4-5 電光調(diào)制器特性的測試

電光調(diào)制器特性的測試【摘要】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。本文主要探討對電光調(diào)制器的特性的測試和研究的實驗，并對相關(guān)的實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)?！娟P(guān)鍵詞】電光調(diào)制器，雙折射1引言在激光出現(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，起控制作用的信號稱之為調(diào)制信號。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。但常采用強度調(diào)制。強度調(diào)制是根據(jù)光載波電場振幅的平方比例于調(diào)制信號，使輸出的激光輻射強度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。激光之所以常采用強度調(diào)制形式，主要是因為光接收器（探測器）一般都是直接地響應(yīng)其所接收的光強度變化的緣故。2實驗?zāi)康?.掌握晶體電光調(diào)制的原理和實驗方法2.學(xué)會利用實驗裝置測量晶體的半波電壓，計算晶體的電光系數(shù)3.觀察晶體電光效應(yīng)引起的晶體會聚偏振光的干涉現(xiàn)象3實驗原理某些晶體（固體或液體）在外加電場中，隨著電場強度的改變，晶體的折射率會發(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)式中a和b為常數(shù)，為E0=0時的折射率。由一次項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，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。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，在主軸坐標(biāo)中，折射率橢球方程為（2）圖1晶體折射率橢球式中，n1,n2，n3為橢球三個主軸方向上的折射率，稱為主折射率。如圖一所示，從折射率橢球的坐標(biāo)原點出發(fā)，向任意方向作一直線，令其代表光波的傳播方向。然后，通過垂直作橢圓球的中心截面，該截面是一個橢圓，其長短半軸的長度和分別等于波法線沿，電位移矢量振動方向分別與和平行的兩個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軸，則兩個線偏光波的折射率等于和。同樣當(dāng)平行于軸和軸時，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)，上式與式（2）相應(yīng)項的系數(shù)之差和電場強度的一次方成正比。由于晶體的各向異性，電場在、y、z各個方向上的分量對橢球方程的各個系數(shù)的影響是不同的，我們用下列形式表示：(4)上式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，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產(chǎn)生的電光效應(yīng)，稱為縱向電光效應(yīng)，通常以類型晶體為代表。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)，稱為橫向電光效應(yīng)，以KDP晶體為代表。這次實驗中，我們只做晶體的橫向電光強度調(diào)制實驗。晶體屬于三角晶系,3m晶類，主軸Z方向有一個三次旋轉(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，對于3m類晶體，由于晶體的對稱性，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，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<<1，經(jīng)化簡得到(10)當(dāng)X軸方向加電場時，新折射率橢球繞Z軸轉(zhuǎn)動45°。圖三為典型的利用晶體橫向電光效應(yīng)原理的激光強度調(diào)制器。圖2電光調(diào)制器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)檎駝臃较蚱叫杏赬軸的線偏振光，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,入射光的強度是(13)當(dāng)光通過長為l的電光晶體后，X′和Y′兩分量之間就產(chǎn)生位相差δ，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)其對應(yīng)的輸出光強，可寫成(16)由（13）、（16）式，光強透過率T為(17)(18)由此可見，δ和V有關(guān)，當(dāng)電壓增加到某一值時，X’、Y’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)，在實驗中，這個電壓越小越好，如果小，需要的調(diào)制信號電壓也小，根據(jù)半波電壓值，我們可以估計出電光效應(yīng)控制透過強度所需電壓。由（18)式(19)其中和分別為晶體的厚度和長度。由（18）、（19）式(20)因此，將（17）式改寫成(21)其中是直流偏壓，是交流調(diào)制信號，是其振幅，是調(diào)制頻率，從（21）式可以看出，改變或輸出特性，透過率將相應(yīng)的發(fā)生變化。由于對單色光，為常數(shù)，因而T將僅隨晶體上所加電壓變化，如圖四所示，T與V的關(guān)系是非線性的，若工作點選擇不適合，會使輸出信號發(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)，由上式可以看出：當(dāng)時，。圖3T與V的關(guān)系曲線圖1．改變直流偏壓選擇工作點對輸出特性的影響（1）當(dāng)，時,將工作點選定在線性工作區(qū)的中心處,此時,可獲得較高頻率的線性調(diào)制,把代入（16）式，得(22)當(dāng)時(23)即。這時，調(diào)制器輸出的波形和調(diào)制信號波形的頻率相同，即線性調(diào)制。（2）當(dāng)時調(diào)制器的工作點雖然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足小信號調(diào)制的要求，（22）式不能寫成公式（23）的形式，此時的透射率函數(shù)（22）應(yīng)展開成貝賽爾函數(shù)，即由（22）式(24)由（24）式可以看出，輸出的光束除包含交流的基波外，還含有奇次諧波。此時，調(diào)制信號的幅度較大，奇次諧波不能忽略。因此，這時雖然工作點選定在線性區(qū)，輸出波形仍然失真。（3）當(dāng),時，把代入（16）式(25)即。從（25）式可以看出，輸出光是調(diào)制信號頻率的二倍，即產(chǎn)生“倍頻”失真。若把代入（21）式，經(jīng)類似的推導(dǎo)，可得（26）即“倍頻”失真。這時看到的仍是“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，由于工作點不在線性工作區(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)有電信號改變晶體的折射率，從而控制兩個振動分量形成的像差，在利用光的相干原理兩束光疊加，從而實現(xiàn)光強度的調(diào)制。晶體的電光效應(yīng)靈明度極高，調(diào)制信號頻率最高可達(dá)Hz，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。4實驗內(nèi)容本實驗中，電光調(diào)制晶體鈮酸鋰的no為2.286，ne為2.200，3m點群，負(fù)單軸晶體。氦氖激光的波長為632.8nm，電光調(diào)制晶體的L=23nm，D=2.5nm。1.調(diào)整光路2.使P2∥P1，測Io。起偏鏡P1的偏振方向已豎直放置，調(diào)整起偏鏡P2的相對位置，使P2∥P1，此時測出輸出光強Io。3.使P2⊥P1，調(diào)光軸X3∥激光束，測Imin。調(diào)節(jié)起偏鏡，使P2垂直于P1，放鈮酸鋰晶體于光路中（位于起偏鏡與檢偏鏡之間），調(diào)節(jié)樣品平臺的相對位置，使晶體的光軸與激光束平行，即使激光束沿晶體的光軸傳播，此時可測得最小光強Imin。如果P2平行于P1，則測到最大的光強Imax。在未加外場時，改變檢偏鏡P2的相對位置測到的比值即為靜態(tài)消光比。4.加VDC，測Vpi在P1⊥P2狀態(tài)下，加直流偏壓VDC在VDC為0的時候，測到Imin，在VDC為Vpi測得最大光強Imax，計算出動態(tài)消光比。利用Vpi的測量值計算電光系數(shù)γ22，比較靜態(tài)消光比和動態(tài)消光比的數(shù)據(jù)的差異。5.繪制I/Io-VDC關(guān)系曲線從VDC=0開始，不斷地改變直流偏壓VDC的數(shù)值，記錄I的數(shù)據(jù)，繪制I/Io-VDC曲線，即工作曲線。繪圖時，注意誤差的應(yīng)用，使曲線平滑。6.在電光調(diào)制器上再加VAC，成VAC+VDC，觀察調(diào)制光強的變化分以下幾種情況實驗：VDC=0，改變VAC，觀察輸出光強被調(diào)制的情形VDC=Vpi/2，改變VAC，觀察輸出光強被調(diào)制的情形0<VDC<Vpi/2,改變VAC，觀察輸出光強的變化。7.加入1/4玻片，在電光調(diào)制晶體的前或后放入一個1/4玻片，使VDC=0，改變VAC，觀察調(diào)制光強的變化情形，與加直流偏壓的方法進(jìn)行對比。8.利用電光調(diào)制器，進(jìn)行激光通信實驗。5實驗數(shù)據(jù)及其處理Imax=10000.0Imin=10.0Io=100.5電壓/V050100150200直流電流/mA10683106501150電壓/V250300350400450直流電流/mA20002500310038005500電壓/V475500525550600直流電流/mA57006000590057005300電壓/V