4-5 电光调制器特性的测试

电光调制器特性的测试【摘要】激光是传递信息的一种很理想的光源。电光效应在工程技术和科学研究中有许多重要应用，它有很短的响应时间（可以跟上1010HZ的电场变化），可以在高速摄影中作快门或在光速测量中作光束斩波器等。本文主要探讨对电光调制器的特性的测试和研究的实验，并对相关的实验现象和数据进行总结。【关键词】电光调制器，双折射1引言在激光出现以后，电光效应的研究和应用得到迅速的发展，电光器件被广泛应用在激光通讯，激光测距，激光显示和光学数据处理等方面。要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光上去的问题。例如激光电话，就需要将语言信息加在与激光，由激光“携带”信息通过一定的传输通道送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息。这种将信息加在与激光的过程称之为调制，到达目的地后，经光电转换从中分离出原信号的过程称之为解调。其中激光称为载波，起控制作用的信号称之为调制信号。与无线电波相似的特性，激光调制按性质分，可以采用连续的调幅、调频、调相以及脉冲调制等形式。但常采用强度调制。强度调制是根据光载波电场振幅的平方比例于调制信号，使输出的激光辐射强度按照调制信号的规律变化。激光之所以常采用强度调制形式，主要是因为光接收器（探测器）一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。2实验目的1.掌握晶体电光调制的原理和实验方法2.学会利用实验装置测量晶体的半波电压，计算晶体的电光系数3.观察晶体电光效应引起的晶体会聚偏振光的干涉现象3实验原理某些晶体（固体或液体）在外加电场中，随着电场强度的改变，晶体的折射率会发生改变，这种现象称为电光效应。通常将电场引起的折射率的变化用下式表示:(1)式中a和b为常数，为E0=0时的折射率。由一次项aE0引起折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔电光效应（pokells）；由二次项引起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也称平方电光效应或克尔效应（kerr）。由（1）式可知，一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应则可能存在于任何物质中，一次效应要比二次效应显著。光在各向异性晶体中传播时，因光的传播方向不同或者是电矢量的振动方向不同，光的折射率也不同。通常用折射率椭球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的关系，在主轴坐标中，折射率椭球方程为（2）图1晶体折射率椭球式中，n1,n2，n3为椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。如图一所示，从折射率椭球的坐标原点出发，向任意方向作一直线，令其代表光波的传播方向。然后，通过垂直作椭圆球的中心截面，该截面是一个椭圆，其长短半轴的长度和分别等于波法线沿，电位移矢量振动方向分别与和平行的两个线偏振光的折射率和。显然,，三者互相垂直，如果光波的传播方向平行于轴，则两个线偏光波的折射率等于和。同样当平行于轴和轴时，相应的光波折射率亦可知。当晶体上加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球的方程变为(3)只考虑一次电光效应，上式与式（2）相应项的系数之差和电场强度的一次方成正比。由于晶体的各向异性，电场在、y、z各个方向上的分量对椭球方程的各个系数的影响是不同的，我们用下列形式表示：(4)上式是晶体一次电光效应的普遍表达式，式中叫做电光系数(i=1,2,…6;j=1,2,3)，共有18个，EX、EY、EZ是电场E在x、y、z方向上的分量。式（4）可写成矩阵形式：（5）电光效应根据施加的电场方向与通光方向相对关系，可分为纵向电光效应和横向电光效应。利用纵向电光效应的调制，叫做纵向电光调制；利用横向电光效应的调制，叫做横向电光调制。晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应两种。把加在晶体上的电场方向与光在晶体中的传播方向平行时产生的电光效应，称为纵向电光效应，通常以类型晶体为代表。加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播方向垂直时产生的电光效应，称为横向电光效应，以KDP晶体为代表。这次实验中，我们只做晶体的横向电光强度调制实验。晶体属于三角晶系,3m晶类，主轴Z方向有一个三次旋转轴，光轴与Z轴重合,是单轴晶体,折射率椭球是旋转椭球，其表达式为:(6)式中和分别为晶体的寻常光和非寻常光的折射率。加上电场后折射率椭球发生畸变，对于3m类晶体，由于晶体的对称性，电光系数矩阵形式为(7)当X轴方向加电场，光沿Z轴方向传播时，晶体由单轴晶体变为双轴晶体，垂直于光轴Z方向折射率椭球截面由圆变为椭圆，此椭圆方程为(8)进行主轴变换后得到：(9)考虑到<<1，经化简得到(10)当X轴方向加电场时，新折射率椭球绕Z轴转动45°。图三为典型的利用晶体横向电光效应原理的激光强度调制器。图2电光调制器其中起偏器的偏振方向平行于电光晶体的X轴，检偏器的偏振方向平行于Y轴。因此入射光经起偏器后变为振动方向平行于X轴的线偏振光，它在晶体的感应轴和轴上的投影的振幅和位相均相等，设分别为(11)或用复振幅的表示方法，将位于晶体表面（z=0）的光波表示为(12)所以,入射光的强度是(13)当光通过长为l的电光晶体后，X′和Y′两分量之间就产生位相差δ，即(14)通过检偏器出射的光，是这两分量在Y轴上的投影之和(15)其对应的输出光强，可写成(16)由（13）、（16）式，光强透过率T为(17)(18)由此可见，δ和V有关，当电压增加到某一值时，X’、Y’方向的偏振光经过晶体后产生的光程差，位相差，这一电压叫半波电压，通常用或表示。是描述晶体电光效应的重要参数，在实验中，这个电压越小越好，如果小，需要的调制信号电压也小，根据半波电压值，我们可以估计出电光效应控制透过强度所需电压。由（18)式(19)其中和分别为晶体的厚度和长度。由（18）、（19）式(20)因此，将（17）式改写成(21)其中是直流偏压，是交流调制信号，是其振幅，是调制频率，从（21）式可以看出，改变或输出特性，透过率将相应的发生变化。由于对单色光，为常数，因而T将仅随晶体上所加电压变化，如图四所示，T与V的关系是非线性的，若工作点选择不适合，会使输出信号发生畸变。但在附近有一近似直线部分，这一直线部分称作线性工作区，由上式可以看出：当时，。图3T与V的关系曲线图1．改变直流偏压选择工作点对输出特性的影响（1）当，时,将工作点选定在线性工作区的中心处,此时,可获得较高频率的线性调制,把代入（16）式，得(22)当时(23)即。这时，调制器输出的波形和调制信号波形的频率相同，即线性调制。（2）当时调制器的工作点虽然选定在线性工作区的中心，但不满足小信号调制的要求，（22）式不能写成公式（23）的形式，此时的透射率函数（22）应展开成贝赛尔函数，即由（22）式(24)由（24）式可以看出，输出的光束除包含交流的基波外，还含有奇次谐波。此时，调制信号的幅度较大，奇次谐波不能忽略。因此，这时虽然工作点选定在线性区，输出波形仍然失真。（3）当,时，把代入（16）式(25)即。从（25）式可以看出，输出光是调制信号频率的二倍，即产生“倍频”失真。若把代入（21）式，经类似的推导，可得（26）即“倍频”失真。这时看到的仍是“倍频”失真的波形。（4）直流偏压V0在零伏附近或在附近变化时，由于工作点不在线性工作区，输出波形将分别出现上下失真。综上所述，电光调制是利用晶体的双折射现象，将入射的线偏振光分解成o光和e光，利用晶体的电光效应有电信号改变晶体的折射率，从而控制两个振动分量形成的像差，在利用光的相干原理两束光叠加，从而实现光强度的调制。晶体的电光效应灵明度极高，调制信号频率最高可达Hz，因此在激光通信、激光显示等领域内，电光调制得到非常广泛的应用。4实验内容本实验中，电光调制晶体铌酸锂的no为2.286，ne为2.200，3m点群，负单轴晶体。氦氖激光的波长为632.8nm，电光调制晶体的L=23nm，D=2.5nm。1.调整光路2.使P2∥P1，测Io。起偏镜P1的偏振方向已竖直放置，调整起偏镜P2的相对位置，使P2∥P1，此时测出输出光强Io。3.使P2⊥P1，调光轴X3∥激光束，测Imin。调节起偏镜，使P2垂直于P1，放铌酸锂晶体于光路中（位于起偏镜与检偏镜之间），调节样品平台的相对位置，使晶体的光轴与激光束平行，即使激光束沿晶体的光轴传播，此时可测得最小光强Imin。如果P2平行于P1，则测到最大的光强Imax。在未加外场时，改变检偏镜P2的相对位置测到的比值即为静态消光比。4.加VDC，测Vpi在P1⊥P2状态下，加直流偏压VDC在VDC为0的时候，测到Imin，在VDC为Vpi测得最大光强Imax，计算出动态消光比。利用Vpi的测量值计算电光系数γ22，比较静态消光比和动态消光比的数据的差异。5.绘制I/Io-VDC关系曲线从VDC=0开始，不断地改变直流偏压VDC的数值，记录I的数据，绘制I/Io-VDC曲线，即工作曲线。绘图时，注意误差的应用，使曲线平滑。6.在电光调制器上再加VAC，成VAC+VDC，观察调制光强的变化分以下几种情况实验：VDC=0，改变VAC，观察输出光强被调制的情形VDC=Vpi/2，改变VAC，观察输出光强被调制的情形0<VDC<Vpi/2,改变VAC，观察输出光强的变化。7.加入1/4玻片，在电光调制晶体的前或后放入一个1/4玻片，使VDC=0，改变VAC，观察调制光强的变化情形，与加直流偏压的方法进行对比。8.利用电光调制器，进行激光通信实验。5实验数据及其处理Imax=10000.0Imin=10.0Io=100.5电压/V050100150200直流电流/mA10683106501150电压/V250300350400450直流电流/mA20002500310038005500电压/V475500525550600直流电流/mA57006000590057005300电压/V