物理光学实验指导书

物理光学

实验指导书

吕岑王进军主编

史永胜主审

电气与信息工程学院

目录

实验1迈克耳逊干涉仪 (1)

实验目的 (1)

基本原理 (1)

实验仪器 (5)

实验内容 (6)

思考题 (7)

实验2铌酸锂晶体横向电光调制实验 (7)

实验目的 (7)

实验原理 (7)

实验仪器 (13)

实验内容 (13)

思考题 (16)

注意事项 (16)

实验3 菲涅耳衍射与针孔滤波实验 (17)

引言 (17)

实验目的 (17)

基本原理 (17)

仪器用具 (19)

实验内容 (20)

实验4 夫琅和费衍射 (22)

实验目的 (22)

实验原理 (22)

仪器用具 (23)

实验内容 (23)

实验1迈克耳逊干涉仪

实验目的

1．了解迈克耳逊干涉仪的工作原理及调节方法；

2．掌握使用迈克耳逊干涉仪测波长的原理；

基本原理

迈克耳逊干涉仪的结构和原理

迈克耳逊干涉仪的原理图如图1所示，A和B为材料、厚度完全相同的平行板，A的一面镜上半发射膜，M1，M2为平面反射镜，M2是固定的，M1和精密丝杆相连，使其可前后动，

图1 麦克尔逊干涉仪的原理

最小读数为10-4mm，可估计到10-5mm，M1和M2后各有几个小螺丝可调节其方位。

光源S发出的光射向A板而分成（1）、（2）两束光，这两束光又经M1和M2反射，分别通过A的两表面射向观察处O，相遇而两束光的光程差仅由M1，M2与A板的距离决定。

由此可见，这种装置使相干的两束光在相遇之前走过的路程相当长，

而且其路径是互相垂直的，分的很开，这正是它的主要优点之一，从O

处向A 处观察，除看到M1镜外，还可以通过A 的半反射膜看到M 2的虚

象M 2‘，M 1与M 2镜所引起的干涉，显然与M 1，M 2’引起的干涉等效，

M 1和M 2形成了空气“薄膜”，因M 2‘不是实物，故方便地改变薄膜的厚

度（即M 1，和M 2的距离），甚至可以使M 1，和M 2重叠和相交，在某一

镜面还可根据需要放置其他被研究的物体，这些都为其广泛的应用提供了

方便。

1. 点光源产生的非定域干涉

一个点光源S 发出的光束经干涉仪的等效薄膜表面M 1与M 2反射后，

相当于两个虚光源S 1，S 2发出的相干光束（图2）。若原来空气膜厚度（即

M 1，和M 2‘之间的距离）为h ，则两个虚光源S 1和S 2之间的距离为2h ,

显然只要(M 1，和M 2’即M 2)足够大,在光源同侧的任一点上,总能有S 1和

S 2的相干光线相交,从而在P 点处可观察到干涉现象,因而这种干涉是非定

域的。

若P 点在某一条纹上，则由S 1和S 2到达该条纹任意点（包括P 点）

的光程差△是一个常量，故P 点在的曲面是旋转双曲线，旋转轴是S 1、

S 2的连线，显然，干涉图样的形状和观察屏的位置有关，当观察屏垂直

于S 1、S 2的连线时，干涉图是一组同心圆，下面我们利用图3推导△的

具体形式，光程差

2222)2(R Z R h Z +-++=?

??

????-???? ??++++=121441222

22R Z h Zh R Z 把小括号内展开，则

???

?????+???? ??++-???? ??+++=? 22222222244814421R Z h Zh R Z h Zh R Z

()

??????+--+++≈22322232222R Z Z h Z h h R ZR Z R Z hZ ??

????--+=δδδδ233

2222cos cos 2sin 1cos 2Z h Z h Z h h 由于,Z h ??所以

)sin 1(cos 22δδZ

h h +

=? （1） 从式（1）可以看出，在δ=0处，即干涉环的中心处光程差有极大值，即中心处干涉级次最高，如果中心处是亮的，则λm h ==?121。若改变光

程差，但中心处仍是亮的，则λ)(222n m h +==?，我们得到

λn h h h 2

1)(211212=?-?=

-=? （2） 即M 1和M 2之间的距离每改变半个波长，其中心就“生出“或”消失“一

个圆环，两平面反射镜之间的距离增大时，中心就”吐出“一个个圆环，

反之，距离减小时中心就”吞近“一个个圆环，同时条纹之间的间隔（即

条纹的稀疏）也发生变化，有式（2）λn h 2

1=?可知，只要读出干涉仪中M 1移动的距离h ?和数出相应吞进（或吐出）的环数就可求得波长。

把点光源换成扩展光源，扩展光源中各点光源是独立的、互不相干的，

每个点光源都有自己的一套干涉条纹，在无穷远处，扩展光源上任两个独

立光源发出的光线，只要入射角相同，都会会聚在同一干涉条纹上，因此

在无穷远处就会见到清晰的等倾条纹，当M 1和M 2‘不平行时，用点光

源在小孔径接收的范围内，或光源离M 1和M 2’较远，或光是正入射时，

在“膜”附近都会产生等厚条纹。

2. 条纹的可见度

使用绝对的单色光源，当干涉光的光程差连续改变时，条纹的可见度一直是不变的，如果使用的光源包含两种波长1λ及2λ，且1λ和2λ相差很

小，当光程差为2121λλ??? ?

?+==m m L （其中m 为正整数）时，两种光产生的条纹重叠的亮纹和暗纹，使得视野中条纹的可见度降低，若1λ及2λ的

光的亮度又相同，则条纹的可见度为零，即看不清条纹了。

再逐渐移动M 1以增加（或减小）光程差，可见度有逐渐提高，直到

λ1的亮条纹与λ2的亮条纹重合，暗条纹重合，此时可看到清晰的干涉条

纹，再 继续移动M 1，可见度又下降，在光程差

()2123λλ??? ?

?+?+=?+=?+m m m m L L 时，可见度最小（或为零），因此，从某一可见度为零的位置到下一个可见度为零的位置，其间光程差变化应

为21)1(λλ+?=??=?m m L 化简后 L L ?=?=?2

2

1λλλλ

（3） 式中2,2

121λλλλλλ+=-=?。利用式（3）可测出钠黄光双线的波长差。

3. 时间相干性问题

时间相干性是光源相干程度的一个描述，为简单起见，以入射角i =0

作为例子,讨论相距为d 的薄膜上、下两表面反射光的干涉情况，这时两

束光的光程差L=2d ，干涉条纹清晰，当d 增加某一数值d’后，原有干涉

条纹变成一片模糊，2d’就叫作相干长度，用L m 表示，相干长度除以光速

C ，是光走过这段长度所需的时间，称为相干时间，用t m 表示，不同的光

源有不同的相干长度，因而也有不同的相干时间，对于相干长度和相干时

间的问题有两种解释，一种解释是认为实际发射的光波不可能是无穷长的

波列，而是有限长度的波列，当波列的长度比路的光程小时，一路光已通

过了半反射镜，另一路还没有到达，这时它们之间就不可能发生干涉，只

有当波列长度大于两路的光程差时，两路光才能在半反射镜处相遇发生干

涉，所以波列的长度就表征了相干长度，另一种结实认为：实际光源发射

的光不可能是绝对单色的，而是有一个波长范围，用谱线宽度来表示，假

设“单色光“的中心波长为λ0，谱线宽度为△λ，也就是说“单色光”是有波长为20λλ?-到2

0λλ?+之间所有的波长组成的，各个波长对应一

套干涉花纹，随着距离d 的增加，20λλ?+和2

0λλ?-之间所形成的各套干涉条纹就逐渐错开了，当d 增加到使两者错开一条条纹时，就看不到干

涉条纹了，这时对应的2d’=L m ，就叫做相干长度，由此我们可以得到L m

与λ0及△λ之间的关系为： λ

λ?=2

0m L （4） 波长差△λ越小，光源的单色性越好，相干长度就越长，所以上面两种

解释是完全一致的，相干时间t m 则用下世表示

λ

λ?==c c L t m m 20 (5) 钠光灯所发射的谱线为589.0nm 与589.6nm ，相干长度有2cm ，氦氖

激光器所发出的激光单色性很好，其632.8nm 的谱线，△λ只有

10-4~10-7nm ，相干长度长达几米到几公里的范围，对白光而言，其△λ和

λ是同一数量级，相干长度为波长数量级，仅能看到级数很小的几条彩色

条纹。

4. 透明薄片折射率（或厚度）的测量

（1）白光干涉条纹

干涉条纹的明暗决定于光程差与波长关系，用白光光源，只有在d =0

的附近才能在M1、M2’交线处看到干涉条纹，这时对各种光的波长来说，其光程差均为2λ（反射时附加2

λ），故产生直线黑纹，即所谓的中央条纹，两旁有对称分布的彩色条纹，d 稍大时，因对各种不同波长的光，满足明

暗条纹的条件不同，所产生的干涉条纹明暗互相重叠，结果就显不出来，

只有用白光才能判断出中央条纹，利用这一点可定出d =0的位置。

（2）固体透明薄片折射率或厚度测定

当视场中出现中央条纹之后，在M 1与A 之间放入折射率为n 厚度为

l 的透明物体，则此时程差要比原来增大)1(2-=?n l L 因而中央条纹移出

视场范围，如果将M 1向A 前移d ，使2

L d ?=，则中央条纹回重新出现，测出d 及l ，可由式)1(-=n l d 求出折射率n 。

实验仪器

迈克尔逊干涉仪、钠光灯、He —Ne 激光器、小孔光栏

实验内容

1. 观察非定域干涉条纹

1. 打开He —Ne 激光器，使激光光束基本垂直M2面，在光源前放一小孔

光阑，调节M2上的三个螺钉（有时还需调节M1后面的三个螺钉），使

小孔出射的激光束，经M1与M2反射后防在毛玻璃上重合，这时能在毛

玻璃上看到两排光点一一重合。

2. 去掉小孔光阑，换上短焦距透镜而使光源成为发散光束，在两光束光

程差不太大时，在毛玻璃屏上可观察到干涉条纹，轻轻调节M2后的螺

丝，应出现圆心在毛玻璃屏中心的圆条纹。

3. 转动鼓轮，观察干涉条纹的形状、疏密及中心“吞”、“吐”条纹随光

程差的改变而变化的情况。

2. 测量He —Ne 激光器的波长

采用非定域的干涉条纹测波长，缓慢转动微动手轮，移动M 1以改变

h ，利用式（2）λn h 2

1=?可算出波长，中心每“出生”或“吞进”50个条纹，记下对应的h 值，n 的总数要不小于500条，用适当的数据处理方

法求出λ值。

3. 测钠黄灯光波长即钠黄灯双线的波长差，观察条纹可见度的

变化。

调节测微螺旋，使两个平面镜与分束器中心的距离大致相等，目测平

面镜垂直于台面。在钠灯与分束器之间插入小孔光栏，调节平面镜，使从

观察处看到的由两个平面镜反射的两组光点相互接近，直到重合，去掉小

孔光栏，即在观测屏上可以看到明暗相间的干涉条纹。

仔细调节平面镜，使干涉条纹变粗，逐步把干涉环的圆心调到观测屏

中央，直到移动观测屏环心处无明暗变化。所得一系列明暗相同的同心圆

环即相当于某一厚度的平行空气膜产生的等倾干涉图样。

取等倾干涉条纹的清晰位置，记下测微螺旋读数h ，移动M 1以改变

h ，利用λn h 2

1=?可算出波长，中心每“出生”或“吞进”50个条纹，记下对应的h 值，n 的总数要不小于250条，用适当的数据处理方法求出

λ值。

钠黄灯含两种波长相近的单色光，所以在干涉仪动镜移动过程中，两

种黄光产生的干涉条纹叠加的干涉图样会出现清晰与模糊的周期性变化

（光拍现象）。根据推导，钠黄双线的波长差h 2/2-=?λλ。式中-

λ为两种

波长的平均值，可取上一个实验的测量结果；h ?是干涉图样出现一个清

晰-模糊-清晰的变化周期，平面镜和另一个平面镜的虚象之间空气膜厚度

的改变量。实验对光拍周期须多次测量。 4．测量钠光的相干长度，观察氦氖激光的相干情况（不必测

出相干长度）。

思考题

1. 测He —Ne 激光器波长时，要求n 尽可能大，这是为什么？对测得

的数据应采用什么方法进行处理？

2. 从图2中看，如果把干涉仪中的补偿板去掉，回影响到哪些测量？

哪些测量不受影响？

实验2铌酸锂晶体横向电光调制实验

实验目的

1.了解电光调制的基本原理及铌酸锂晶体横向调制的基本机构。

2.掌握铌酸锂电光调制器的调试方法并测量和计算晶体的特性参数。

实验原理

1.铌酸锂晶体的一次电光效应

给晶体外加电场时，晶体的折射率将发生变化，这种现象成为电光效应。

外电场E 引起的折射率变化关系式为：

+++=20bE aE n n ·

(1)

其中a 、b 为常数，0n 是E=0时的折射率。由一次项aE 引起的折射率变

化的效应，称为一次电光效应或电光效应，也称普朗克（Pokell ）效应。

一次电光效应只存在于二十类无对称中心的晶体中。由二次项2bE 引起的

折射率变化的效应，称为二次电光效应也称平方电光效应或克尔（Kerr ）

效应，二次电光效应则可能存在于任何物质中。一般一次电光效应要比二

次电光效应显著的多。

电光效应在工程技术中有着广泛的应用。通常用折射率椭球的变化来分

析。晶体在未加电场时的折射率椭球方程为：

122

2222=++z y x

n z n y n x （2） 式中n x 、n y 、n z 分别为三个主轴x 、y 、z 上的主折射率。晶体在外加电

场作用下折射率椭球发生变化，即椭球的三个主轴位置和长度都发生变

化，变化的大小与外加电场E 的大小和方向及晶体的性质又关。

铌酸锂晶体是负单轴晶体，即n x =n y =n 0、n z ＝n e 。它所属的三方晶系3m

点群电光系数有四个，即γ22、γ13、γ33、γ51。由此可得铌酸锂晶体在外加

电场后的折射率椭球方程为：

2132220

2152220)1()1(y E E n x E E n z y z y γγγγ++++- 12)(2)1(

22512331=-++++xy E xz E yz E z E n x x z z e γγγ （3） 通常情况下，铌酸锂晶体采用450－z 切割，沿x 轴或y 轴加压，z 轴方向

通光的运用方式，当主轴x 轴方向上外加电场时，有E z =E y =0, 晶体主轴

x,y 要发生旋转，（3）式变为：122225122

2222=-+++xy E xz E n z n y n x x x z

y x γγ。因151??x E γ，故对应项可以忽略，经坐标变换，可求出三个感应主轴x’、y ’、

z ’（仍在z 方向上）上的主折射率变成（4）式所示。其中铌酸锂晶体变

为双轴晶体，其折射率椭球z 轴的方向和长度基本保持不变，而x,y 截面

由半径为n 0变为椭圆，椭圆的长短轴方向x ’ y ’相对原来的x y 轴旋转了

450，转角的大小与外加电场的大小无关，而椭圆的长度n x ，n y 的大小与

外加电场E x 成线性关系。

x x E n n n 22300'2

1γ+

= x y E n n n 22300'21γ-= e z n n =' （4）

当光沿铌酸锂晶体光轴z 方向传播时，经过长度为l 的晶体后，由于晶体

的横向电光效应（x-z ），两个正交的偏振分量将产生位相差：

d

l V n l n n x y x 22302)''(2γλπ

λπ

δ=-= （5） 其中 d 为晶体在x 方向的横向尺寸，x V ＝E x ×d 为加在晶体x 方向两端

面间的电压。通过晶体使光波两分量产生相位差π（光程差λ/2）所需的

电压x V ，称为“半波电压”，以πV 表示。由上式可得出铌酸锂晶体在以（x-z ）

方式运用时的半波电压表示式：

l

a n V 22302γλπ= （6） 还可以利用πV 求一外加电压x V 下所产生的相位差：

x V V ππ

δ= (7)

由（5）式可以看出，铌酸锂晶体横向电光效应产生的位相差不仅与外加

电压称正比，还与晶体长度比l /d 有关系。因此，实际运用中，为了减小

外加电压，通常使l /d 有较大值，即晶体通常被加工成细长的扁长方体。

铌酸锂晶体的电光系数22γ＝6.8×10－12m/V , 此处采用λ＝632.8nm 光波，

n 0≈2.2956，n e ≈2.2044。

2. 电光调制原理

激光调制的方法很多，如机械调制，电光调制，声光调制，磁光调制和

电源调制等。其中电光调制开关速度快，机构简单，因为，在激光调Q

技术，混合型光学双稳器等方面运用广泛。

电光调制根据所使加的电场方向不同，可分为纵向调制和横向调制。利

用纵向电光效应的调制，叫做纵向电光调制，利用横向电光调制效应的调

制，叫做横向电光调制。本次实验中，我们只做铌酸锂晶体的横向调制实

验。

1.横向电光调制：

图1晶体电光调制器结构示意图

图1为典型的利用硫酸钠晶体横向电光效应原理的激光振幅调制器。其

中起偏器的偏震方向平行于电光晶体x 轴，检偏器的偏振方向平行于y

轴。因此入射光经起偏器后偏振方向变为振荡方向平行于x 轴的线偏振

光，它在晶体的感应轴x ’ y ’轴上的投影和位相都相等，设分

e x’=A 0cosωt

e y’=A 0cosωt (8)

或用复振幅的表示方法，将位于晶体表面（z=0）的光波表示为

E x’(0)=A

E y’(0)=A

所以 入射光的强度是 I i ∝E E =| E x’(0)|2+| E y’(0)|2=2A 2 (9)

当光通过长为l 的电光晶体后，x ’ 和y ’两分量之间就产生位相差即：

E x’(0)=A (10)

通过检偏器出射的光，是该两分量在y 轴上的投影之和

(E y )=)1(2+-δi e A

(11)

其对应的输出光强I t 可写为

I t ∝[(E y )0·（E y ）0*]=)]1)(1[(22

++-δδi i e e A =2A 2sin 22δ (12) 由（9）、（12）式，光强透过率T 为：

2

sin 2δ==i t I I T （13） 将（7）式带入：

)sin (2sin 2sin 022t V V V V V T m ωππ

ππ+== （14）

其中V 0是直流偏压，t V m ωsin 是交流调制信号，V m 是振幅，ω是调

制频率。从上式可以看出，改变V 0或V m 或，输出特性将发生相应变化。

考察（5）式，我们知道，对于单色光，22302γλπ

n 为常数，因而T 将仅随

晶体上的电压x V 所变化，如图二所示，T 与x V 的关系是非线性的。若工作点选择不合适，会使输出信号发生畸变。但在2

πV 附近有一近似直线部分，这一直线部分称为线性工作区，由上式可以看出，当2

πV V x =时，2π

δ=，T ＝50％ 。

图2 T —V 的关系曲线

3. 改变直流偏压对输出特性的影响

1）当20πV V =

,πV V m <<时，将工作点选定在线性工作区中心，此时，

可获得较高效率的线性调制，把2

0πV V =带入（14）式，得： )]sin 2(4[sin 2t V V T m ωπππ+=)]sin 2cos(1[21t V V m ωπππ

+-= =)]sin sin(1[21t V V m ωππ

+ （15） 当πV V m <<时，

]sin 1[21t V V T m ωππ

+≈ （16） 即t V T m ωsin ∝，这时，调制器输出的波形和调制信号的波形的频率相同，

即线性调制。

2）当00=V 或πV ，πV V m <<时，把00=V 带入（14）式，得：

)]sin cos(1[21)sin 2(sin 2t V V t V V T m m ωπωππ

π-== )2cos 1()(81sin )(41222t V V t V V m m ωπωππ

π-≈≈ （17） 即∝T t ω2cos ，这时看到的是“倍频”失真。

把πV V =0带入（14）式，经类似的推导得：

)2cos 1()(8112t V V T m ωππ

-≈-≈ （18） 即∝T t ω2cos ，这时看到的仍是“倍频”失真的波形。即直流偏压V 0在

零附近或πV 附近变化时，由于工作点不在线性工作区，输出波形将失真。

3）当20πV V =

，πV V m >时调制器的工作点虽然选定在线性工作区的中心，

但不满足小信号调制的要求，（15）式不能写成（16）式，此时的投射率

函数（15）展开成贝赛尔函数，即由（15）式得：

T ＝)]sin sin(1[21t V V m ωππ

+ ]5sin 2sin sin [2531 ++-=t V V J t V V J t V V J m m m ωπωπωππππ （19）

由上式可以看出，输出的光束除包含交流基波外，还包含由奇次偕波。

此时，调制信号的幅度较大，奇次偕波不能忽略，因此，此时工作点虽然

选在线性区，输出波形仍然失真。

4）当230πV V =,πV V m <<时,参考2

0πV V =时的情况，可有： ]sin 1[21t V V T m ωππ

-≈ （20） 可见T 与wt V m sin 成反向增长，其他都与2

0πV V =,πV V m <<时相同。 实验仪器

晶体电光调制器，电光调制电源，He-Ne 激光器，起偏器，检偏器等。

实验内容

1. 光路调节

调节激光管使激光束与晶体调节台表面平行，同时，使光束通过各光

学元件中心。调节起偏器和检偏器正交，且分别平行与x ，y 轴，放上晶

体后各器件要细调，精细调节是利用单轴晶体的锥光干涉图的变化来完

成。

锥光干涉图样

由于晶体的不均匀性，在检偏器后面的白屏上可看到一弱点，然后紧靠晶体前放一毛玻璃片（或镜头纸），这时可在白屏上可观察到单轴晶体的锥光干涉图。一个暗十字图形贯穿整个图样，四周为明暗相间的同心干涉园环，十字中心也是园环的中心，它对应着晶体的光轴方向，十字方向对应于两个偏振片的偏振轴方向。在观察过程重复微调晶体，如果有必要，也可以调激光管，使干涉图样中心与光电位置重和，同时尽可能使图样对称，完整，确保光束既与晶体光轴平行，又从晶体中心穿过。在调节偏振片，使干涉图样出现清晰的暗十字，且十字的一条平行与x轴。这一步很重要，一定要耐心仔细调节。

2.观察晶体的汇聚偏振光干涉图形和电光效应现象

把输入光强调制到最大（这时放大器电源关掉，光电管不能对准He—Ne光点，以免烧坏），屏上可看到干涉图形，（房间应较暗）。

（1）偏压为零时呈现单轴晶体的锥光效应，这一现象已在调节光路时看见。

（2）加上偏压时呈现双轴晶体的锥光干涉图，这说明单轴晶体在电场作

用下变成双轴晶体。

（3）两个偏振片正交和平行时干涉图是互补的。

（4）改变偏压的极性时干涉图形旋转90度。

（5）只改变偏压的大小时，干涉图形不旋转，只时双曲线分开的距离发生变化。这现象说明，在外加电场只改变感应主轴方向的主折射率的大小，折射率椭球旋转的角度和电场大小无关。

3.测定铌酸锂曲线，即T~V曲线，用两种方法求出半波电压。

一种是极值法，一种是调制法。算出光电系数

γ并和理论值进

22

行比较。

（1）极值法

晶体上只加直流电压，不加交流信号，并把直流电压从小到大逐渐改变时，输出光强出现极小值和极大值，相邻极小值和极大值对应的直流电压之差即为半波电压。

晶体操作如下：取出毛玻璃，接收器对准输出光点，加在晶体上的电压从零开始，每隔20V测一次输出光强，直流偏压值在电源面板上可读出。光强通过功率表测出。为了使曲线画的更好，在极值附近每隔10V 测一次。列表记录数据，画出T~V曲线。

测定T~V曲线时先测定对应于V0>0时的透射光强，然后改变极性（电源板上有相应开关），再测一组极大数据，曲线上两个极大值之间对应的电压就是半波电压的两倍，这样测量，可以减少误差。

（2）调制法

晶体上直流电压和交流信号同时加上，与直流电压调到输出光强出现极小值或极大值时，输出的交流信号出现倍频失真，与出现相邻倍频失真对应的直流电压之差就是半波电压。具体做法是：把电源前面板上的调制信号“输出”接到双线示波器的y1上,见过放大器输出的信号接到y2上，把y1、y2上的信号比较，将检偏器旋转900，当晶体上加的直流电压缓慢增加到半波电压时，输出出现倍频失真，改变晶体上电压的极性，电压加到半波电压时，又出现倍频失真，相继两次出现倍频失真时，对应的直流电压之差就是半波电压的来两倍。这种方法比极值法更精确，因为极值法测半波电压时，很难准确的确定T~V曲线上的极大值和极小值，因而误差比较大。

4.用λ/4波片改变工作点，观察输出特性

去掉晶体上所加的直流偏压，把λ/4波片置入晶体和偏振片之间，绕光轴缓慢旋转，可以看到输出波形随着发生变化。当波片的快慢轴平行于

晶体的感应轴方向时，输出光线性调制，当波片的快慢轴分别平行晶体的x、y轴时，输出光失真，出现“倍频”失真。因此，把波片旋转一周时，出现四次线性调制和四次“倍频”失真。这一点不难证明。

需要注意的是，通过晶体上加直流偏压可以改变调制器的工作点，也可以用λ/4选择工作点，其效果是一样的，但这两种方法的机理是不一样的。

5.光通讯的演示

选择源信号为“音乐”键，此时，输出通过扬声器播放，改变工作点，听音质的变化，然后把波形输出到示波器，观察波形随着工作点的变化而变化。也可以通过光缆把输出信号和接收器连接起来，实现模拟激光光纤通讯。调制信号也可以通过选择信号选择键的“输入”使用外来信号。

思考题

1.本实验没用汇聚透镜，为什么能够看到锥光干涉图？如何根据锥光干涉图调整光路。

2.比较本实验中给出的两种测量半波电压的精度。并说明影响精度的原

因。

3.为什么本实验选用铌酸锂晶体，即它有什么优点？

4.光强为什么不能太大，应该怎样调节？

注意事项

1.光电三极管应避免强光直接照射，以免损坏。

2.晶体细又长，容易折断，故应在多方面给予注意。

3.He—Ne激光器的电极上加的时几千伏的直流电压，所以要充分注意安

全。

4.实验中用到的仪器的旋钮在电源打开和关闭时应分别放在适当的位置，以免损坏。

实验3 菲涅耳衍射与针孔滤波实验

引言

利用惠更斯原理，可以定性地从某时刻的已知波阵面位置求出后面另一时刻的波阵面位置。但惠更斯原理的子波假设不涉及子波的强度和相位，因而无法解释衍射图样中的光强分布。菲涅耳在惠更斯的子波假设基础上，提出了子波相干叠加的思想，从而建立了反映光的衍射规律的惠更斯－菲涅耳原理：波阵面前方空间某点处的光振动取决于到达该点的所有子波的相干叠加。在此原理的基础上，我们得到了菲涅耳衍射积分公式，并在不同近似下，归纳出在两类不同的衍射现象。菲涅耳衍射是光源—障碍物和障碍物—接收屏的距离中至少有一个是有限远的衍射。

实验目的

（1）观察和验证圆孔和单缝菲涅耳衍射现象

（2）改变衍射屏大小形状和距离，观察衍射变化的规律

（2）用所学知识对该现象进行解释

基本原理

3.1

菲涅耳衍射的一般装置如图所示，其中S是点光源，K是开有某种形状孔径的衍射屏（或不透明屏），P是观察屏，且在距离衍射屏不太远的地方。（通常光源离衍射屏的距离都要比衍射屏上的孔径大得多，为简单起见可以认为光源发出的光波垂直照射在衍射屏上，即只要观察屏离衍射屏不远，也可以用平行光照明。）

图1 菲涅耳衍射的一般装置

S / 点合振幅的大小取决于露出的半波带数

由上式可知，对于圆孔中心和光源的直线S S /上的不同点所露出的半

波带数目亦不相同，因而在这条直线上移动观察屏时会发现，某些点的光

强最大，而另一些点的光强为最小。另一方面，R 和R o 不变时，改变圆孔

半径ρ也会使考察点的光强度有明暗交替的变化。

3.2

在许多实验中，要求使用纯净的、无杂波的激光束，然而由于反射镜、

扩束镜上的瑕疵、灰尘、油污，以及光束经过的空气中悬浮的微粒等，使

扩束后的光场中存在许多衍射斑纹（相干噪声）。为了改善光场质量，使

扩束后的激光具有平滑的光强分布，常采用空间滤波即针孔滤波的方法。

激光束近似具有高斯型振幅或光强分布，细激光束经过短聚焦的透镜

聚焦后，根据傅立叶光学的原理，在透镜后焦面上出现输入光场的傅立叶

变换谱，仍然是高斯分布。实际输入的光束为高斯型分布与噪声函数的叠

加，而噪声函数中的高频成分一般很丰富，因而可以认为谱面上的噪声谱

和信号谱是近似分离的，因此只要选择适当的针孔直径，就可以滤去噪声，

获得平滑的高斯分布。也就是说，针孔只让激光束中的无干扰部分通过，

起着低通滤波器的作用。它能限制光束的大小，消除扩束镜及其在扩束以

前光束经过的光学元件所产生的高噪声。针孔滤波器一般是厚度为0.5mm

的铟钢片，它要用激光打孔的方法，制成5～30μm 的针孔。

针孔在使用时要放在扩束镜后焦面上的亮斑处。通常针孔和扩束镜安

装在一个支架上，针孔的位置可用三个互相垂直的方向调节钮调节方向

图2 针孔滤波器示意图

杂散光