实验21 电光调制

示波器
图 4 系统连接方法
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图 5 信号源面板 其中，信号源面板如图 5 。在信号源面板上， “波形切换”开关用于选择输出正弦波或是方波， “信 号 输 出 ”口 用 于输 出 晶体 调 制 电压 ， 若“ 高 压输 出 开 关” 拨 向上 为 打开 ， 拨 向下 为 关闭 。 如果 拨 向 上 那么输出的调制电压上就会叠加一个直流偏压，用于改变晶体的调制曲线， “音频选择”开关用于选 择 调制信号为正弦波还是外接音频信号， “探测信号”口接光电探测器的输出，对探测器输入的微弱信 号 进行处理后通过“解调信号”口输出，连接至有源扬声器上。 在具体的连接中， “信号输出”的 CH1 与 CH2 输出的信号完全一样，将一个输出连接示波器，另一 个 输 出 连接 电 光调 制 器。 在 观 察电 光 调制 现 象时 ， 需 要使 用 一个 带 衰减 的 探 头， 连 接时 ， 探头 的 黑 色 鳄鱼夹连接至前面两根线的黑色鳄鱼夹，探针接红色鳄鱼夹（在测量时，探头应 10 倍衰减） 。硅光 电 探测器通过一根两端都是 BNC 头的连接线连接至示波器上。在进行音频实验时，则不需要示波器， 且 硅 光 电 探测 器 连接 至 信号 源 “ 探测 信 号” 口 ， “解 调 信 号” 接 至有 源 音箱 。 “ 音频 输 入” 接 外加音 频 信 号。 2. 光路 准直 打 开 激 光 器电 源 ，调 节光 路 ， 保 证光 线 沿光 轴通 过 。 在 光路 调 节过 程中 ， 先 将 波片 ， 起偏 器和 检 偏 器 移 走， 调 整激 光 管， 电 光 晶体 和 探测 器 三者 的 相 对位 置 ，使 激 光能 够 从 晶体 光 轴通 过 ；调 整 好 之 后 ， 再 将波 片 ，起 偏 器和 检 偏 器放 回 原位 ， 再调 节 它 们的 高 度， 因 为它 们 的 通光 孔 很大 ， 调节 相 对 容 易。调节完毕后，锁紧滑动座和固定各部件。 3. 1/4 波片对调 制的影响 将 信 号 源 输出 的 正弦 波信 号 加 在 晶体 上 ，并 将探 测 器 输 出的 信 号接 到示 波 器 上 ，调 节 波片 ，观 察 输 出 信 号的 变 化， 记 下调 节 最 佳时 输 出信 号 的幅 值 ； 改变 信 号源 输 出信 号 的 幅值 与 频率 ， 观察 探 测 器 输出信号的变化；去掉 1/4 波片，加上直流偏压，改变其大小，观察输出信号的变化，并与加波片 的 情况进行比较。 4. 静态 特性曲线测量 测量晶体的半波电压采用极值法，即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
在本实验中,我们采用的是 y 轴通光，z 轴加电场，如图 2，也就是说， E1 E2 0, E3 E ,那么上式就 可以变为
1 2 1 2 2 2 13 E3 x y 2 33 E3 z 1 no no
z 4 通光方向 2.5 x 60 y

2 l

(no ne )
3
3 U n l o c d
ne 其中， c 33 13 称为有效电光系数。 no
入射光经起偏振片后变为振动方向平行于 x 轴的线偏振光，它在晶体的感应轴 x ′和 y ′轴上的投 影的振幅和相位均相等，设分别为
(a) 图 3 晶体调制曲线
(b)
四、实验步骤
1. 实验 系统简介 按照系统连接方法将激光器，电光调制器，光电探测器等部件连接到位。系统连接方法如图 4 ，其 中电光调制器的滑动座是二维移动平台，与其他的滑动座有所不同。 起偏器 激光器
电光晶体
1/4 波片
检偏器
光电探测器
激光器电源
电光调制实验仪 信号源
ex' A0 cos t , ey' A0 cos t
或用复振幅的表示方法，将位于晶体表面（ z =0 ）的光波表示为
Ex (0) A, Ey' (0) A
所以，入射光的强度是
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2 2 I i E E Ex (0) E y (0) 2 A2
实验 21
电光调制
一、实验目的
1、掌握晶体电光调制的原理和实验方法； 2、观察电光调制实验现象,并测量电光晶体的各参数； 3、实现模拟光通讯。
二、实验内容
1、观察电光调制现象； 2、计算电光晶体的消光比，透过率，测量晶体的半波电压； 3、进行电光调制与光通讯实验演示。
三、实验原理
铌酸锂晶体具有优良的压电、电光、声光、非线性等性能。本实验仪中采用的是 LN 电光晶体. 它的工作原 理如下： LN 晶体是三方晶体 n1 n2 = no ， n3 ne ，折射率椭球为以 z 轴为对称轴的旋转椭球，垂直于 z 轴的截面 为圆,如图 1。 Z N3
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关系 . 也就是说 , 电信号调制了光强度 , 这就是电光调制的原理 . 改变信号源各参数对输出特性的影响如下： ①当 U 0
U 、 U m << U 时，将工作点选定在线性工作区的中心处，如图 3 （ a ）所示，此时，可获 2
得较高效率的线性调制，把 U 0
U 代入（ 1 ）式，得 2
T ∝ sinωt (3)
这 时 ， 调制 器 输出 的 信号 和 调 制信 号 虽然 振 幅不 同 ， 但是 两 者的 频 率却 是 相 同的 ， 输出 信 号不 失 真 ， ②当 U 0 0 、 U m << U 时，如图 3 （ b ）所示，把 U 0 0 代入（ 1 ）式
T sin 2 (
n2
n1
y
x
图1
折射率椭球
其电光系数为：
0 0 0 0 51 22
22
22
0
13 13 33
0 0 0
51
0 0
没有加电场之前，LN 的折射率椭球为
x2 y 2 z 2 2 1 2 no ne

2U
U m sin t )
1 [1 cos( U m sin t )] 2 U (
1 4

U
U m ) 2 sin 2 t
1 U ( m ) 2 (1 cosБайду номын сангаас2t ) 8 U
即 T ∝ cos2ωt （ 4）
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从 （ 4 ） 式 可以 看出 ，输出 信 号的 频率 是 调制 信号 频 率的 二倍 ， 即产 生“ 倍 频” 失真 。 若把 U 0 U 代 入（ 1 ）式，经类似的推导，可得
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渐改变，输出的光强将会出现极大极小值，相邻极大极小值之间对应的直流电压之差就是半波电压。 具体步骤是：去掉 1/4 波片，调节检偏器使输出光强最小，然后将信号源中正弦波的输出幅度调节 至零，打开高压开关，每隔 10V 逐渐增加直流偏压 V ，同时读出示波器上硅光电探测器输出的电 压值 P V （相对光强） ，作 V — P v 曲线，求出 LN 晶体半波电压 U 。 5. 动态调制曲 线测量 正 弦波 信号 电压 U m =0.2 U ， 分别 测量 直流偏 压 U 0 输入信号和调制后曲线。 6. 电光调 制与光通讯实 验演示 将音频信号输入到本机的“音频输入”插座 , 光电探测器输出口接到信号源“探测信号”口，将有 源扬声器输入端插入“解调信号”插座 , 加晶体偏压或旋转波片使电光晶体进入调制特性曲线的线性 区 域 ， 即 可以 使 扬声 器 播放 音 频 节目 。 改变 偏 压或 旋 转 波片 试 听扬 声 器音 量 与 音质 的 变化 。 用不 透 光 物 体遮住激光光线，声音消失，说明音频信号是调制在激光上的，验证光通讯。
U U 、 U 0 0 U 0 时 的调 制曲 线，绘 制 2 5
五、实验报告要求
计算电光晶体的半波电压，坐标纸或计算机绘制相关曲线，并对实验结果给出分析。
六、讨论题
如果检偏器和起偏器没有正交，对静态、动态调制曲线会产生什么影响？
注意事项 :
1. 保护光学表面 2. 本实验使用的晶体根据其绝缘性能最大安全电压约为 500V, 超值易损坏晶体 . 3. 在实验过程中，应避免激光直射到人眼，以免对眼睛造成伤害。 4. 本实验仪所用光学器件均为精密仪器，在使用时应十分小心。
沿着三个主轴方向上的双折射率为
1 3 ' ' 3 nx ny no ne (ne 33 no 13 ) E 2 n' 0 z
上式表明,LN 晶体沿 z 轴方向加电场之后,可以产生横向电光效应,但是不能够产生纵向电光效应. 经过晶体后,o 光和 e 光产生的相位差为:
图 2 晶体尺寸 式中没有出现交叉项,说明新的折射率椭球的主轴与旧折射率椭球的主轴完全重合.所以新的主轴折射率为
1 2 1 3 n' n' 1 E no no 13 E x y 13 2 2 no 1 2 1 1 3 nz' 2 33 E ne ne 33 E 2 ne
当光通过长为 l 的电光晶体后， x ′和 y ′两分量之间就产生相位差 δ ，即
Ex (0) A, Ey' (0) A e i
通过检偏振片出射的光，是该两分量在 y 轴上的投影之和
(E y )0
其对应的输出光强 I t 可写成
A 2
(e
i
1)
I t [( E y ) 0 ( E y ) 0 ]
T
1 U 1 ( m ) 2 (1 cos 2t ) 8 U
（ 5）
即 T ∝ cos2 ω t ，输出信号仍是“倍频”失真的信号。 ③直流偏压 U 0 在 0 伏附近或在 U 附近变化时，由于工作点不在线性工作区，输出波形将失真。 但不满足小信号调制的要求， （ 2 ）式不能写成（ 3 ）式的形式。因此，工作点虽然选定在了线性区，输 出波形仍然是失真的。