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1、晶体的电光效应,实验目的,掌握晶体电光调制的原理和实验方法学会测量晶体半波电压、电光系数的实验方法了解一种激光通信方法,实验原理,电光效应：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的现象。一、一次电光效应 通常可将电场引起的折射率的变化用下式表示：式中a和b为常数，n0为不加电场时晶体的折射率。由一次项aE0引起折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称为线性电光效应或普克尔(Pokells),实验原理,效应；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(Kerr)效应。一次电光效应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
2、要比二次效应显著。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。纵向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播的方向平行时产生的电光效应；横向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播的方向垂直时产,实验原理,生的电光效应。通常KD*P(磷酸二氘钾)类型的晶体用它的纵向电光效应，LiNbO3(铌酸锂)类型的晶体用横向电光效应，晶体的坐标轴如图所示。,x,y,z,x,y,实验原理,本实验研究铌酸锂晶体的一次电光效应，用铌酸锂晶体的横向调制装置测量铌酸锂晶体的半波电压及电光系数并用两种方法改变调制器的工作点，观察相应的输出特性的变化。在未加电场前，铌酸锂是单晶体。当线性偏振光沿光轴
3、（Z轴）方向通过晶体时，不会产生双折射。但如在铌酸锂晶体的X轴施加电场，晶体将由单轴晶体变为双轴晶体。这时沿Z轴传播的偏振光应按特定的晶体感应轴x和y进行分解，因为光沿着这两个方向偏振的,实验原理,折射率不同（传播速度不同）。类似于双折射中关于o光和e光的偏振态的讨论，因为沿x和y的偏振分量存在相位差，出射光一般将成为椭圆偏振光。由晶体光学可以证明，这两个方向的折射率：,实验原理,在无线电通信中，为了把语言、音乐或图像等信息发出去，总是通过表征电磁波特性的振幅、频率或相位受被传递信号的控制来实现的。这种控制过程称为调制；而接受时，则需把所要的信息从调制信号中还原出来，这个过程称为解调。因为激光
4、只起到“携带”低频信号的作用，所以称为载波，而起控制作用的低频信号是我们所需要的，称为调制信号，被调制的载波称为已调波或调制光。在现代社会中，激光也常被用作传递信号的工具，它的调制与无线电波调制相类似，可以采用连,实验原理,续的调幅、调频、调相以及脉冲调制等形式。本实验采用强度调制，即输出的激光辐射强度按照调制信号的规律变化。激光调制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受的光强度变化的缘故。激光调制的方法很多，如机械调制、声光调制、磁光调制和电源调制等。而电光调制开关速度快，结构简单，因此在激光调制技术、混合型光学双稳器件等方面有广泛的应用。,实验原理
5、,横向电光调制铌酸锂晶体的横向电光调制过程如图所示。,实验原理,入射光经起偏器后变成振动方向平行于X轴的线性偏振光，晶体的电光效应可按光矢量的分解与合成来处理。进入晶体后，X偏振的线性偏振光按感应轴x和y分解，它们的振幅和相位相等，电矢量可以分别记为：,为方便计算，用复振幅的表示方法，省去时间的简谐因子ejwt，这时位于晶体表面（Z=0）的,实验原理,光波表示为：,所以入射光的强度：,实验原理,当光通过长为 的电光晶体后，因折射率不同，x和y两分量之间将产生相位差，于是,通过检偏器出射的光，是该两分量在Y轴上的投影之和,实验原理,输出光强：,因此光强的透过率T为：,由感应轴的折射率，并注意到
6、有：,实验原理,由此可见，与V有关。当电压增加某一值时，x和y方向的偏振光经过晶体后产生/2的光程差，相位差=，T=100%,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。因为 小，表示较小的调制信号就会有较大的响应；用做快速电光开关时，小意味着用比较小的电压就可以实现,实验原理,光开关的动作。根据半波电压值，可以估计出控制电光效应所需的电压。根据上述讨论得,式中，和 分别为晶体的厚度和长度。由此可见，横向电光效应的半波电压与晶体的几何尺寸有关,而纵向电光效应的半波电压为 不能靠尺寸调整，这是横向电光调制器的优点之一。因此，横向效应的电光晶体都
7、加工成细长的扁长方体。,实验原理,根据上述讨论,取(是直流偏压，是交流调制号)，因此可以得到：,由此可以看出，改变 或，输出特性将相应发生变化。,实验原理,对单色光来说，为常数，因而T将随晶体上所加的电压变化，如图所示，T与V的关系是非线性的。如果工作点 选择不当，则会使输出信号发生畸变；但在 附近有一近似直线的部分，这一直线部分称为线性工作区。不难看出，当 时，=/2,T=50%。,实验原理,实验原理,（2）直流偏压对输出特性的影响1.当 时，工作点落在线性工作区的中部，此时，可获得较高效率的线性调制，把 代入前式得,实验原理,当 时，,它表明。这时，调制器输出的波形和调制信号的频率相同，即
8、线性调制。,2.当 或，时，把 代入前式，则,实验原理,实验原理,即。这时，输出光的频率是调制信号的2倍，即产生“倍频”失真。类似地，对，可得,这是仍将看到“倍频”失真的波形。,3.直流偏压 在0V 附近或变化时，由于工作 点不在线性工作区，故输出波形将失真。,实验原理,4.当 且 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，此时的透射率函数式应展开成贝赛尔函数，即：,实验原理,由式可以看出，输出的光束包括交流的基波，还有奇次谐波。由于调制信号的幅度较大，奇次谐波不能忽略，因此，这时虽然工作点选在线性区，输出波形仍失真。,实验器材,电光调制电源组件光接收放大器组件H
9、e-Ne激光器组件电光调制晶体组件起偏器组件检偏器组件,实验内容,1.测定铌酸锂晶体的透过率曲线(即TV曲线)，计算半波电压。晶体上只加直流电压，不加交流信号，把直 流电压从小到大逐渐改变，输出的光强将会出 现极小值和极大值，相邻极小值和极大值对应 的直流电压之差即是半波电压。加在晶体 上的电压在电源面板上的数字表读出，每隔5v 增大一次，在读出相应的光强值。,实验内容,以T为纵坐标，V为横坐标，画出TV关系曲线，确定半波电压 的数值，进而求晶体电光系数。2.用1/4波片改变工作点，观察输出特性。分别将静态工作电压固定于倍频失真点、接收信号波形失真最小、接收信号波形幅度最大点，在起偏器与LN晶体间放入1/4波片。旋转1/4波片，观察接收信号波形的变化情况。,实验内容,改变工作电压，记录相邻两次出现倍频失真时对应的工作电压之差即为半波电压。3.观察电光调制箱内置波形信号，以及解调信号4.光迅通讯的演示,注意事项,1.He-Ne激光管出光时，电极上所加的直流 高压，要注意人身安全。2.晶体又细又长，容易折断，晶体电极上面 的铝条不能压的太紧或给晶体施加压力，以免压断晶体。3.电源的旋钮顺时值方向为增益加大的方向，因此，电源开关打开前，所有旋钮应该逆 时针方向旋转到头，关仪器前，所有旋钮 逆时针方向旋转到头后再关电源。,
