电光调制试验

1、組別：物理91級第四組 姓名：吳政雄（主筆）、李文賢實驗日期:2001/05/04一、實驗目的：1. 了解熟悉電光效應(Electro-Optical Effect)2. 接觸非線性光學(Nonlinear OpticS二、實驗內容：1. KDP光調製(EOM)組基本特性的測量2. EOM對頻率的響應三、實驗器材：1. He-Ne laser2. Polarizer (P1, P2)3. Pockels cell 內為 KDP 晶體)4. 高壓電源供應器5. 光具座6. 示波器7. 波形產生器8. 信號放大器(OP amp)四、實驗步驟：1. KDP光調製(EO M)組，基本特性的測量:(1)

2、 實驗裝置圖：光具座圖2.1電光調制實驗裝置圖(2) 依照圖2.1的次序，將各光學元件與電路安裝完成，且完成光學路徑的準直工作。(3) 將Polarizer F2及Pockels cell自支架上移走，旋轉 Polarizer P1使光感知器讀值為最大，此時雷射偏振方線與 P相同。(4) 將P2放入後，旋轉P2直到示波器讀值最小。(5) 將Pockels cel放入，旋轉cell直到示波器讀值最小，此時改變輸入電壓V，並不會改變示波器讀值，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。紀錄Pockels cel旋轉台上的角度後，在順時針轉 Pockels cel

3、l 45(7) 由零伏特開始增加輸入電壓，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，反轉輸入電壓，由零伏特開始下降，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。工作點電壓。(10) 估算Pockels cell中KDP晶體的幾何結構與尺寸，稍後利用公式推出KDP晶體電光係數值r6z0(11) 在( 5)的步驟後，架上補償器，並旋轉補償器，使改變補償器內部晶體厚度，並不會改變光度計的讀值時，將Pockels cell與補償器都旋轉45，再重複(7)和(8

4、)的步驟。可以發現補償器可以提供相位，將整個正弦 函數圖形平移，讓輸入電壓為零時的光讀計讀值亦為零。(12) 將直流電壓輸入改為放大器以及信號產生器，利用補償器將工作點調為 200V,觀察各種輸入波形所產生的頻率響應，和輸出信號延遲，並記錄輸 入頻率及示波器上的輸出電壓差。2. EOM對頻率的響應：由訊號產生器輸出正弦波(sine wave，經過信號放大器(op amp)放大50倍 (電壓足以驅動EOM)，調整補償器的光軸與厚度使工作點恰落於線性範圍 中心。頻率每增加10Hz,記錄輸出的強度，作頻率對強度圖。五、結果與討論：甲、數據整理1. 調製EOM組，基本特性的測量-(a)T-V影響曲線-

5、實驗數據：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 此時光度計讀數最小。 放入EOM輸出電壓讀值最小時的角度為344，再順時針旋轉45,角度讀值為290。由上圖，當調制電壓為 40V時，

8、穿透率為0.483,而當50V時，穿透率則為 0.519,利用內差法得穿透率為 0.5時的調制電壓為44.722V，所以工作點電壓為 44.722V。(3)穿透率最高時，調制電壓為210V;但穿透率最低時卻有兩點，第一點穿透率為0.57時，調制電壓為-110V，第二點穿透率為 0.68,調制電壓為-230V。所以V入/2 的值為320V或440V，若考慮兩點電壓的平均值-170V，則V 的值為380V。(b)T-V影響曲線(加上補償器)-實驗數據：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當調制電壓為零時，其對應的穿透率為0.5,所以是利用補償器來提供相位，調整工作點的位置於輸入電壓為零時，所以工作點電壓=0V。 最高點的座標(190,1.000,最低點有兩點，分別為(-160,0.007、(-250,0.007 將最低點的兩個電壓平均得-205V;所以V 二350或440,若考慮兩點電壓的平 均值-205V，則V入/2的值為395V。 代入V入八=(入/n 3 r 6z) (d/ 1、中，又由參考數據中得知KDP的 r 63 = 10.6X10_12m/V，n = 1.51

12、,入=6328X10-1m，由實驗數據得* / /0.200 /*_#*+*r6zEz，所以可得下式的關係33nx，=n +n r 6zEz/ 2 ny;=n n r 6zEz/ 2 nz，=n e. (H)(5 ) KDP的縱向效應：如下圖所示，當平面偏極光E x，沿z軸方向通過此晶體，將會分解成E x，與E 丫兩個相位不同的電場分量，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為電場振幅，l是KDP在Z方向上的幾何長度，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、效應產生的相位差與外加電場呈線性關係，若電壓上升到相位差為n時，稱為該電光晶體的半波長電壓，以Vx/ 2表示，可得3Vx/ 2 = X/ 2 n r6z，也可寫成 S = nV/V x/ 2上式所示相位差與溫度無關，所以較不受溫度的影響，但缺點是電場方向與行進方向相同，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：將4 5-Z切割的KDP晶體，在Z軸方向加電場，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分量，兩個分量的相位差為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其中第一項為自然雙折射所引起的相位差，但此項容易受溫度影響，而第二項才 是與一次電光效應，若選擇長度1使光程差(n z n y)1為入的整數倍，則相3位差完全由電光效應產生，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、問題與討論：1. 實驗步驟(10)中請說明你如何估算。ANS :由V x/2 =(X/n 3 r 6z) (d/ 1 )所示，若知由實驗測知V ， 在由實驗手冊裡的參考數據表查出n 八r6z兩個值，即可求出d/ 1的比值。 若是欲求電光係數r 6z的值，則必須知道d/ 1的比值，但KDP晶體位於 pockels cell內，較難從外部估算，除非能看到內部的晶體，則還可以用尺並且 目測來估算其d/ 1的比值。2. 實驗中如果工作點不在V./4 (參見注意事項說明5),而是遠離試分析此時輸出調變波形ANS:1H 制 tfli pg sul尤强度调割器的遇射率曲线及离空电注拾号和矩出光遢用如上圖所示，當有一調致電壓訊號在一定範圍內震盪變化，此時若工作點的 位置在處，則容忍電壓震盪的範圍最大，使輸出的光透射變化皆是完整 的；但若工作點並非在此曲線的中央地帶，則某一邊能容忍的電壓變化範圍變小，另一對邊的範圍則