5实验五 晶体磁光调制实验

实验五 晶体的磁光调制实验
一、实验目的：
1、了解磁光效应的原理。

2、掌握磁光调制的调试方法并测量和计算磁光效应的旋光特性和调制特性参数。

二、实验仪器：
CGT —1磁光调制实验仪，铽玻璃，重火石玻璃，半导体激光器，双踪示波器等。

三、实验原理：
1、磁光效应
当平面偏振光穿透某种介质时，若在沿平行于光的传播方向施加一磁场，光波的偏振面会发生旋转，实验表明其旋转角θ正比于外加的磁场强度B ，这种现象称为法拉第（Faraday ）效应，也称磁致旋光效应，简称磁光效应，即：
vlB =θ (1)
式中l 为光波在介质中的路径，ν为表征磁致旋光效应特征的比例系数，称为维尔德（Verdet ）常数。

由于磁致旋光的偏振方向会使反射光引起的旋角加倍，而与光的传播方向无关，利用这一特性在激光技术中可制成具有光调制、光开关、光隔离、光偏转等功能性磁光器件，其中磁光调制为其最典型的一种。

图1 磁光效应示意图
如图1所示，在磁光介质的外围加一个励磁线圈就构成基本的磁光调制器件。

2 直流磁光调制
当线偏振光平行于外磁场入射磁光介质的表面时，偏振光的光强I 可以分解成如图2所示的左旋圆偏振光I L 和右旋圆偏振光I R （两者旋转方向相反）。

由于介质对两者具有不同的折射率n L 和n R ，当它们穿过厚度为l 的介质后分别产生不同的相位差，体现在角位移上有：
l n L L λπ
θ2=
１
l n R R λπθ2=
式中λ为光波波长
因θθθθ+=-R L ()()l n n R L R L ⨯-=-=λ
πθθθ221 ( 2 ) 如折射率差()R L n n -正比于磁场强度B ，即可得（1）式，并由θ值与测得的B 与l 求出维尔德常数υ。

图2 入射光偏振面的旋转运动
3 交流磁光调制
用一交流电信号对励磁线圈进行激励，使其对介质产生一交变磁场，就组成了交流（信号）磁光调制器（此时的励磁线圈称为调制线圈），在线圈未通电流并且不计光损耗的情况下，设起偏器P 的线偏振光振幅为A 0，则A 0可分解为A 0 cos α及A 0 sin α两垂直分量，其中只有平行于P 平面的A 0 cos α分量才能通过检偏器，故有输出光强
αα2020cos )cos (I A I == （马吕斯定律）
其中200A I =为其振幅。

式中α为起偏器P 与检偏器A 主截面之间的夹角，I 0为光强的幅值，当线圈通以交流电信号i=i 0 sin ωt 时，设调制线圈产生的磁场为B=B 0 sin ωt ，则介质相应地会产生旋转角θ=θ0 sin ωt ，则从检偏器输出的光强为：
[][])s i n (2c o s 12
)(2c o s 12)(c o s 00020t I I I I ωθαθαθα++=++=
+= （3） 由此可知光输出可以是调制波的倍频信号。

以上就是电信号致使入射光旋光角变化从而完成对输出光强调制的基本原理。

２
4 磁光调制的基本参量
磁光调制的性能主要由以下两个基本参量来描述。

（1）调制深度η
min
max min max I I I I +-=η （4） 式中I max 和I min 分别为调制输出光强的最大值和最小值，在2
0πθα≤+≤
的条件下，参照图3应用倍角公式，由（3）式得到在θ 时的输出光强分别为：
[])(2cos 12
0max θα-+=I I [])(2cos 12
0min θα++=I I （5） 如图3所示：
图3 调制光强幅度随旋转角变化的情况
（2）调制角幅度θ0
令min max I I I A -=为光强调制幅度
将（5）式代入化简得
θα2sin 2sin 0I I A =
由此可见，若起偏器P 与检偏器A 主截面间夹角︒=45α时，调制幅度可达最大值θ2sin 0max I I A =
此时调制输出的极值光强为：
)2sin 1(2
0max θ+=
I I )2sin 1(2
0min θ-=I I （6） 将此式代入（4）式得︒=45α时的调制深度和调制角幅度： θηsin2=
３
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+-==-m i n m a x m i n m a x 10s i n 21I I I I θθ （7） 四、实验装置：
磁光调制器系统结构由两大单元组成，分别为光路系统和电路系统：
（一）光路系统：
由激光管（L ）、起偏器（P 2）、带调制线圈的磁光介质（TG 或ZF6）、有测角装置的检偏器（A ），检偏器与光电转换成一体的接收单元(R)以及附加的减光器（P 1）和直流励磁的电磁铁（M ）等组装在精密光具座上，组成磁光调制器的光路系统。

光电接收器组件前部的检偏器（A ）有两个刻度盘，位于前端的圆盘，其四周由四档0～90°的刻度盘构成（以2.5°分度）。

旋转带光孔和刻线的锥体可调圆盘用以粗调检偏器的角度，后面的精密测微量角器，用以细调检偏器的旋角，如图4所示。

图4检偏与光电接收组件
（二）电路系统：
除激光电源与光电转换接收部件，其余电路组装在主控单元中。

图5 电路主控单元前面板
图5为电路主控单元的仪器前面板图，各控制与显示部分的作用如下： 电源开关用于控制主电源，接通时开关指示灯亮，同时对半导体激光器供电
外调输入用以对磁光介质施加外接音频调制信号的插座
（插入外来信号时内置信号自动断开）。

调制加载用于对磁光介质施加交流调制信号
（内置1KHz的正弦波）
调制幅度用以调制交流调制信号的幅度
直流励磁用于对电磁铁施加直流调制电流的开关
（仅在打开电源后有效）
励磁强度调节直流励磁电流大小，用以改变对磁光介质施加的直流磁场
励磁极性用以改变直流磁场的极性的开关
解调幅度用以调节监视或解调输出信号的幅度
光强指示数字显示经光电转换后的光电流接收强度的量计，可反映接收光强的大小
励磁指示数字显示直流励磁电流的量计
调制监视将调制信号输出送到示波器显示的插座
解调监视将光电接收放大后的信号输出送到示波器显示的插座
解调输出解调信号的输出插座，可直接插入有源扬声器
４
５
图6 电路主控单元的后面板
图6为电路主控单元的后面板图，各插座作用如下：
至接收器 与光电接收单元连接的线缆接口
至激光器 供半导体激光器的电源插座
励磁输出 供直流调制电流的插座
调制输出 供交流调制信号电流的插座
图7、图8分别为测试铽玻璃与重火石玻璃磁光介质时的实验系统。

图7 系统实验测试1
图7 系统实验测试2
（三）系统连接
1 光源将半导体激光器电源线缆插入后面板的“至激光器”插座
中。

（如使用He－Ne激光管需另配套专用电源，其输出直流
高压务必按正负极性正确连接）。

2 磁光调制将铽玻璃调制线圈两端引出线插入后面板上调制输出端
插座。

3 光电接收将光电接收部件（位于光具座末端）的电缆连接到电路主
控单元后面板上“至接收器”插座，以便将接收信号送到
主控单元，同时主控单元也为光电接收电路提供电源。

4 信号输出光电接收信号经主控单元转接后由解调监视插座输出；主
控单元中的内置信号（或外调输入信号）则由调制监视插
座输出。

两者分送到双踪示波器，以便同时显示波形，进
行比较。

5 扬声器将有源扬声器插入解调输出插座，以便作调制通讯的演示
实验。

6 交流电源主控单元后面板装有带开关的三芯标准插座，用以连接
220V市电交流电源。

６
７ 五、实验步骤：
（一）实验前的准备
1 按图4的系统组成图以及图7（或图8）的实验系统图，首先在光具座的
滑座上放置好激光器和光电接收器（通常光电接收器位于光具座右侧末端）
2 参照图7的实验系统，按系统连接方法将激光器、铽玻璃介质磁光调制
器以及与检偏器一体的光电接收器等组件连接到位。

检偏器的两刻度盘均预置在0位（参见图4）
3 光路准直：打开电源开关，接通激光器电源，点亮激光器，调节激光器
尾部的旋钮，使激光器达足够光强。

将激光器推近光电接收器，调节激光器架的前后各三只夹持螺钉，使激光器基本与光具座导轨平行并使激光束落在接收部件塑盖的中心点上。

然后将激光器远离（移至导轨的另一端），再次微调后侧的夹持螺钉，务使光点仍落在塑盖的中心位置上。

调准激光器与接收器的位置后不必再动。

4 用所提供的电缆线分别将“调制监视”与“解调监视”插座与双踪示波
器的Y Ⅰ与Y Ⅱ的输入端相连。

5 插入起偏器（P2），移去接收单元塑盖时，接收光强指示应呈现读数；
调节起偏器，使光强指示器近于0，表示检偏器与起偏器的光轴正处于正交状态（P ⊥A ），记下起偏器角度。

再将起偏器旋转约45°角，使两偏振面在此夹角下调制幅度达最大值。

（参见（6）式）
6 调节激光强度，使光强指示的读数在“4～5”左右。

7 将磁光调制器插入镜片架中，拧紧定位压环的两只滚花螺钉，将调制器
予以固定，然后将镜片架插入光具座后对准中心，务使激光束正射透过。

（二）实验内容
1 观察磁光调制现象
（1）参照图7“系统连接”方法准备就绪（用铽玻璃调制器线缆插入主控单元后面板的“调制输出”两插座中）。

（2
）打开调制信号开关，调节输出幅度，在示波器上可同时观察到调
制波形与解调输出波形；然后调节检偏器的粗调，使光强达到0，再调节检偏器细调的转角，即可明显地看到解调波与调制波的倍频关系。

2 测定光强信号的最大值与外加调制角幅度的关系
在示波器中显示出解调波形时，调节检偏器偏角，使解调波幅度达到最大值时，对出此时相应的光强信号的值。

改变调制幅度的大小，测出5组不同幅度下对应的光强值，做出光强与调制幅度的关系曲线。

注：
∙在测试过程中，调制幅度不能太大，一般从1V调至5V，否则会照成光强信号过饱和。

3 测量直流磁场对磁光介质的影响
（１）参照图8将励磁电磁铁（M）置于光具座上，电磁铁中间放入火石玻璃的磁光介质，（先将火石玻璃插在两磁轭之间，磁轭平面与两磁极相吻合）如图9所示。

将电磁铁引出线缆插入后面板的“励磁输出”两插座中。

图9 火石玻璃的放置
（2）按“实验前的准备”事项“5”的步骤，使检偏器与起偏器的光轴处于正交状态（光强读数近于0）
（3）开启直流电源，使励磁线圈通以直流电流I DC，改变直流电流，测出在不同电流下光强的大小，做光强与I DC的关系曲线。

注：
∙在测试过程中，直流电流大小不能超过1.5A
5 磁光调制与光通讯实验演示
将音频信号（来自收音机、录音机、CD唱盘等音源）输入到“外调制输入”插座，将有源扬声器插入“解调输出”插座，即可发声，音量由“解
调幅度”控制。

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六、实验注意事项：
1、为防止强激光束长时间照射导致光敏管疲劳或损坏，调节或使用好后请随即盖好光电接收孔，调节过程中也应避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。

2、为准确获得解调波与调制波的倍频关系，必须在实验前准确调节，使起偏器P和检偏器A的主截面之间夹角达到α=45º。

９。