電光效應和電光調(diào)制

1、電光效應和電光調(diào)制 當給晶體或液體加上電場后，該晶體或液體的折射率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象成為電光效應。1875年克爾（Kerr）發(fā)現(xiàn)了第一個電光效應。即某些各向同性的透明介質(zhì)在外電場作用下變?yōu)楦飨虍愋?，表現(xiàn)出雙折射現(xiàn)象，介質(zhì)具有單軸晶體的特性，并且其光軸在電場的方向上，人們稱這種光電效應為克爾效應。1893年普克爾斯（Pokells）發(fā)現(xiàn)，有些晶體，特別是壓電晶體，在加了外電場后，也能改變它們的各向異性性質(zhì)，人們稱此種電光效應為普克爾斯效應。電光效應在工程技術(shù)和科學研究中有許多重要應用，它有很短的響應時間（可以跟上頻率為1010的電場變化），因此被廣泛用于高速攝影中的快門，光速測量中的光束斬波器等

2、。由于激光的出現(xiàn)，電光效應的應用和研究得到了迅速發(fā)展，如激光通信、激光測量、激光數(shù)據(jù)處理等。 一實驗目的1掌握晶體電光效應和電光調(diào)制的原理和實驗方法。2觀察電光效應所引起的晶體光性的變化和會聚偏振光的干涉現(xiàn)象。3學會用簡單的實驗裝置測量LN（LiNbO3鈮酸鋰）晶體半波電壓。觀察電光調(diào)制的工作性質(zhì)。二儀器用具電光效應實驗儀，電光調(diào)制電源,LN晶體橫向電光調(diào)制器，接收放大器,He-Ne激光器,二蹤示波器和萬用表。三實驗裝置與原理（一）實驗裝置（1）電光效應實驗儀面板如圖所示。 （2）晶體電光調(diào)制電源：調(diào)制電源由-200V+200V之間連續(xù)可調(diào)的直流電源、單一頻率振蕩器（振蕩頻率約為1kHz）、音

3、樂片和放大器組成，電源面板上有三位半數(shù)字面板表，可顯示直流電壓值。晶體上加的直流電壓的極性可以通過面板上的“極性”鍵改變，直流電壓的大小用“偏壓”旋鈕調(diào)節(jié)。調(diào)制信號可由機內(nèi)振蕩器或音樂片提供，此調(diào)制信號是用裝在面板上的“信號選擇”鍵來選擇三個信號中的任意一個信號。所有的調(diào)制信號的大小是通過“幅度”旋鈕控制的。通過前面板上的“輸出”插孔輸出的參考信號，接到二蹤示波器的一個通道與被調(diào)制后的接收信號比較，觀察調(diào)制器的輸出特性。（3）調(diào)制器：調(diào)制器由三個可旋轉(zhuǎn)的偏振片、一個可旋轉(zhuǎn)的1/4波片和一塊鈮酸鋰晶體組成，采用橫向調(diào)制方式。晶體放在兩個正交的偏振片之間，起偏振片和晶體的x軸平行。檢偏振片和晶體之

4、間可插入1/4波片，偏振片和波片均可繞其幾何軸旋轉(zhuǎn)。晶體放在四維調(diào)節(jié)架上，可精細調(diào)節(jié)，使光束嚴格沿晶體光軸方向通過。（4）接收放大器：接收放大器由3DU光電三極管和功率放大器組成。光電三極管把被調(diào)制了的氦氖激光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，輸入到功率放大器上，放大后的信號接到二蹤示波器，同參考信號比較，觀察調(diào)制器的輸出特性。交流信號輸出的大小通過“交流輸出”旋鈕調(diào)節(jié)。放大器內(nèi)裝有揚聲器，用來再現(xiàn)聲音調(diào)制信號，放大器面板上還有“直流輸出”插孔，接到萬用表的200mV直流電壓檔，用于測量光電三極管接收到的光強信號的大小。（二）實驗原理1一次電光效應和晶體的折射率橢球由電場所引起的晶體折射率的變化，稱為電光效應。通常

5、可將電場引起的折射率的變化用下式表示：n = n0 + aE0 +bE02+ （1）式中a和b為常數(shù)，n0為不加電場時晶體的折射率。由一次項aE0 引起折射率變化的效應，稱為一次電光效應，也稱線性電光效應或普克爾斯（Pokells）效應；由二次項bE02引起折射率變化的效應，稱為二次電光效應，也稱平方電光效應或克爾（Kerr）效應。一次電光效應只存在于不具有對稱中心的晶體中，二次電光效應則可能存在于任何物質(zhì)中，一次效應要比二次效應顯著。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。如圖1，通常用折射率球來描述折射率與光的傳播方向、振動方向的關(guān)系。在主

6、軸坐標中，折射率橢球及其方程為 （2）圖 1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。當晶體加上電場后，折射率橢球的形狀、大小、方位都發(fā)生變化，橢球方程變成 （3）晶體的一次電光效應分為縱向電光效應和橫向電光效應兩種?？v向電光效應是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播的方向平行時產(chǎn)生的電光效應；橫向電光效應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。通常KD*P（磷酸二氘鉀）類型的晶體用它的縱向電光效應，LiNbO3（鈮酸鋰）類型的晶體用它的橫向電光效應。本實驗研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應，用鈮酸鋰晶體的橫向調(diào)制裝置測量鈮酸鋰晶體的半波電壓及電光系數(shù)，

7、并用兩種方法改變調(diào)制器的工作點，觀察相應的輸出特性的變化。鈮酸鋰晶體屬于三角晶系，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，其表達式為 （4）式中n0和ne分別為晶體的尋常光和非常光的折射率。加上電場后折射率橢球發(fā)生畸變，當x軸方向加電場，光沿z軸方向傳播時，晶體由單軸晶變?yōu)殡p軸晶，垂直于光軸z軸方向的折射率橢球截面由圓變?yōu)闄E圓，此橢圓方程為 （5）其中的稱為電光系數(shù)。上式進行主軸變換后可得到 （6）考慮到1，經(jīng)簡化得到 （7）折射率橢球截面的橢圓方程化為 （8）2電光調(diào)制原理要用激光作為傳遞信息的工具，首先要解決如何將傳輸信號加到激光輻射上去的問

8、題，我們把信息加載于激光輻射的過程稱為激光調(diào)制，把完成這一過程的裝置稱為激光調(diào)制器。由已調(diào)制的激光輻射還原出所加載信息的過程則稱為解調(diào)。因為激光實際上只起到了“攜帶”低頻信號的作用，所以稱為載波，而起控制作用的低頻信號是我們所需要的，稱為調(diào)制信號，被調(diào)制的載波稱為已調(diào)波或調(diào)制光。按調(diào)制的性質(zhì)而言，激光調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，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，但激光調(diào)制多采用強度調(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，使輸出的激光輻射的強度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。激光調(diào)制之所以常采用強度調(diào)制形式，主要是因為光接收器一般都是直接地響應其所接受的光強度變化的緣故。激

9、光調(diào)制的方法很多，如機械調(diào)制、電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和電源調(diào)制等。其中電光調(diào)制器開關(guān)速度快、結(jié)構(gòu)簡單。因此，在激光調(diào)制技術(shù)及混合型光學雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應用。電光調(diào)制根據(jù)所施加的電場方向的不同，可分為縱向電光調(diào)制和橫向電光調(diào)制。利用縱向電光效應的調(diào)制，叫做縱向電光調(diào)制，利用橫向電光效應的調(diào)制，叫做橫向電光調(diào)制。本實驗中，我們只做LiNbO3晶體的橫向調(diào)制實驗。（1）橫向電光調(diào)制 圖 2圖2為典型的利用LiNbO3晶體橫向電光效應原理的激光振幅調(diào)制器。其中起偏振片的偏振方向平行于電光晶體的x軸，檢偏振片的偏振方向平行于y軸。因此入射光經(jīng)起偏振片后變?yōu)檎駝臃较蚱叫杏趚軸的線偏振光，它在晶

10、體的感應軸x和y軸上的投影的振幅和相位均相等，設分別為 ex=A0cost , ey=A0cost （9）或用復振幅的表示方法，將位于晶體表面（z=0）的光波表示為Ex(0)=A , Ey(0)=A （10）所以，入射光的強度是 （11）當光通過長為l的電光晶體后，x和y兩分量之間就產(chǎn)生相位差，即 Ex(l)=A , Ey(l)=A （12）通過檢偏振片出射的光，是該兩分量在y軸上的投影之和 （13）其對應的輸出光強It可寫成 （14）由（11）和（14）式，光強透過率T為 （15）由（7）式 （16）由此可見，和加在晶體上的電壓有關(guān)，當電壓增加到某一值時x、y方向的偏振光經(jīng)過晶體后可產(chǎn)生/2

11、的光程差，相應的相位差=，由（15）式可知此時光強透過率T=100%，這時加在晶體上的電壓稱作半波電壓，通常用表示。是描述晶體電光效應的重要參數(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控制透過強度所需電壓。由（16）式可得到 （17）其中d和l分別為晶體的厚度和長度。由此可見，橫向電光效應的半波電壓與晶片的幾何尺寸有關(guān)。由（17）式可知，如果使電極之間的距離d盡可能的減少，而增加通光方向的長度l，則可以使半波電壓減小，所以晶體通常加工成細長的扁長方體。由（16）、（17）式可得 因此，可將（15）式改寫成 （18）其中U0是加在晶體上

12、的直流電壓，Umsint是同時加在晶體上的交流調(diào)制信號，Um是其振幅，是調(diào)制頻率。從（18）式可以看出，改變U0或Um，輸出特性將相應的有變化。對單色光和確定的晶體來說，為常數(shù)，因而T將僅隨晶體上所加的電壓變化。 （2）改變直流偏壓對輸出特性的影響當、Um時，將工作點選定在線性工作區(qū)的中心處，如圖3（a）所示，此時，可獲得較高效率的線性調(diào)制，把代入（18）式，得 (19)由于Um時 即 T sint (20)這時，調(diào)制器輸出的信號和調(diào)制信號雖然振幅不同，但是兩者的頻率卻是相同的，輸出信號不失真，我們稱為線性調(diào)制。當、Um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，（

13、19）式不能寫成（20）式的形式。因此，工作點雖然選定在了線性區(qū)，輸出波形仍然是失真的。四實驗內(nèi)容及步驟1觀察晶體的會聚偏振光干涉圖樣和電光效應現(xiàn)象（1）光路的調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)激光管使激光束與晶體調(diào)節(jié)臺上表面平行，同時使光束通過各光學元件中心。調(diào)節(jié)起偏振片和檢偏振片正交，且分別平行于x軸，y軸，放上晶體后各器件要細調(diào)，精細調(diào)節(jié)是利用單軸晶體的錐光干涉圖樣的變化完成的。由于晶體的不均勻性，在檢偏振片后面 圖 4的白屏上可看到一弱光點然后緊靠晶體前放一張鏡頭紙， 這時在白屏上可觀察到單軸晶體的錐光干涉圖樣，如圖4。在觀察過程中要反復微調(diào)晶體，使干涉圖樣中心與光點位置重合，同時盡可能使圖樣對稱、完整，確保

14、光束既與晶體光軸平行，又從晶體中心穿過的要求，再調(diào)節(jié)使干涉圖樣出現(xiàn)清晰的暗十字，且十字的一條線平行于x軸。（2）加上直流偏壓時呈現(xiàn)雙軸晶體的錐光干涉圖樣，它說明單軸晶體在電場的作用下變成了雙軸晶體。（3）兩個偏振片正交時和平行時干涉圖樣是互補的。（4）改變直流偏壓的極性時，干涉圖樣旋轉(zhuǎn)90。（5）只改變直流偏壓的大小時，干涉圖樣不旋轉(zhuǎn)，只是雙曲線分開的距離發(fā)生變化。這一現(xiàn)象說明，外加電場只改變感應主軸方向的主折射率的大小，折射率橢球旋轉(zhuǎn)的角度與電場大小無關(guān)。2測定鈮酸鋰晶體的透過率曲線（即TU曲線），求出半波電壓，再算出電光系數(shù)。本實驗采用兩種方法測量鈮酸鋰晶體的半波電壓，一種是極值法，另一種

15、是調(diào)制法。（1）極值法晶體上只加直流電壓，不加交流信號，把直流電壓從小到大逐漸改變，輸出的光強將會出現(xiàn)極小值和極大值，相鄰極小值和極大值對應的直流電壓之差即是半波電壓。具體做法是：取出鏡頭紙，光電三極管接收器對準激光光點，放大器的直流輸出接到萬用表上，萬用表調(diào)到200mV直流檔。為了使光電三極管不致?lián)p壞，在起偏振片前再加一塊偏振片作為減光片，加在晶體上的電壓從零開始，逐漸增大，注意萬用表讀數(shù)的變化，當讀數(shù)超過200mV時，應旋轉(zhuǎn)減光片，使光強減小，再增大直流偏壓到最大，保持萬用表的讀數(shù)始終不超過200mV，再減小直流偏壓到零，若萬用表的讀數(shù)始終不超過200mV，則可以開始測量數(shù)據(jù)。加在晶體上的

16、電壓由電源面板上的數(shù)字表讀出，每隔10V增大一次，再讀出相應的萬用表的讀數(shù)作為接收器接收到的光強值。（2）調(diào)制法晶體上直流電壓和交流信號同時加上，與直流電壓調(diào)到輸出光強出現(xiàn)極小值或極大值對應的電壓值時，輸出的交流信號出現(xiàn)倍頻失真，出現(xiàn)相鄰倍頻失真對應的直流電壓之差就是半波電壓。具體做法是：按下電源面板上“正弦”鍵，把電源前面板上的調(diào)制信號“輸出”接到二蹤示波器的CH2上，把放大器的調(diào)制信號接到示波器的CH1上，把CH1、CH2上的信號做比較，調(diào)節(jié)直流電壓，當晶體上加的直流電壓到某一值U1時，輸出信號出現(xiàn)倍頻失真，再調(diào)節(jié)直流電壓，當晶體上加的直流電壓到另一值U2時，輸出信號又出現(xiàn)倍頻失真，相繼兩

17、次出現(xiàn)倍頻失真時對應的直流電壓之差U2U1就是半波電壓。這種方法比極值法更精確，因為用極值法測半波電壓時，很難準確的確定TU曲線上的極大值或極小值，因而其誤差也較大。但是這種方法對調(diào)節(jié)的要求很高，很難調(diào)到最佳狀態(tài)。如果觀察不到兩次倍頻失真，則需要重新調(diào)節(jié)暗十字形干涉圖樣，調(diào)整好以后再做本內(nèi)容。3改變直流偏壓，選擇不同的工作點，觀察正弦波電壓的調(diào)制特性電源面板上的信號選擇按鍵開關(guān)可以提供三種不同的調(diào)制信號，按下“正弦”鍵，機內(nèi)單一頻率的正弦波振蕩器工作，產(chǎn)生正弦信號，此信號經(jīng)放大后，加到晶體上，同時，通過面板上的“輸出”孔，輸出此信號，把它接到二蹤示波器的CH1上，作為參考信號。改變直流偏壓，使

18、調(diào)制器工作在不同的狀態(tài)，把被調(diào)制信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大后接到二蹤示波器的CH2上，和CH1上的參考信號比較。工作點選定在曲線的直線部分，即U0=/2附近時是線性調(diào)制；工作點選定在曲線的極小值（或極大值）時，輸出信號出現(xiàn)“倍頻”失真；工作點選定在極小值（或極大值）附近時輸出信號失真，觀察時調(diào)制信號幅度不能太大，否則調(diào)制信號本身失真，輸出信號的失真無法判斷由什么原因引起的，把觀察到的波形描繪下來，并和前面的理論分析作比較。做這一步實驗時，把電源上的調(diào)制幅度、調(diào)制器上的輸入光強、放大器的輸出、示波器上的增益（或哀減）這四部分調(diào)好，才能觀察到很好的輸出波形。4用1/4波片改變工作點，觀察輸出特性在上述實

19、驗中，去掉晶體上所加的直流偏壓，把1/4波片置入晶體和偏振片之間，繞光軸緩慢旋轉(zhuǎn)時，可以看到輸出信號隨著發(fā)生變化。當波片的快慢軸平行于晶體的感應軸方向時，輸出信號線性調(diào)制；當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)“倍頻”失真。因此，把波片旋轉(zhuǎn)一周時，出現(xiàn)四次線性調(diào)制和四次“倍頻”失真。值得注意的是，不僅通過晶體上加直流偏壓可以改變調(diào)制器的工作點，也可以用1/4波片選擇工作點，其效果是一樣的，但這兩種方法的機理是不同的。5光通訊的演示按下電源面板的“音樂”鍵，此時，正弦信號被切斷，輸出裝在電源里的“音樂”片信號。拔掉交流輸出插頭，輸出信號通過接收放大器上的揚聲器播放，可聽到音樂。如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。把音樂信號接到示波器上，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。五數(shù)據(jù)表格及數(shù)