实验28 晶体电光调制及其应用

电光调制电光调制四电光调制与光信模拟实验袁礼文10329073 光信02班C2组2013-03-13&20 一、实验目的通过实验操作以及数据进行分析,学习并掌握电光调制、声光调制、磁光调制的机制及运用，在此基础上进一步了解光通信系统的结构。

二、实验仪器晶体电光调制电源，铌酸锂（LiNbO3），He-Ne 激光器及可调电源，可旋转偏振片，格兰棱镜，光接收器，有源音响图三、实验原理1、电光调制的物理机制电光调制的物理基础是电光效应，目前已发现有两种电光效应，一种是泡克耳斯（Pockels）效应，即折射率的变化量与外加电场强度的二次方成正比。

另一种是克尔效应，即折射率的变化量与外加电场强度的二次方成比例。

利用克尔效应制成的调制器称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。

利用泡克耳斯制成的调制器称为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。

泡克耳斯盒又有纵向调制器和横向调制器两种。

现以实验中使用的电光晶体DKDP （磷酸二氘钾）横向调制为例阐述电光调制的简单机理。

图2 电光调制器原理图原理图如上图所示，晶体位于两个正交的偏振器之间，起偏器 P 1的偏振方向平行于电光晶体的 Y 轴，光没晶体入射光的 X 轴方向加上电场后，它们将旋转 45°变成感应轴X ’、Y ’。

现在对晶体内部的偏振光传播进行讨论。

DKDP 是负单轴晶体，它的折射率椭球方程为：2221o o ex y z I I I ++=（1）其中 x 为光轴方向，在平行于光轴的方向加上电压后，折射率椭球方程变为：2226321z o o ex y z E xy I I I γ+++=（2）对上式进行坐标系的变换，消除式中的交叉项：()()'cos 45'sin 45''/2'sin 45'sin 45''/2'x x y x y y x y x y z z ⎧=-=-⎪⎪=+=+⎨⎪=⎪⎩（3）可推导出加了电场后，折射率椭球方程为：2222221'''x y zx y z n n n ++=（4）介电主轴的折射率变为：（5）沿 Z 轴入射的光束经起偏器变为平行于 X 轴的线偏振光，进入晶体后（在 Z ＝0处），被分 解 成 沿 OX ’、OY ’方向的两个分量，其振幅和相伴都相等，用复数表示为E X’(0)=A, E Y’(0)=A，入射光强度为（6）当光通过长度为L 的晶体后，由于电光效应，E X’、E Y’之间就产生一个相位差δ，从而有：（7）光从晶体出射后，通过检偏器后的光是晶体中的光的两分量在Y 轴上的投影之和，即：（8）从而对应的输出光的强度为：（9）其中，, 从而可知调制器的透过率为：（10）当从晶体出射的光的两个分量的相位差为δπ=时，外电场所加的电压为半波电压，可求得此时的电压为：（11）从而可知透过率可表示为：（12）当加在晶体上的直流电压为U 0，同时加在晶体上的交流调制信号是sin mUtω其中Um 是其振幅，ω是调制频率。

当给晶体或液体加上电场后，该晶体或液体的折射率发生变化，这种现象称为电光效应。

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，可以在高速摄影中用做快门或在光速测量中用做光束斩波器等。

在激光出现以后，电光效应的研究和应用得到迅速发展，电光器件被广泛应用在激光通信、激光测距、激光显示和光学数据处理等方面。

本文提出的电光调制系统就是基于晶体的电光效应验证电光调制原理。

1 电光调制原理电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的电光效应而进行工作的。

根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不同，可分为纵向调制和横向调制。

电场方向与光的传播方向平行，称为纵向电光调制；电场方向与光的传播方向垂直，称为横向电光调制。

横向电光调制的优点是半波电压低、驱动功率小，应用较为广泛。

本电光调制系统是以铌酸锂晶体的横向调制为例。

图1是一种横向电光调制的示意图。

沿z方向加电场，通光方向沿感应主轴y′方向，经起偏器后光的振动方向与z轴的夹角为45°。

光进入晶体后，将分解为沿x′和z方向振动的两个分量，两者之间的折射率之差为。

假定通光方向上晶体长度为l，厚度为d(即两极间的距离)，则外加电压为V=Ezd时，从晶体出射的两束光的相位差为：由式(1)可以看出，只要晶体和通光波长λ确定之后，相位差△φ的大小取决于外加电压V，改变外加电压V就能使相位差△φ随电压V成比例变化。

通常使用的电光晶体的主要特性之一是采用半波电压米表征(当两光波间的相位差△φ为π弧度时所需要的外加电压称为半波电压)。

2 电光调制系统总体设计基于电光调制原理设计出此电光调制系统，用以研究电场和光场相互作用的物理过程，也适用于光通信与物理的实验研究。

电光调制系统结构见图2。

2.1 工作原理激光器电源供给激光器正常工作的电压，确保激光器稳定工作。

由激光器产生的激光经起偏器后成线偏振光。

线偏振光通过电光晶体的同时，给电光晶体外加一个电压，此电压就是需要调制的信号。

晶体的电光效应介质因电场作用而引起折射率变化的现象称为电光效应，介质折射率和电场的关系可表示为：+++=20bE aE n n (1)式中n 0是没有外加电场（E =0）时的折射率，a 和b 是常数，其中电场一次项引起的变化称为线性电光效应，由Pokels 于1893年发现，故也称为Pokels 效应；由电场的二次项引起的变化称为二次电光效应，由Kerr 在1875年发现，也称Kerr 效应，在无对称中心晶体中，一次效应比二次效应显著得多，所以通常讨论线性效应。

尽管电场引起折射率的变化很小，但可用干涉等方法精确地显示和测定，而且它有很短的响应时间，所以利用电光效应制成的电光器件在激光通信、激光测距、激光显示、高速摄影、信息处理等许多方面具有广泛的应用。

[实验目的]研究铌酸锂晶体的横向电光效应，观察锥光干涉图样，测量半波电压；学习电光调制的原理和实验方法，掌握调试技能；了解利用电光调制模拟音频光通信的一种实验方法；[实验原理]1． 晶体的电光效应 按光的电磁理论，光在介质中传播的速度为210)(−==µεn c c ，ε为介电系数，是对称的二阶张量，即ji ij εε=，由此建立的D 和E 的关系为：j j i i E D ε= （3,2,1,=j i ) (2)即： 333232131332322212323132121111E E E D E E E D E E E D εεεεεεεεε++=++=++=在各向同性的介质中，εεεε===332211，D 和E 成简单的线性关系，光在这类介质中以某一确定速度传播；但在各向异性的介质中，一般情况下各方向的折射率却不再相同，所以各偏振态的光传播速度也不同，将呈现双折射现象。

如果光在晶体中沿某方向传播时，各个方向的偏振光折射率都相等，则该方向称为晶体的光轴。

若晶体只含有一个这样的方向，则称为单轴晶体。

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。

IMMEDIATE_ DRAW） ；
重复上述过程完成所有输入数据的读入。点击 “绘图”
PlotXY （ panel， PANEL _ GRAPH， x， y， k， VAL _ 命令控件，曲线则显示在图形控件中。如果实验数据进
DOUBLE，VAL _ DOUBLE， VAL _ THIN _ LINE， 行了修改，当再次点击绘图按钮时，则重新绘制曲线，
现倍频失真，波形如图 7 所示。
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高校实验室工作研究
总第 112 期
Xmax = x ［i］； Ymax = y ［i］；
4 数据处理实例
SetAxisRange （ panel， PANEL _ GRAPH， VAL _ MAN-
图 5 为一台直流发电机空载实验数据处理操作界
图 2 实验装置
第2 期
钟土基，等： 晶体电光调制实验的光路调节
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2． 1 激光器准直
2． 4 观察图像
在实验中，调节激光器的出射光线水平对这个实验
用毛玻 璃 作 为 散 射 片，使 激 光 束 扩 束 获 得 发 散 锥
的影响非常大，也是比较重要的一步。激光器准直调节 光［5］，得到了锥光干涉的清晰图样，实验装置如图 4 所
电光效 应 在 工 程 技 术 和 科 学 研 究 中 有 许 多 重 要 应 用，利用电光效应可以制作电光调制器，电光开关、电 光光偏转器等，可用于光闸、激光器的 Q 开关和光波调 制，并在高速摄影、光速测量、光通信和激光测距等激 光技术中有重要的应用。电光调制实验是验证晶体电光 效应的综合性实验，该实验可使学生掌握偏振光干涉和 电光调制通信的基本原理，其中，铌酸锂晶体锥光干涉 图的观察是电光调制实验中一个很重要的实验环节，即 利用晶体锥光干涉原理将系统调到最佳工作状态，锥光 干涉图样调节的好坏，直接影响后续实验结果。实验教 材和文献只对实验现象及原理方面进行解释，没有对其 光路的调节进行讲述［1 ～3］，实验中很多学生由于没有将 光路调到最佳状态，导致实验结果不理想。电光调制实 验对光路调节的要求较高，光路调节是电光调制实验中 的难点和重点，有必要对光路调节方法进行探讨，本文 将光路调节的基本方法———同轴等高调节用于该实验。