晶體電光調(diào)制實驗

晶體電光調(diào)制實驗第1頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五晶體電光調(diào)制實驗實驗前言實驗儀器實驗?zāi)康膶嶒炘韺嶒瀮?nèi)容及操作實驗總結(jié)第2頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五一、實驗前言

電光效應(yīng)：

某些晶體在外加電場中，隨著電場強度E的改變，晶體的折射率會發(fā)生改變的現(xiàn)象。如何實現(xiàn)調(diào)制：

本實驗要求用用激光作為信息載體，所以必須要考慮如何將信息加到激光上。由激光負載信息通過一定的通道送到接收器，再由光接收器鑒別并還原成原來的信息。其中，1、將信息加載在激光上的過程是調(diào)制;2、送達目的之后，由光電轉(zhuǎn)換從中分離出原信號的過程是解調(diào)；3、激光稱為載波，用來控制的信號稱為調(diào)制信號。強度調(diào)制：

原理：光載波電場振幅的平方比例于調(diào)制信號

作用：保證輸出的激光輻射強度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化

（注：光接收器大多是直接響應(yīng)其所接收的光強度變化）第3頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五二、實驗儀器（材料）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（后來添上）第4頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五三、實驗?zāi)康恼莆站w電光調(diào)制的原理和實驗方法觀察晶體電光效應(yīng)引起的晶體會聚偏振光的干涉現(xiàn)象學(xué)會利用實驗裝置測量晶體的半波電壓了解電光效應(yīng)及其應(yīng)用第5頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五四、實驗原理電光效應(yīng)：

某些晶體在外加電場中，隨著電場強度E的改變，晶體的折射率會發(fā)生改變的現(xiàn)象。

橫向電光效應(yīng)：

加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播方向垂直時產(chǎn)生的電光效應(yīng)。（本實驗用到的鈮酸鋰晶體即屬此類）

電場引起的折射率的變化：

其中a和b為常數(shù)，為=0時的折射率）

第6頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五未加電場時：

光在各向異性晶體中傳播時，由于光傳播方向不同或者電矢量的振動方向不同，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、振動方向的關(guān)系，即方程為

（其中、為橢球三個主軸方向上的折射率，即主折射率）第7頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五加電場之后：

當(dāng)在晶體上加上電場后，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)?/p>

圖晶體折射率橢球交叉項由電場引起，表示變形后的橢球主軸與原先的主軸不重合第8頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五雙折射現(xiàn)象：

對于各向異性晶體，一束光射入晶體后，可以觀察到有兩束折射光的現(xiàn)象。尋常光線(o光)-----服從折射定律，沿各方向

的光的傳播速度相同，各向折射率

相同，且在入射面內(nèi)傳播非常光線(e光)-----不服從折射定律，沿各方

向的光的傳播速度不同，各向折射

率不同，且不一定在入射面內(nèi)傳

播注：o光和e光都是線偏振光。第9頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五3、電光調(diào)制原理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。縱向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播方向平行時產(chǎn)生的電光效應(yīng)。橫向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播方向垂直時產(chǎn)生的電光效應(yīng)。通常，KD*P類型晶體用它的縱向電光效應(yīng)，鈮酸鋰類型晶體用它的橫向電光效應(yīng)。

第10頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五附加：實驗設(shè)計原因通過了解發(fā)現(xiàn)經(jīng)激光通過晶體會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，而且產(chǎn)生晶體通電會使光軸發(fā)生變化。本實驗就是要把雙折射現(xiàn)象現(xiàn)象出來。因為o光e光的相位差一定，頻率相同。所以通過干涉現(xiàn)象來觀察雙折射現(xiàn)象。第11頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五五、實驗內(nèi)容及操作光路系統(tǒng)的調(diào)解：調(diào)解三角導(dǎo)軌底角螺絲，且使整個光路基本處于一條直線，即保證光束通過各小孔將起偏器與檢偏器調(diào)節(jié)成相互垂直（即偏振方向相互正交），此時光點消失，即消光狀態(tài).將鈮酸鋰晶體放在起偏器于檢偏器之間，調(diào)解晶體支架，使晶體光軸即Z軸與激光束平行

判斷是否平行的方法：

方一、將像屏放在檢偏器之后，如果能觀察到由于錐光干涉產(chǎn)生的十字陰影，且激光束大致處在正中心時，即可；方法二、觀察晶體前后表面查看光束是否在晶體中心，若沒有，細調(diào)晶體的二維調(diào)整架即可。具體元件及排列順序見附圖：實驗設(shè)計

第12頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五附圖：實驗設(shè)計第13頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五觀察晶體的會聚偏振光干涉圖型和電光效應(yīng)現(xiàn)象：

在晶體盒前插入毛玻璃片，檢偏器后放上像屏。光強調(diào)到最大，

當(dāng)晶體偏壓為零時，可觀察到單軸錐干涉圖，如下圖

晶體加上偏壓時呈現(xiàn)雙軸錐光干涉圖，如下圖，說明單軸晶體在電場的作用下變成了雙軸晶體，產(chǎn)生電光效應(yīng)：第14頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五靜態(tài)狀態(tài)下信號輸出與輸入的關(guān)系，由所得關(guān)系曲線可得，在一個周期內(nèi)，輸出會出現(xiàn)一個最大值，此時電壓為。當(dāng)v大概在趨向的區(qū)間時，輸出波形和輸入信號的頻率基本相同，此時即線性調(diào)制狀態(tài)。數(shù)據(jù)見下表，相應(yīng)的曲線如下圖所示光強0.200.250.330.420.520.610.720.790.860.950.991.041.031.000.990.930.870.770.700.590.500.390.310.23電壓4102030405060708090100110115120130140150160170180190200210220第15頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五第16頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五1/4波片改變特性

在實驗中，去掉直流偏壓，把四分之一波片置入晶體和偏振片之間，緩慢轉(zhuǎn)動波片，觀察輸出波形的變化。

結(jié)果：當(dāng)波片的快慢軸平行于晶體的感應(yīng)軸方向時，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，輸出光失真，出現(xiàn)失真。第17頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五光通訊（語音信號傳遞）此時，選擇開關(guān)中的“音頻”鍵，其他信號被切斷，輸出裝在電源里的“音樂”片信號由揚聲器輸出時：

改變直流偏壓的大小，則會聽到音樂的音質(zhì)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，由此說明激光可以攜帶信號，實現(xiàn)光通訊。由示波器輸出時：

光強信號接在CH1通道，調(diào)制信號接在CH2通道。第18頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五此時，由示波器可觀察到，當(dāng)輸出信號（相當(dāng)于音頻輸出信號即揚聲器）最大時，輸出波形和調(diào)制信號的頻率相似，圖形趨近于相同，相關(guān)數(shù)據(jù)由此，可以看到我們聽到的音樂信號的波形，它是由振幅相的不同頻率的正弦波迭加而成的。abCdCH299173233341CH10.640.380.220.70第19頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五其中，CH2通道即表示調(diào)制信號的通道，圖形保持在一個相對穩(wěn)定的范圍，如圖m所示，而CH1則隨著調(diào)制信號的變化而變化，且成周期性的變化。例如，b組數(shù)據(jù)對應(yīng)的圖像為圖n。由于實驗的誤差較大，只能近似把圖m與圖n看成相等，即此時的失真程度最小。圖m圖n第20頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五六、實驗總結(jié)通過實驗，我們了解到：1、什么是電光效應(yīng)2、什么是電光調(diào)制3、激光通信基本原理第21頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五注意事項：1．He-Ne激光管出光時，電極上所加的直流