近代物理实验4-5电光调制器特性的调试.docVIP

电光调制器特性的调试方啸（南开大学物理科学学院，天津 300071）【摘要】本文介绍了电光效应的基本原理，并阐述了电光调制器的结构、原理和性能。之后作者通过设计实验和分析数据测量了静态法和动态法的消光比，并记录了不同直流偏压下将1/4波片放在不同位置对调制光强的影响。【关键字】电光效应 电光调制器 消光比 光偏压法1. 引言在外场的作用下，晶体的光学性质会产生一定的变化，从而出现电光、磁光、热光光折变等效应。外场效应对晶体的宏观性质的影响，主要反映在晶体的折射率的变化上，这种变化虽然小，但足以改变光在晶体中传播的许多特性，因此可以达到用外场来控制光的传播方向、位相、强度、偏振态等，从而是输出光成为可利用的信号光。这个实验电光调制器特性的调试(The Debugging of Electro-optic Modulator)的主要目的是熟悉晶体的电光效应和电光调制的基本工作原理，掌握电光调制器主要性能的测试方法，了解电光调制器的应用。通过分析单轴晶体在外场作用下呈现的电光特性、双折射现象产生的原因，利用电光调制晶体在外场作用下是折射率椭球发生变化的现象，推导出晶体的各种特性，测定各种参数。本实验所用的LiNbO3电光调制晶体在不同外场作用下，光强被调制的情况作详细的分析，求出电光调制警惕的重要参数消光比和半波电压，并进一步求出LiNbO3晶体的线性电光系数。本文先介绍电光效应的原理，再详细讲解折射率椭球，第四部分介绍线性电光系数的计算，第五部分介绍电光调制器的结构和原理，最后介绍我们的实验。2. 电光效应电光效应的定义：晶体的折射率因外加电场而发生变化的现象称为电光效应。折射率与外电场成比例改变的称为线性电光效应或普克尔效应，与外加电场的二次方成比例改变的称为二次电光效应。电光效应的应用：光雷达、光存储、光通信等激光应用中的关键元件。介电常数各向同性介质满足 (1)而各向异性介质满足 (2)其中晶体的介电系数为二阶张量。晶体的介电常数与折射率n之间满足： (3)双折射一束光射入各向异性的晶体中分成两束光，遵循通常的折射定律的称为寻常光o光，不遵循通常的折射定律，偏离入射光线的路径为异常光e光。当光沿晶体的某一主轴向传播时，不发生双折射现象，这个特定的轴向为光轴。3. 折射率椭球折射率椭球是用来描述晶体光学性质常用的示性面，在各向异性介质的主轴坐标系中，光率体用下式描述： (4)式中n1、n2、n3为该光率体在主轴方向上的折射率，称为主折射率，即此折射率椭球的三个半长轴分别为n1、n2、n3。(见图1) (5)高级晶族光率体 (6)中级晶族光率体 (7)低级晶族光率体 (8)使上式中的n1 n2 n3。图1 高级晶轴光率体，正光性单轴晶，负光性单轴晶中心截面圆截面：垂直于光轴的中心截面是半径为no的圆，截线方程为 (9)主截面：包含光轴的中心截面是椭圆，椭圆的两个半轴长为no和ne。任意截面：为椭球，其中的一个半长轴的长度为no，另一个长度为ne()对于单轴晶体的双折射现象，可以根据光率体的三种中心截面的情况形象地求出。光的干涉线偏光进入晶体后分解为振动方向相互垂直的两个光波，可以合成不同偏振光，利用偏光镜可以产生干涉。4. 线性电光系数电场作用于晶体所引起的折射率的变化为： (10)为线性电光系数。对各向异性的晶体，电场作用于晶体对其折射率的影响，随入射光的偏振方向的不同而不同，因而必须用线性光电系数张量ijk表示任意方向上外加场Ek对折射率的影响： (11)LiNbO3晶体铌酸锂晶体为3m点群，负光轴晶体。光率体为一旋转椭球，方程为： (12)加上电场后，折射率椭球的形状、大小和方向均发生变化，方程为： (13)电光效应电光效应有两种：纵向电光效应，横向电光效应。纵向电光效应是指光波的法线方向与外加电场方向平行，即电场方向与光束传播方向相同，定义X3为光轴，此时晶体的折射率椭球方程为： (14)横向电光效应横向电光效应，电场垂直于X3轴方向，铌酸锂晶体的折射率椭球方程为 (15)坐标变化后，方程为 (16)这种折射率椭球的变化必然造成光沿某一方向传播时双折射性能的变化，这种变化与外加电场直接相关，这就是电光调制应用于实现光调制的基础。半波电压当在调制器铌酸锂晶体上加电场E1后，外电场引起折射率变化，两拨通过晶体后产生位相差： (17)在电光效应中，使两个光波产生半个波长的光程差所需要的电压为半波电压： (18)则得到电光系数22和位相差的表达式为： (19) (20)5. 电光调制器起偏镜：产生线偏振光；检偏镜：使两个相干的线偏振光在同一个平面内振动，引起干涉而产生强度的变化。图2是横向电光调制器的实验原理图。图2 横向电光调制器的实验原理图被调制光强I与输入光强Io之间为： (21)电光调制晶体上加直流电压与被调制光强的关系曲线见图3。图3 调制光强与外电场的关系消光比定义调制器的最大输出光强与最小输出光强的比值为电光调制器的消光比 (22)消光比是表征电光调制器性能的一个重要参数，消光比大，说明电光晶体的光学质量好，加工精度高。在电光调制器上加电场加电压后，输出光强受到影响为： (23)分以下情况讨论：图4 左右分别为VDC=0时和0VDCV/2时的输出光强曲线图(1)VDC=0, VAC=V0sint输出光强只有调制信号的偶次谐波，图4左为输出光强曲线(2)0VDCV/2, VAC = V0sint产生严重失真，图4右为输出光强曲线。(3) VDC = V/2, VAC = V0sint得到较高效率的线性调制，输出光强的变化规律与调制信号的变化规律完全相同。交流电压过大会产生失真。图5左右分别为此时的输出光强曲线和输出光强失真曲线。图5 左右分别为VDC = V/2时的输出光强曲线和光强失真曲线光偏压法在正交偏振镜之间加一个/4波片，可产生/2的相位差。达到与加VDC= V/2同样的目的。 6. 实验装置图6 同时加直流电压与交流电压时的线路连接示意图光电调制器，He-Ne激光器，直流电源，交流电源，双踪示波器，光探测器，检流计，起偏镜，检偏镜，减光镜，/4波片等。装置连接见图6。7. 实验内容本实验中，电光调制晶体LiNbO3的no=2.286，ne=2.200，3m点群，负单轴晶体。He-Ne激光的波长=632.8nm，电光调制晶体的L=23mm，D=2.5mm。1调整光路;2使P2P1，测Io;3放入晶体，使P2P1调光轴X3激光束，测Imin。再使P2P1，测Imax，得到静态消光比; 4加VDC，测V;5绘制I/Io-VDC关系曲线图;6在电光调制器上加VAC，成VAC+VDC，观察调制光强的变化。(1)VDC=0(2)VDC=V/2(3)0VDCV/2分别改变VAC，观察输出光强被调制的情形，并对以上情形作出合理解释，用公式导出。7在电光晶体的前（或后）加/4波片，使VDC =0，观察调制光强的变化情形，与直流偏压的方法进行对比。8利用电光调制器，进行激光通信实验。9实验完毕，把所有的电压调到零位，关闭开关，切断电源，拆除各接线，归拢整理。8. 数据处理测得数据：Io=10000，Imax=6520，Imin=25，静态消光比M=260.8。I/Io-VDC关系见表1，图见图7。VDC=0时，Imin=25。表1VDC(V)II/Io40040000.442540000.443039000.3944040000.445041000.4146043500.43550046000.4652552000.5255053000.5357552000.5260040000.465041000.4171031000.3175025000.2580014500.1458506500.0659002300.0239501250.012510052900.02910505900.059图7 I/Io-VDC关系图测得V=550V，Imax=5300。动态消光比M=212.0。电光系数 m/V。测得图像：见附录9. 思考1. 在两偏振片平行时调节晶体基座下四个旋钮的同时观察光探测器上显示的光强数值，当其值达到最大即可保证晶体的光轴平行于光束，光束沿着光轴传播。2. 若P2P1，被调制光强满足：I/I0=cos2(/2)=cos2(/2)*(V/V)=cos(/V)*V+1/23. 因为在有对称中心的晶体中，折射率椭球(光率体)是一个球体，在三个坐标轴上的轴长相等，其折射率椭球方程将不会出现交叉项，于是不同偏振方向的光折射率相等，不会有分光及产生光程差的现象出现，所以不会存在线性电光效应。10. 结论本文先介绍了电光效应的基本原理，阐述了电光调制器的结构、原理和性能。之后又通过设计实验和分析数据成功测量了静态法和动态法的消光比，并记录了不同直流偏压下将1/4波片放在不同位置对调制光强的影响。结束后，作者思考了相关问题，对实验加深了理解。【参考文献】1. 高立模. 近代物理实验, 南开大学出版社. 2006The Debugging of Electro-optic ModulatorFang Xiao(Institute of Physics, Nankai University, Tianjin 300071, China)Abstract: In this paper, the fundamental principles of electro-optic effect are introduced and the structure, principles and properties of electro-optic modulator are elaborated. Then experiments are designed and executed to gain the extinction ratio of the static method and the dynamic method, after which the intense of modulated light is measured with different locations of a quarter-wave plate and under different amount of DC