光電子綜合實(shí)驗(yàn)講義.doc

光電子綜合實(shí)驗(yàn)實(shí) 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書巢湖學(xué)院電子工程與電氣自動(dòng)化學(xué)院2014年2月85 / 86目錄目錄1實(shí)驗(yàn)一 晶體電光調(diào)制2實(shí)驗(yàn)二 太陽能電池特性12實(shí)驗(yàn)三 晶體的聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)19實(shí)驗(yàn)四 晶體的磁光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)26實(shí)驗(yàn)五 激光模式分析28實(shí)驗(yàn)六光敏元件特性實(shí)驗(yàn)44實(shí)驗(yàn)七LED&LD伏安（V/I）特性、電光轉(zhuǎn)換（P/I）特性實(shí)驗(yàn)52實(shí)驗(yàn)八LED&LD光譜特性實(shí)驗(yàn)58實(shí)驗(yàn)九光電倍增管特性測(cè)試61實(shí)驗(yàn)十雪崩光電二極管(APD)特性測(cè)試68實(shí)驗(yàn)十一激光衍射光強(qiáng)分布實(shí)驗(yàn)71實(shí)驗(yàn)十二 光纖溫度傳感系統(tǒng)特性實(shí)驗(yàn)78參考文獻(xiàn)84實(shí)驗(yàn)一 晶體電光調(diào)制1.1實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)介1晶體電光調(diào)制電源 輸出正弦波調(diào)制幅度：0300V連續(xù)可調(diào)，頻率1K 輸出直流偏置電壓：0600V ,連續(xù)可調(diào)2鈮酸鋰(LiNbO3)電光晶體 尺寸51.750mm 鍍銀電極3He-Ne激光器及可調(diào)電源 波長(zhǎng)632.8nm，1.5mW，電流連續(xù)可調(diào)4可旋轉(zhuǎn)偏振片 最小刻度值15光電接收器 PIN光電池6有源音響 漫步者1.2實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握晶體電光調(diào)制的原理和實(shí)驗(yàn)方法。2學(xué)會(huì)用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量晶體半波電壓、電光常數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。3觀察電光效應(yīng)所引起的晶體光學(xué)特性的變化和會(huì)聚偏振光的干涉現(xiàn)象。1.3實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)給晶體或液體加上電場(chǎng)后，該晶體或液體的折射率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。電光效應(yīng)在工程技術(shù)和科學(xué)研究中有許多重要應(yīng)用，它有很短的響應(yīng)時(shí)間(可以跟上頻率為1010Hz的電場(chǎng)變化)，可以在高速攝影中作快門或在光速測(cè)量中作光束斬波器等。在激光出現(xiàn)以后，電光效應(yīng)的研究和應(yīng)用得到迅速的發(fā)展，電光器件被廣泛應(yīng)用在激光通訊、激光測(cè)距、激光顯示和光學(xué)數(shù)據(jù)處理等方面。1.3.1一次電光效應(yīng)和晶體的折射率橢球由電場(chǎng)所引起的晶體折射率的變化，稱為電光效應(yīng)。通?？蓪㈦妶?chǎng)引起的折射率的變化用下式表示：n = n0 + aE0 +bE02+ (1)式中a和b為常數(shù)，n0為不加電場(chǎng)時(shí)晶體的折射率。由一次項(xiàng)aE0引起折射率變化的效應(yīng)，稱為一次電光效應(yīng)，也稱線性電光效應(yīng)或普克爾(Pokells)效應(yīng)；由二次項(xiàng)bE02引起折射率變化的效應(yīng)，稱為二次電光效應(yīng)，也稱平方電光效應(yīng)或克爾(Kerr)效應(yīng)。一次電光效應(yīng)只存在于不具有對(duì)稱中心的晶體中，二次電光效應(yīng)則可能存在于任何物質(zhì)中，一次效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯著。光在各向異性晶體中傳播時(shí)，因光的傳播方向不同或者是電矢量的振動(dòng)方向不同，光的折射率也不同。如圖1，通常用折射率球來描述折射率與光的傳播方向、振動(dòng)方向的關(guān)系。在主軸坐標(biāo)中，折射率橢球及其方程為 (2)式中n1、n2、n3為橢球三個(gè)主軸方向上的折射率，稱為主折射率。當(dāng)晶體加上電場(chǎng)后，折射率橢球的形狀、大小、方位都發(fā)生變化，橢球方程變成 (3)晶體的一次電光效應(yīng)分為縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)兩種?？v向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場(chǎng)方向與光在晶體里傳播的方向平行時(shí)產(chǎn)生的電光效應(yīng)；橫向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場(chǎng)方向與光在晶體里傳播方向垂直時(shí)產(chǎn)生的電光效應(yīng)。通常KD*P(磷酸二氘鉀)類型的晶體用它的縱向電光效應(yīng)，LiNbO3(鈮酸鋰)類型的晶體用它的橫向電光效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應(yīng)，用鈮酸鋰晶體的橫向調(diào)制裝置測(cè)量鈮酸鋰晶體的半波電壓及電光系數(shù)，并用兩種方法改變調(diào)制器的工作點(diǎn)，觀察相應(yīng)的輸出特性的變化。鈮酸鋰晶體屬于三角晶系，3m晶類，主軸z方向有一個(gè)三次旋轉(zhuǎn)軸，光軸與z軸重合，是單軸晶體，折射率橢球是旋轉(zhuǎn)橢球，其表達(dá)式為 (4)式中n0和ne分別為晶體的尋常光和非常光的折射率。加上電場(chǎng)后折射率橢球發(fā)生畸變，當(dāng)x軸方向加電場(chǎng)，光沿z軸方向傳播時(shí)，晶體由單軸晶變?yōu)殡p軸晶，垂直于光軸z軸方向的折射率橢球截面由圓變?yōu)闄E圓，此橢圓方程為 (5)其中的稱為電光系數(shù)。上式進(jìn)行主軸變換后可得到 (6)考慮到1，經(jīng)簡(jiǎn)化得到 (7)折射率橢球截面的橢圓方程化為 (8)1.3.2.電光調(diào)制原理要用激光作為傳遞信息的工具，首先要解決如何將傳輸信號(hào)加到激光輻射上去的問題，我們把信息加載于激光輻射的過程稱為激光調(diào)制，把完成這一過程的裝置稱為激光調(diào)制器。由已調(diào)制的激光輻射還原出所加載信息的過程則稱為解調(diào)。因?yàn)榧す鈱?shí)際上只起到了“攜帶”低頻信號(hào)的作用，所以稱為載波，而起控制作用的低頻信號(hào)是我們所需要的，稱為調(diào)制信號(hào)，被調(diào)制的載波稱為已調(diào)波或調(diào)制光。按調(diào)制的性質(zhì)而言，激光調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，可以采用連續(xù)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及脈沖調(diào)制等形式，但激光調(diào)制多采用強(qiáng)度調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制是根據(jù)光載波電場(chǎng)振幅的平方比例于調(diào)制信號(hào)，使輸出的激光輻射的強(qiáng)度按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。激光調(diào)制之所以常采用強(qiáng)度調(diào)制形式，主要是因?yàn)楣饨邮掌饕话愣际侵苯拥仨憫?yīng)其所接受的光強(qiáng)度變化的緣故。激光調(diào)制的方法很多，如機(jī)械調(diào)制、電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和電源調(diào)制等。其中電光調(diào)制器開關(guān)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。因此，在激光調(diào)制技術(shù)及混合型光學(xué)雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應(yīng)用。電光調(diào)制根據(jù)所施加的電場(chǎng)方向的不同，可分為縱向電光調(diào)制和橫向電光調(diào)制。利用縱向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做縱向電光調(diào)制，利用橫向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做橫向電光調(diào)制。實(shí)驗(yàn)只做LiNbO3晶體的橫向電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)。橫向電光調(diào)制 圖 2圖2為典型的利用LiNbO3晶體橫向電光效應(yīng)原理的激光振幅調(diào)制器。其中起偏振片的偏振方向平行于電光晶體的x軸，檢偏振片的偏振方向平行于y軸。因此入射光經(jīng)起偏振片后變?yōu)檎駝?dòng)方向平行于x軸的線偏振光，它在晶體的感應(yīng)軸x和y軸上的投影的振幅和相位均相等，設(shè)分別為 ex=A0cost , ey=A0cost (9)或用復(fù)振幅的表示方法，將位于晶體表面(z=0)的光波表示為Ex(0)=A , Ey(0)=A (10)所以，入射光的強(qiáng)度是 (11)當(dāng)光通過長(zhǎng)為l的電光晶體后，x和y兩分量之間就產(chǎn)生相位差，即 Ex(l)=A , Ey(l)=A (12)通過檢偏振片出射的光，是該兩分量在y軸上的投影之和 (13)其對(duì)應(yīng)的輸出光強(qiáng)It可寫成 (14)由(11)和(14)式，光強(qiáng)透過率T為 (15)由(7)式 (16)由此可見，和加在晶體上的電壓有關(guān)，當(dāng)電壓增加到某一值時(shí)x、y方向的偏振光經(jīng)過晶體后可產(chǎn)生/2的光程差，相應(yīng)的相位差=，由(15)式可知此時(shí)光強(qiáng)透過率T=100%，這時(shí)加在晶體上的電壓稱作半波電壓，通常用U表示。U是描述晶體電光效應(yīng)的重要參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)電壓越小越好，如果U小，需要的調(diào)制信號(hào)電壓也小。根據(jù)半波電壓值，我們可以估計(jì)出電光效應(yīng)控制透過強(qiáng)度所需電壓。由(16)式可得到 (17)其中d和l分別為晶體的厚度和長(zhǎng)度。由此可見，橫向電光效應(yīng)的半波電壓與晶片的幾何尺寸有關(guān)。由(17)式可知，如果使電極之間的距離d盡可能的減少，而增加通光方向的長(zhǎng)度l，則可以使半波電壓減小，所以晶體通常加工成細(xì)長(zhǎng)的扁長(zhǎng)方體。由(16)、(17)式可得 因此，可將(15)式改寫成 (18)其中U0是加在晶體上的直流電壓，Umsint是同時(shí)加在晶體上的交流調(diào)制信號(hào)，Um是其振幅，是調(diào)制頻率。從(18)式可以看出，改變U0或Um，輸出特性將相應(yīng)的有變化。對(duì)單色光和確定的晶體來說， U為常數(shù)，因而T將僅隨晶體上所加的電壓變化。 改變直流偏壓對(duì)輸出特性的影響當(dāng)、UmU時(shí)，將工作點(diǎn)選定在線性工作區(qū)的中心處，如圖3(a)所示，此時(shí)，可獲得較高效率的線性調(diào)制，把 代入(18)式，得 (19)由于UmU時(shí) 即 Tsint (20)這時(shí)，調(diào)制器輸出的信號(hào)和調(diào)制信號(hào)雖然振幅不同，但是兩者的頻率卻是相同的，輸出信號(hào)不失真，我們稱為線性調(diào)制。當(dāng)、Um200，自由光譜范圍為4GHz；3縱模橫模頻率間隔誤差20MHz.儀器設(shè)備的安裝方法5.3.1應(yīng)用程序的安裝在光驅(qū)中插入光盤，到光盤Setup目錄下執(zhí)行setup.exe文件；安裝程序首先顯示如下歡迎窗口： 點(diǎn)擊“Next”按鈕，彈出如下窗口：可以使用缺省值，點(diǎn)擊“Next”按鈕，彈出拷貝文件窗口：當(dāng)文件拷貝完成后，安裝結(jié)