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光電信息專業實驗教程 版權信息
- ISBN：9787030732866
- 條形碼：9787030732866 ; 978-7-03-073286-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
光電信息專業實驗教程 本書特色
本書力求簡明扼要、圖文并茂、清晰易懂，符合光電信息及相關專業專業學生的知識體系和能力培養的要求
光電信息專業實驗教程 內容簡介
光電信息專業實驗教程由兩大部分組成。**部分為光電技術基本原理，包括激光原理、光通信原理和光電器件與能量系統的應用等實驗內容。第二部分為光電技術應用，包括光電信息處理技術、激光加工技術和光電探測技術等實驗內容。實驗項目從專業基礎型和應用型實驗到綜合創新型實驗。實驗內容使學生掌握光電信息方面的基本知識以及各種相關器件的結構、原理與應用。通過基礎實驗培養學生的基本實驗操作和技能、通過專業性較強的綜合設計性實驗和創新性實驗強化培養學生的創新能力。
光電信息專業實驗教程 目錄
目錄
前言
第1章 激光原理 1
1.1 氣體激光器與激光模式分析 1
1.1.1 氣體激光器 1
1.1.2 He-Ne激光器的裝配與調試實驗 2
1.1.3 He-Ne激光器的激光輸出模式分析實驗 4
1.2 半導體泵浦固體激光器的工作原理 8
1.2.1 固體激光器 8
1.2.2 半導體激光泵浦固體激光器的泵浦耦合實驗 10
1.2.3 光學倍頻實驗 12
1.3 電光調Q激光器的工作原理 15
1.3.1 激光調Q技術 15
1.3.2 激光泵浦源 17
1.3.3 燈泵Nd:YAG晶體電光調Q激光器實驗 18
1.3.4 半導體激光泵浦Nd:YAG晶體被動調Q激光器實驗 20
1.4 聲光調制鎖模激光器的工作原理 22
1.4.1 激光鎖模技術 22
1.4.2 聲光調制鎖模技術 25
1.4.3 聲光調制鎖模激光器的實驗測量 26
第2章 光通信原理 29
2.1 電光調制與聲光調制 29
2.1.1 光學調制 29
2.1.2 電光調制實驗 31
2.1.3 聲光調制實驗 35
2.2 光纖傳輸與光纖傳感 39
2.2.1 光纖及其傳輸特性 39
2.2.2 光纖傳輸損耗與耦合系數的實驗測量 40
2.2.3 光纖壓力傳感和溫度傳感實驗 43
2.3 光通信與波分復用 46
2.3.1 光通信與波分復用技術 46
2.3.2 波分復用與信號傳輸的實驗驗證 47
2.3.3 分插復用與信號傳輸的實驗驗證 50
第3章 光電轉換原理 54
3.1 光敏電阻與可控電位器 54
3.1.1 光電效應 54
3.1.2 光敏電阻工作特性實驗 55
3.1.3 光敏電阻與可控電路設計實驗 57
3.2 CCD驅動與數據采集原理 60
3.2.1 光電探測技術 60
3.2.2 線陣CCD的工作原理實驗 62
3.2.3 線陣CCD的A/D數據采集 65
3.2.4 線陣CCD輸出信號的二值化 68
3.3 太陽能電池與光電能量轉換 70
3.3.1 太陽能的利用 70
3.3.2 太陽能電池特性測量 72
3.3.3 太陽能電池控制器功能測量 75
3.3.4 太陽能發電系統搭建與實驗測量 79
第4章 光信息處理技術應用 84
4.1 光學圖像的加減 84
4.1.1 光學信息處理技術 84
4.1.2 透鏡的傅里葉變換性質 85
4.1.3 光學圖像的加減實驗 86
4.2 聯合傅里葉變換相關圖像識別 89
4.2.1 圖像識別技術 89
4.2.2 聯合傅里葉變換相關的物理基礎 91
4.2.3 聯合相關字符識別的實驗測量 93
4.3 頻域調制假彩色編碼 96
4.3.1 彩色編碼技術 96
4.3.2 假彩色編碼 97
4.3.3 ??調制假彩色編碼的實驗驗證 98
4.4 計算與數字全息 101
4.4.1 光學全息技術 101
4.4.2 計算全息原理 102
4.4.3 計算全息的實驗驗證 105
4.5 體全息光學存儲 107
4.5.1 光學信息存儲技術 107
4.5.2 晶體的光折變效應 108
4.5.3 角度復用的光學存儲實驗 109
第5章 光電探測技術應用 114
5.1 四象限探測器與光電定向 114
5.1.1 光電定向技術 114
5.1.2 四象限光電探測原理 115
5.1.3 四象限光電定向實驗測量 116
5.2 相位調制與波片檢測 121
5.2.1 相位調制技術 121
5.2.2 相位補償原理 122
5.2.3 波片檢測的實驗測量 123
5.3 條紋投影三維面形測量 126
5.3.1 三維面形測量技術 126
5.3.2 條紋投影三維面形測量原理 127
5.3.3 定步長相移法三維面形實驗測量 129
5.4 電子散斑干涉計量 133
5.4.1 光學干涉計量技術 133
5.4.2 散斑干涉計量技術 134
5.4.3 電子散斑干涉的離面位移實驗測量 137
第6章 激光加工與工程實訓 140
6.1 激光打標 140
6.1.1 激光加工技術 140
6.1.2 激光打標技術 141
6.1.3 激光打標實驗 142
6.2 激光光刻 145
6.2.1 激光光刻技術 145
6.2.2 激光全息光刻技術 146
6.2.3 點矩陣全息圖的光刻實驗 147
6.3 視光學與眼鏡配置 150
6.3.1 眼睛的光學特性 150
6.3.2 視力檢測與屈光測量 151
6.3.3 鏡片的磨制與眼鏡的裝配實驗 153
6.4 液晶電光效應與液晶盒的制備 156
6.4.1 液晶及其電光效應 156
6.4.2 扭曲向列型液晶盒的制備實驗 158
6.4.3 扭曲向列型液晶光開關的電光特性測量 161
參考文獻 165
前言
第1章 激光原理 1
1.1 氣體激光器與激光模式分析 1
1.1.1 氣體激光器 1
1.1.2 He-Ne激光器的裝配與調試實驗 2
1.1.3 He-Ne激光器的激光輸出模式分析實驗 4
1.2 半導體泵浦固體激光器的工作原理 8
1.2.1 固體激光器 8
1.2.2 半導體激光泵浦固體激光器的泵浦耦合實驗 10
1.2.3 光學倍頻實驗 12
1.3 電光調Q激光器的工作原理 15
1.3.1 激光調Q技術 15
1.3.2 激光泵浦源 17
1.3.3 燈泵Nd:YAG晶體電光調Q激光器實驗 18
1.3.4 半導體激光泵浦Nd:YAG晶體被動調Q激光器實驗 20
1.4 聲光調制鎖模激光器的工作原理 22
1.4.1 激光鎖模技術 22
1.4.2 聲光調制鎖模技術 25
1.4.3 聲光調制鎖模激光器的實驗測量 26
第2章 光通信原理 29
2.1 電光調制與聲光調制 29
2.1.1 光學調制 29
2.1.2 電光調制實驗 31
2.1.3 聲光調制實驗 35
2.2 光纖傳輸與光纖傳感 39
2.2.1 光纖及其傳輸特性 39
2.2.2 光纖傳輸損耗與耦合系數的實驗測量 40
2.2.3 光纖壓力傳感和溫度傳感實驗 43
2.3 光通信與波分復用 46
2.3.1 光通信與波分復用技術 46
2.3.2 波分復用與信號傳輸的實驗驗證 47
2.3.3 分插復用與信號傳輸的實驗驗證 50
第3章 光電轉換原理 54
3.1 光敏電阻與可控電位器 54
3.1.1 光電效應 54
3.1.2 光敏電阻工作特性實驗 55
3.1.3 光敏電阻與可控電路設計實驗 57
3.2 CCD驅動與數據采集原理 60
3.2.1 光電探測技術 60
3.2.2 線陣CCD的工作原理實驗 62
3.2.3 線陣CCD的A/D數據采集 65
3.2.4 線陣CCD輸出信號的二值化 68
3.3 太陽能電池與光電能量轉換 70
3.3.1 太陽能的利用 70
3.3.2 太陽能電池特性測量 72
3.3.3 太陽能電池控制器功能測量 75
3.3.4 太陽能發電系統搭建與實驗測量 79
第4章 光信息處理技術應用 84
4.1 光學圖像的加減 84
4.1.1 光學信息處理技術 84
4.1.2 透鏡的傅里葉變換性質 85
4.1.3 光學圖像的加減實驗 86
4.2 聯合傅里葉變換相關圖像識別 89
4.2.1 圖像識別技術 89
4.2.2 聯合傅里葉變換相關的物理基礎 91
4.2.3 聯合相關字符識別的實驗測量 93
4.3 頻域調制假彩色編碼 96
4.3.1 彩色編碼技術 96
4.3.2 假彩色編碼 97
4.3.3 ??調制假彩色編碼的實驗驗證 98
4.4 計算與數字全息 101
4.4.1 光學全息技術 101
4.4.2 計算全息原理 102
4.4.3 計算全息的實驗驗證 105
4.5 體全息光學存儲 107
4.5.1 光學信息存儲技術 107
4.5.2 晶體的光折變效應 108
4.5.3 角度復用的光學存儲實驗 109
第5章 光電探測技術應用 114
5.1 四象限探測器與光電定向 114
5.1.1 光電定向技術 114
5.1.2 四象限光電探測原理 115
5.1.3 四象限光電定向實驗測量 116
5.2 相位調制與波片檢測 121
5.2.1 相位調制技術 121
5.2.2 相位補償原理 122
5.2.3 波片檢測的實驗測量 123
5.3 條紋投影三維面形測量 126
5.3.1 三維面形測量技術 126
5.3.2 條紋投影三維面形測量原理 127
5.3.3 定步長相移法三維面形實驗測量 129
5.4 電子散斑干涉計量 133
5.4.1 光學干涉計量技術 133
5.4.2 散斑干涉計量技術 134
5.4.3 電子散斑干涉的離面位移實驗測量 137
第6章 激光加工與工程實訓 140
6.1 激光打標 140
6.1.1 激光加工技術 140
6.1.2 激光打標技術 141
6.1.3 激光打標實驗 142
6.2 激光光刻 145
6.2.1 激光光刻技術 145
6.2.2 激光全息光刻技術 146
6.2.3 點矩陣全息圖的光刻實驗 147
6.3 視光學與眼鏡配置 150
6.3.1 眼睛的光學特性 150
6.3.2 視力檢測與屈光測量 151
6.3.3 鏡片的磨制與眼鏡的裝配實驗 153
6.4 液晶電光效應與液晶盒的制備 156
6.4.1 液晶及其電光效應 156
6.4.2 扭曲向列型液晶盒的制備實驗 158
6.4.3 扭曲向列型液晶光開關的電光特性測量 161
參考文獻 165
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光電信息專業實驗教程 節選
第1章 激光原理 1.1 氣體激光器與激光模式分析 1.1.1 氣體激光器 激光器利用受激輻射原理使光在某些受激發的物質中放大或振蕩發射，激光器產生的激光在時間、空間上相位同步，因而相對于非相干光源，激光單色性好，亮度高。可以說，高功率激光的出現是光學、光譜學、電子學發展到一定階段的產物，對科學技術各個領域產生了巨大和深遠的影響。激光的出現導致了激光物理學、非線性光學、半導體光電子學、導波光學和相干光學等一系列新學科的涌現。激光的實際應用已涵蓋長距離通信、光學雷達、光學加工、醫療、測量等諸多領域。 激光的理論基礎是愛因斯坦發表的《關于輻射的量子理論》。該論文揭示了光與物質相互作用的本質，提出光的受激輻射光放大的概念，指明了獲得激光的途徑。通常情況下，粒子在各能態上的分布滿足玻爾茲曼分布規律，即能態上的粒子數隨著能量的升高按照指數規律衰減。泵浦源給激光工作物質提供能量，使處于基態的粒子獲得能量被抽運到較高能量的激發態上，進而實現粒子數反轉分布，方可產生受激輻射躍遷。泵浦源的泵浦方式主要有用強光或激光束直接照射工作物質的光激勵方式、用氣體放電中的快速電子直接轟擊或共振能量轉移的氣體輝光放電或高頻放電方式、直接電子注入實現粒子數反轉的直接電子注入方式和通過化學反應釋放能量的化學反應方式。 在工作物質中，高低能級間的受激輻射躍遷產生的光可沿著任意方向傳輸，這勢必影響激光的頻率、功率、發散角及相干性。因此為了減少振蕩模式數，需要將工作物質放入諧振腔中。常見的諧振腔由一對反射鏡構成，腔長和反射鏡的曲率決定了諧振頻率和激光輸出的穩定性。一個完整的激光器由光學諧振腔、工作物質以及激勵系統或泵浦源構成。根據激光物質的不同，激光器可分為固體激光器、液體激光器和氣體激光器。固體激光器是以固體為工作物質，半導體激光器是以半導體為工作物質，而液體激光器則是以液體為工作物質。 氣體激光器是利用氣體作為工作物質產生激光的器件。它由放電管內的激活氣體、一對反射鏡構成的諧振腔和激勵源組成。在適當放電條件下，利用電子碰撞激發或者能量轉移激發，氣體粒子有選擇性地被激發到某高能級上，從而形成與某低能級間的粒子數反轉，產生受激發射躍遷。氣體激光器的工作物質包括氣體原子、分子、準分子和離子在內的氣體或蒸氣等。**臺氣體激光器是以氦氖混合氣體為工作物質，它獲得了1.15m紅外光連續振蕩輸出。 光輻射可以是電子能級之間、振動能級之間和轉動能級之間的電子躍遷產生，所以氣體激光器有原子激光器、離子激光器和分子氣體激光器等多種類型。常用的氣體激光器有氦氖激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光器、氮分子激光器、準分子激光器和金屬蒸氣激光器等。氦氖（He-Ne）激光器是典型的原子激光器，也是目前應用*廣泛的激光器。He-Ne激光器的激光譜線由原子能級之間的躍遷產生。二氧化碳（CO2）激光器是典型的分子激光器，其主要特點是輸出功率大。這類激光器的連續輸出功率已超過幾十萬瓦，能量轉換效率高達39%，并且輸出波長10.6m正好處于大氣窗口，大氣吸收較小，這對于激光在大氣通信中的應用極為有利。CO2激光器的激光譜線由分子轉動能級之間的躍遷產生。氬離子激光器是典型的離子激光器，可輸出波長為488nm和514.5nm的藍綠可見光，此類激光器非常適合信息的存儲和探測。 1.1.2 He-Ne激光器的裝配與調試實驗 1. 實驗目的 （1）了解氣體激光器的工作原理。 （2）掌握激光諧振腔的調節方法。 （3）能靈活調試和裝配He-Ne激光器。 2.實驗原理 密封在玻璃管里的氦氣和氖氣組成He-Ne激光器的工作物質，輸出鏡與全反鏡組成光學諧振腔。毛細管內按一定氣壓充以適當比例的氦和氖混合氣體形成He-Ne激光器的增益介質。在電流激勵下，快速電子把自身的動能轉化為Ne原子的激發能。純Ne原子通過電子激勵，可產生粒子束反轉，但增益非常小，輸出功率僅為微瓦量級。當放電管內加入He原子時，混合氣體在電流激勵下可大大提高Ne原子的粒子束反轉程度，輸出功率明顯增大。圖1.1.1給出了He原子和Ne原子的部分能級圖，左邊為He原子的能級圖，右邊為Ne原子的能級圖。 由圖1.1.1不難發現，Ne原子的3s能級與He原子的亞穩態21S0能級非常接近，它們都可以通過電子激發方式由基態激發獲得，并且兩者的能量可以共振轉移，因此亞穩態的He原子起到了轉移電子能量的媒介作用，而Ne原子則是獲得粒子數反轉的主要激發機制。Ne原子在可見和紅外區域內產生許多條激光譜線，*重要的是632.8nm、1.15m和3.39m三條原子光譜。當然不同的譜線之間存在強烈的競爭關系，為了獲取其中一個波長的增益而抑制其他波長，常在腔內放置棱鏡，利用棱鏡色散使其他譜線失諧，或者沿放電管方向加上不均勻的磁場也可使其他譜線增寬而降低增益。 介質增益與毛細管長度、內徑粗細、兩種氣體的比例、總氣壓以及放電電流等因素有關。諧振腔的腔長要滿足頻率的駐波條件，諧振腔鏡的曲率半徑要滿足腔的穩定條件。只有諧振腔的損耗小于介質的增益時才能建立激光振蕩。內腔式He-Ne激光器的腔鏡封裝在激光管兩端，而外腔式He-Ne激光器的激光管、輸出鏡及全反鏡是安裝在調節支架上的。調節支架能調節輸出鏡與全反鏡之間的平行度，激光器工作時輸出鏡與全反鏡相互平行且與放電管垂直。圖1.1.2給出了外腔式He-Ne激光器的結構示意圖。在激光管的陰極、陽極上加上直流電源，放電管中的氦和氖混合氣體便可實現受激輻射。為防止激光管在放電時出現閃爍現象，常在陰極和陽極上串接鎮流電阻。此外，為了獲得線偏振光輸出，常在放電管的兩端放置布儒斯特窗。 3.實驗儀器 He-Ne激光器的調試實驗中實驗儀器包括充有氦和氖混合氣體的放電管、激光直流電源、布儒斯特窗、兩腔鏡、鏡片壓圈、激光管可調節支架、功率計、螺絲刀、十字叉絲板和偏振片等。實驗裝置如圖1.1.2所示，實驗時首先松開調節支架的螺絲，將放電管放置在調節架上，用螺絲固定并調整放電管使其水平。然后放入兩腔鏡，用鏡片壓圈固定。打開電源出光后放置布儒斯特窗。 4.實驗內容 1）He-Ne激光器的裝配 可用十字叉絲法將He-Ne激光器的輸出鏡與全反鏡調至平行。首先將充有氦和氖混合氣體的放電管放在可調節支架上，固定放電管調直游絲，將激光管的陰極和陽極與激光電源相連。將帶有小孔的十字叉絲板放置在激光器的后端，打開He-Ne激光器電源，使放電管處在工作狀態。放置前腔鏡和后腔鏡，調節放電管調直游絲，用眼睛在十字叉絲板背后通過小孔觀察放電管，可看到放電管內的亮白點，調節十字叉絲板高度和左右位置，使亮白點與出光孔同心，固定十字叉絲板。 2）He-Ne激光器的調試 用白熾燈照射十字叉絲板，在十字叉絲板背后通過小孔觀察放電管和十字叉絲板的反射像，調節諧振腔鏡螺絲的調節旋鈕，使十字叉絲中心與亮白點以及出光孔同心即可出光。用功率計測量激光輸出，同時調節激光器后端的全反鏡調節旋鈕，使激光輸出*大。在放電管的兩端放置布儒斯特窗，借助偏振片，觀察并記錄輸出的激光偏振態。激光調試完畢后，蓋好防塵外殼。 1.1.3 He-Ne激光器的激光輸出模式分析實驗 1.實驗目的 （1）理解He-Ne激光器的激光輸出模式。 （2）掌握激光模式分析和測量方法。 （3）靈活運用法布里-珀羅（F-P）掃描干涉儀測量激光參數。 2. 實驗原理 激光器的增益介質在某種激勵方式下可在高低能級間形成粒子數反轉分布，進而產生激光輻射光譜。然而由于能級有一定寬度以及自發輻射和受激輻射的作用，粒子在諧振腔內的運動還受多種因素的影響，實際激光器輸出的光譜寬度是由自然增寬、碰撞增寬和多普勒增寬疊加而成，因此輸出光不是單一頻率的。不同類型的激光器因工作條件不同，上述影響有主次之分，例如低氣壓、小功率的He-Ne激光器輸出的632.8nm譜線則以多普勒增寬為主，增寬線型基本呈高斯函數分布，寬度約為1500MHz。只有頻率落在展寬范圍內的光在介質中傳播時，光強將獲得不同程度的放大，但只有單程放大還不足以產生激光。此時需要諧振腔對它進行光學反饋，使一定頻率的光波在諧振腔中多次往返傳播才能形成穩定持續的振蕩。因此只有頻率滿足諧振條件的激光方可從激光器中出射。 激光諧振腔理論證明方形孔徑穩定球面腔輸出模式的諧振頻率為 （1.1.1） 而圓形孔徑的穩定球面腔輸出模式的諧振頻率為 （1.1.2） 以上兩式中，，和為諧振腔的兩個反射鏡的曲率半徑，L是諧振腔腔長，c是真空中的光速，??是增益介質折射率，m、n和q均為正整數。對于氣體激光器來講，增益介質折射率??近似為1。每一個q對應一種縱模，因此q稱作縱模序數。由以上兩式不難看出，相鄰兩個縱模的頻率間隔為 （1.1.3） 顯然相鄰縱模頻率間隔和激光器的腔長成反比。諧振腔越長，縱模的頻率間隔越小，滿足振蕩條件的縱模個數也越多。相反地，諧振腔越短，縱模的頻率間隔越大，在同樣的增寬曲線范圍內，縱模個數就越少，因而短腔長的激光器可獲得單縱模輸出。 由公式（1.1.1）和（1.1.2）還可以看出，激光器的輸出頻率還與兩整數m和n有關，這兩個整數對應激光的橫模。光每經過放電毛細管反饋一次就相當于一次衍射，多次反復衍射就在橫向同一波腹處形成一個或多個穩定的干涉光斑。每一個衍射光斑對應一種穩定的橫向電磁場分布。激光器輸出的橫向電磁場可標記為TEMmn。激光器產生的橫模個數與增益、放電毛細管的粗細以及腔內損耗等有關。一般說來，放電管直徑越大出現的橫模個數就越多。橫模序數越高，衍射損耗越大。當然橫模序數越大，諧振頻率越高。 結合縱模序數不難確定方形孔徑穩定球面腔內不同的橫模間的頻率差滿足 （1.1.4） 從上式可以看出，相鄰的橫模頻率間隔與縱模頻率間隔的比值是一個分數，分數的大小由激光器的腔長和曲率半徑決定。腔長與曲率半徑的比值越大，分數值越大。當腔長等于曲率半徑時，即L =R1=R2，分數值達到極大，此時諧振腔為共焦腔。圖1.1.3給出了方形鏡共焦腔和圓形鏡共焦腔不同橫模的強度圖樣。 圖1.1.3 激光器的橫模模式 圖1.1.3（a）是方形鏡共焦腔橫模的強度圖樣，m是沿x軸場強為零的節線數，n是沿y軸場強為零的節線數，圖1.1.3（b）是圓形鏡共焦腔橫模的強度圖樣，m是沿輻角方向的節線數目，n是沿徑向r方向的節線數目。 圖1.1.4給出了輸出頻率和縱模的頻譜圖關系。頻譜圖中可能看到不同的m和n值以及它們的差值m和n。對于相同的m+n值，其中m或n可以取不同的值，q值改變1對應的頻率相同。圖中給出了橫模的一個或幾個單一態圖形的組合疊加圖。根據頻譜圖、橫模的個數及彼此強度關系能準確地定位每個橫模的m和n值。
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