《激光技术实验》简化版

激光技术实验实验报告

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实验一：激光大气通讯

一、激光大气通讯背景知识简介

大气激光通信为无线通信的一种，它以光信号作为传输信息的载体，在大气中直接传输。由于是无线通信，它可随意移动到任何地点并实现移动沟通，这是它最大的军用价值和优势。就概念而论，大气传输光学线路非常简单，即用发射机将激光束发射到接收机即可。然而，在实际的大气传输中，激光狭窄的光束对准确的接收有很高的要求，因此系统还应包括主动对准装置。在空间传输中，激光系统必须有很强的排除杂光的能力，否则阳光或其他照射光源就会淹没激光束。在实践中，需添加窄通滤光片，可以选择接收激光波长而阻挡其他的波长。

目前而论，激光大气通信系统得以实用化涉及的关键技术，主要有连续波大功率激光器技术；自适应变焦技术；光波窄带滤波技术；光源稳频技术；信号压缩编码技术；光学天线设计制作和安装校准技术等。目前，国外用于大气激光通信的半导体激光器和接收器件已实现了商品化。

与传统的无线电通信手段相比，激光大气通信具有安装便捷、使用方便等特点，很适合于在特殊地形、地貌及有线通信难以实现和机动性要求较高的场所工作。此外，激光大气通信系统跟其他无线电通信手段相比，还具有不挤占宝贵的无线电频率资源、电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、且不干扰其他传输设备、保密性强等特点，并且

在有效通信距离和宽带等方面还蕴藏着巨大的发展潜力。

与光纤通信相比，使用新技术光通信设备还具有建网和维护费用低廉；实际应用中线路建立快捷，特别适合快速抢通；运行安全，不易被窃听；可移动，可升级等优点。因此，激光大气通信可极大地提高光通信系统的通信能力，大大节省光—电—光中继器及光端机，使通信技术产生新的飞跃。

二、实验目的和内容

了解电光调制器的基本结构；

熟悉激光大气通讯的基本原理；

掌握音频信号的激光大气通讯的调试技术；

探讨影响激光大气通讯效果的主要因素。

三、实验仪器

He-Ne激光器

电光调制器及DGY-Ⅲ型调制电源

收音机和音频信号发生器

偏振片（2个）、1/4波片

光电接收放大器及直流电压源（9V）

音箱或收录机（代替音箱）

示波器

四、实验原理及内容

（一）电光调制器的结构

本调制器是选用优质的DKDP晶体、利用pockpl效应对光进行信号调制的器件。

图1.电光调制器结构示意图

1.电极引出线

2.DKDP晶体

3.环形电极

4.偏振片

（二）电光调制器的调整

为了保证信号传输的质量和较高的信噪比，进行激光大气通讯之前，首先对光路和器件的状态进行调整。电光调制器的实验系统安排大致如图2.所示。调整步骤大体如下：

图2.电光调制器实验安排图

①He-Ne激光器②起偏器③1/4波片

④电光调制器⑤检偏器⑥光电接收放大器

⑦示波器⑧DGY-Ⅲ型调制电源⑨直流电压源

（三）激光大气通讯实验系统组成

图3.激光大气通讯系统实验安排图

①He-Ne激光器②起偏器③1/4波片④电光调制器⑤检偏器⑥光电接收放大器⑦音箱或收录机（代替音箱）⑧DGY-Ⅲ型调制电源⑨收音机或音频信号发生器⑩直流电压源

图3.为激光大气通讯系统实验安排框图。按图3.所描述的系统，课传输音频（300-3400Hz）信号或收录机播放的节目。实验时，将收录机的节目信号或音频信号接至调制电源的电光输入端口，这样，若将本系统配套的光电接收放大器上接收到的光信号接入音箱或收录

机（收录机代替音箱，信号接入到Line out端口，按下play键），适当旋转或调制各元器件，便可听到清晰的广播声音。

五、实验注意事项

实验中，使用的调制器为“电光调制器”，注意不要将它连接到调制电源的声光、磁光端口。光电接收放大器要正常工作，必须配备9V的直流电压源。若给光电接收放大器提供了9V的直流电压源，它还不能正常工作，应检查它后面的开关是否处于“开”的位置。六、实验结果及分析

调整电光调制器时，旋转调制器，示波器显示调制信号波形发生变化，振幅也随之改变，只在某一个特定位置上调制信号振幅达到最大，产生倍频信号。

激光大气通讯实验时，转动起偏器或者检偏器，均会对接收信号产生影响，喇叭声音大小随之改变；增加或减小检测器供电电压，喇叭声音随之增大或减小；当在光电接收放大器前任意位置隔断激光链路时，均无法接到信号，喇叭声音消失。

根据实验结果，经分析得出影响激光大气通讯的因素有：

光端机因素：主要受发射机的发射光强和接收机的灵敏度影响，另外，在实际的大气激光通讯中，由于发射机与接收机之间局里较远，因此，发射机的光出射角（影响光束的汇聚性）与接收机的接收孔径也是影响通信效果的主要因素。

大气因素：主要是光束在大气中传播时，受到大气分子（主要是O2和CO2）及悬浮微粒（烟尘、水滴、冰片等）对光束的吸收与散射，大气湍流运动对光束的扰动。前者主要导致光束能量损失，工程常称大气衰减；后者引起光束的强度闪烁、光束漂移、扩展与抖动等现象，通常称大气湍流效应。

光噪声因素：该因素主要影响激光大气通信系统的接收灵敏度。背景光本身的随机。背景光本身由于光源的不稳定性、反射散射过程的不稳定性及传播过程中的不稳定性，将存在宽谱的随机起伏，相当于光噪声，这种噪声被接收机检测后将产生相应的噪声电流，使系统信噪比恶化。因此，激光系统必须有很强的排除杂光的能力，否则阳光或其他照射光源就会淹没激光束。

障碍物因素：当激光束的传播路径上存在障碍物时，激光大气通讯就会受到干扰。在技术上采用散光法和阵列多点发射都可以减少障碍物对通讯的影响。

七、实验心得

通过该实验我了解了激光大气通信系统的结构、原理，通过观测比对，初步认知了影响激光大气通信质量的各种因素，在老师的讲解下，对于如何排除这些干扰因素有了一定认识，同时，在实验中遇到的问题也通过查阅相关资料得到了解答，并了解到了大气激光通信历史及发展以及当今世界激光大气通信技术的应用及未来前景，收获颇丰。

实验二：光纤传输

一、实验目的和要求

了解光纤传输的基本原理和光纤传输系统的基本结构；

熟悉半导电光器件的基本性能及主要特性的测试方法；

练习音频信号光纤传输系统的调试技术。

二、实验仪器

YOF-A型音频信号光纤传输实验仪（发送器、接收器和光纤盘）音频信号发生器或收音机

光功率计

示波器

三、实验原理

（一）系统的组成

图1示出了一音频信号光纤传输系统结构原理图，其中电光转换和模拟通道之间为传输光纤；电光转换之前的部分为光信号发送部分，主要由调制电路、驱动电路和发光二极管LED组成；模拟通道之后的部分为光信号接收部分，主要由硅光电池、前置电路和功放电路组成。

图1.光纤传输系统的结构原理图

（二）LED的驱动和调制电路

音频信号光纤传输系统发送端LED的驱动和调制电路如图2所示。以BG1为主组成电路是LED的驱动电路。调节可变电阻W2可使LED的偏置电流在0-60mA的范围内变化。被传输的音频信号经IC1运放由电容C4耦合到BG1的基极，对LED的工作电流进行调制，从而使LED发送出随音频信号变化的光强信号，并把这一信号经光纤传送至接收端。根据运放电路理论，图2中音频放大电路的闭环增益为：G（jω）=1+Z2/Z1（1）

图2.LED的驱动和调制电路

（三）光信号接收器

图3是光信号接收器的电路原理图，其中SPD是硅光电二极管，它的峰值响应波长与发送端LED光源的中心波长很接近，其峰值波长响应度为0.25-0.5μA/μW。SPD的任务是把经光纤传输过来的光信号的光功率转变为与之成正比的光电流I0，然后经过IC2构成I-V 转换电路，再把光电流转换成电压V0输出，V0与I0之间的关系为：

V0= R f I0（2）

图3.光信号接收器的电路原理图

以IC3（LA4112）为主构成一个音频功放电路。该电路的电阻元件（包括反馈电阻）均集成在芯片内部，只要调节外接的电位器W3，可改变功放电路的电压增益，电路中电容CNf的大小决定着功放电路的下限截止频率。

四、实验内容

（一）LED-传输光纤组件电光特性的测定

本实验系统中LED输出的光功率与传输光纤是直接耦合的，LED 的正负极

通过光纤绕线盘上的电流插口与发送器的调制驱动电路连接。

R4

W2

图4.LED-传输光纤组件电光特性的测定电路

（二）音频信号的光纤传输实验

（1）调整系统各部件至正常工作

光电探测器的输出接到硅光电二极管SPD的输入插孔内，设置LED的偏置电流为ID =30mA左右，使用正弦波（由音频信号发生器提供）对光信号进行调制，并用示波器观察发送端LED驱动电路中Re上的电压波形，适当调节调制信号的幅度，使Re上的电压波形无

消波失真；开启接收器后面板上的电源开关，用示波器观察接收端功放电路RL上的输出波形，若所观察到的波形与发送的调制信号波形一致，则表明整个传输系统工作正常；改变调制信号的幅度和频率，通过示波器观察各监测点波形（是否失真）及总体传输效果。

（2）语音信号的光纤传输

用收音机代替音频信号发生器，将“喇叭接通开关”打开，即可进行语音信号的光纤传输实验，聆听整个音频信号光纤传输系统的音响效果。同时，根据实际情况可适当调节发送部分的LED偏置电流ID、调节放大器电路反馈电阻W1及接收功放电路的电阻W3等系统参数，考察光纤传输的听觉效果，并用示波器监测系统的输入信号和各级输出信号的波形变化。

五、实验注意事项

连接好线路后，接通电源开关，如果发送器数字电流表有显示、发光二极管LED亮、光纤盘尾纤有红光输出，则说明系统的电源部分工作正常。

实验过程中，应避免LED的引脚与实验系统和测量仪器的地线相碰，否则可能会造成LED的永久性损坏。

实验过程中，进行光纤与硅光电池的耦合连接时，应注意光纤端面的保护，并按光纤的自然弯曲状态进行操作，不得加力弯折。

六、实验结果及分析

（一）LED-传输光纤组件电光特性

表中：I D：LED驱动电流（mA）；P0：光功率计（μW）

LED-传输光纤组件电光特性曲线

由图可知，P0基本与I D成线性关系，随驱动电流增大，光强度增大，光功率也就增大，可以用电信号来反映光信号，显示LED-传

输光纤的电光特性。

（二）音频信号的光纤传输

（1）电路连接好后，用示波器观察传输系统中各接入点的电压波形，有可能会发现有消波失真，该失真随输入电压幅度的增大而增大；因此适当调节“调制幅度”消去消波失真。失真波形如图所示：

消波失真正常工作

经分析，该失真是由于放大器的非线性特性引起，属于饱和失真，因此需对输入电压进行控制，通过测试，在LED驱动调制电路中，取I D =30mA，此时，当V pp>2.8V时U1，U0，U Re会产生失真，在接收器电路中，当V pp>2.0V时，U0，U RL会产生失真，因此，可选取V pp=1.6V（I D =30mA）。

（2）调节LED偏置电流，电流变小，小至某一值时会产生截止失真，同时，喇叭声音随偏置电流的减小而减弱，经测试，在V pp=1.6V 情况下，当I D<15mA时U Re，U0，U RL会产生失真。

综上所述，考虑到放大器的非线性效应，需对调制幅度及偏置电流进行严格控制，否则会影响光传输系统的有效性及可靠性。（实验

工作频率f=300MHz）

七、实验心得

通过自己的实践和老师的讲解，实现了音频信号的光纤传输，明白了光电转换过程，以及光纤传输的基本原理。通过对实验现象的分析，了解了影响光纤传输的各种因素，对光纤传输的特性及传输效果有了一定了解，对光纤传输系统中LED驱动调制电路和接收电路的工作点选取有了深刻的认识。

实验三：声光衍射一、实验目的

了解声光作用的基本理论；

观测喇曼——奈斯衍射和布喇格衍射现象。

二、实验装置及仪器

声光器件TSGMN-1B型调制器

驱动电源XG—22A型超高频功率信号发生器He-Ne激光器

长焦距透镜

测长仪机架

激光功率计

声光器件

图4.实验装置简图

三、实验的科学背景

声光学是一门新光的边缘学科,本世纪初布里渊曾预言:有压缩波存在的液体,当光垂直与压缩波传播方向通过声场时将产生类似光栅的衍射现象. 声光学微观理论的建立将会对整个凝聚太物理产生深刻的影响。

四、实验原理

超声波是一种纵向的机械应力波，它在声光介质中传播时会引起介质密度的疏密变化，由于弹光效应，将引起介质折射率的变化，密的部分折射率大，疏的部分折射率小。因此可以把超声波作用下的介质视为等效的相位光栅，光栅的条纹间隔等于声波波长λ，当光波通过该介质时，就被衍射。

（一）喇曼——奈斯衍射

当超声频率较低，声光作用长度较短，光线平行于声波波面入射（即垂直于声场传播方向入射）时，产生喇曼——奈斯衍射。如图1所示，由于在这种情况中，超声光栅与普通的光学条纹光栅（平面光栅）类似，因此，频率为cγ的平行光通过超声光栅时，将产生多级衍射光，而且各级衍射光极值对称分布在零级极值的两侧，其强度依次递减。

利用衍射积分法对喇曼——奈斯衍射进行理论分析可得，在宽度为L的声光介质中，产生喇曼——奈斯衍射的条件为

2s L λ<<

各级衍射光的衍射角m θ满足

sin m m m λθλ=

相应于第m 级衍射的极值光强为

()

2

m i m I I J V =

零级极值两侧的同级衍射极值光强相等，这种衍射光强的对称分布是喇曼——奈斯衍射的主要特征之一。通过调制信号改变超声波场，就可调制衍射光的光强和频率

（二）布喇格衍射

当声波频率较高，声光作用长度L 较长，满足

2

s L λλ>>，并且光线与声波波面有一定角度斜入射时，会产生布喇格衍射。

五、 实验步骤

1．点燃He-Ne 激光器，预燃20分钟，使其工作基本稳定。 2．调整系统各元件，使其共轴。

3．将信号源加到声光器件上，改变频率并微调系统各元件，直至出现喇曼——奈斯衍射进行观测。

4．改变声光器件的角度，进行布喇格衍射现象的观测。

六、 实验内容

1. 根据实验仪器，确定测量衍射角的方法

2. 观测喇曼——奈斯衍射现象（调谐范围为30~60MHz ）

A．固定入射光强，测量衍射光极值偏转角mθ与信号频率s f的关系曲线。

B．固定入射光强，测量衍射光强m I与信号频率s f的关系曲线。

C．将观测数据及mθ的理论计算结果列成简明表格。

七、实验结果及分析

（一）测量衍射角的方法

调节He-Ne激光器、光阑、声光器件及聚焦透镜，使激光光束打到测长仪面板上，在测长仪上读出中间最亮点与第二点距离，再用卷尺测出声光器件与测长仪之间的距离，利用反正切即可得到衍射角。

（二）观测喇曼——奈斯衍射现象（调谐范围为30~60MHz）固定入射光强P in=5.8mw，声光器件与测长仪之间的距离为L=108cm。

固定入射光强，测量衍射光第一级衍射光点偏移d，从而计算极值偏转角mθ，做出极值偏转角mθ与衍射光频率s f的关系曲线。固定入射光强，测量衍射光强m I，做出衍射光强m I与信号频率s f的关系曲线。

测量数据及mθ的理论计算结果如下表：

极值偏转角m 与衍射光频率s f的关系曲线如下图：