電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上實(shí)驗(yàn)二 電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)激光是一種光頻電磁波，具有良好的相干性，與無線電波相似，可作為傳遞信息的載波。激光具有很高的頻率(約10131015Hz)，可供利用的頻帶很寬，故傳遞信息的容量很大。再有，光具有極短的波長和極快的傳遞速度，加上光波的獨(dú)立傳播特性，可以借助光學(xué)系統(tǒng)把一個(gè)面上的二維信息以很高的分辨率瞬間傳遞到另一個(gè)面上，為二位并行光信息處理提供條件。所以激光是傳遞信息的一種很理想的光源。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1010Hz的電場變化)，可以在高速攝影中作快門或在光速測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

2、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，激光測距，激光顯示和光學(xué)數(shù)據(jù)處理等方面。要用激光作為信息的載體，就必須解決如何將信息加到激光上去的問題。例如激光電話，就需要將語言信息加在與激光，由激光“攜帶”信息通過一定的傳輸通道送到接收器，再由光接收器鑒別并還原成原來的信息。這種將信息加在與激光的過程稱之為調(diào)制，到達(dá)目的地后，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換從中分離出原信號(hào)的過程稱之為解調(diào)。其中激光稱為載波，起控制作用的信號(hào)稱之為調(diào)制信號(hào)。與無線電波相似的特性，激光調(diào)制按性質(zhì)分，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。但常采用強(qiáng)度調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制是根據(jù)光載波電場振幅的平方比例于調(diào)制信號(hào)，使輸出的激光輻射

3、強(qiáng)度按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。激光之所以常采用強(qiáng)度調(diào)制形式，主要是因?yàn)楣饨邮掌?探測器)一般都是直接地響應(yīng)其所接收的光強(qiáng)度變化的緣故?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 掌握晶體電光調(diào)制的原理和實(shí)驗(yàn)方法。2. 學(xué)會(huì)利用實(shí)驗(yàn)裝置測量晶體的半波電壓，計(jì)算晶體的電光系數(shù)。3. 觀察晶體電光效應(yīng)引起的晶體會(huì)聚偏振光的干涉現(xiàn)象。【實(shí)驗(yàn)儀器】鈮酸鋰晶體，電光調(diào)制電源，半導(dǎo)體激光器，偏振器，四分之一波片，接收放大器，雙蹤示波器?！緦?shí)驗(yàn)原理】1電光調(diào)制的基本原理某些晶體(固體或液體)在外加電場中，隨著電場強(qiáng)度E的改變，晶體的折射率會(huì)發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。通常將電場引起的折射率的變化用下式表示: (1)式(1)中a和b為

4、常數(shù)，為E0=0時(shí)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)或普克爾電光效應(yīng)(pokells)；由二次項(xiàng)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)或克爾效應(yīng)(kerr)。由(1)式可知，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。通常用折射率橢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，折射率橢球方程為 (2)式中、為橢球三個(gè)主軸方向上的折射率，稱為主折射率。如圖2-1所示，從

5、折射率橢球的坐標(biāo)原點(diǎn)O出發(fā)，向任意方向作一直線，令其代表光波的傳播方向。然后，通過O垂直作橢圓球的中心截面，該截面是一個(gè)橢圓， 其長短半軸的長度和分別等于波法線沿，電位移 圖2-1 晶體折射率橢球矢量振動(dòng)方向分別與和平行的兩個(gè)線偏振光的折射率和。顯然、三者互相垂直，如果光波的傳播方向平行于x軸，則兩個(gè)線偏光波的折射率等于和。 同樣當(dāng)平行于y軸和z軸時(shí)，相應(yīng)的光波折射率亦可知。當(dāng)晶體上加上電場后，折射率橢球的形狀、大小、方位都發(fā)生變化，橢球的方程變?yōu)?(3)只考慮一次電光效應(yīng)，式(3)與式(2)相應(yīng)項(xiàng)的系數(shù)之差和電場強(qiáng)度的一次方成正比。由于晶體的各向異性，電場在x、y、z各個(gè)方向上的分量對(duì)橢球方

6、程的各個(gè)系數(shù)的影響是不同的，用下列形式表示： (4) 式(4)是晶體一次電光效應(yīng)的普遍表達(dá)式，式中叫做電光系數(shù)(i=1，2，6；j=1，2，3)，共有18個(gè)，Ex、Ey、EZ是電場E在x、y、z方向上的分量。式(4)可寫成矩陣形式： (5) 電光效應(yīng)根據(jù)施加的電場方向與通光方向相對(duì)關(guān)系，可分為縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)。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。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。把加在晶體上的電場方向與光在晶體中的傳播方向平行時(shí)產(chǎn)生的電光效應(yīng)，稱為縱向電光效應(yīng)，通常以(，磷酸二氘鉀)類型晶體為代表。加在晶體上的電場方

7、向與光在晶體里傳播方向垂直時(shí)產(chǎn)生的電光效應(yīng)，稱為橫向電光效應(yīng)，以晶體為代表。本實(shí)驗(yàn)只做晶體的橫向電光強(qiáng)度調(diào)制實(shí)驗(yàn)。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 (6)式(6)中和分別為晶體的尋常光和非尋常光的折射率。加上電場后折射率橢球發(fā)生畸變，對(duì)于3m類晶體，由于晶體的對(duì)稱性，電光系數(shù)矩陣形式為 (7) 當(dāng)x軸方向加電場，光沿z軸方向傳播時(shí)，晶體由單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體，垂直于光軸z方向折射率橢球截面由圓變?yōu)闄E圓，此橢圓方程為 (8)進(jìn)行主軸變換后得到： (9) 考慮到，經(jīng)化簡得到 (10)當(dāng)x軸方向加電場時(shí)，新折射率橢球

8、繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)45°。圖2-2為典型的利用晶體橫向電光效應(yīng)原理的激光強(qiáng)度調(diào)制器。圖2-2 晶體橫向電光效應(yīng)原理圖其中起偏器的偏振方向平行于電光晶體的x軸，檢偏器的偏振方向平行于y軸。因此入射光經(jīng)起偏器后變?yōu)檎駝?dòng)方向平行于x軸的線偏振光，它在晶體的感應(yīng)軸和軸上的投影的振幅和位相均相等，設(shè)分別為 (11)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 (12)所以，入射光的強(qiáng)度是 (13)當(dāng)光通過長為l的電光晶體后，和兩分量之間就產(chǎn)生位相差，即 (14)通過檢偏器出射的光，是這兩分量在y軸上的投影之和 (15)其對(duì)應(yīng)的輸出光強(qiáng)，可寫成 (16)由式(13)、(16)，光強(qiáng)透過率T

9、為 (17) (18)由此可見，和V有關(guān)，當(dāng)電壓增加到某一值時(shí)，、方向的偏振光經(jīng)過晶體后產(chǎn)生的光程差，位相差，這一電壓叫半波電壓，通常用或表示。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，如果小，需要的調(diào)制信號(hào)電壓也小，根據(jù)半波電壓值，可以估計(jì)出電光效應(yīng)控制透過強(qiáng)度所需電壓。由式(18)得 (19)其中d和l分別為晶體的厚度和長度。由式(18)、(19) (20) 因此，將式(17)改寫成 (21)其中是直流偏壓，是交流調(diào)制信號(hào)，是其振幅，是調(diào)制頻率，從式(21)可以看出，改變或輸出特性，透過率T將相應(yīng)的發(fā)生變化。對(duì)于單色光，為常數(shù)，因而T將僅隨晶體上所加電壓變化，如圖2-3所示

10、，T與V的關(guān)系是非線性的，若工作點(diǎn)選擇不適合，會(huì)使輸出信號(hào)發(fā)生畸變。但在附近有一近似直線部分，這一直線部分稱作線性工作區(qū)，由式(21)可以看出：當(dāng)時(shí)，。圖2-3 T與V的關(guān)系曲線圖2改變直流偏壓選擇工作點(diǎn)對(duì)輸出特性的影響(1)當(dāng)，時(shí)，將工作點(diǎn)選定在線性工作區(qū)的中心處，此時(shí)，可獲得較高頻率的線性調(diào)制，把代入式(16)，得 (22)當(dāng)時(shí) (23)即。這時(shí)，調(diào)制器輸出的波形和調(diào)制信號(hào)波形的頻率相同，即線性調(diào)制。(2)當(dāng)時(shí)，調(diào)制器的工作點(diǎn)雖然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足小信號(hào)調(diào)制的要求，式(22)不能寫成式(23)的形式，此時(shí)的透射率函數(shù)應(yīng)展開成貝賽爾函數(shù)，即由式(22)，得 (24)由式(24)

11、可以看出，輸出的光束除包含交流的基波外，還含有奇次諧波。此時(shí)，調(diào)制信號(hào)的幅度較大，奇次諧波不能忽略。因此，這時(shí)雖然工作點(diǎn)選定在線性區(qū)，輸出波形仍然失真。(3)當(dāng)，時(shí)，把代入式(16)，得 (25)即。從式(25)可以看出，輸出光是調(diào)制信號(hào)頻率的二倍，即產(chǎn)生“倍頻”失真。若把代入式(21)，經(jīng)類似的推導(dǎo)，可得 (26) 即“倍頻”失真。這時(shí)看到的仍是“倍頻”失真的波形。(4)直流偏壓V0在零伏附近或在附近變化時(shí)，由于工作點(diǎn)不在線性工作區(qū)，輸出波形將分別出現(xiàn)上下失真。綜上所述，電光調(diào)制是利用晶體的雙折射現(xiàn)象，將入射的線偏振光分解成o光和e光，利用晶體的電光效應(yīng)有電信號(hào)改變晶體的折射率，從而控制兩個(gè)

12、振動(dòng)分量形成的像差，在利用光的相干原理兩束光疊加，從而實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度的調(diào)制。晶體的電光效應(yīng)靈明度極高，調(diào)制信號(hào)頻率最高可達(dá)1091010Hz，因此在激光通信、激光顯示等領(lǐng)域內(nèi)，電光調(diào)制得到非常廣泛的應(yīng)用。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】一調(diào)整光路系統(tǒng)1. 調(diào)節(jié)三角導(dǎo)軌底角螺絲，使其穩(wěn)定于調(diào)節(jié)臺(tái)上。在導(dǎo)軌上放置好半導(dǎo)體光源部分滑塊，將小孔光欄置于導(dǎo)軌上，在整個(gè)導(dǎo)軌上拉動(dòng)滑塊，近場遠(yuǎn)場都保證整個(gè)光路基本處于一條直線，即使光束通過小孔。放上起偏振器，使其表面與激光束垂直，且使光束在元件中心穿過。再放上檢偏器，使其表面也與激光束垂直，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，使其與起偏器正交，即使檢偏器的主截面與起偏器的主截面垂直，這時(shí)光點(diǎn)消失，即

13、所謂的消光狀態(tài)。2. 將鈮酸鋰晶體置于導(dǎo)軌上，調(diào)節(jié)晶體使其x軸在鉛直方向，使其通光表面垂直于激光束(這時(shí)晶體的光軸與入射方向平行，呈正入射)，這時(shí)觀察晶體前后表面查看光束是否在晶體中心，若沒有，則精細(xì)調(diào)節(jié)晶體的二維調(diào)整架，保證使光束都通過晶體，且從晶體出來的反射像與半導(dǎo)體的出射光束重合。3. 拿掉1/4波片，在晶體盒前端插入毛玻璃片，檢偏器后放上像屏。光強(qiáng)調(diào)到最大，此時(shí)晶體偏壓為零。這時(shí)可觀察到晶體的單軸錐光干涉圖，即一個(gè)清楚的暗十字線，它將整個(gè)光場分成均勻的四瓣，如果不均勻可調(diào)節(jié)晶體上的調(diào)整架。如圖2-4所示。4. 旋轉(zhuǎn)起偏器和檢偏器，使其兩個(gè)相互平行，此時(shí)所出現(xiàn)的單軸錐光干涉圖與偏振片垂直

14、時(shí)是互補(bǔ)的。如圖2-5所示。 圖2-4 圖2-55. 晶體加上偏壓時(shí)呈現(xiàn)雙軸錐光干涉圖，說明單軸晶體在電場作用下變成雙軸晶體，即電致雙折射。如圖2-6所示。6. 改變晶體所加偏壓極性，錐光圖旋轉(zhuǎn)90°。如圖2-7所示。 圖2-6 圖2-77只改變偏壓大小時(shí)，干涉圖形不旋轉(zhuǎn)，只是雙曲線分開的距離發(fā)生變化。這一現(xiàn)象說明，外加電場只改變感應(yīng)主軸方向的主折射率的大小、與折射率橢球旋轉(zhuǎn)的角度和電場大小無關(guān)。二依據(jù)晶體的透過率曲線(即T-V曲線)，選擇工作點(diǎn)。測出半波電壓，算出電光系數(shù)，并和理論值比較。1半波電壓測量的兩種方法：(1)極值法晶體上只加直流電壓，不加交流信號(hào)，并把直流偏壓從小到大逐

15、漸改變時(shí)，示波器上可看到輸出光強(qiáng)出現(xiàn)極小值和極大值。 具體做法：取出毛玻璃，撤走白屏，接收器對(duì)準(zhǔn)出光點(diǎn)，加在晶體上的電壓從零開始，逐漸增大這時(shí)可看到示波器上光強(qiáng)極大和極小有一明顯起落，直流偏壓值由電源面板上的三位半數(shù)字表上讀出。先測對(duì)應(yīng)于V0>0時(shí)，當(dāng)光強(qiáng)最大時(shí)，測一組最大值，然后改變極性，最大時(shí)再測一組數(shù)據(jù)，兩個(gè)極大之間對(duì)應(yīng)的電壓之和就是半波電壓的兩倍，多次測量取平均值，可以減少誤差。(2)調(diào)制法晶體上直流電壓和交流正弦信號(hào)同時(shí)加上，當(dāng)直流電壓調(diào)到輸出光強(qiáng)出現(xiàn)極小值或極大值對(duì)應(yīng)時(shí)，輸出的交流信號(hào)出現(xiàn)倍頻失真，通過示波器可看出。出現(xiàn)相鄰倍頻失真對(duì)應(yīng)的直流電壓之差就是半波電壓。具體做法是：

16、把電源前面板上的調(diào)制信號(hào)“輸出”接到雙蹤示波器的x上，經(jīng)放大后的調(diào)制器的輸出信號(hào)接到示波器的y上，把x、y上的信號(hào)做比較，將檢偏器旋轉(zhuǎn)90°，當(dāng)晶體上加的直流電壓緩慢增加到半波電壓時(shí)，輸出出現(xiàn)倍頻失真；改變晶體上電壓的極性后，電壓加到半波電壓時(shí)，又出現(xiàn)倍頻失真，相繼兩次出現(xiàn)倍頻失真時(shí)對(duì)應(yīng)的直流電壓值之差就是半波電壓。這種方法比極值法更精確，因?yàn)橛脴O值法測半波電壓時(shí)，視覺很難準(zhǔn)確的定位極大和極小值，因而誤差較大。2改變直流偏壓，選擇不同的工作點(diǎn)，觀察正弦波電壓的調(diào)制特性。電源面板上的信號(hào)選擇琴鍵開關(guān)可以提供三種不同的調(diào)制信號(hào)，按下“正弦”鍵，機(jī)內(nèi)單一頻率的正弦波振蕩器工作，此信號(hào)經(jīng)放大

17、后，加到晶體上。同時(shí)，通過面板上的“輸出”孔，輸出此信號(hào)，把它接到雙蹤示波器的x上，作為參考信號(hào)。改變直流偏壓，使調(diào)制器工作在不同的狀態(tài)，把被調(diào)制信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，放大后接到雙蹤示波器y上，和x上的參考信號(hào)比較。工作點(diǎn)選定在曲線的直線部分，即附近時(shí)線性調(diào)制；工作點(diǎn)選在曲線的極小值(或極大值)附近時(shí)，輸出信號(hào)“倍頻”失真；工作點(diǎn)選定在極小值(或極大值)附近時(shí)輸出信號(hào)失真，觀察時(shí)調(diào)制信號(hào)幅度不能太大，否則調(diào)制信號(hào)本身失真，輸出信號(hào)的失真無法判斷有什么原因引起，把觀察到的波形描下來，并和前面的理論分析做比較。做這步實(shí)驗(yàn)時(shí)把電源上的調(diào)制幅度、調(diào)制器上的輸入光強(qiáng)、放大器的輸出、示波器的增益(或衰減)這四部

18、分調(diào)好，才能觀察到很好的輸出波形。3用1/4波片來改變工作點(diǎn)，觀察輸出特性。在上述實(shí)驗(yàn)中，去掉晶體上加的直流偏壓，把1/4波片置入晶體和偏振片之間，繞光軸緩慢旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以看到輸出波形隨著發(fā)生變化。當(dāng)波片的快慢軸平行于晶體的感應(yīng)軸方向時(shí)，輸出光線性調(diào)制；當(dāng)波片的快慢軸分別平行于晶體的x、y軸時(shí)，輸出光失真，出現(xiàn)“倍頻”失真。因此，把波片旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，出現(xiàn)四次線性調(diào)制和四次“倍頻”失真。實(shí)驗(yàn)證明，通過晶體上加直流偏壓可以改變調(diào)制器的工作點(diǎn)，也可以用1/4波片選擇工作點(diǎn)，其效果是一樣的，但兩種方法的機(jī)理是不同的。4光通訊的演示按下電源面板上信號(hào)選擇開關(guān)中的“音頻”鍵，此時(shí)，正弦信號(hào)被切斷，輸出裝在電源里的“音頻”片信號(hào)。輸出信號(hào)通過放大器的揚(yáng)聲器播放，改變工作點(diǎn)，此時(shí)，所聽到的音質(zhì)不同，通過通光和遮光，演示激光通訊。音頻訊號(hào)接到示波器上，可以看到我們聽到的音樂信號(hào)的波形，它是由振幅不同的不同頻率的正弦波疊加而成的。也可以用光纜把輸出信號(hào)和接收器連接起來，實(shí)現(xiàn)模擬激光光纖通訊。調(diào)制信號(hào)也可以用錄音機(jī)輸出的電信號(hào)，把它接到電源面板上的“輸入”端，這時(shí)要按下信號(hào)選擇開關(guān)中的“外調(diào)”鍵，其他信號(hào)源被切斷，輸出錄音機(jī)放出的音頻信號(hào)。附實(shí)驗(yàn)參考波形(圖2-8)：1. 音頻波形圖2-8-12. 上失