晶体的电光调制河南理工

1、晶体的电光调制一、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<锥光干涉）二、实验仪器铌酸锂晶体vLBQ 50mm*6mm*1.7n>m电光调制电源，半导体激光器,偏振器, 四分之一波片，接受放大器，双踪示波器三、实验原理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载到激光上，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。这种将信息加载到 激光的过程称之为调制，到达目的地后，经光电

2、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。某些晶体（固体或液体 > 在外加电场中，随着电场强度 E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：I <1）式中a和b

3、为常数, 为 =0时的折射率。由一次项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泡克尔电光效应vpokells ）;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 vKerr >。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.=| <2 ）椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折

4、射率。从折射率椭球的坐标原点O出发，向任意方向作一直线OP,令其代表光波的传播方向K。然后，通过O垂直OP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 0/和0盼别等于波 法线0P，电位移矢量振动方向分别与 0/和0B平亍的两个线偏振光的折射率 和。显然K,OA,OB三者互相垂直，如果光波的传播方向 K平行于x轴，则两个线偏 光波的折射率等于n2和压。同样当K平行于y轴和z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。因为晶体的各向异性，电场在

5、 x、y、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LI， i=1,2,6; j=1,2,3）,共有18个，电场E在x,y,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。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 KD类型晶体为代表。加在晶体上的 电场方向与光在晶体中的传播方向垂直时产生的电光效应，称为横向电光效 应，通常以LiNbQvLBO晶体为代表。这次实验

6、中，我们只做LiNbQ晶体的横向电光强度调制实验。LiNbQ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，因为晶体的对称性，电光系数矩阵形式为:<7当xtt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，经化简得到<10当X轴方向加电场时，新折射率椭球绕ztt转动45°。下图为

7、典型的利用LiNbQ晶体横向电光效应原理的激光强度调制器。z轴沿光传播方向，其中起偏器的偏振方向平行于电光晶体的Xtt，检偏器的偏振方向艸曼”轴（平行于护轴）声四分之一波片“快”轴电光晶体（平行珀撷输出光束或用复振幅的表示方法，将位于晶体表面a<z=0）的光波表示为<12 ).-.检偏器（平行于藍轴）（平行于丫轴图一晶体横向电光效应原理图平行于刑由。因此入射光经起偏器后变为振动方向平行于 Xtt的线偏振光，它在晶体的感应轴因和回轴上的投影的振幅和位相均相等，设分别为<11HJ所以，入射光的强度是<13当光通过长为1的电光晶体后， 和 两分量之间就产生位相差<141

8、3通过检偏器出射的光，是这两分量在 刑由上的投影之和<15其对应的输出光强，可写成<16）由<13） <16）式，光强透过率T为<17<18方向的偏振光经过由此可见，S和V有关，当电压增加到某一值时，和晶体后产生半个波长的光程差，位相差S = ，T=100%这一电压叫半波电压,通常用 表示，是描述晶体电光效应的重要参数，在实验中，这个电压越小越好，如果 小,需要的调制信号电压也小，根据半波电压值，我们可以估 计出电光效应控制透过强度所需电压。EH1<19）其中d和l分别为晶体的厚度和长度。由 18）、19）式IE<20）因此，将17）式改写成I&

9、lt;21）T10d Kdl由18）式相对强度F50.图二T与V的关系曲线其中一是直流偏压， 1 是交流调制信号，一是振幅，是调制频率，从21）式可以看出，改变 或 输出特性，透过率将相应的发生变化。因为对单色光，可 为常数，因而T将仅随晶体上所加电压变化，如图所示，T与V的关系是非线性的，若工作点选择不合适，会使输出信号发生畸 变。但在 J附近有一近似直线部分，这一直线部分称作线性工作区，由上式 可以看出：当 一 时，卜;| , T=50%.改变直流偏压选择工作点对输出特性的影响1）当.* | 时，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21）式，得<

10、;22时,(23>LJ即 II I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ri(24>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，输出的波形仍然失真。3）B ，把II代入21）式(25>即 二 。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:代入21 ）式，

11、经类似的推导，可得即|亠I“倍频”失真。这时看到的仍是“倍频”失真的波形<4）直流偏压在零伏附近或在回附近变化时，因为工作点不在线性工作区，输出波形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相差S，再利用光的相干原理使两束光叠加，从而实 现光强度的调制。晶体的电光效应灵敏度极高，调制信号频率最高可大于通 常的超声频率，因此在激光通信、激光显示等领域内，电光调制得到非常广 泛的应用。四、实验仪器1 晶体电光调制电源：调制电源由240V+240V之间连续可调得直流电源

12、，单一频率振荡器 < 振荡频率约为1Kz）、音乐片和放大器组成，电源面板上由三个半数字面板表， 可显示直流偏压值。晶体上加得直流电压是通过 极性”键可以改变，电压得大 小用 偏压”上面的旋钮调节。调制信号可由机内振荡片或音乐片提供，也可以 由外部通过前面板上的外调”选择外部的信号进行输入调制。所有信号的大小 都是通过 幅度”下面的旋钮调控。通过面板上的 输出”插孔输出的信号接到示 波器上作为调制输出信号的参考，观察调制器的输出特性。2. 调制器调制器由三个可旋转的偏振片和一块铌酸锂晶体组成，采用横向调制方式 。晶体放在两个正交的偏振片之间，起偏器和晶体 x轴平行。偏振片和晶体之间 可插入

13、亠波片，偏振片和波片均可绕光轴旋转。晶体放在四维调节架上，可 精细调节，使光速严格沿光轴方向通过晶体。3. 接收放大器接收放大器由3DU光电三极管和功率放大器组成。光电三极管把调制的激 光经光电转换，输入到功率放大器上，放大后的信号接到双线示波器，同参考 信号比较，观察调制器的输出特性。交流输出信号的大小通过交流输出”下面的旋钮调节。放大器内装由扬声器，用力再现调制信号的声音。放大器面板上 还有 直流输出”插孔，用来测直流输出光强，绘出TV曲线。五、实验内容一、光路调节和锥光干涉1 .调节三角导轨底角螺丝，使其稳定于调节台上。在导轨上放置好半导体光 源部分滑块，将小孔光栏置于导轨上，在整个导轨

14、上拉动滑块，近场远场都保 证整个光路基本处于一条直线，即使光束通过小孔。放上起偏振器，使其表面与激光束垂直，且使光束在元件中心穿过。再放 上检偏器，使其表面也与激光束垂直，转动检偏器，使其与起偏器正交，出现 消光。2.将铌酸锂晶体置于导轨上，调节晶体使其 x轴在铅直方向，使其通光表 面垂直于激光束 <这是晶体的光轴与入射方向平行，成正入射），这时观察晶体前后表面察看光束是否在晶体中心，若没有，则精细调节晶体的二位调整架， 保证使光束都通过晶体，且从晶体出来的反射像与半导体的出射光束重合。3 在晶体盒前端插入毛玻璃片，检偏器后放上像屏。光强调到最大，此时 晶体偏压为零。这时可观察到晶体的单

15、轴锥光干涉图，即一个清楚的暗十字 线，他将整个光场分成均匀的四瓣，如果不均匀可调节晶体上的调整架。如图 三所示4旋转起偏器和检偏器，使其两个互相平行，观察锥光干涉图变化5晶体加上偏压时呈现双轴锥光干涉图，说明单轴晶体在电场作用下变成 双轴晶体，即电致双折射。观察锥光干涉图变化6改变晶体所加偏压极性，锥光图旋转 90度。验证之7 只改变偏压大小时，干涉图形不旋转，只是双曲线分开的距离发生变 化。这一现象说明，外加电场只改变感应主轴方向的主折射率的大小，折射率 椭球旋转的角度和电场大小无关。图三晶体锥光干涉图二、调制法测半波电压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