電光效應實驗

1、(2)實驗四電光效應實驗【預習重點】1.晶體的會聚偏振光干涉。2.激光調制的原理。光效應則可能存在于任何物質中,一次效應要比二次效應顯箸。光在各向異性晶體中傳播時,因光的傳播方向不同或者是電矢量的振動方向不同，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、振動方向的關系。在主軸坐標中,折射率橢球及其方程為2式中小、肥、心為橢球三個主軸方向上的折射率，稱為主折射率。當晶體加上電場 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x2y2z22yz 2xz 2xy+ + + + + = 1 fl22“33n2312晶體的一次電光效應分為縱向電光效應和橫向電光效應兩種。

2、縱向電光效應是加在 晶體上的電場方向與光在晶體里傳播的方向平行時產生的電光效應：橫向電光效應 是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播方向垂直時產生的電光效應。通常KD*P（磷酸二嵐鉀）類型的晶體用它的縱向電光效應，LiNbO3（錠酸鋰）類型的晶體用 它的橫向電光效應。本實驗研究錠酸鋰晶體的一次電光效應，用規(guī)酸鋰晶體的橫向 調制裝苣測量錠酸鋰晶體的半波電壓及電光系數(shù)，并用兩種方法改變調制器的工作 點，觀察相應的輸出特性的變化。規(guī)酸鋰晶體屬于三角晶系，3m晶類，主軸z方向有一個三次旋轉軸，光軸與z軸重合，是單軸晶體，折射率橢球是旋轉橢球，其表達式為式中加和心分別為晶體的尋常光和非常光的折射率。加上

3、電場后折射率橢球發(fā)生畸 變，當X軸方向加電場，光沿Z軸方向傳播時，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而由圓變?yōu)闄E圓，此橢圓方程為（4-“&）異 +（亠 +yEJy2-2冷宀=1（5）心其中的乙2稱為電光系數(shù)。上式進行主軸變換后可得到 （丄-占）嚴+（丄+ 了2占）嚴 T （）弘(3)(6)3考慮到nl/22Ex9經簡化得到1 3 r：nyln0_2，：O22X折射率橢球截而的橢圓方程化為2.電光調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加到激光鈕射上去 的問題，我們把信息加載于激光輻射的過程稱為激光調制，把完成這一過程的裝置 稱為激光調制器由已

4、調制的激光輻射還原出所加載信息的過程則稱為解調。因為 激光實際上只起到了 “攜帶”低頻信號的作用，所以稱為載波，而起控制作用的低 頻信號是我們所需要的，稱為調制信號，被調制的載波稱為已調波或調制光。按調 制的性質而言，激光調制與無線電波調制相類似，可以采用連續(xù)的調幅、調頻、調 相以及脈沖調制等形式，但激光調制多采用強度調制。強度調制是根據光載波電場 振幅的平方比例于調制信號，使輸出的激光輻射的強度按照調制信號的規(guī)律變化。激光調制之所以常采用強度調制形式，主要是因為光接收器一般都是直接地響應其 所接受的光強度變化的緣故。激光調制的方法很多，如機械調制、電光調制、聲光調制、磁光調制和電源調 制等。

5、其中電光調制器開關速度快、結構簡單。因此，在激光調制技術及混合型光 學雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應用。電光調制根據所施加的電場方向的不同，可分為 縱向電光調制和橫向電光調制。利用縱向電光效應的調制，叫做縱向電光調制，利 用橫向電光效應的調制，叫做橫向電光調制。這次實驗中，我們只做LiNbCh晶體的 橫向調制實驗。（1）橫向電光調制(7)(8)激光4圖2為典型的利用LiNbOs晶體橫向電光效應原理的激光振幅調制器。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 經起偏振片后變?yōu)檎駝臃较蚱叫杏趚軸的線偏振光，它在晶體的感應軸W和）/軸 上的投影的振幅和相位均相等

6、，設分別為ex1= Aucos at , ey =AoCOS 31或用復振幅的表示方法，將位于晶體表而（eO）的光波表示為Er（0）=A,（0）=A所以，入射光的強度是由（7）式由此可見，振光經過晶體后可產生人/2的光程差，相應的相位差由（15）式可知此時 光強透過率7=100%,這時加在晶體上的電壓稱作半波電壓，通常用/丫表示。U”是描述晶體電光效應的重要參數(shù)。在實驗中，這個電壓越小越好，如果小，需要的調制信號電壓也小。 根據半波電壓值， 我們可以估計岀電光效應控制透過強度所需 電壓。 由（16）式可得到(17)(9)(10)y(0)|2=2A2/r.xE.E = |v.（0）|2+|y.當

7、光通過長為/的電光晶體后，疋 和兩分量之間就產生相位差幾E*（?）=A, Ev（/）=Ae通過檢偏振片岀射的光，是該兩分量在y軸上的投影之和）廠臺宀）其對應的輸出光強人可寫成(11)(12)(13)由（11）和/, 00 (Ey)0 (Ey)； = y-(e-ig- V)eiS-1) = 2A2sin2(14)式，光強透過率T為TI, 2/ = = sin /. 2(14)(15)5和加在晶體上的電壓有關，當電壓增加到某一值時X、方向的偏5其中和/分別為晶體的厚度和長度。由此可見，橫向電光效應的半波電壓與晶片 的幾何尺寸有關。由（17）式可知，如果使電極之間的距離盡可能的減少，而增716加通光

8、方向的長度/,則可以使半波電壓減小， 所以晶體通常加工成細長的扁長方體。由(16)、(17)式可得u UO = 7C 因此，可將(15)式改寫成r = sin2t/ =sii?_(/+(/”,sin期)(18)叫叫 “其中&是加在晶體上的宜流電壓，是同時加在晶體上的交流調制信號，Um是其振幅，g 是凋制頻率。從(18)式可以看岀，改變 S 或U刑,輸出特性將相應 的有變化。對單色光和確左的晶體來說，為常數(shù)，因而T將僅隨晶體上所加的電 壓變化。(2)改變直流偏壓對輸岀特性的影響1當匕=土、UmUff時，將工作點選左在線性工作區(qū)的中心處，如圖3(“)2所示，此時，可獲得較髙效率的線性調制，

9、把5、=吐代入(18)式，得 2T = sin2( +sin cot)4叫m=-I -cos( + sindX)22 U=丄1 + sin(上一匕,sin期)(19)2Jln由于時rlll + ()sin即Tsin(ot(20)這時，調制器輸出的信號和調制信號雖然振幅不同，但是兩者的頻率卻是相同的， 輸岀信號不失真，我們稱為線性調制。2當“0=0、UmU時，如圖3 (/?)所示,把/=0代入(18)式T = sm2(Un. sin cot)叫1zr rx ?a(Umy sirr ca4 U龍1 -cos(U,” sinm)71嘰.U 石（-）-（1一cos Icot）8UR即T8cos2 3f

10、（21）從（21）式可以看岀， 輸出信號的頻率是調制信號頻率的二倍，即產生“倍頻”失 真。 若把 U=UR代入（18）式，經類似的推導，可得輸出波形將失真。當久=牛,UmU時，調制器的工作點雖然選泄在線性工作區(qū)的中心，但 不滿足小信號調制的要求，（19）式不能寫成（20）式的形式。因此，工作點雖然選 定在了線性區(qū)，輸岀波形仍然是失真的?！緦嶒瀮x器】電光效應實驗儀，電光調制電源、接收放大器、Hc-Nc激光器、二蹤示波器和 萬用表。（1）晶體電光調制電源。調制電源由-200V-+200V之間連續(xù)可調的直流電源、 單一頻率振蕩器（振蕩頻率約為1kHz）、音樂片和放大器組成，電源而板上有三位 半數(shù)字而

11、板表，可顯示T總1一丄(L)2(i-cos2期)8匕(22)8直流電壓值。晶體上加的直流電壓的極性可以通過而板上的 極性”鍵改變，直流電壓的大小用“偏壓”旋鈕調節(jié)。調制信號可由機內振蕩器 或音樂片提供，此調制信號是用裝在而板上的“信號選擇”鍵來選擇三個信號中的 任意一個信號。所有的調制信號的大小是通過“幅度”旋鈕控制的。通過前而板上 的“輸出”插孔輸出的參考信號，接到二蹤示波器的一個通道與被調制后的接收信 號比較，觀察調制器的輸岀特性。（2）調制器。調制器由三個可旋轉的偏振片、一個可旋轉的1/4波片和一塊規(guī) 酸鋰晶體組成，采用橫向調制方式。晶體放在兩個正交的偏振片之間，起偏振片和 晶體的x軸平

12、行。檢偏振片和晶體之間可插入1/4波片，偏振片和波片均可繞其幾 何軸旋轉。晶體放在四維調節(jié)架上，可精細調節(jié)，使光束嚴格沿晶體光軸方向通過。（3）接收放大器。接收放大器由3DU光電三極管和功率放大器組成。光電三 極管把被調制了的氮氛激光經光電轉換，輸入到功率放大器上，放大后的信號接到 二蹤示波器，同參考信號比較，觀察調制器的輸出特性。交流信號輸出的大小通過交流輸出”旋鈕調右。放大器內裝有揚聲器，用來再現(xiàn)聲音調制信號，放大器而 板上還有直流輸出”插孔， 接到萬用表的200mV直流電壓檔， 用于測量光電三極 管接收到的光強信號的大小?！緦嶒瀮热荨?.觀察晶體的會聚偏振光干涉圖樣和電光效應形象（1）調

13、憐激光管使激光朿與晶體調肖臺上表而平行，同 時使光朿通過各光學元件中心（這一步老師已調好，學生不 要動）。調節(jié)起偏振片和檢偏振片正交，且分別平行于x軸，y軸，放上晶體后各器件要細調，精細調節(jié)是利用單軸晶體 的錐光干涉圖樣的變化完成的。由于晶體的不均勻性，在檢 偏振片后而的白屏上可看到一弱光點，然后緊靠晶體前放一 張鏡頭紙，這時在白屏上可觀察到單軸晶體的錐光干涉圖樣， 如圖4。一個暗十字圖形貫穿整個圖樣，四周為明暗相間的 同心干涉圓壞，十字形中心同時也是圓環(huán)的中心，它對應著晶體的光軸方向，十字 形方向對應于兩個偏振片的偏振軸方向。在觀察過程中要反復微調晶體，使干涉圖 樣中心與光點位置重合，同時盡

14、可能使圖樣對稱、完整，確保光朿既與晶體光軸平 行，又從晶體中心穿過的要求，再調節(jié)使干涉圖樣出現(xiàn)淸晰的暗十字，且十字的一 條線平行于兀軸。這一步調節(jié)很重要，調修的好壞，直接影響下一步的測量，因此, 一立要耐心，仔細調1仁 注意此時放大器的電源要關掉，激光光點應落在白屏上, 而不能對準光電三極管，以免燒壞。（2）加上直流偏壓時呈現(xiàn)雙軸晶體的錐光干涉圖樣，它說明單軸晶體在電場的作用下變成了雙軸晶體。（3）兩個偏振片正交時和平行時干涉圖樣是互補的。（4）改變直流偏壓的極性時，干涉圖樣旋轉90 -（5）只改變直流偏壓的大小時，干涉圖樣不旋轉，只是雙曲線分開的距離發(fā)生 變化。這一現(xiàn)象說明，外加電場只改變感

15、應主軸方向的主折射率的大小，折射率橢 球旋轉的角度與電場大小無關。92.測左錠酸鋰晶體的透過率曲線（即T/曲線），求出半波電壓再算岀 電光系數(shù)了22。在我們實驗中，用兩種方法測量規(guī)酸鋰晶體的半波電壓，一種方法是極值法，另一種方法是調制法。（1）極值法晶體上只加直流電壓，不加交流信號，把直流電壓從小到大逐漸改變，輸出的 光強將會出現(xiàn)極小值和極大值，相鄰極小值和極大值對應的直流電壓之差即是半波 電壓匕。具體做法是：取出鏡頭紙，光電三極管接收器對準激光光點，放大器的直流輸 出接到萬用表上，萬用表調到200mV直流檔。為了使光電三極管不致?lián)p壞，在起偏 振片前再加一塊偏振片作為減光片，加在晶體上的電壓從

16、零開始，逐漸增大，注意 萬用表讀數(shù)的變化，當讀數(shù)超過200mV時， 應旋轉減光片， 使光強減小， 再增大直 流偏壓到最大， 保持萬用表的讀數(shù)始終不超過200mV,再減小直流偏壓到零，若萬 用表的讀數(shù)始終不超過200mV,則可以開始測量數(shù)據了。加在晶體上的電壓在電源 面板上的數(shù)字表讀出，每隔5V增大一次，再讀出相應的萬用表的讀數(shù)作為接收器接收到的光強值，數(shù)據填入下表。偏壓U (V)0510152025303540光強T(mV)偏壓U (V)455055606570758085光強T(mV)偏壓U (V)909510010511()115120125130光強T(mV)偏壓U (V)1351401

17、4515015516016517()175光強T(mV)偏壓U (V)180185190195200205210215220光強T(mV)以廠為縱坐標，為橫4纟標，畫TU關系曲線，確左丄三波電壓,丫的數(shù)值，并計算電光系數(shù)/22o晶體厚度d=1.6mm,寬度匸6.0mm,長度/=45.0 mm, no=2.29,激光波長2=632.8nnu（2）調制法晶體上直流電壓和交流信號同時加上，與直流電壓調到輸岀光強岀現(xiàn)極小值或 極大值對應的電壓值時，輸岀的交流信號出現(xiàn)倍頻失真，出現(xiàn)相鄰倍頻失貞對應的 直流電壓之差就是半波電壓（/八具體做法是：按下電源面板上“正弦”鍵，把電源前而板上的調制信號“輸岀” 接

18、到二蹤示波器的CH?上，把放大器的調制信號接到示波器的CH】上，把CH】、CH2上的信號做比較，調肖直流電壓，當晶體上加的直流電壓到某一值 3 時，輸出信號 出現(xiàn)倍頻失真，再調肖直流電壓，當晶體上加的直流電壓到另一值 6 時，輸出信號 又出現(xiàn)倍頻失真，相繼兩次出現(xiàn)倍頻失真時對應10的宜流電壓之差2口就是半波電 壓八這種方法比極值法更精確，因為用極值法測半波電壓時，很難準確的確泄T曲線上的極大值或極小值，因而其誤差也較大。但是這種方法對調節(jié)的要求很高， 很難調到最佳狀態(tài)。如果觀察不到兩次倍頻失真，則需要重新調節(jié)暗十字形干涉圖 樣，調整好以后再做本內容。3.改變直流偏壓，選擇不同的工作點，觀察正弦

19、波電壓的調制特性電源面板上的信號選擇按鍵開關可以提供三種不同的調制信號，按下“正弦” 鍵，機內單一頻率的正弦波振蕩器工作，產生正弦信號，此信號經放大后，加到晶 體上，同時，通過而板上的“輸岀”孑L,輸出此信號，把它接到二蹤示波器的CH!上，作為參考信號。改變直流偏壓，使調制器工作在不同的狀態(tài)，把被調制信號經 光電轉換、放大后接到二蹤示波器的CH上，和CH】上的參考信號比較。選擇5個 不同的工作點40V. 80V. 120V. 160V、200V,觀察接收信號的波形并畫出圖形。工作點選泄在曲線的宜線部分，即U=UJ2附近時是線性調制；工作點選泄在 曲線的極小值（或極大值）時，輸出信號岀現(xiàn)倍頻”失

20、真：工作點選定在極小值 （或極大值）附近時輸出信號失真，觀察時調制信號幅度不能太大，否則調制信號 本身失真，輸出信號的失真無法判斷由什么原因引起的，把觀察到的波形描下來， 并和前面的理論分析作比較。做這一步實驗時，把電源上的調制幅度、調制器上的 輸入光強、放大器的輸出、示波器上的增益（或哀減）這四部分調好，才能觀察到 很好的輸出波形。4.用1/4波片改變工作點，觀察輸出特性在上述實驗中，去掉晶體上所加的直流偏壓，把1/4波片置入晶體和偏振片之 間，繞光軸緩慢旋轉時，可以看到輸岀信號隨著發(fā)生變化。當波片的快慢軸平行于 晶體的感應軸方向時，輸出信號線性調制；當波片的快慢軸分別平行于晶體的x、y軸時

21、，輸出光失真，岀現(xiàn)“倍頻”失真。因此，把波片旋轉一周時，出現(xiàn)四次線性11調制和四次“倍頻”失真。值得注意的是，不僅通過晶體上加直流偏壓可以改變調制器的工作點，也可以 用1/4波片選擇工作點，其效果是一樣的，但這兩種方法的機理是不同的。5.光通訊的演示按下電源而板的“音樂”鍵，此時，正弦信號被切斷，輸出裝在電源里的“音到音樂。如改變直流偏壓的大小，則會聽到音樂的音質有變化，說明音樂也有失真 和不失真。用不透明的物體遮光，則音樂停止，不遮光，則音樂又響起，由此說明 音樂信號的波形，它是由振幅相的不同頻率的正弦波迭加而成的。【注意事項】1. He-Ne激光管岀光時，電極上所加的直流電壓高達千伏，要注意人身安全。2.晶體又細又長，容易折斷，電極是真空鍍的鋁膜，操作時要注意，晶體電極 上而的鋁條不能壓的太緊或給晶體施加壓力，以免壓斷晶體。3.光電三極管應避免強光照射，以免燒壞。做實驗時，光強應從弱到強，緩慢 改變，盡可能在弱光下使用，這樣能保證接收器光電轉換時線性性良好。4.電源和放大器上的旋鈕順時針方向為增益加大的方向，因此，電源開關打開前，所有旋鈕應該逆時針方向旋轉到頭，關儀器前，所有旋鈕逆時針方向旋轉到 頭后再關電源?！舅伎碱}】1.本實驗中沒有會聚透鏡， 為什么能夠看到錐光干涉圖？如何根據錐光干涉圖