2022年2022年晶体电光调制实验 .pdf
晶体电光调制实验U200910405 王玕一 U200915882 毛德凯一、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： 650680nm ， 激光功率： 02.5mW 连续可调， 偏置电压： 0400V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E的改变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：0200nnaEbE（其中 a和b为常数，n为0E =0时的折射率）。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1232222212nznynx（其中1n 、2n 、3n 为椭球三个主轴方向上的折射率，即主折射率）。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，椭球的方程变为2222222221122332313122221xyzyzxzxynnnnnn2. 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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 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eneno0相位差：dnne)(20（其中光在波片的折射率。）光、代表、为光在真空中的波长，eonne0( 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2vv。（1）当02VV，mVV 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02mVV代入（ 16）式，得e光O 光图 1 双折射现象名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - tVVtVVtVVTmmmsinsin121sin2cos121sin24sin2， (22) 当mVV 时tVVTmsin121， (23) 即sinmTVt 。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0,2mVVVV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tVVJtVVJtVVJtVVTmmmm5sin2sinsin2sinsin121531， (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，输出波形仍然失真。（3）当00V,mVV 时，把00V代入（ 16）式tVVtVVtVVtVVTmmmm2cos181sin41sincos121sin2sin2222， (25) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 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0VV代入（ 21）式，经类似的推导，可得tVVTm2cos181120， （26）即cosTt“倍频”失真。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V附近变化时，由于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9101010Hz， 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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 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，输出会出现一个最大值，此时电压为v 。当 v 大概在趋向2v的区间时，输出波形和输入信号的频率基本相同， 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0.20 0.25 0.33 0.42 0.52 0.61 0.72 0.79 0.86 0.95 0.99 1.04 1.03 1.00 0.99 0.93 0.87 0.77 0.70 0.59 0.50 0.39 0.31 0.23 电压4 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 115 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 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41波片，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）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 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。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：a b C d CH2 99 173 233 341 CH1 0.64 0.38 0.22 0.70 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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -
