3晶体的电光效应与电光调制_实验报告

晶体的电光效应与光电调制

实验目的：

1) 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； 2) 学习电光调制的原理和试验方法，掌握调试技能； 3) 了解利用电光调制模拟音频通信的一种实验方法。 实验仪器：

1) 晶体电光调制电源 2) 调制器 3) 接收放大器

实验原理简述：

某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将随着外加电场的变化而变化，这种现象称为光电效应。晶体外加电场后，如果折射率变化与外加电场的一次方成正比，则称为一次电光效应，如果折射率变化与外加电场的二次方成正比，则称为二次电光效应。晶体的一次光电效应分为纵向电光效应和横向电光效应 1、 电光调制原理 1) 横向光电调制

如图

入射光经过起偏器后变为振动方向平行于x 轴的线偏振光，他在晶体感应轴x ’,y’上的投影的振幅和相位均相等，分别设为

wt A e x cos 0'= wt A e y cos 0'=

用复振幅表示，将位于晶体表面（z=0）的光波表示为A E x =)0(' A E y =)0(' 所以入射光的强度为 22

'2

'2)0()0(A E E E E I y x i =+=•∝ 当光通过长为l 的电光晶体后，x’,y’两分量之间产生相位差 A l E x =)(' δi y Ae l E -=)('

通过检偏器出射的光，是这两个分量在y 轴上的投影之和

()

12

45cos )()('0-=

︒=-δ

δi i y y e

A e l E E

其对应的输出光强I t 可写为 ()()[]

2

sin 2*2200δ

A E E I y y t =•∝

由以上可知光强透过率为2sin 2δ==i t I I T 相位差的表达式 ()d

l

V

r n l n n

y x 223

0''

22λ

π

λ

π

δ=

-=

当相位差为π时 ⎪⎭

⎫ ⎝⎛=

l d r n V n 223

02λ

由以上各式可将透过率改写为 ()wt V V V V V

T m sin 2sin 2sin 02

2

+==π

π

π

π可以看出改变V0

或Vm ，输出特性将相应变化。

1) 改变直流电压对输出特性的影响

把V0=Vπ/2带入上式可得

()⎥⎦

⎤⎢⎣⎡

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+==wt V V wt V V V V V

T m m sin sin 121sin 2sin 2sin 02

2

πππππ

π 做近似计算得⎥⎦

⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+≈

wt V V T m sin 121ππ

即T ∝Vmsinwt 时，调制器的输出波形和调制信号的波形频率相同，即线性调制

如果Vm ＞Vπ，不满足小信号调制的要求，所以不能近似计算，此时展开为贝塞尔函数，即输出的光束中除了包含交流信号的基波外，还有含有奇次谐波。由于调制信号幅度比较大，奇次波不能忽略，这时，虽然工作点在线性区域，但输出波形依然会失真。

当V0=0或π；Vm 《Vπ时，将V0=0带入到上式得()⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛-≈wt V V T m

2cos 1812

ππ 即T ∝cos2wt ，可以看出输光是调制信号的二倍，即产生倍频失真。

当V0=Vπ，Vm 《Vπ时。经过类似推到，可得()wt V V T m 2cos 18112-⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛-≈ππ 即依然看到的是倍频失真的波形。

2) 用λ/4波片来进行光学调制

由上面的分析可知，在电光调制中，直流电压V0的作用是使晶体在x’,y’两偏振方向的光之间产生固定的相位差，从而使正弦调制工作在光强调制曲线图上的不同点。在实验中V0的作用可以用λ/4波片来实现，实验中在晶体与检偏器之间加入λ/4波片，调整λ/4波片的快慢轴方向使之与晶体的x ’,y’轴平行，转动波片，可以使电光晶体工作在不同的工作点上。

原始数据、 数据处理及误差计算：

1.研究LN 单轴晶体的干涉： （1）单轴锥光干涉图样：

调节好实验设备，当LN 晶体不加横向电压时，可以观察到如图现象，这是典型的汇聚偏振光穿过单轴晶体后形成的干涉图样。

（2）晶体双轴干涉图样： 打开晶体驱动电压，将状态开关打在直流状态，顺时针旋转电压调整旋钮，调整驱动电压，将会观察到图案由一个中心分裂为两个，这是典型的汇聚偏振光穿过双轴晶体后形成的干涉图样，它说明单轴晶体在电场的作用下变成了双轴晶体

2.动态法观察调制器性能： （1）实验现象： 当V 1=143V 时，出现第一次倍频失真：

当V 2=486V 时，信号波形失真最小，振幅最大（线性调制）：

当V 3=832V 时，出现第二次倍频失真：

（2）调制法测定LN 晶体的半波电压：

第一次倍频失1电压V 3=832V 。故

31832143689V V V V V V π=-=-=。

由3022()2d V n l

πλγ=

得：12

223

0() 6.41102d n V l πλγ-==⨯ 3.电光调制器T-V 工作曲线的测量：

（1）原始数据：

依据数据作出电光调制器P-V工作曲线：

（2）极值法测定LN晶体的半波电压：

从图中可以看到，V在100~150V时取最小值，在800~850V时取最大值。分别在这两个区域内每隔5V

比较数据可以得出，极小值大致出现在

1110

V V

≈，极大值大致出现在

3805

V V

≈，由此可

得

31805110695

V V V V V V π

=-=-=