实验四、1电光调制实验综述

1、晶体的电光调制当给晶体或液体加上电场后，该晶体或液体的折射率发生变化，这种现象成为电光效应。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(可以跟上频率为1O10Hz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。【实验目的】1. 掌握晶体电光调制的原理和实验方法。2. 了解一种激光通信的方法。【实验原理】1. 一次电光效应和晶体的折射率椭球由电场所引起的晶体折射率的变化，称为电光效应。通常可将电场引起的折射率的变化用下式表示：2n

2、= no + aE o +bE o + ( 1)式中a和b为常数，no为不加电场时晶体的折射率。由一次项aEo 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(Pokells )效应；由二次项bEo2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(Kerr)效应。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。如图1，通常用折射率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，折射率椭球及其方程为2 2

3、 2山-屯3图1主折射率椭球式中n“ n2、n3为椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。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，椭球方程变成22x_丄22ni1n222z2yz2xz2xy“22221n33n23ni3ni2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。纵向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播的方向平行时产生的电光效应；横向电光效应是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。通常KD *P(磷酸二氘钾)类型的晶体用它的纵向电光效应，LiNbO 3 (铌酸锂)类型的晶体用它的横向电光效应。本实验研究铌酸锂晶体的一次电光

4、效应，用铌酸锂晶体的横向 调制装置测量铌酸锂晶体的半波电压及电光系数，并用两种方法改变调制器的工作 点，观察相应的输出特性的变化。表1 电光晶体(electro-optic crystals)的特性参数点群 对称性晶体材料折射率波长(4m)非零电光系数(102m/V )none3mLiNbO 32.2972.2080.633；13 =丫23 =8.6, ；33 =30.8 ?42 = 了51 = 28, ?22 = 3.412 =仏1 = 一 *2232Quartz(SiO2)1.5441.5530.589了41 =-?52 =.2 爲=J =11 = .9342mKH2PO4 (KDP)1.

5、51151.46980.546為占52 =8.77,4=10.31.50741.46690.633?41 = 了52 =8,化3 =1142mNH4H2PO4(ADP)1.52661.48080.546=一2 =23.76,4=8.561.52201.47730.633丫 41 =哄2 =23.41, %3= 7.82843mKD2PO4 (KD*P)1.50791.46830.546丫41 =丫52=8.8, 丫63=26.843mGaAs3.600.9?41 = 了52 = 丫63 =1.13.341.0?41 = 丫52 = 丫63 =1爲3.2010.6丫41 = 了52 =丫63 =

6、1643mInP3.421.06丫41 =丫52 =63 =1453.291.35?41 = 了52 = 丫63 =1.343mZnSe2.600.633；41 = ；52 =咲 63 = 243mP-ZnS2.360.6了41 = 了52 =丫63 =2.12 电光调制原理要用激光作为传递信息的工具，首先要解决如何将传输信号加到激光辐射上去 的问题，我们把信息加载于激光辐射的过程称为激光调制，把完成这一过程的装置 称为激光调制器。由已调制的激光辐射还原出所加载信息的过程则称为解调。因为 激光实际上只起到了“携带”低频信号的作用，所以称为载波，而起控制作用的低 频信号是我们所需要的，称为调制信

7、号，被调制的载波称为已调波或调制光。按调 制的性质而言，激光调制与无线电波调制相类似，可以采用连续的调幅、调频、调 相以及脉冲调制等形式，但激光调制多采用强度调制。强度调制是根据光载波电场 振幅的平方比例于调制信号，使输出的激光辐射的强度按照调制信号的规律变化。 激光调制之所以常采用强度调制形式，主要是因为光接收器一般都是直接地响应其 所接受的光强度变化的缘故。激光调制的方法很多，如机械调制、电光调制、声光调制、磁光调制和电源调 制等。其中电光调制器开关速度快、结构简单。因此，在激光调制技术及混合型光 学双稳器件等方面有广泛的应用。电光调制根据所施加的电场方向的不同，可分为 纵向电光调制和横向

8、电光调制。下面我们来具体介绍一下这两种调制原理和典型的 调制器。2.1 KDP晶体纵调制设电光晶体是与xy平行的晶片，沿z方向的厚度为 输入端放一个与x方向平行的起偏振器， 入射光波沿z 方向传播，且沿 x方向偏振，射入晶体后，它分解成、 方向的偏振光（图2.1），射出晶体后的偏振态由 上一节（25）式表示：L，在z方向加电压（纵调制），在首先进行坐标变换，得到 式（参见第一章附录）：xy坐标系内琼斯矩阵的表达cos(T/2 )-i sin 2如果在输出端放一个与泡克耳斯盒由检偏器输出的光波琼斯矩阵为:y平行的检偏振器，就构成勺0、cos(r/2 )0 nynznx = ny(15)应注意在这

9、一情况下电场感生坐标系和主轴坐标系一致,（16）仍然为单轴晶体，但寻常光和非常光的折射率都受到外电场的调制。设入射线偏振光沿xz的角平分线方向振动，两个本征态 x和z分量的折射率差为（17）（18）（式中第一项）及电（19）1 3 3nx nz = n。rie - n。一 足 33 E。当晶体的厚度为L,则射出晶体后光波的两个本征态的相位差为2兀2 兀2兀 n；?13 n：?33一nx-nz L 二一n。-n L- 4 二EL,0002。通常使自然双折射项等于 n /2的整倍数。上式说明在横调制情况下，相位差由两部分构成：晶体的自然双折射部分 光双折射部分（式中第二项）横调制器件的半波电压为我

10、们用到关系式E=V/d。由上式可知半波电压V_.与晶体长宽比L/d成反比。因而可以通过加 大器件的长宽比L/d来减小V-.。横调制器的电极不在光路中，工艺上比较容易解决。横调制的主要缺点在于它对波长0很敏感，-0稍有变化，自然双折射引起的相位差即发生显著的变化。当波长确定时（例如 使用激光），这一项又强烈地依赖于作用距离L。加工误差、装调误差引起的光波方向的稍许变化都会引起相位差的明显改变，因此通常只用于准直的激光束中。或用一对晶体，第一块晶体的x轴与第二块晶体的z轴相对，使晶体的自然双折射部分（16式中第一项）相互补偿, 以消除或降低器件对温度、入射方向的敏感性。有时也用巴比涅索勒尔（Bab

11、 in et-Soleil）补偿器，将工作点偏置到特性曲线的线性部分。迄今为止，我们所讨论的调制模式均为振幅调制，其物理实质在于：输入的线偏振光在调制晶体中分解为一对偏振方位正交的本征态，在晶体中传播过一段距离后获得相位差:,丨为外加电压的函数。在输出的偏振元件透光轴上这一对正交偏振分量重新叠加，输出光的 振幅被外加电压所调制，这是典型的偏振光干涉效应。2.3改变直流偏压对输出特性的影响 当U。二牛、UmU二时，将工作点选定在线性工作区的中心处，如图3 （ a）所示，此时，可获得较高效率的线性调制，把U。代入（18 ）式，得(20)(21)由于UmU二时Eh矿小心兀-.H JI1 _COS(

12、2Um si n，t)1 sin( Um sin .t)U mJIUmT * sin 3 tT : -1()sin t2这时，调制器输出的信号和调制信号虽然振幅不同，但是两者的频率却是相同的，输出信号不失真，我们称为线性调制。当Uo =0、U mU二时，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。因此，工作点虽然选定在了线性区，输出波形仍然是失真的。2.4用入/4波片进行光学调制上面分析说明电光调制器中直流偏压的作用主要是在使晶体中x,y两偏振方向的光之间产生固定的位相差，从而使正弦调制工作在光强调制曲线上的不同点。直流偏压的作用可以用入/4波片来实现。 在起偏器和检偏

13、器之间加入 入/4片，调整入/4波片的快慢轴方向使之与晶体的x,y轴平行，即可保证电光调制器工作在线性调制状态下，转动波片可使电光晶体处于不同的工作点上。【实验仪器】电光调制电源组件、光接收放大器组件、He-Ne激光器组件、铌酸锂电光晶体组件、偏振片、1/4波片。【实验内容】1. 观察电光调制箱内置波形信号，以及解调信号。 器件放置如图4所示，激光束与台面平行，其它器件依次放入光路，并保持与激光束同轴等高。 将晶体与电光调制箱连接，打开开关，调制切换选择“内”，输出切换选择“外”通过“选择”键选择“正弦波”或“方波”，适当调整“调制幅度”和“高压调节”旋钮，使波形不失真。 将示波器与探测器接通，则可观测到解调出来的内置波形信号，适当旋转光路中的偏振片和 4波片，得到最清晰稳定波形。将示波器的另一通道与电光调制箱的“信号输出”连接，则可直接得到内置波形信号，与解调出来的波形信号作对比。血-阴激光器偏振片能酸锂晶体波片偏按片探测器图4电光调制光路示意图2. 音频信号的电光调制与解调 将mp3音源于电光调制实验箱的“外部输入”连接，调制切换选择“外”，输出切换选择“内”，则首先可从实验箱内置的扬声器听到清晰的mp3播放的音乐。 再将输出切换选择“外”，把提供的外置扬声器（音箱）与接收探测