晶体电光调制实验 文档 doc

1 研究性实验研究性实验 晶体电光调制实验晶体电光调制实验 主讲人 赖家林主讲人 赖家林 李明明李明明 五邑大学五邑大学 信控系信控系 指导老师 龙拥兵指导老师 龙拥兵 2 晶体电光调制实验晶体电光调制实验 一 实验目的 1 掌握晶体电光调制的原理和实验方法 2 观察晶体电光效应引起的晶体会聚偏振光的干涉现象 3 学会利用实验装置测量晶体的半波电压 二 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 后来添上 注 激光光源 半导体激光器 激光波长 650 680nm 激光功率 0 2 5mW 连续 可调 偏置电压 0 400V 连续可调 调制方式 横向调制 调制晶体 铌酸锂晶体 50mm 6mm 1 7mm 调制波形 1KHz 正弦波或其他波形 三 实验原理 一 电光效应 1 电光效应 晶体 固体或液体 在外加电场中 随着电场强度的改变E 晶体的折射率发生改变的现象 横向电光效应 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 电场引起的折射率的变化 其中a和b为常数 为 0时的折射率 02 00 nnaEbE 0 n 0 E 光在各向异性晶体中传播时 由于光传播方向不同或者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 即方 程为 其中 为椭球三个主轴方向上的折射率 即主折射 1 2 3 2 2 2 2 2 1 2 n z n y n x 1 n 2 n 3 n 率 当晶体加上电场后 折射率椭球的形状 大小 方位都发生变化 椭球的方程变为 222 222222 112233231312 222 1 xyz yzxzxy nnnnnn 2 双折射现象 一束自然光穿过各向异性晶体 例如 铌酸锂晶体 时分成两束线偏 光的现象 如图1所示 3 入射面内传播不相同 并且不一定在 率速度不相同 各向折射 沿各方向的光的传播光 不服从折射定律光 非常 播相同 且在入射面内传各向折射率 播速度相同 律 沿各方向的光的传一条折射光服从折射定光 寻常光 其中的 e ne n o 0 相位差 其中dnn e 2 0 光在波片的折射率 光 代表 为光在真空中的波长 eonn e0 e 光 O 光 图 1 双折射现象 二 改变直流偏压选择工作点对输出特性的影响 其中 时其中的一半最大时的电压输入值 为信号输出即透过光强 2 v v 1 当 时 0 2 V V m VV 将工作点选定在线性工作区的中心处 此时 可获得较高频率的线性调制 把代入 0 2 m V V 16 式 得 4 22 tV V tV V tV V T m m m sinsin1 2 1 sin 2 cos1 2 1 sin 24 sin 2 当时 m VV 23 t V V T m sin1 2 1 即 sin m TVt 这时 调制器输出的波形和调制信号波形的频率相同 即线性调制 2 当时 0 2 m V VVV 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 22 式不能 写成公式 23 的形式 此时的透射率函数 22 应展开成贝赛尔函数 即由 22 式 24 t V V Jt V V Jt V V J tV V T mmm m 5sin2sinsin2 sinsin1 2 1 531 由 24 式可以看出 输出的光束除包含交流的基波外 还含有奇次谐波 此时 调制信 号的幅度较大 奇次谐波不能忽略 因此 这时虽然工作点选定在线性区 输出波形仍然 失真 3 当 时 把代入 16 式 0 0V m VV 0 0V 25 t V V t V V t V V tV V T m m m m 2cos1 8 1 sin 4 1 sincos1 2 1 sin 2 sin 2 2 2 2 即 cos2Tt 从 25 式可以看出 输出光是调制信号频率的二倍 即产生 倍频 失真 若把 5 代入 21 式 经类似的推导 可得 0 VV 26 t V V T m 2cos1 8 1 1 2 0 即 倍频 失真 cosTt 这时看到的仍是 倍频 失真的波形 4 直流偏压V0在零伏附近或在附近变化时 由于工作点不在线性工作区 输出波形 V 将分别出现上下失真 综上所述 电光调制是利用晶体的双折射现象 将入射的线偏振光分解成o光和e光 利用晶体的电光效应有电信号改变晶体的折射率 从而控制两个振动分量形成的像差 在利用光的相干原理两束光叠加 从而实现光强度的调制 晶体的电光效应灵明度极高 调制信号频率最高可达Hz 因此在激光通信 激光显示等领域内 电光调制得 910 1010 到非常广泛的应用 四 实验内容及操作 一 光路系统的调解 1 调解三角导轨底角螺丝 且使整个光路基本处于一条直线 即保证光束通过各小 孔 2 将起偏器与检偏器调节成相互垂直 即偏振方向相互正交 此时光点消失 即消 光状态 3 将铌酸锂晶体放在起偏器于检偏器之间 调解晶体支架 使晶体光轴即 Z 轴与激 光束平行 判断是否平行的方法 方一 将像屏放在检偏器之后 如 果能观察到由于锥光干涉产生的十字阴影 且激光束大致处在正中心时 即可 方法二 观察晶体前后表面查看光束是否在晶体中心 若没有 细调晶体的二维 调整架即可 二 观察电光效应引起的干涉图 1 在晶体盒前插入毛玻璃片 检偏器后放上像屏 光强调到最大 此时使晶体偏 压为零 此时 可观察到晶体的单轴锥干涉图 整个图形大致成 4 个四分之一 圆状 如图 2 所示 2 晶体加上偏压时呈现双轴锥光干涉图 如图 3 所示 由此可说明 单轴晶体在 电场作用下变成双轴晶体 即电致双折射现象 图 2 图 3 三 静态状态下 信号输出与输入的关系 由所得关系曲线可得 在一个周期内 输出会出现一个最 6 大值 此时电压为 当 v 大概在趋向的区间时 输出波形和输入信号的频率基本 v 2 v 相同 此时即线性调制状态 数据见下表 相应的曲线如图 4 所示 光 强 0 2 0 0 2 5 0 3 3 0 4 2 0 5 2 0 6 1 0 7 2 0 7 9 0 8 6 0 9 5 0 9 9 1 0 4 1 0 3 1 0 0 0 9 9 0 9 3 0 8 7 0 7 7 0 7 0 0 5 9 0 5 0 0 3 9 0 3 1 0 2 3 电 压 41 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 1 1 5 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 6 0 1 7 0 1 8 0 1 9 0 2 0 0 2 1 0 2 2 0 图 4 四 半波电压 五 1 4 波片改变特性 在实验中 去掉直流偏压 把四分之一波片置入晶体和偏振片之间 缓慢转动波 4 1 片 观察输出波形的变化 结果 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 出现失真 后面的不是很懂 六 光通讯 语音信号传递 此时 选择开关中的 音频 键 其他信号被切断 音频 所加信号装在电源里 由扬声器输出时 当扬声器声音最大时 输出强度由仪器读出 不是最大值 在一 定的范围内 集中在某个强度周围 且稳定在某个范围 即可知 这时的输出音频信号失 真程度最小 7 由示波器输出时 光强信号接在 CH1 通道 调制信号接在 CH2 通道 此时 由示波器可观察到 当输出信号 相当于音频输出信号即扬声器 最大时 输出波 形和调制信号的频率相似 图形趋近于相同 相关数据记录见下表 abCd CH299173233341 CH10 640 380 220 70 其中 CH2 通道即表示调制信号的通道 图形保持在一个相对稳定的范围 如图 5 所 示 而 CH1 则随着调制信号的变化而变化 且成周期性的变化 例如 b 组数据对应的图 像为图 6 由于实验的误差较大 只能近似把图 5 与图 6 看成相等 即此时的失真程度最 小 图 5 图 6 五 实验总结 1 本实验无会聚透镜 为什么能看到锥光干涉图 2 如何保证光束正射于晶体的端面 如何判断 本实验室一个专业性较强的实验 主要是原理比较苦涩 难懂 要在考究原理上下很 大的功夫 说实话 到现在为止 我也只是掌握了一点皮毛 时间毕竟太紧了 要做更深 入的研究 我想只要时间允许 是可以做到的 通过这次实验 让我对激光通信中的最最 基本的原理有了初步的认识 即激光是如何实现负载和传递信息的了 在本实验中 电光 效应 干涉原理等等都是核心 进一步对他们有了更深