晶體電光調(diào)制實(shí)驗(yàn) 文檔 doc

1、研究性實(shí)驗(yàn)晶體電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)主講人：賴家林 李明明五邑大學(xué) 信控系指導(dǎo)老師：龍擁兵晶體電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握晶體電光調(diào)制的原理和實(shí)驗(yàn)方法2. 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3. 學(xué)會(huì)利用實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量晶體的半波電壓二、 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（后來(lái)添上）。注：激光光源：半導(dǎo)體激光器， 激光波長(zhǎng)：650680nm， 激光功率：02.5mW連續(xù)可調(diào)， 偏置電壓：±0400V連續(xù)可調(diào)， 調(diào)制方式: 橫向調(diào)制； 調(diào)制晶體：鈮酸鋰晶體 50mm×6mm×1.7mm； 調(diào)制波形：1

2、KHz正弦波或其他波形三、 實(shí)驗(yàn)原理（一） 電光效應(yīng)1.電光效應(yīng)：晶體（固體或液體）在外加電場(chǎng)中，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的改變晶體的折射率發(fā)生改變的現(xiàn)象。橫向電光效應(yīng)：加在晶體上的電場(chǎng)方向與光在晶體里傳播方向垂直時(shí)產(chǎn)生的電光效應(yīng)。 電場(chǎng)引起的折射率的變化：（其中a和b為常數(shù)， 為=0時(shí)的折射率）。光在各向異性晶體中傳播時(shí)，由于光傳播方向不同或者電矢量的振動(dòng)方向不同，光的折射率也不同。通常用折射率橢球來(lái)描述折射率與光的傳播方向、振動(dòng)方向的關(guān)系，即方程為 （其中、為橢球三個(gè)主軸方向上的折射率，即主折射率）。當(dāng)晶體加上電場(chǎng)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)?.雙折射現(xiàn)象：一束自然光穿過(guò)

3、各向異性晶體（例如：鈮酸鋰晶體）時(shí)分成兩束線偏光的現(xiàn)象。如圖1所示。相位差：（其中e光O光圖1 雙折射現(xiàn)象 (二) 改變直流偏壓選擇工作點(diǎn)對(duì)輸出特性的影響 其中，。（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（16）式，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，（22）式不能寫(xiě)成公式（23）的形式，此時(shí)的透射率函數(shù)（22）應(yīng)展開(kāi)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

4、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（16）式 ， (25)即。從（25）式可以看出，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（21）式，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)振動(dòng)分量形成的像差，在利用光的

5、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)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。四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作（一） 光路系統(tǒng)的調(diào)解1. 調(diào)解三角導(dǎo)軌底角螺絲，且使整個(gè)光路基本處于一條直線，即保證光束通過(guò)各小孔。2. 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(shí)光點(diǎn)消失，即消光狀態(tài)。3. 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(shí)，即可；方法二、觀察晶體前后表面查看

6、光束是否在晶體中心，若沒(méi)有，細(xì)調(diào)晶體的二維調(diào)整架即可。（二） 觀察電光效應(yīng)引起的干涉圖1. 在晶體盒前插入毛玻璃片，檢偏器后放上像屏。光強(qiáng)調(diào)到最大，此時(shí)使晶體偏壓為零。此時(shí)，可觀察到晶體的單軸錐干涉圖，整個(gè)圖形大致成4個(gè)四分之一圓狀，如圖2所示。2. 晶體加上偏壓時(shí)呈現(xiàn)雙軸錐光干涉圖，如圖3所示。由此可說(shuō)明，單軸晶體在電場(chǎng)作用下變成雙軸晶體，即電致雙折射現(xiàn)象。 圖2 圖3 （三） 靜態(tài)狀態(tài)下 信號(hào)輸出與輸入的關(guān)系，由所得關(guān)系曲線可得 ，在一個(gè)周期內(nèi)，輸出會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大值，此時(shí)電壓為。當(dāng)v大概在趨向的區(qū)間時(shí)，輸出波形和輸入信號(hào)的頻率基本相同，此時(shí)即線性調(diào)制狀態(tài)。數(shù)據(jù)見(jiàn)下表，相應(yīng)的曲線如圖4所示。

7、光強(qiáng)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圖4（四） 半波電壓（五） 1/4波片改變特性 在實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(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)失真。（后面的

8、不是很懂（六） 光通訊（語(yǔ)音信號(hào)傳遞）此時(shí)，選擇開(kāi)關(guān)中的“音頻”鍵，其他信號(hào)被切斷，“音頻”所加信號(hào)裝在電源里。由揚(yáng)聲器輸出時(shí)：當(dāng)揚(yáng)聲器聲音最大時(shí)，輸出強(qiáng)度由儀器讀出，不是最大值，在一定的范圍內(nèi)，集中在某個(gè)強(qiáng)度周圍，且穩(wěn)定在某個(gè)范圍。即可知，這時(shí)的輸出音頻信號(hào)失真程度最小。由示波器輸出時(shí)：光強(qiáng)信號(hào)接在CH1通道，調(diào)制信號(hào)接在CH2通道。 此時(shí)，由示波器可觀察到，當(dāng)輸出信號(hào)（相當(dāng)于音頻輸出信號(hào)即揚(yáng)聲器）最大時(shí)，輸出波形和調(diào)制信號(hào)的頻率相似，圖形趨近于相同。相關(guān)數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)下表：abCdCH299173233341CH10.640.380.220.70 其中，CH2通道即表示調(diào)制信號(hào)的通道，圖形保持

9、在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍，如圖5所示，而CH1則隨著調(diào)制信號(hào)的變化而變化，且成周期性的變化。例如，b組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的圖像為圖6。由于實(shí)驗(yàn)的誤差較大，只能近似把圖5與圖6看成相等，即此時(shí)的失真程度最小。 圖5 圖6五、 實(shí)驗(yàn)總結(jié)1. 本實(shí)驗(yàn)無(wú)會(huì)聚透鏡，為什么能看到錐光干涉圖？2. 如何保證光束正射于晶體的端面，如何判斷？本實(shí)驗(yàn)室一個(gè)專業(yè)性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，主要是原理比較苦澀、難懂，要在考究原理上下很大的功夫。說(shuō)實(shí)話，到現(xiàn)在為止，我也只是掌握了一點(diǎn)皮毛，時(shí)間畢竟太緊了，要做更深入的研究，我想只要時(shí)間允許，是可以做到的。通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，讓我對(duì)激光通信中的最最基本的原理有了初步的認(rèn)識(shí)，即激光是如何實(shí)現(xiàn)負(fù)載和傳遞信息的了，在本實(shí)驗(yàn)中，電光效應(yīng)、干涉原理等等都是核心，進(jìn)一步對(duì)他們有了更深的了解。但是，還是有很多東西沒(méi)搞清楚，例如工作點(diǎn)選取、倍頻失真的出現(xiàn)等等，雖然看