电光调制实实验讲义

电光调制实验实验讲义一、实验背景电光效应在工程技术和科学研究中有许多重要应用。

尤其是激光出现以后，电光效应的研究和应用得到了迅速发展，电光器件被广泛应用在激光通信、激光测距、激光显示和光学数据处理等方面。

晶体电光调制实验可以模拟电光效应在激光通信中的应用，验证激光通信传输速度快，抗干扰能力强，保密性好等优点。

通过该实验可以加深对偏振光干涉、双折射、非线性光学等知识的理解，培养学生的动手能力，提高学生的工程意识。

实验系统结构简单，易于操作，实验效果理想。

二、实验目的1. 观察电光效应引起的晶体光学性质的变化（单轴晶体、双轴晶体的偏振干涉图）。

2. 观察直流偏压对输出特性的影响，记录数据并绘制输出特性曲线。

3 观察铌酸锂晶体交流调制输出特性。

4. 模拟光通信。

三、实验仪器图1 实验仪器实物图（双踪示波器自备） 1.半导体激光器及四维可调支架 2.起偏器 3.铌酸锂晶体 4.检偏器（及1/4波片) 5.光屏 6.导轨 7.电光调制电源箱 8.接受放大器四、实验原理晶体分各向同性晶体与各向异性晶体。

其中各向异性晶体会发生双折射，而各向同性晶体只会发生普通折射。

光束入射到各向异性的晶体，分解为o 光和e 光。

如果光束沿着光轴的方向传播不会发生双折射现象。

这里光轴并非指一条直线，而是一个特殊的方向。

晶体中o 光与光轴构成的平面叫o 光主平面，e 光与光轴构成的平面叫e 光主平面。

o 光振动方向垂直于o 光主平面，e 光的振动方向平行于e 光主截面。

一般情况下，o 光主平面与e 光主平面不重合，但是理论与实践均表明，当入射线在晶体主平面时o 光主平面与e 光主平面重合。

实用中一般均取入射线在晶体主截面内的情况。

各向异性晶体中o 光与e 光的传播速度一般不同。

速度e o v v >的晶体称为正晶体，e o v v <的晶体称为负晶体。

铌酸锂晶体是各向异性负晶体。

由于双折射现象，当入射光不沿光轴方向入射时，产生的o 光与e 光对应不同的折射率o n 与e n 。

寻常光o 的折射率对于介质来说是各向同性的，其波面是个球面；非寻常光的折射率对于介质来说是各向异性的，其波面通常是椭球面。

当o 光与e 光以不同的速度垂直穿过相同厚度晶体时，会产生一定的相位差()o e o l n n -=λπδ2铌酸锂晶体具有优良的压电、电光、声光、非线性等性能。

本实验中采用的是LiNbO 3晶体的光电特性。

(一）会聚偏振光的干涉汇聚偏振光的实验装置如图2所示，4321L L L L 、、、是透镜，21、P P 是正交偏振片，C 是光轴与晶体表面垂直的晶片。

短焦距透镜2L 将透过1P 的平行偏振光转化为一束会聚偏振光入射到晶片C 上的Q 点，从C 出射的光再经同样的透镜3L 后转化为平行光入射到偏振片2P ，最后透镜4L 把3L 的后焦面成像于屏幕M 上。

这样，凡以相同方向通过晶片C 的光线，最后将会会聚到屏幕M 上同一点。

易见该光路对装置轴线BO 具有对称性。

这种装置产生的干涉图样示于图13，它也具有中心对称性，是一组明暗相间的同心圆环，圆环上有一个与1P 方向平行及垂直黑十字形“刷子”。

其成因如下：图3（a ）中从透镜2L 上一点B 射向晶片的光线，它与晶片光轴方向所成平面用阴影区表示，此阴影区即为主截面。

入射平行自然光经1P 后变为振动方向沿1P 透振方向的线偏振光，它经2L 后会聚与晶片Q 点。

除沿光轴方向前进的主光线外，其他光线在晶片内均可分解为o 光与e 光，如图3（b ）所示。

设主截面与1P 透振方向夹角为θ，1E 的振幅为1A ，显然e E 1和o E 1的振幅分别为图 3()1sin ,cos 1111θA A θA A o e ==由于e 光和o 光在晶片内折射率不同，在晶片内的传播方向也有差别（如图4（b ）所示），两光出射时晶片使它们产生了相位差c δ。

这两束光通过2P 时再次在2P 的透振方向投影，得到e E 2与o E 2两分量，图4 (c )示出了各量关系的平面投影图。

易得()2cos sin cos sin cos sin 112112⎩⎨⎧====θθA θA A θθA θA A o o e e若入射角为φ则产生的相位差为 ()3cos 2ϕλπδd n n eo c -=考虑到e E 2与o E 2反向，此时存在附加相差πδ''=，故BQ 方向入射的光束经2P 后的干涉光强为(c)E 1P 2E 2oE 1e E 2e E 1o P 1ZZ ’θ图2BL 1L 2L 3L 4MO CP 1P 2Qφ(b)()4cos 12sin 21)(cos 221222222).δθ(I πδA A A A I c c o e o e -=+++= 其中211A I =。

干涉圆环成因，根据以上分析可知以不同入射角入射的光线再经片中分解为o 光与e 光后产生相位差不同，因而c δ也不同，反映到干涉图像上即对应不同半径的干涉环。

十字刷成因，由式（4）可知干涉圆环强度受到因子θ2sin 的调制。

当θ等于0或2π即光线的振动方向与1P 、2P 的透振轴方向平行或垂直时，I =0即出现暗十字刷。

从物理图像看，当θ为上述值时，经过2L 后会聚光对与晶片只是一种光，不发生双折射即晶片不起作用，故21P P ⊥使得出射光消失。

若装置中21//P P ，此时干涉圆环形状不变只是暗十字刷变成了亮十字刷即与原来的图像明暗互补。

（二）电光调制原理电光效应：某些晶体或液体加上电场后， 其折射率发生变化， 这种现象称为电光效应。

晶体在外加电场的作用下其折射率的改变（0n n n -=∆）与外加电场的函数关系可以表示为K K ++=∆221E c E c n 式中21,c c 、中为常量，0n 为未加电场时晶体的折射率，第一项称为线性电光效应或泡克尔斯（Pockels ）效应，第二项称为二次电光效应或克尔（Kerr ）效应。

大多数晶体，一次效应要比二次效应显著，特别是在外加电场不是很强时，往往可以略去二次效应，只考虑线性电光效应。

电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的电光效应而进行工作的。

根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不同，调制方式可分为纵向调制和横向调制。

电场方向与光的传播方向平行，称为纵向电光调制；电场方向与光的传播方向垂直，称为横向电光调制。

横向电光调制的优点是半波电压低，驱动功率小等，应用较为广泛。

它的缺点是会由自然双折射引起相移，对温度敏感等。

本电光调制实验系统是以铌酸锂晶体的横向调制为基础工作的。

LiNbO 3晶体是三方晶体o n n n ==21，e n n =3， x 、y 、z 轴为晶体的主轴，且z 轴为光轴。

没有加电场之前，LiNbO 3的折射率椭球为)5(122222=++eo n z n y x当光沿z 轴方向传播时，在x 方向(横向)加上电场x E 后，晶体将由单轴变为双轴，其主轴(x 和y )绕z 轴转45°，成为新的主轴x′、y′、z′轴(又称为感应轴)。

则其折射率椭球变为:）（612221112251512332213222215222=-++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-yx E xz E yz E z E n y E E n x E E n x x z z e z y o z y o γγγγγγγγyx E 为加在x 方向上的电场强度，xy r 为晶体的电光系数,其中28830436851332213====γγγγ，.，.，.，单位是V cm -1010。

在本实验中,我们采用的是z 轴通光，x 轴加电场的方式，也就是说，E ，E E E x z y ===0 ,那么（6）式就可以变为）（71222251222222=-+++xy E xy E n z n y n x x x eo o γγ 因为151<<x E γ，故对应项可以忽略，经坐标变换，可求出三个感应主轴',','z y x （z'仍在z 方向上）上的主折射率变成：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=-=+=）（82121223223e z'xo o y'x o o x'n n E γn n n E γn n n铌酸锂晶体由单轴晶体变为双轴晶体，其折射率椭球z 轴的方向和长度基本保持不变，而x,y 截面由半径为o n 的圆变为椭圆，椭圆的长短轴方向x′、y′相对原来的x,y 轴旋转了450，转角的大小与外加电场的大小无关，而椭圆的长度y'x'n n 、的大小与外加电场x E 成线性关系。

其中，x E 为加在x 方向上的电场强度，22r 为晶体的电光系数。

由于电光晶体折射率的改变，当一束线偏振光从晶体中射出后，沿感应轴','y x 的2个振动分量将具有1个确定的相位差，这种由外电场xE 调制相位差的晶片，称为电光调制器。

图5所示为典型的利用LiNbO 3晶体横向电光效应原理制成的电光调制器的结构示意图。

其中起偏器的偏振方向平行于电光晶体的x 轴，检偏器的偏振方向平行于y 轴。

因此，入射光经起偏器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','y x 上投影的振幅和相位均相等。

则有⎩⎨⎧==)9()0()0(''AE A E y x图5 电光调制器的结构示意图(9)式是晶体表面(z = 0)处的入射光振幅的表达式。

入射光的强度为)10(2)0()0(22'2'*0A E E E E I y x =+=•∝当光通过长为l 的电光晶体后，在晶体感应轴 x ′和y ′的两分量相位差为δ 则)11()()(''⎪⎩⎪⎨⎧==-δωωi t i y ti x Ael E Ae l E通过检偏器出射的光是两分量在y 轴上的投影之和)12()1(2ti i y e e A E ωδ-=其对应的输出光强I 可写成)13(2sin 2)]1)(1[(2222δδδA e e A E E I i i y y =--=•∝-*由(10) 式、(13) 式得)14(2sin20δI I =由(3) 式得相位差δ应满足()()(15)222223l E γn λπl n n λπl n n λπδx o y'x'e o =-=-=而d V E x = ， 则(15) 式可写成(16)2223V dlr n λπδo =当电压V 增加到某一值时， x ′， y ′方向的偏振光经过晶体后产生2λ的光程差， 相位差δ=π 此时相对透过率% I/I T 1000== ， 这一电压叫半波电压， 记为πV 。