電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>

1、了解鈮酸鋰電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)和工作原理；

2、掌握此調(diào)制器的使用方法；

3、學(xué)習(xí)此調(diào)制器的典型運(yùn)用。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

組裝電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)裝置，調(diào)節(jié)理想工作狀態(tài)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

三、實(shí)驗(yàn)儀器

1、鈮酸鋰電光調(diào)制器                                                     1套

2、起偏器                                                               1個(gè)

3、檢偏器                                                               1個(gè)

4、1/4波片                                                              1個(gè)

5、He-Ne激光器（帶電源）                                               1臺(tái)

6、光電探測(cè)器                                                           1個(gè)

7、ZY60電光調(diào)制器信號(hào)源                                                1臺(tái)

8、20MHz 模擬雙蹤示波器                                                1臺(tái)

四、實(shí)驗(yàn)原理

電光調(diào)制是利用某些晶體材料在外加電場(chǎng)作用下折射率發(fā)生變化的電光效應(yīng)而進(jìn)行工作的。用來(lái)作為調(diào)制元件的晶體必須按相對(duì)于光軸的一些特殊方向進(jìn)行切割成長(zhǎng)方形或圓柱形等形狀。當(dāng)電場(chǎng)加在晶體上時(shí)，其折射率的變化可能是線性效應(yīng)（普克爾效應(yīng)），也可能是平方效應(yīng)（克爾效應(yīng)）。

加電場(chǎng)的方向通常有兩種方式：一是電場(chǎng)沿著晶體主軸（光軸方向），使電場(chǎng)方向與光線方向平行，產(chǎn)生縱向電光效應(yīng)；二是電場(chǎng)方向沿著其他任意主軸方向，即取通光方向與電場(chǎng)方向垂直，產(chǎn)生橫向電光效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)是利用晶體在外加電場(chǎng)作用下，折射率的變化與電場(chǎng)大小成正比的線性電光效應(yīng)進(jìn)行調(diào)制。

1、橫向電光效應(yīng)

由晶體光學(xué)原理可知，對(duì)于橫向電光效應(yīng)，在加上電壓之后，晶體旋轉(zhuǎn)后的兩個(gè)主軸方向和方向的折射率要發(fā)生變化，不再相等。因而沿和方向振動(dòng)的光的傳播速度也不相等，這樣在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)為厚為的晶體后要產(chǎn)生相位差。經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，有如下表達(dá)式：

上式中第一項(xiàng)表示天然雙折射造成的相位差，第二項(xiàng)由電光效應(yīng)引起，為電光延遲。是光通過(guò)晶體在主軸和方向傳播的相位差；V是沿垂直晶體光軸方向加上的電壓。為晶體的橫向半波電壓，對(duì)一定傳播長(zhǎng)度而言，與晶體的厚度成正比，晶體越薄，則橫向半波電壓越小，越容易實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。

2、橫向電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)

典型的電光振幅調(diào)制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。P、Q分別為起偏器和檢偏器，能將尋常光轉(zhuǎn)換為與偏振片偏振方向相同的偏振光。二者結(jié)構(gòu)相同，但偏振方向相互垂直。P的偏振方向平行于晶體的x主軸，Q的偏振方向平行于晶體的y主軸。在P、Q之間放置鈮酸鋰電光晶體和1/4波片。

3、調(diào)制原理

加上橫向電場(chǎng)后，鈮酸鋰電光晶體的感應(yīng)主軸分別旋轉(zhuǎn)到與原主軸成45º的夾角方向和。入射光經(jīng)過(guò)P后分解成沿和軸兩個(gè)相位和振幅都分別相等的分量。若入射光的輸入光強(qiáng)，則輸出光強(qiáng)=22sin2(/2)。所以透過(guò)率：

圖2 電光信號(hào)調(diào)制曲線

由T-V曲線圖可以看出，其關(guān)系曲線是非線性的，所以必須選取合適的調(diào)制工作點(diǎn)，否則調(diào)制光強(qiáng)將發(fā)生畸變。但是在附近有線性關(guān)系，因此在實(shí)際使用時(shí)，必須設(shè)法使調(diào)制器工作在這段線性部分。在中間加入1/4波片，使得在和兩個(gè)分量間的相位差＝π/2，此時(shí)透過(guò)率為：

式中電壓V在直線部分變動(dòng)，由于調(diào)制電壓值一般遠(yuǎn)小于半波電壓,即,因而上式可近似為

這表明在一個(gè)小的正弦調(diào)制電壓的作用下，就會(huì)使已調(diào)制光波的強(qiáng)度變化與調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系，那么光強(qiáng)的變化就能正確的反映信號(hào)的變化。當(dāng)V＝0時(shí)，透過(guò)光強(qiáng)I＝0；當(dāng)時(shí)，透過(guò)光強(qiáng)最大；時(shí)，透過(guò)的光強(qiáng)為最大值的一半。

圖3為加波片和不加波片的區(qū)別示意圖

由圖可見(jiàn),加波片相當(dāng)于給調(diào)制器增加了一個(gè)直流偏壓,從而使調(diào)制器的工作點(diǎn)移到這一中心點(diǎn)，在此工作點(diǎn)附近，輸出光強(qiáng)度隨外加電壓的變化近似線型，于是很小的正弦信號(hào)就能引起不畸變的正弦輸出調(diào)制光強(qiáng)。

五、注意事項(xiàng)

1、ZY605電光調(diào)制器的信號(hào)源的輸出有100V以上的高壓，采用示波器測(cè)試時(shí)應(yīng)10倍衰減后才能觀察到信號(hào)特征。

2、請(qǐng)勿與信號(hào)源的輸出端接觸，以免發(fā)生觸電事故。

3、請(qǐng)勿將激光器照射人眼，以免造成傷害。

4、電光調(diào)制儀器屬于精密儀器系列，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中應(yīng)輕拿輕放，以免損壞儀器。

六、實(shí)驗(yàn)步驟

1、 實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示；

圖4  實(shí)驗(yàn)裝置

2、按如圖所示布置好光路的各元器件，打開(kāi)氦氖激光器電源開(kāi)關(guān)，調(diào)整底座高度，使輸出的光束依次通過(guò)起偏器、電光調(diào)制晶體、波片、檢偏器后，光束落在探測(cè)器接收區(qū)域，將探測(cè)器與示波器的CH1/CH2相連，直接觀察此時(shí)有無(wú)光照的情況下示波器波形的變化；

3、將ZY605電光調(diào)制器信號(hào)源的信號(hào)輸出CH1/CH2輸出電纜線鱷魚(yú)夾與示波器的探頭CH2/CH1相連，打開(kāi)信號(hào)源開(kāi)關(guān)，將信號(hào)源的輸出信號(hào)設(shè)置為峰-峰值=80V左右，頻率設(shè)置為1KHZ，關(guān)閉電源；

4、將ZY605電光調(diào)制器信號(hào)源的信號(hào)輸出CH2輸出電纜線與電光調(diào)制器相連；（注意：在連線過(guò)程中請(qǐng)勿動(dòng)各裝置的位置。）

5、打開(kāi)信號(hào)源開(kāi)關(guān)，調(diào)整起偏器和檢偏器，使之成正交，再調(diào)整1/4波片，觀察示波器的波形，直到調(diào)制出來(lái)的波形清晰且無(wú)失真為止；

6、改變信號(hào)源的輸出頻率，讓低頻信號(hào)源輸出一定頻率的正弦波，此時(shí)在示波器上便

可以觀察到調(diào)制光的波形，記錄所觀測(cè)到的波形；

7、調(diào)節(jié)此正弦信號(hào)的幅度，記錄波形的變化；

8、關(guān)掉各供電電源，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

七、思考題

1、上述實(shí)驗(yàn)可否去掉1/4波片，采用在低頻信號(hào)上加直流偏壓的方式實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)？若不行，請(qǐng)說(shuō)明理由？若行，本試驗(yàn)為什么不采用此種方法？

2、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中去掉起偏器或檢偏器能否觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？簡(jiǎn)述其原因。