6实验六晶体的电光调制实验

实验七晶体的电光调制实验一、实验目的：1、了解电光调制的基本原理及铌酸锂晶体横向调制的基本机构。2、掌握铌酸锂电光调制器的调试方法并测量和计算晶体的特性参数。二、实验仪器：DGT-1电光调制实验仪，晶体电光调制器，半导体激光器，双踪示波器等。三、实验原理：某些晶体在外加电场的作用下，其折射率随外加电场的改变而发生变化的现象称为电光效应，利用这一效应可以对透过介质的光束进行幅度,相位或频率的调制，构成电光调制器。电光效应分为两种类型：（1）一级电光（泡克尔斯—Pockels）效应，介质折射率变化正比于电场强度。（2）二级电光（克尔—Kerr）效应，介质折射率变化与电场强度的平方成正比。本实验仪使用铌酸锂（LiNbO3）晶体作电光介质，组成横向调制（外加电场与光传播方向垂直）的一级电光效应。图1横向电光效应示意图如图1所示，入射光方向平行于晶体光轴（Z轴方向），在平行于X轴的外加电场（E）作用下，晶体的主轴X轴和Y轴绕Z轴旋转45°，形成新的主轴X’轴—Y’轴（Z轴不变），它们的感生折射率差为Δn，并正比于所施加的电场强度E：rEnn30式中r为与晶体结构及温度有关的参量，称为电光系数。n0为晶体对寻常光的折射率。当一束线偏振光从长度为l、厚度为d的晶体中出射时，由于晶体折射率的差异而使光波经晶体后出射光的两振动分量会产生附加的相位差δ，它是外加电场E的函数：电光调制实验讲义１3300222lnlnrElnrUd(1)式中λ为入射光波的波长；同时为测量方便起见，电场强度用晶体两极面间的电压来表示，即U=Ed。当相差时，所加电压ldrnUU302(2)U称为半波电压，它是一个可用以表征电光调制时电压对相差影响大小的重要物理量。由（2）式可见，半波电压决定于入射光的波长λ以及晶体材料和它的几何尺寸。由（1）、（2）式可得：δ（U）=（πU/Uπ）+δ0(3)式中δ0为U=0时的相差值，它与晶体材料和切割的方式有关，对加工良好的纯净晶体而言δ0=0。图2电光调制器工作原理图2为电光调制器的工作原理图。由激光器发出的激光经起偏器P后只透射光波中平行其透振方向的振动分量，当该偏振光IP垂直于电光晶体的通光表面入射时，如将光束分解成两个线偏振光，则经过晶体后其X分量与Y分量会产生)(U的相差，然后光束再经检偏器A，产生光强为IA的出射光。当起偏器与检偏器的光轴正交（A⊥P）时，根据偏振原理可求得输出光强为：2sin2sin22UIIPA(4)式中xp，为P与X两光轴间的夹角。若取45，这时U对IA的调制作用最大，并且IA=IPsin2［δ（U）/2］(5)再由（3）式可得IA=IPsin2［(1/2)(πU/Uπ)］U电光调制实验讲义２于是可画出输出光强IA与相差δ（或外加电压U）的关系曲线，即或如下图3所示:图3光强与相差（或电压）间的关系由此可见：当kUUkU22或（k=0，±1，±2，…）时，IA=0当UkUkU)12()12(或时，IA=IP当U为其它值时，IA在pI~0之间变化由于晶体受材料的缺陷和加工工艺的限制，光束通过晶体时还会受晶体的吸收和散射，使两振动分量传播方向不完全重合，出射光截面也就不能重叠起来。于是，即使两偏振光处于正交的状态，且在45XP的条件下，当外加电压0U时，透射光强却不为0，即0minIIAUU时，透射光强也不为IP，即PAIIImax由此需要引入另外两个特征参量：消光比minmaxIIM透射率0maxIIT式中，I0为移去电光晶体后转动检偏器A得到的输出光强最大值。M愈大，T愈接近于1，表示晶体的电光性能愈佳。半波电压U，消光比M，透光率T是表征电光晶体品质的三个特征参量。从图3可见，相差在2（或2UU）附近时，光强IA与相差（或电压U）呈线性关系，故从调制的实际意义来说，电光调制器的工作点通常就选在该处附近。图4为外加偏置直流电压与交变电信号时光强调制的输出波形图。UIA~UIA~电光调制实验讲义３图4选择不同工作点时的输出波形由图4可见，选择工作点②（U=Uπ/2）时，输出波形最大且不失真。选择工作点①(0U)或③时，输出波形小且严重失真，同时输出信号的频率为调制频率的两倍。工作点的偏置可通过在光路中插入一个透光轴平行于电光晶体X轴的λ/4波片（相当于附加一个固定相差2）作为“光偏置”。但也可以加直流偏置电压来实现。四、实验装置电光调制实验系统由光路与电路两大单元部件组成，如图5所示：图5电光调制实验系统结构（一）光路系统由激光管(L)、起偏器(P)、电光晶体(LN)、检偏器(A)与光电接收组件(R)以及附加的减光器(P1)和λ/4波片(P2)等组装在精密光具座上，组成电光调制器的光路系统。（二）电路系统UU注：本系统仅提供半导体激光管（包括电源）作为光源，如需使用氦氖激光管或其他激光源时，应另接与其配套的电源。激光强度可由半导体激光器后背的电位器加以调节，故本系统未提供减光器（P1）。系统中未提供λ/4波片（P2）即可进行实验，如有必要可自行配置。电光调制实验讲义４除光电转换接收部件外，其余包括激光电源、晶体偏置高压电源、交流调制信号发生、偏压与光电流数字指示表等电路单元均组装在同一主控单元之中。图6电路主控单元前面板图6为电路单元的仪器面板图，其中各控制部件的作用如下：●电源开关用于控制主电源，接通时开关指示灯亮；同时对半导体激光器供电。●晶体偏压开关用于控制电光晶体的直流电场。（仅在打开电源开关后有效）●偏压调节旋钮调节偏置电压，用以改变晶体外加直流电场的大小。●偏压极性开关改变晶体的直流电场极性。●偏压指示表数字显示晶体的直流偏置电压。●指示方式开关用于保持光强与偏压指示值，以便于读数。●调制加载开关用于对电光晶体施加交流调制信号（内置1KHz的正弦波）。●外调输入插座用于对电光晶体施加外接音频调制信号（插入外来信号时内置信号自动断开）。●调制幅度旋钮用于调节交流调制信号的幅度。●调制监视插座将调制信号输出送到示波器显示。●解调监视插座将光电接收放大后的信号输出到示波器显示，可与调制信号进行比较。●光强指示表数字显示经光电转换后的光电流相对值，可反映光强大小。●解调幅度用以调节解调监视与功率输出信号的幅度。●功率输出解调信号经输出插口，可直接送扬声器发声。（三）系统连接1光源将半导体激光器电源线缆插入后面板的“至激光器”插座中，如使用He—Ne激光管其专用电源的输出直流高压务必按正负极性正确连接。2晶体调制由电光晶体的两极引出的专用电缆插入后面板中间的两芯高压插座。电光调制实验讲义５3光电信号输出用专用多芯电缆将光电接收部件（位于光具座末端）的航空插座连接到电路主控单元后面板左侧的“至接收器”插座上，以便将光电接收信号送到主控单元，同时主控单元也为光电接收电路提供电源。4信号输出光电接收信号由解调监视插座输出；主控单元中的内置信号或外调输入信号由调制监视插座输出。以上两信号可同时送双踪示波器，以便比较两者的波形。5扬声器放音将扬声器插入功率输出插座即可发声，音量由“解调幅度”控制。6交流电源主控单元后面板右侧装有三芯标准电源插座，用以连接220V交流市电。五、实验步骤：(一)实验前的准备：1按图5的结构图先在光具座上垂直放置好激光器和光电接收器。2按系统连接方法将激光器、电光调制器、光电接收器等部件连接到位。（预先将光敏接收孔盖上）3光路准直：打开激光电源，调节激光电位器使激光束有足够强度，准直调整时可先将激光管沿导轨推近接收器，调节激光管架上的塑制夹持螺钉使激光束基本保持水平，并使激光束的光点落在接收器的塑盖中心点上，然后将激光管远离接收器（移至导轨的另一端）；再次调节后面的三只螺钉，使光点仍保持在塑盖中心位置上，此后激光管与接收器的位置不宜再动。4插入起偏器（P），调节起偏器的镜片架转角，使其透光轴与垂直方向成θP=45°角，（θX=0°）5将调制监视与解调监视输出分别与双踪示波器的YⅠ、YⅡ输入端相连，打开主控单元的电源，此时在接收器塑盖中心点应光出现光点（去除盖子则光强指示表应有读数）。插入检偏器（A）转动检偏器，使激光点消失，光强指示近于0，表示此时检偏器与起偏器的光轴已处于正交状态（P⊥A），即θA=－4506使电光晶体标记线向上插入镜片架中，并用两螺钉将定位压环予以固定，然后将镜片架插入光具座，旋转镜片架至0刻度线即可使晶体的X轴处在铅直方向，再适当调节光源位置，务使激光束正射透过，这时θP—θX=450，此时光强应近于0（或最小）。如不为0，可调节激光电位器使其近于0。7去除接收孔塑盖打开主控单元的晶体偏压电源开关，稍加偏压，偏压指示表与光强指示表均呈现一定值。8必要时插入调节光强大小用的减光器P1和作为光偏置的λ/4波片构成完整的光路系统。（二）实验内容：1观察电光调制现象P注：扬声器发声的音质与光路调整、晶体偏压、调制幅度以及信号源和扬声器的品质均有关联。注：1为使激光能正射透过晶体，必需反复对激光、晶体与光电接收孔三者加以准直调整。2为获得较好的实验效果，光量宜调节在光强指示表为0.1（最小）至6.5（最大）的读数范围之内。电光调制实验讲义６（1）改变晶体偏压，观察输出光强指示的变化。（2）改变晶体极性，观察输出光强指示的变化。（3）打开调制加载开关，适当调节调制幅度，使双踪示波器上呈现调制信号（YⅠ）与解调输出波形（YⅡ）（4）插入λ/4波片P2，并使其光轴平行于晶体X轴（相当于加有“光偏置”）观察光电调制现象。2测量电光调制特性（1）作特性曲线将直流偏压加载到晶体上，从0到允许的最大正（负）偏压值逐渐改变电压（U），测出对应于每一偏压指示值的相对光强指示值，作UIA~曲线，得调制器静态特性。其中光电流有极大值和极小值。（2）测半波电压与对应的偏压U即为被测的半波电压Uπ值。（3）计算电光晶体的消光比和透光率由光电流的极大、极小值即得：消光比将电光晶体从光路中取出，旋转检偏器A，测出最大光强值I0，可计算：透射率注：测量I0值时应控制光量大小不使光敏接收进入饱和状态。（4）电光调制与光通讯实验演示将音频信号（来自广播收音机、录音机、CD机等音源）输入到本机的“外调输入”插座，将扬声器插入“功率输出”插座，加晶体偏压至调制特性曲线的线性区域，适当调节调制幅度与解调幅度即可使扬声器播放出音响节目（示波器也可同时进行监视）。改变偏压试听扬声器音量与音质的变化。六、实验注意事项1为防止强激光束长时间照射导致光敏管疲劳或损坏，调节或使用好后，应随即用塑盖将光电接收孔的塑料盖盖好。2本实验使用的晶体根据绝缘性能最大允许电压约为510V左右超值易损坏晶体。3加偏压时应从0伏起逐渐缓慢增加至最大值，反极性时也应先退回到0值后再升压。minmaxIIM0maxIITmaxImaxI电光调制实验讲义７