光电信息专业实验教程

**章 绪论 本书是专为光电信息科学与工程专业(简称“光电信息专业”)本科生量身打造的专业实验教材。内容涵盖工程光学与光学设计类、光电信息处理类、全息显示技术类、激光原理与技术类、光纤技术类、光电器件与光电子技术类6个专业子方向(46个实验项目)，以及光学器件组装与检验、光纤器件与系统集成和应用光谱学3个工位制专业实训模块。整体内容难度按照基础性、设计性、综合创新性三个层次编排，涉及光电信号的产生、调制、传输、检测、处理和显示/存储等内容。 通过专业实验的学习，学生能深入理解光电信息科学与工程相关领域的基本概念、基本原理和设计方法；能运用所学数理和光电知识对复杂光电问题进行系统描述、建模与分析；能在明确设定条件和局域性下综合给出适当的解决途径，并尝试改进。本书内容体现出科学性与前沿性，并将有助于提升学生学科交叉创新思维能力和解决复杂工程问题的能力。 1.1 光电信息专业实验的特点和要求 1. 专业实验特点与培养目标 本书中的实验项目全部针对光电信息专业培养目标设置，因而实验涉及的内容均与该专业的学科知识紧密相关。本书特点为专业性强、内容涉及学科门类广、与理论课程紧密结合，同时实验内容比较前沿，应用性与实践性强。此外，光电信息专业实验所涉及的仪器设备大多比较先进，不仅精密度高，而且价格较昂贵；实验仪器的调节难度普遍较高，实验设备的操作规程复杂、严格，多数实验的用时都比较长等。值得一提的是，本书还编入以光电工程为核心、面向生产应用和通用技术的“工位制”实训项目，让学生由浅入深地全方位、多角度感受光电元器件的设计—制作—检测—分析—优化等工业流程。 通过学习与实验实践，学生可具备以下能力。 目标1：学生通过实验能够系统、集中、有效地巩固工程光学、物理光学、激光技术与应用、信息光学、光电子技术、光纤通信、光纤技术等理论课程中的基本概念、基本原理和分析设计方法；能运用所学理论知识，借助文献研究和分组讨论，分析光电信息科学与工程领域中的影响因素，包括技术性因素和非技术性因素。 目标2：从测量手段、实验方法、数据处理分析等方面对学生进行训练，加深学生对理论知识的理解，并使其掌握相关的实验原理与实验步骤。通过实验，对理论课程中所涉及的部分理论知识进行验证，对实验结果进行分析，得出合理有效的结论，并能持续改进。 目标3：培养学生使用和维护光电与光电子实验设备的能力及运用实验方法解决实际问题的能力。例如，能够选择并合理使用恰当的仪器、工具，对光电信息领域复杂工程问题进行分析、计算和设计，同时领会交叉学科的思维融合和新兴光电技术的应用融合。 2. 要求 鉴于光电信息专业实验的特点，要求学生能够以一种全新的自主学习的方式投入到专业实验课中，边学习、边研究、边实验、边总结，以期迅速地、全方位地提高自身的实验技能和专业水准。重点注意实验的如下三个环节。 1) 预习环节 实验前的预习尤其重要，必须认真阅读实验讲义，深刻领会实验原理，了解实验仪器的结构和特性，熟悉注意事项。根据实验内容的要求精心设计实验系统和实验步骤，并提出一些疑难问题，在实验课开始时进行必要的讨论。对于难度较高的综合性实验，还需课前查阅相关文献资料，按要求做好实验前的准备。 2) 实验环节 由于部分实验并不涉及测量操作，而是观察、研究和分析实验现象，因此要求实验者在实验中学会快捷、准确、合理地调整实验系统，注意细心捕捉和观察实验现象，学会研究和分析各有关物理量或各种条件之间的有机联系，认真记录实验中发现的问题和解决问题的思路及方法，重视实验过程而不仅仅关心结果。鼓励探讨深层次的问题，鼓励“异想天开”，提倡“与众不同”，活跃思维。 3) 总结环节 实验课后应善于总结，并以实验报告形式汇报给指导教师。要求学生认真写好实验报告，“颠覆”以往的写作习惯，充分体现个性化。要求在实验报告中详尽地反映实验者的实验思路，描述并分析观察到的现象，提供分析和研究所得的结论性或规律性的结果，以及对结果的讨论，提出存在的问题或改进的意见。实验报告应记录实验过程中得到的全部信息，是经过整理和归纳的实验情况汇报，避免“流水账”式的写作方式。对于某些综合性实验，则要求将实验报告写成小论文形式。 1.2 光电信息专业实验的课程安排和选课建议 本书的实验项目包含基础性、设计性和综合创新性三个层次，内容涉及6个专业子方向，实验用时不尽相同，差别很大，例如部分基础性实验3学时可以完成，大部分实验需要4学时，而综合创新性实验平均需6～8学时，个别实验需12学时才能完成。因此，如何使用本书为专业培养方案中实验课程的设置服务，是值得考虑的问题。这里提出一些建议，仅供选用时参考。 一种是“拼盘阶梯式”的课程配置方式，即按照实验内容的难度层次设置三门课程：光电信息专业实验(一)、光电信息专业实验(二)、光电信息专业实验(三)，每门课程都内含6个专业方向的实验项目，而难度是依次递增的。每门课程包含的实验项目可由学生从教材提供的指定项目中挑选，要求选满课程规定的学时数即可。 另一种是按照专业方向设置多门实验课程，如全息与光电信息处理实验、光纤通信基础实验、激光与光电检测实验、光电信息专业综合创新实验等。同样，学生在每门课程中只需选修够课程规定的学时数即可。 此外，我们还可根据各专业实验室配备的实验仪器设备情况，采用适合自己的课程配置方式。 1.3 基本实验技巧与调节方法简介 对于光学类实验而言，光学系统的调节是否完善是关系到实验成败的关键环节，这里介绍几种*基本的调节原则和方法。 1. 光学系统共轴的调节 所谓“共轴”即系统中所有光学元器件的“光轴”均重合于空间同一坐标轴上。实验系统搭建好后，首先必须保证系统共轴。各类系统中共轴的调节方法各不相同，这里仅给出几种通用元件，如平面反射镜、分光(束)镜、透镜、扩束镜的共轴调节方法。 1) 借助细激光束调节元件的共轴 首先检查细激光束的传播方向与平台或导轨是否平行，以便以激光束为基准调节光学元件与之共轴，方法是在光束所到之处测量光束高度，调节激光束的俯仰使之处处等高。如在导轨上，则还需适当调整激光束的方位，使之与导轨平行。 (1) 平面反射镜、分光(束)镜的共轴调节。在光路上放置一小孔光阑，小孔孔径的选择应以使激光束恰好能完全通过为准，约2mm。调节反射镜或分光(束)镜在水平方向和竖直方向的俯仰角，使从镜面反射的激光点回到小孔内。 (2) 透镜的共轴调节。在上述小孔光阑周围设置有一定面积的平面屏幕，构成“小孔屏”，如图1-3-1所示。将透镜置于小孔后方一定距离处，在激光束照射下，透镜前后表面反射回来的光束在小孔屏上显示多个直径不同的光斑，调节透镜，使其在竖直方向和水平方向平移，使多个反射光斑相互靠拢并重叠且共心，然后调节透镜水平方位，使重叠光斑的中心进入小孔。 图1-3-1 调节透镜共轴的光路示意图 (3) 扩束镜的共轴调节。扩束镜实际是焦距超短的透镜或透镜组件，其调节方法与上述透镜相同，只是由于镜面曲率半径很小，其前表面反射的光斑半径很大，所以在调节时透镜与小孔屏的距离不宜太大，以免难以确定大光斑的中心位置，因此该调节方法有一定难度。 另一种较简便的方法是将小孔屏2置于光轴上，让光束通过小孔，然后将扩束镜置于小孔屏1和2之间，如图1-3-2所示。先调节扩束镜水平方位，使其后表面反射的小光斑进入小孔屏1，再观察细激光束通过扩束镜扩展成的大光斑，调节扩束镜使其在竖直方向和水平方向平移，使光斑中心与小孔屏2大致重合。该方法虽不够精确，但对某些实验系统而言已经足够了。如果实验室未配备两个小孔屏，则可用其他白屏代替，只需事先确定光轴中心位置即可。 图1-3-2 调节扩束镜共轴的光路示意图 2) 在白光系统中调节元件的共轴 在光学信息处理中，常有用白光作为信息处理系统光源的情况，系统通常设置在导轨上，共轴调节有其特殊性。此处仅举透镜一例：透镜的共轴调节。利用透镜的二次成像法可以方便地调节透镜共轴。在导轨上放置如图1-3-3所示各元件，沿导轨前后移动透镜，根据透镜成像原理，当光阑与像屏的距离d大于4f′ ( f′为透镜焦距)时，在像屏上先后出现光阑放大和缩小的两个像，调节透镜的高低和左右位置，使两个像的中心在像屏上重合，即可认为透镜与光阑中心共轴(其原理请实验者自行推导)。 图1-3-3 在白光信息处理系统中调节透镜共轴的光路示意图 2. 平行光的调节 光学实验有时常需要使用平行光，平行光的调节方法有多种，而在相干光学系统和非相干光学系统中方法有所不同，此处仅作简单介绍。 1) 干涉法 干涉法仅适用于相干光学系统。将扩束镜置于透镜前焦面附近，让细激光束依次通过，用平晶在透镜后方检测平行光的质量。检测光路如图1-3-4所示，平晶反射的光束照射到透镜一侧的白屏上，当透镜出射的光束为非平行光时，白屏上出现干涉条纹，其密度与入射光的平行度有关，平行度越高，条纹密度越低。理论分析表明，当扩束镜后焦面与透镜前焦面严格重合时，透镜射出标准的平行光，在理想情况下，白屏上的干涉条纹将消失(其原理请实验者自行推导)。而实际上光学元件的加工并不理想，因此，即使扩束镜和透镜的焦面已经重合，平晶反射到白屏上的干涉条纹也不可能消失殆尽，因此，只需将干涉条纹调整到尽可能稀少即可。 图1-3-4 相干系统中调节平行光的光路示意图 需要说明的是，所谓平晶是指两个光学面的抛光度、平面度和平行度都很高的光学玻璃薄板。在没有平晶的实验条件下，如何调节平行光？请参照自准直法。 2) 自准直法 相干系统中检测平行光的光路排布如图1-3-5所示，将图1-3-4光路中的平晶更换为反射镜，并使反射光束通过透镜照射到扩束镜共面的边框上，缓慢改变扩束镜和透镜距离，直至边框上获得清晰的聚焦点为止(调节原理请实验者自行推导)。 图1-3-5 相干系统中用自准直法调节平行光 非相干系统中检测平行光的光路排布如图1-3-6所示，与相干光的检测系统类似，只是将光路中的扩束镜更换为小孔光阑，调节方法同上，直至在小孔光阑共面的边框上获得清晰的聚焦点为止(调节原理请实验者自行推导)。 图1-3-6 非相干系统中用自准直法调节平行光 值得提醒的是，有些实验对平行光的质量要求并不很高，因此可用较为简便的方法调节和检测，如用白屏检查从透镜出射的光斑有无发散或会聚的现象，即观察透过透镜的光斑尺寸在传播距离上是否有改变，以判断平行光是否已调好。 3. 精密调节架的使用及注意事项 光学系统中诸多光学元件大多安装在精密调节支架上，以便作二维至五维甚至更多维的调节。各类调节架的精度各不相同，螺丝种类也很多，若使用不当，会损坏器件甚至损毁光学元件，因此在实验前必须仔细观察和熟悉各种调节架的结构、调节特点和使用方法，切忌盲目动手，旋拧螺丝必须轻、缓，调节幅度不可过大。各类支架通常都有粗调和微调装置，应恰当配合使用。 1.4 实验设备和人员的安全防护 光信息专业实验室拥有一定数量价格昂贵的仪器设备，很多实验要接触激光或高压电源，因此设备和实验人员的安全防护格外重要。 1. 激光器的安全使用 实验中接触到种类繁多的激光器，如氦氖激光器、氩离子激光器、YAG激光器、半导体激光器等。按其增益介质分类，有气体激光器和固体激光器；按其输出方式分类，有连续出光的和脉冲间断出光的。各种激光器的使用都有各自特定