电光调制实验讲义.doc

晶体电光调制实验讲义【前 言】激光是一种光频电磁波，具有良好的相干性，与无线电波相似，可用来作为传递信息的载波。激光具有很高的频率（约），可供利用的频带很宽，故传递信息的容量很大。再有，光具有极短的波长和极快的传递速度，加上光波的独立传播特性，可以借助光学系统把一个面上的二维信息以很高的分辨率瞬间传递到另一个面上，为二位并行光信息处理提供条件。所以激光是传递信息的一种很理想的光源。电光效应在工程技术和科学研究中有许多重要应用，它有很短的响应时间（可以跟上1010HZ的电场变化），可以在高速摄影中作快门或在光速测量中作光束斩波器等。在激光出现以后，电光效应的研究和应用得到迅速的发展，电光器件被广泛应用在激光通讯，激光测距，激光显示和光学数据处理等方面。要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光上去的问题。例如激光电话，就需要将语言信息加在与激光，由激光“携带”信息通过一定的传输通道送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息。这种将信息加在与激光的过程称之为调制，到达目的地后，经光电转换从中分离出原信号的过程称之为解调。其中激光称为载波，起控制作用的信号称之为调制信号。与无线电波相似的特性，激光调制按性质分，可以采用连续的调幅、调频、调相以及脉冲调制等形式。但常采用强度调制。强度调制是根据光载波电场振幅的平方比例于调制信号，使输出的激光辐射强度按照调制信号的规律变化。激光之所以常采用强度调制形式，主要是因为光接收器（探测器）一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。【实验目的】1. 掌握晶体电光调制的原理和实验方法2. 学会利用实验装置测量晶体的半波电压，计算晶体的电光系数3. 观察晶体电光效应引起的晶体会聚偏振光的干涉现象【实验仪器】铌酸锂晶体，电光调制电源，半导体激光器，偏振器，四分之一波片，接收放大器，双踪示波器【技术参数】1 激光光源：半导体激光器2 激光波长：650680nm3 激光功率：02.5mW连续可调4 偏置电压：0400V连续可调5 调制方式: 横向调制6 调制晶体：铌酸锂晶体 50mm6mm1.7mm7 调制波形：1KHz正弦波或其他波形8 电 源：220V10% 50Hz【实验原理】某些晶体（固体或液体）在外加电场中，随着电场强度的改变，晶体的折射率会发生改变，这种现象称为电光效应。通常将电场引起的折射率的变化用下式表示: (1)式中a和b为常数，为E0=0时的折射率。由一次项aE0引起折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔电光效应（pokells）；由二次项引起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也称平方电光效应或克尔效应（kerr）。由（1）式可知，一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应则可能存在于任何物质中，一次效应要比二次效应显著。光在各向异性晶体中传播时，因光的传播方向不同或者是电矢量的振动方向不同，光的折射率也不同。通常用折射率椭球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的关系，在主轴坐标中，折射率椭球方程为图一 晶体折射率椭球 （2）式中，, 为椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。如图一所示，从折射率椭球的坐标原点出发，向任意方向作一直线，令其代表光波的传播方向。然后，通过垂直作椭圆球的中心截面，该截面是一个椭圆，其长短半轴的长度和分别等于波法线沿，电位移矢量振动方向分别与和平行的两个线偏振光的折射率和。显然, ，三者互相垂直，如果光波的传播方向平行于轴，则两个线偏光波的折射率等于和。 同样当平行于轴和轴时，相应的光波折射率亦可知。当晶体上加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球的方程变为 (3)只考虑一次电光效应，上式与式（2）相应项的系数之差和电场强度的一次方成正比。由于晶体的各向异性，电场在、z各个方向上的分量对椭球方程的各个系数的影响是不同的，我们用下列形式表示： (4) 上式是晶体一次电光效应的普遍表达式，式中叫做电光系数 (i=1,2,6;j=1,2,3)，共有18个，EX、EY、EZ是电场E在、z方向上的分量。式（4）可写成矩阵形式： （5） 电光效应根据施加的电场方向与通光方向相对关系，可分为纵向电光效应和横向电光效应。利用纵向电光效应的调制，叫做纵向电光调制；利用横向电光效应的调制，叫做横向电光调制。晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应两种。把加在晶体上的电场方向与光在晶体中的传播方向平行时产生的电光效应，称为纵向电光效应，通常以类型晶体为代表。加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播方向垂直时产生的电光效应，称为横向电光效应 ，以晶体为代表。这次实验中，我们只做晶体的横向电光强度调制实验。晶体属于三角晶系,3m晶类，主轴Z方向有一个三次旋转轴，光轴与Z轴重合,是单轴晶体,折射率椭球是旋转椭球，其表达式为: (6)式中和分别为晶体的寻常光和非寻常光的折射率。加上电场后折射率椭球发生畸变，对于3m类晶体，由于晶体的对称性，电光系数矩阵形式为 (7) 当X轴方向加电场，光沿Z轴方向传播时，晶体由单轴晶体变为双轴晶体，垂直于光轴Z方向折射率椭球截面由圆变为椭圆，此椭圆方程为 (8)进行主轴变换后得到： (9) 考虑到0时，当光强最大时，测一组最大值，然后改变极性，最大时再测一组数据，两个极大之间对应的电压之和就是半波电压的两倍，多次测量取平均值，可以减少误差。2 调制法晶体上直流电压和交流正弦信号同时加上，当直流电压调到输出光强出现极小值或极大值对应时，输出的交流信号出现倍频失真，通过示波器可看出。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”接到双踪示波器的y1上，经放大后的调制器的输出信号接到示波器的y2上，把y1,y2上的信号做比较，将检偏器旋转90度，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后，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值之差就是半波电压。这种方法比极值法更精确，因为用极值法测半波电压时，视觉很难准确的定位极大和极小值，因而误差较大。3 改变直流偏压，选择不同的工作点，观察正弦波电压的调制特性。电源面板上的信号选择琴键开关可以提供三种不同的调制信号，按下“正弦”键，机内单一频率的正弦波振荡器工作，此信号经放大后，加到晶体上。同时，通过面板上的“输出”孔，输出此信号，把它接到双踪示波器的y1上，作为参考信号。改变直流偏压，使调制器工作在不同的状态，把被调制信号经光电转换，放大后接到双踪示波器y2上，和y1上的参考信号比较。工作点选定在曲线的直线部分，即附近时线性调制；工作点选在曲线的极小值（或极大值）附近时，输出信号“倍频”失真；工作点选定在极小值（或极大值）附近时输出信号失真，观察时调制信号幅度不能太大，否则调制信号本身失真，输出信号的失真无法判断有什么原因引起，把观察到的波形描下来，并和前面的理论分析做比较。做这步实验时把电源上的调制幅度、调制器上的输入光强、放大器的输出、示波器的增益(或衰减)这四部分调好，才能观察到很好的输出波形。4 用波片来改变工作点，观察输出特性。在上述实验中，去掉晶体上加的直流偏压，把波片置入晶体和偏振片之间，绕光轴缓慢旋转时，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于晶体的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。实验证明，通过晶体上加直流偏压可以改变调制器的工作点，也可以用波片选择工作点，其效果是一样的，但两种方法的机理是不同的。5 光通讯的演示按下电源面板上信号选择开关中的“音频”键，此时，正弦信号被切断，输出装在电源里的“音频”片信号。输出信号通过放大器的扬声器播放，改变工作点，此时，所听到的音质不同，通过通光和遮光，演示激光通讯。音频讯号接到示波器上，可以看到我们听到的音乐信号的波形，它是由振幅不同的不同频率的正弦波叠加而成的。也可以用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。调制信号也可以用录