（上）
【实验目的】
1、 了解光照度基本知识，学会光照度的测量方法；
2、 了解光电二极管的工作原理和使用方法；
3、 掌握光电二极管的光电特性和伏安特性。
【实验内容】
1、 对光照度进行测量，观察现象；
2、 测量光电二极管的暗电流；
3、 测量光电二极管的光电特性；
4、 测量光电二极管的伏安特性。
【实验仪器】
光电探测原理实验箱、连接导线若干
实验箱面板操作示意图如图 1：
图 1 实验箱面板操作示意图
【实验原理】
1、 光照度基本知识
光照度是光度计量的主要参数之一，而光度计量是光学计量最基本的部分。光度量是限
于人眼能够见到的一部分辐射量，是通过人眼的视觉效果去衡量的，人眼的视觉效果对各种
波长是不同的，通常用 V（λ）表示，定义为人眼视觉函数或光谱光视效率。因此，光照度不
是一个纯粹的物理量，而是一个与人眼视觉有关的生理、心理物理量。
光照度是单位面积上接收的光通量，因而可以导出：由一个发光强度 I 的点光源，在相
距 L 处的平面上产生的光照度与这个光源的发光强度成正比，与距离的平方成反比，即：
式中：E——光照度，单位为 Lx；
I——光源发光强度，单位为 cd；
L——距离，单位为 m。
2、 光电二极管的结构和原理
光电二极管的核心部分是一个 PN 结，它和普通二极管相比有很多共同之处，它们都有
一个 PN 结，因此均属于单向导电性的非线性元件。但光电二极管作为一种光电器件，也有
它特殊的地方。例如，光电二极管管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照；光电二极管 PN
结势垒区很薄，光生载流子的产生主要在 PN 结两边的扩散区，光电流主要来自扩散电流而
不是漂移电流；又如，为了获得尽可能大的光电流，PN 结面积比普通二极管要大的多，而且
通常都以扩散层作为受光面，因此，受光面上的电极做的很小。为了提高光电转换能力，PN
结的深度较普通二极管浅。图 2 为光电二极管结构简图（a）和符号（b）。
图 2（a）光电二极管结构简图 (b) 符号
光电二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图 3，图中 E 为反向偏置电压），在没
有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小（一般小于 微安），这个反向电流称为暗电流，
当光照射在 PN 结上，光子打在 PN 结附近，使 PN 结附近产生光生电子和光生空穴对，称为
光生载流子。它们在 PN 结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光
电流越大。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号。因此光电二极管在不受光照
射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。
图 3 反向工作状态
2/ LIE
N P
+ -
光
RL
E
随着光电子技术的发展，光信号在探测灵敏度、光谱响应范围及频率特性等方面的要求
越来越高，为此，近年来出现了许多性能优良的光电探测器，如硅、锗光电二极管、PIN 光
电二极管、雪崩光电二极管（APD）等。光电二极管目前多采用硅或锗制成，但锗器件暗电
流温度系数远大于硅器件，工艺也不如硅器件成熟，虽然它的响应波长大于硅器件，但实际
应用尚不及后者广泛。下面着重介绍硅光电二极管的结构及工作原理。
普通 PN 结硅光电二极管存在表面漏电流，为了减小表面漏电流，在器件的 SiO2 表面保
护层中间扩散一个环行 PN 结，该环行结称为环极。在有环极的硅光电二极管中，通常有三
根引出线：环极、前极和后极。通常环极接电源正极，后极接电源负极，前极通过负载接电
源正极，如图 4。由于环极电位高于前极在环极形成阻挡层阻止表面漏电流流过，可使得负
载的漏电流很小（小于 μA）。若不使用环极也可将其断开做为空脚。
硅光电二极管的封装可采用平面镜和聚焦透镜作入射窗口。采用凸透镜有聚光作用，有
利于提高灵敏度。由于聚焦位置与入射光方向有关，因此能够减小杂散背景光的干扰，但也
引起灵敏度随入射光方向而变化。所以在实际使用中入射光的对准是值得注意的问题。采用
平面镜作窗口，虽然没有对准问题但要受到背景杂散光的干扰，在具体使用时，视系统的要
求而定。
图 4 光电二极管中的环极
【实验步骤】
一、观察并测量光照度
1、 插上三相电源线，打开电源开关。
2、 顺时针缓慢调节“光照度调节”旋钮，增大光照度，观察照度值的变化。当表头显示为“1
＿”时，说明已经超过量程，此时应更换量程为 200Lx 档。
3、 继续缓慢增大光照度，观察照度值的变化。当表头显示为“1＿”时，说明已经超过量程，
此时应更换量程为 2000Lx 档。
4、 继续缓慢增大光照度，观察照度值的变化，注意观察在相邻量程转换时候的数值变化。
5、 将“光照度调节”旋钮调至最小值位置，照度计档位调到 20Lx 档，关闭电源。
注意：当“光照度调节”旋钮逆时针调至最小值时，如照度表读数不为零，需要调零。
二、光电二极管的光电特性测试
1、 系统连接如图 5 所示。
图 5 光电特性连接图
2、 负载 RL 选择 RL1=。将面板上“光电二极管偏置电压输入＋”端与电流表“＋”端用导
线连接，电流表“－”端与 RL1 任一端连接，RL1 另一端与“光电二极管偏置电压输入－”
端相连，此时光电二极管偏压为零。
3、 电流表档位调节至 20μA 档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。打开电源开
关，顺时针调节该旋钮，增大光照度值，分别记下不同照度下对应的光生电流值，填入
表 1。若电流表或照度计显示为“1＿”时说明超出量程，应改为合适的量程再测试。
4、 将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源。
5、 作出零偏压下光电二极管的光照度—电流曲线。
表 1 零偏压下光电二极管的光照度—电流曲线
光照度（Lx） 0 50 100 150 200 300
光生电流（μA）
6、 将电压表调到 20V 档，“幅度调节”旋钮逆时针调至最小值位置。将“直流电源 0-12V”端与
电压表“＋”端用导线连接，将“直流电源”的另一端（接地端）与电压表“－”端相连。打开
电源开关，顺时针调节“幅度调节”旋钮，直至电压表显示为 为止。关闭电源开关，
拆掉电压表两端与“直流电源”两端之间的连线，拆掉电流表“－”端与 RL1 之间的连线。
7、 将“直流电源 0-12V”端（即图 5 中的 Ui+端）与 RL1 相连，将“直流电源”接地端（即图 4
中的 Ui-端）与电流表“－”端用导线连接。将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置，
打开电源开关，记下此时电流表的读数，即为暗电流值。
8、 重复步骤 2,将数据填入表 2 中。作出在－6V 偏压下光电二极管的光照度—电流曲线。
9、 比较两条曲线的区别。
10、 实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。
表 2 －6V 偏压下光电二极管的光照度—电流曲线
光照度（Lx） 0 50 100 150 200 300
光生电流（μA）
三、光电二极管的伏安特性测试
1、 实验装置连接图如图 6 所示。
图 6 伏安特性连接图
2、 负载 RL 选择 RL1=。将“光电二极管偏置电压输入＋”端与电流表“＋”端用导线连接，
电流表“－”端与 RL1 任一端连接，RL1 另一端与“光电二极管偏置电压输入－”端相连，
此时光电二极管偏压为零。
3、 电流表档位调节至 20μA 档，“光照度调节“旋钮逆时针调节至最小值位置。打开电源开关，
顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为 50Lx，记下此时电流表读数，填入表 3。关闭电
源，拆掉电流表“－”端与 RL1 之间的连线。
4、 电压表调到 20V 档，“幅度调节”旋钮逆时针调至最小值位置。将“直流电源 0-12V”端与 RL1
连接，将“直流电源另一端（接地端）与电流表“－”端连接。再将电压表“＋”端与“直流电
源 0-12V”端相连，“直流电源”接地端与电压表“－”端相连。
5、 打开电源开关，调节“幅度调节”旋钮，直至电压表显示为 为止，记下光电二极管所
加反向偏压为 2V 时电流表的读数，填入表 3。
6、 重复步骤 4，分别记下反向偏压为 4V、6V、8V 和 10V 时的电流表读数，填入表 3。关闭
电源。
7、 作出 50Lx 照度下的光电二极管伏安特性曲线。
8、 重复上述步骤。分别测量光电二极管在 100Lx、200Lx 和 300Lx 照度下，不同偏压下的光
生电流值，并分别作出伏安特性曲线。比较四条伏安特性特性曲线有什么不同。
9、 实验完毕，拆除所有连线。将“幅度调节”和“光照度调节”旋钮都逆时针旋到底。
表 3 光照度为 50LX 时的伏安特性
偏压（V） 0 -2 -4 -6 -8 -10
光生电流（μA）
表 4 光照度为 100LX 时的伏安特性
偏压（V） 0 -2 -4 -6 -8 -10
光生电流（μA）
表 5 光照度为 200LX 时的伏安特性
偏压（V） 0 -2 -4 -6 -8 -10
光生电流（μA）
表 6 光照度为 300LX 时的伏安特性
偏压（V） 0 -2 -4 -6 -8 -10
光生电流（μA）
【实验注意事项】
1、 打开电源之前，将“光照度调节”旋钮逆时针调至最小值，照度计档位调到 20Lx 档。
2、 若照度计表头显示为“1＿”时说明超过量程，应该增大量程。
3、 光电二极管偏压不要接反。
4、 连线之前要保证电源关闭。
【实验报告要求】
1、 根据实验测试记录，在坐标纸上画出不同偏压下的照度—电流曲线图，并分析实验现象。
2、 根据实验测试记录，在坐标纸上画出各伏安特性曲线图，并分析实验现象。
3、 写出完成本次实验后的心得体会以及对本次实验的改进意见。
【实验思考题】
1、 光照度不变，在量程转换的时候照度值读数有什么不同？试分析一下原因。
2、 分析并比较零偏压和-6V 偏压下光照度—电流曲线的区别，分析区别产生的原因。
3、 分析并比较四条伏安特性曲线的区别，分析区别产生的原因。
实验十 光电探测原理实验（下）
【实验目的】
1、 了解光电池的工作原理和基本使用方法；
2、 掌握光电池开路电压特性测试和短路电流特性测试方法；
3、 掌握光电池的伏安特性及其测试方法。
【实验内容】
1、 光电池开路电压特性测试；
2、 光电池短路电流特性测试；
3、 光电池的伏安特性测试。
【实验仪器及装置】
1、 光电探测原理实验箱 1 台
2、 连接导线 若干
【实验原理】
图 1 硅光电池原理图
光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，
电路中有了这种器件就不需要外加电源。光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质
上是一个大面积的 PN 结，当光照射到 PN 结的一个面，例如 P 型面时，若光子能量大于半导
A
PN结
电极
A
I
I
(a) (b)
硼扩散层
Si O2膜
P型电极
N型硅片
体材料的禁带宽度，那么 P 型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴， 电子-空穴对
从表面向内迅速扩散， 在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。图 1 为
硅光电池原理图。其中（a) 结构示意图； (b) 等效电路。
光电池在不同光照度下， 其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特
性，如图 2 所示。
图 2 硅光电池的光照电流电压特性
【实验步骤】
一、开路电压特性测试
1、 系统连接如图 3 所示。
图 3 开路电压特性连接图
2、 将“光电池电压输出＋”端与电压表“＋”端相连，“光电池电压输出－”端与电压表“－”端相
连。电压表档位调至 2V 档，“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。
3、 打开电源开关 。顺时针调节“光照度调节”旋钮，逐渐增大光照度，记下不同光照度下的
开路电压值，填入表 1。
0
光
生
电
流
/m
A
0
2 000 4 000
短路电流
开路电压
光
生
电
压
/V
光照度 /Lx
表 1 开路电压特性实验数据
光照度（Lx） 0 10 30 50 100 200 300
光生电压（V）
4、 关闭电源开关，照度值调至最小，拆除所有连线。
5、 作出光照度—开路电压特性曲线。
二、短路电流特性测试
1、 系统连接图如图 4 所示。
图 4 短路电压特性连接图
2、 将“光电池电压输出＋”端与电流表“＋”端相连，“光电池电压输出－”端与电流表“－”端相
连。电流表档位调至 20μA 档，“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。
3、 打开电源开关。顺时针调节“光照度调节”旋钮，逐渐增大光照度，记下不同光照度下的短
路电流值，填入表 2。
表 2 短路电压特性实验数据
光照度（Lx） 0 20 40 60 80 100 120 140 160
光生电流（μA）
4、 关闭电源开关，照度值调至最小，拆除所有连线。
5、 作出光照度—短路电流特性曲线。
三、光电池伏安特性测试
1、 系统连接图如图 5 所示。
图 5 光电池伏安特性连接图
2、 负载选择 RL1=Ω。将“光电池电压输出＋”端与电阻 RL1 任一端连接，电阻 RL1 另一
端与电流表“＋”端相连，电流表“－”端与“光电池电压输出－”端相连，再将电压表两端与
“光电池电压输出”两端用导线相连接（注意极性不要接反）。“光照度调节”旋钮逆时针调节
至最小值位置。将电压表选择 2V 档，电流表选择 200μA 档。
3、 打开电源，将光照度调节至 50Lx，记录电流表和电压表读数，填入表 3。
4、 将负载Ｒ换成分别换成 RL2、RL3、R1 和 R2，阻值分别为 KΩ、10 KΩ、51KΩ 和 100
KΩ，重复步骤 1 和 2，分别记录电流表和电压表的读数，填入表 3。关闭电源。
表 3 光照度为 50Lx 时的伏安特性
负载（Ω） Ｋ（RL1） Ｋ
（RL2)
10Ｋ（RL3）51Ｋ（R1） 100Ｋ（R2）
电流（μA）
电压（V）
5、 作出光电池的光生电流和光生电压随负载变化的 V-I 曲线。
6、 改变光照度为 100Lx、200Lx、300Lx，重复上述步骤，分别填写表 4、表 5 和表 6。
7、 比较四条曲线有什么不同，并分析原因。
8、 实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。
表 4 光照度为 100Lx 时的伏安特性
负载（Ω） Ｋ（RL1） Ｋ
（RL2)
10Ｋ（RL3）51Ｋ（R1） 100Ｋ（R2）
电流（μA）
电压（V）
表 5 光照度为 200Lx 时的伏安特性
负载（Ω） Ｋ（RL1） Ｋ
（RL2)
10Ｋ（RL3）51Ｋ（R1） 100Ｋ（R2）
电流（μA）
电压（V）
表 6 光照度为 300Lx 时的伏安特性
负载（Ω） Ｋ（RL1） Ｋ
（RL2)
10Ｋ（RL3）51Ｋ（R1） 100Ｋ（R2）
电流（μA）
电压（V）
【实验思考题】
1、 比较光电池的光照度-开路电压和光照度-短路电流曲线的异同，并对两条曲线进行分析。
2、 对不同照度下的四条伏安特性曲线进行分析比较，看看有什么区别？产生这些区别的原因
是什么？
【实验报告要求】
1、 根据实验测试记录，在坐标纸上画出光电池的光照度—开路电压特性曲线和光照度—短路
电流特性曲线图，并分析实验现象。
2、 根据实验测试记录，在坐标纸上画出光电池的伏安特性曲线图，并分析实验现象。
3、 写出完成本次实验后的心得体会以及对本次实验的改进意见。
【实验注意事项】
1、 打开电源之前，将“光照度调节”旋钮逆时针调至最小值，照度计档位调到 20Lx 档。
2、 当电压表和电流表显示为“1＿”是说明超过量程，应更换为合适量程。
3、 连线之前保证电源关闭。
4、 电压表选择 2V 档，电流表选择 200μA 档。
