電光調(diào)制試驗(yàn)

1、組別：物理91級(jí)第四組 姓名：吳政雄（主筆）、李文賢實(shí)驗(yàn)日期:2001/05/04一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 了解熟悉電光效應(yīng)(Electro-Optical Effect)2. 接觸非線性光學(xué)(Nonlinear OpticS二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1. KDP光調(diào)製(EOM)組基本特性的測(cè)量2. EOM對(duì)頻率的響應(yīng)三、實(shí)驗(yàn)器材：1. He-Ne laser2. Polarizer (P1, P2)3. Pockels cell 內(nèi)為 KDP 晶體)4. 高壓電源供應(yīng)器5. 光具座6. 示波器7. 波形產(chǎn)生器8. 信號(hào)放大器(OP amp)四、實(shí)驗(yàn)步驟：1. KDP光調(diào)製(EO M)組，基本特性的測(cè)量:(1)

2、 實(shí)驗(yàn)裝置圖：光具座圖2.1電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)裝置圖(2) 依照?qǐng)D2.1的次序，將各光學(xué)元件與電路安裝完成，且完成光學(xué)路徑的準(zhǔn)直工作。(3) 將Polarizer F2及Pockels cell自支架上移走，旋轉(zhuǎn) Polarizer P1使光感知器讀值為最大，此時(shí)雷射偏振方線與 P相同。(4) 將P2放入後，旋轉(zhuǎn)P2直到示波器讀值最小。(5) 將Pockels cel放入，旋轉(zhuǎn)cell直到示波器讀值最小，此時(shí)改變輸入電壓V，並不會(huì)改變示波器讀值，故可以確定Pockels cell中KDP晶體的光軸與入射光偏振面平行或垂直。紀(jì)錄Pockels cel旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的角度後，在順時(shí)針轉(zhuǎn) Pockels cel

3、l 45(7) 由零伏特開(kāi)始增加輸入電壓，每10伏特記錄示波器讀值一次，直到輸入電 壓為400伏特為止。(8) 緩慢的將電壓歸零，反轉(zhuǎn)輸入電壓，由零伏特開(kāi)始下降，每下降10伏特記錄示波器讀值一次，直到輸入電壓為-400伏特為止。(9) 將上述資料，繪成T-V的影響曲線。並由圖上求得1.Vx/2 2.V。工作點(diǎn)電壓。(10) 估算Pockels cell中KDP晶體的幾何結(jié)構(gòu)與尺寸，稍後利用公式推出KDP晶體電光係數(shù)值r6z0(11) 在( 5)的步驟後，架上補(bǔ)償器，並旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器，使改變補(bǔ)償器內(nèi)部晶體厚度，並不會(huì)改變光度計(jì)的讀值時(shí)，將Pockels cell與補(bǔ)償器都旋轉(zhuǎn)45，再重複(7)和(8

4、)的步驟?？梢园l(fā)現(xiàn)補(bǔ)償器可以提供相位，將整個(gè)正弦 函數(shù)圖形平移，讓輸入電壓為零時(shí)的光讀計(jì)讀值亦為零。(12) 將直流電壓輸入改為放大器以及信號(hào)產(chǎn)生器，利用補(bǔ)償器將工作點(diǎn)調(diào)為 200V,觀察各種輸入波形所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)，和輸出信號(hào)延遲，並記錄輸 入頻率及示波器上的輸出電壓差。2. EOM對(duì)頻率的響應(yīng)：由訊號(hào)產(chǎn)生器輸出正弦波(sine wave，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器(op amp)放大50倍 (電壓足以驅(qū)動(dòng)EOM)，調(diào)整補(bǔ)償器的光軸與厚度使工作點(diǎn)恰落於線性範(fàn)圍 中心。頻率每增加10Hz,記錄輸出的強(qiáng)度，作頻率對(duì)強(qiáng)度圖。五、結(jié)果與討論：甲、數(shù)據(jù)整理1. 調(diào)製EOM組，基本特性的測(cè)量-(a)T-V影響曲線-

5、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：輸入電壓(V)輸出電壓(V)輸入電壓(V)輸出電壓(V)-40030.01013.56-39028.521016.57-38025.822018.95-37022.653021.96-36019.714024.31-35018.355026.15-34016.396028.93-33015.237031.02-32013.498032.71-31011.539035.01-3009.8210036.58-2908.3311037.84-2807.0312038.63-2705.4313040.84-2603.4714042.31-2502.5715043.74-2401.401604

6、4.18-2300.6817045.03-2201.0218046.71-2102.1319047.27-2002.7220049.97-1903.0221050.38-1803.1622050.26-1703.1823049.98-1603.2124047.23-1503.1725047.05-1403.0026046.58-1302.6827046.21-1201.8628045.72-1100.5729044.36-1000.7930043.92-902.0531043.05-802.9032041.93-703.8833040.19-605.9134038.32-507.0635036

7、.79-408.7336035.31-309.8337032.08-2012.4138030.68-1013.6439028.9440028.31T-V曲線:穿透率TT-V影響曲線1 000 - 0 800JC QCC7/ /0.40070.200 /*1iin aaaii1111 op。111*1-500-400-300-200-1000100200300400500調(diào)制電壓V (V)(l) Polarizer P的角度為32 P2的角度為338兩者相差54 此時(shí)光度計(jì)讀數(shù)最小。 放入EOM輸出電壓讀值最小時(shí)的角度為344，再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45,角度讀值為290。由上圖，當(dāng)調(diào)制電壓為 40V時(shí)，

8、穿透率為0.483,而當(dāng)50V時(shí)，穿透率則為 0.519,利用內(nèi)差法得穿透率為 0.5時(shí)的調(diào)制電壓為44.722V，所以工作點(diǎn)電壓為 44.722V。(3)穿透率最高時(shí)，調(diào)制電壓為210V;但穿透率最低時(shí)卻有兩點(diǎn)，第一點(diǎn)穿透率為0.57時(shí)，調(diào)制電壓為-110V，第二點(diǎn)穿透率為 0.68,調(diào)制電壓為-230V。所以V入/2 的值為320V或440V，若考慮兩點(diǎn)電壓的平均值-170V，則V 的值為380V。(b)T-V影響曲線(加上補(bǔ)償器)-實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：輸入電壓(V)輸出電壓(V)輸入電壓(V)輸出電壓(V)-40044.98048.72-39041.691052.91-38038.242059.1

9、2-37033.783063.72-36030.134066.37-35025.175070.10-34022.796072.85-33018.957075.12-32016.278075.87-31013.519079.11-30010.2110081.98-2908.1511084.23-2806.3712086.78-2703.6513089.88-2602.3214092.46-2500.7315092.85-2401.0416094.12-2302.4617095.78-2202.9618096.97-2103.1419097.36-2003.1820097.23-1903.0621

10、096.08-1802.7522095.71-1701.6123095.38-1600.6824093.87-1501.9725092.50-1403.4726090.71-1305.5127088.45-1207.1228085.72-1109.6329082.41-10012.3430081.43-9014.9631081.90-8017.4532079.39-7020.3533075.68-6024.7434070.89-5028.7635066.42-4031.3036063.66-3036.0237057.32-2041.3438053.01-1044.5239048.1240044

11、.12T-V影響曲線T-V曲線:A*/、 p40.800 c acc/0.600j/ V *10.400當(dāng)調(diào)制電壓為零時(shí)，其對(duì)應(yīng)的穿透率為0.5,所以是利用補(bǔ)償器來(lái)提供相位，調(diào)整工作點(diǎn)的位置於輸入電壓為零時(shí)，所以工作點(diǎn)電壓=0V。 最高點(diǎn)的座標(biāo)(190,1.000,最低點(diǎn)有兩點(diǎn)，分別為(-160,0.007、(-250,0.007 將最低點(diǎn)的兩個(gè)電壓平均得-205V;所以V 二350或440,若考慮兩點(diǎn)電壓的平 均值-205V，則V入/2的值為395V。 代入V入八=(入/n 3 r 6z) (d/ 1、中，又由參考數(shù)據(jù)中得知KDP的 r 63 = 10.6X10_12m/V，n = 1.51

12、,入=6328X10-1m，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得* / /0.200 /*_#*+*r6zEz，所以可得下式的關(guān)係33nx，=n +n r 6zEz/ 2 ny;=n n r 6zEz/ 2 nz，=n e. (H)(5 ) KDP的縱向效應(yīng)：如下圖所示，當(dāng)平面偏極光E x，沿z軸方向通過(guò)此晶體，將會(huì)分解成E x，與E 丫兩個(gè)相位不同的電場(chǎng)分量，其波方程式為E xt) = AocE yt) = A oei(wtknl)x與E y，兩者間的相其中Ao為電場(chǎng)振幅，l是KDP在Z方向上的幾何長(zhǎng)度，則E 位差 S = k(n x，ny 1，再將(H)式代入得3 = 2 nn r 6z V/X由上式可得一次電光

13、效應(yīng)產(chǎn)生的相位差與外加電場(chǎng)呈線性關(guān)係，若電壓上升到相位差為n時(shí)，稱(chēng)為該電光晶體的半波長(zhǎng)電壓，以Vx/ 2表示，可得3Vx/ 2 = X/ 2 n r6z，也可寫(xiě)成 S = nV/V x/ 2上式所示相位差與溫度無(wú)關(guān)，所以較不受溫度的影響，但缺點(diǎn)是電場(chǎng)方向與行進(jìn)方向相同，需用昂貴的透明電極且半波電壓很大 (V/2= 9000V)才有效果。(6 )KDP的縱向效應(yīng)：將4 5-Z切割的KDP晶體，在Z軸方向加電場(chǎng)，使晶體變成電致雙軸晶體， 入射的平面偏極光垂直入射晶體，偏振面與Z軸夾4 5，因ny，入射光波將分為兩個(gè)分量，兩個(gè)分量的相位差為S = 2n 1 (n z n y )/X將(U)式及E z

14、 = V/d代入得3S = 2n 1 (nz ny)/入+ n 1 n r 6z V/Xd其中第一項(xiàng)為自然雙折射所引起的相位差，但此項(xiàng)容易受溫度影響，而第二項(xiàng)才 是與一次電光效應(yīng)，若選擇長(zhǎng)度1使光程差(n z n y)1為入的整數(shù)倍，則相3位差完全由電光效應(yīng)產(chǎn)生，其半波電壓為Vx/2=(X/n。r 6z) (d/ 1 )(d/ 1 )為縱橫比，提高其比值可以降低半波電壓。六、問(wèn)題與討論：1. 實(shí)驗(yàn)步驟(10)中請(qǐng)說(shuō)明你如何估算。ANS :由V x/2 =(X/n 3 r 6z) (d/ 1 )所示，若知由實(shí)驗(yàn)測(cè)知V ， 在由實(shí)驗(yàn)手冊(cè)裡的參考數(shù)據(jù)表查出n 八r6z兩個(gè)值，即可求出d/ 1的比值。 若是欲求電光係數(shù)r 6z的值，則必須知道d/ 1的比值，但KDP晶體位於 pockels cell內(nèi)，較難從外部估算，除非能看到內(nèi)部的晶體，則還可以用尺並且 目測(cè)來(lái)估算其d/ 1的比值。2. 實(shí)驗(yàn)中如果工作點(diǎn)不在V./4 (參見(jiàn)注意事項(xiàng)說(shuō)明5),而是遠(yuǎn)離試分析此時(shí)輸出調(diào)變波形ANS:1H 制 tfli pg sul尤強(qiáng)度調(diào)割器的遇射率曲線及離空電注拾號(hào)和矩出光遢用如上圖所示，當(dāng)有一調(diào)致電壓訊號(hào)在一定範(fàn)圍內(nèi)震盪變化，此時(shí)若工作點(diǎn)的 位置在處，則容忍電壓震盪的範(fàn)圍最大，使輸出的光透射變化皆是完整 的；但若工作點(diǎn)並非在此曲線的中央地帶，則某一邊能容忍的電壓變化範(fàn)圍變小，另一對(duì)邊的範(fàn)圍則