实验 电光 声光调制

实验一电光调制
一、实验目的：
1.了解电光调制的工作原理及相关特性；
2.掌握电光晶体性能参数的测量方法；
二、实验原理简介：
某些光学介质受到外电场作用时，它的折射率将随着外电场变化，介电系数和折射率都与方向有关，在光学性质上变为各向异性，这就是电光效应。

电光效应有两种，一种是折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例，称为泡克耳斯（Pockels）效应；另一种是折射率的变化量与外电场强度的二次方成比例，称为克尔（Kerr）效应。

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。

利用泡克耳斯效应制成的调制器，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，图1是几种电光调制器的基本结构形式。

图1：几种电光调制器的基本结构形式
a) 克尔盒 b) 纵调的泡克耳斯盒 c) 横调的泡克耳斯盒
当不给克尔盒加电压时，盒中的介质是透明的，各向同性的非偏振光经过P后变为振动方向平行P光轴的平面偏振光。

通过克尔盒时不改变振动方向。

到达Q时，因光的振动
方向垂直于Q光轴而被阻挡（P、Q分别为起偏器和检偏器，安装时，它们的光轴彼此垂直。

），所以Q没有光输出；给克尔盒加以电压时，盒中的介质则因有外电场的作用而具有单轴晶体的光学性质，光轴的方向平行于电场。

这时，通过它的平面偏振光则改变其振动方向。

所以，经过起偏器P产生的平面偏振光，通过克尔盒后，振动方向就不再与Q光轴垂直，而是在Q光轴方向上有光振动的分量，所以，此时Q就有光输出了。

Q的光输出强弱，与盒中的介质性质、几何尺寸、外加电压大小等因素有关。

对于结构已确定的克尔盒来说，如果外加电压是周期性变化的，则Q的光输出必然也是周期性变化的。

由此即实现了对光的调制。

泡克耳斯盒里所装的是具有泡克耳斯效应的电光晶体，它的自然状态就有单轴晶体的光学性质，安装时，使晶体的光轴平行于入射光线。

因此，纵向调制的泡克耳斯盒，电场平行于光轴，横向调制的泡克耳斯盒，电场垂直于光轴。

二者比较，横调的两电极间距离短，所需的电压低，而且可采用两块相同的晶体来补偿因温度因素所引起的自然双折射，但横调的泡克耳斯盒的调制效果不如纵调的好，目前这两种形式的器件都很常用。

图2：纵调的泡克耳斯电光调制器
图2为纵调的泡克耳斯电光调制器。

在不给泡克耳斯盒加电压时，由于P产生的平面偏振光平行于光轴方向入射于晶体，所以它在晶体中不产生双折射，也不分解为o、e光。

当光离开晶体达到Q时，光的振动方向没变，仍平行于M。

因M垂直于N，故入射光被Q完全阻挡，Q无光输出。

当给泡克耳斯盒加以电压时，电场会使晶体感应出一个新的光轴OG。

OG的方向发生于同电场方向相垂直的平面内。

由于这种电感应，便使晶体产生了一个附加的各向异性。

使晶体对于振动方向平行于OG和垂直于OG的两种偏振光的折射率不同，因此这两种光在晶体中传播速度也就不同。

当它们达到晶体的出射端时，它们之间则存在着一定的相位差。

合成后，总光线的振动方向就不再与Q的光轴N垂直，而是在N方向上有分量，因此，这时Q则有光输出。

泡克耳斯效应的时间响应也特别快，而且φ与U成线性关系，所以多用泡克耳斯盒来作电光调制器。

三、实验装置：
图3：LiNbO3晶体静态特性曲线测量光路图
图4：LiNbO3晶体静态特性曲线测量装置图
四、实验内容及步骤：
1.LiNbO3晶体静态特性曲线测量
a.按图3所示结构放置各光学器件，并调节支架高度至各光学器件等高同轴。

b.将635nm半导体激光器控制电缆连接至LD1，设置LD1工作模式为ACC，设置驱动
电流Ic为30mA。

c.将LiNbO3晶体控制电压驱动端连接至高压信号源输出HV+和HV-。

d.将Si-PD信号输出连接至PD.IN，测量时注意选择合适量程。

e.将LiNbO3晶体从测试光路中移开，将起偏器偏振方向调至与水平面成45°角，将
检偏器调至与其正交。

再将LiNbO3晶体放回测试光路，调节其空间位置和倾斜角度，使入射光束与其表面垂直。

f.从0V开始设置HVS输出电压V，记录PD读数P。

g.0V至400V每隔10V测一个点，记录相应的电压V和光强P，测量完毕后HVS置零。

h.保持光路不变，将HV+和HV-端口处两线交换。

i.0V至-400V每隔10V测一个点，记录相应的电压V和光强P，测量完毕后HVS置零。

j.重复上述过程两次，共测得三组数据。

k.对各电压处的光强数据求平均，并作归一化处理，求得相对光强I，作I～V曲线，求该LiNbO3晶体半波电压。

实验三声光调制
一、实验目的：
1.了解声光调制的工作原理及相关特性；
2.掌握声光调制器件与偏转器件性能参数的测量方法；
二、实验原理简介：
声波在介质中传播时，会引起介质密度（折射率）周期性的变化，可将此声波视为一种条纹光栅，光栅的栅距等于声波的波长，当光波入射于声光栅时，即发生光的衍射，这就是声光效应。

声光器件是基于声光效应的原理来工作的，分为声光调制器和声光偏转器两类，它们的原理、结构、制造工艺相同，只是在尺寸设计上有所区别。

声光器件的基本结构如图1所示，由声光介质和换能器两部分组成。

常用的声光介质有钼酸铅晶体、氧化碲晶体和熔石英等。

换能器即超声波发生器，它是利用压电晶体使电压信号变为超声波，并向声光介质中发射的一种能量变换器。

图1：声光器件的基本结构示意图
声光相互作用有两种情形：
1.正常光声相互作用。

介质的光学性质是各向同性的，介质的折射率与入射光的方向、偏振状态无关，此时，入射光的折射率、偏振状态与衍射光的折射率、偏振状态相同。

可从各向同性介质中光的波动方程出发，利用介质应变与折射率变化之间的关系，来描述声光效应，可用声光栅来说明光在介质中的衍射。

2.反常声光相互作用。

介质的折射率与入射光的方向、偏振状态有关，需要考虑介质在光学性质上的各向异性。

这时，入射光的折射率、偏振状态与衍射光的折射率、偏振状态不同。

此时，就不能用声光栅来说明光在介质中的衍射现象了。

目前，多数的声光器件都是利用正常声光相互作用原理来制作的，所以可用声光栅来分析。

若掠射角θi＝0，即入射光平行于声光栅的栅线入射时，声光栅所产生的衍射光图案和普通光学光栅所产生的衍射光图案类似，也是在零级条纹两侧，对称地分布着各级衍射光的条纹，而且衍射光强逐级减弱。

这种衍射称为喇曼-奈斯衍射。

理论分析指出，衍射光强和超声波的强度成正比例。

因此，即可利用这一原理来对入射光进行调制。

调制信号如果是非电信号的话，首先要把它变为电信号，然后作用到超声波发生器上，使声光介质产生的声光栅与调制信号相对应。

这时入射激光的衍射光强，则正比于调制信号的强度。

这就是声光调制器的原理。

图2：声光调制和声光偏转原理示意图
掠射角θi≠0时，一般情况下，衍射光都很弱，只有满足条件θi＝θR＝K/2k时，衍射光最强。

上式称为布拉格条件。

此时的衍射光是不对称的，只有正一级或负一级。

衍射效率（衍射光强与入射光强之比）可接近100%。

这种衍射称为布拉格衍射。

掠射角θi与衍射角θd之和，也称为偏转角α。

即α＝θi +θd＝2θB ≈λ/Λ＝F·λ/v式中，v和F分别为超声波在介质中的传播速度和频率。

可见，偏转角正比于超声波的频率，故改变超声波的频率（实际是改变换能器上电信号的频率）即可改变光束的出射方向，这就是声光偏转器的原理。

声光调制和声光偏转原理示意见图2。

三、实验装置：
图3：声光调制实验光路图
图4：声光调制实验装置图
四、实验内容及步骤：
1.实验装置连接
a.按图3所示结构放置各光学器件，注意使声光调制器与摄像头之间有足够的距离。

调节各支架高度至各光学器件等高同轴。

b.将635nm半导体激光器控制电缆连接至LDC，设置LDC工作模式为ACC，设置驱动
电流Ic为20mA。

c.摄像头不需镜头。

连接摄像头信号输出至视频捕捉卡输入端AV1，接通摄像头电源。

d.运行图像测试软件。

e.调节声光调制器位置和角度，使得激光光束穿过声光调制器中心，并入射到摄像
头CCD器件中心。

调节图像亮度、对比度等参数至最佳状态。

f.连接函数信号发生器输出SIG至声光调制器射频信号输入端，此信号经三通连接
至示波器CH1，置示波器与CH1同步。

2.声光调制器I~V关系曲线测量
a.设置SIG工作模式(SIGWAV)为正弦波(SIN)，信号幅度调至最大。

观察示波器，在
20到50MHz范围内，细调SIG输出频率至有最大输出幅度处。

b.调节SIG输出信号幅度，峰峰值(Vpp)从0V到最大幅度每隔0.5V测一个点，记录
相应的信号幅度V和衍射光斑强度I
c.作声光调制器I~V关系曲线
3.声光调制器θ~f关系曲线测量
a.将射频信号幅度调至最大。

b.使用示波器测量频率，从30到50MHz每隔0.5MHz测一个点，记录相应的信号频
率f和两侧衍射光斑位置d L、d R 。

c.由衍射光斑位置d L、d R求衍射光斑角度，作声光调制器θ~f关系曲线。