6实验六 晶体的电光调制实验

实验七 晶体的电光调制实验

一、实验目的：

1、了解电光调制的基本原理及铌酸锂晶体横向调制的基本机构。

2、掌握铌酸锂电光调制器的调试方法并测量和计算晶体的特性参数。

二、实验仪器：

DGT-1电光调制实验仪，晶体电光调制器，半导体激光器，双踪示波器等。

三、实验原理：

某些晶体在外加电场的作用下，其折射率随外加电场的改变而发生变化的现象称为电光效应，利用这一效应可以对透过介质的光束进行幅度,相位或频率的调制，构成电光调制器。电光效应分为两种类型：

（1）一级电光（泡克尔斯—Pockels ）效应，介质折射率变化正比于电场强度。

（2）二级电光（克尔—Kerr ）效应，介质折射率变化与电场强度的平方成正比。

本实验仪使用铌酸锂（LiNbO 3）晶体作电光介质，组成横向调制（外加电场与光传播方向垂直）的一级电光效应。

图1 横向电光效应示意图

如图1所示，入射光方向平行于晶体光轴（Z 轴方向），在平行于X 轴的外加电场（E ）作用下，晶体的主轴X 轴和Y 轴绕Z 轴旋转45°，形成新的主轴X ’轴—Y ’轴（Z 轴不变），它们的感生折射率差为Δn ，并正比于所施加的电场强度E ：

rE n n 3

0=∆

式中r 为与晶体结构及温度有关的参量，称为电光系数。

n 0为晶体对寻常光的折射率。

当一束线偏振光从长度为l 、厚度为d 的晶体中出射时，由于晶体折射率的差异而使光波经晶体后出射光的两振动分量会产生附加的相位差δ，它是外加电场E 的函数：

１

3300222l nl n rEl n r U d π

π

πδλλλ⎛⎫=∆== ⎪⎝⎭

(1) 式中λ为入射光波的波长；同时为测量方便起见，电场强度用晶体两极面间的电压来表示，即U=Ed 。

当相差πδ=时，所加电压

l d r n U U 302λ

π== (2) πU 称为半波电压，它是一个可用以表征电光调制时电压对相差影响大小的重要物理量。由

（2）式可见，半波电压 决定于入射光的波长λ以及晶体材料和它的几何尺寸。由（1）、（2）式可得：

δ（U ）=（πU / U π）+δ0 (3)

式中δ0为U=0时的相差值，它与晶体材料和切割的方式有关，对加工良好的纯净晶体而言δ0=0 。

图2 电光调制器工作原理

图2为电光调制器的工作原理图。

由激光器发出的激光经起偏器P 后只透射光波中平行其透振方向的振动分量，当该偏振光I P 垂直于电光晶体的通光表面入射时，如将光束分解成两个线偏振光，则经过晶体后其X 分量与Y 分量会产生)(U δ的相差，然后光束再经检偏器A ，产生光强为I A 的出射光。当起偏器与检偏器的光轴正交（A ⊥P ）时，根据偏振原理可求得输出光强为：

()()⎥⎦

⎤⎢⎣⎡=2sin 2sin 22U I I P A δα (4) 式中x p θθα-=，为P 与X 两光轴间的夹角。

若取︒±=45α，这时U 对I A 的调制作用最大，并且

I A = I P sin 2 ［δ（U ）/2］ (5)

再由（3）式可得

I A = I P sin 2 ［(1/2) (πU/U π)］

π

U

２

于是可画出输出光强I A 与相差δ（或外加电压U ）的关系曲线，

即 或 如下图3所示

:

图3 光强与相差（或电压）间的关系

由此可见：当()()ππδkU U k U 22==或 （k=0，±1，±2，…）时，I A =0

当()ππδU k U k U )12()12(+=+=或时， I A = I P

当()U δ为其它值时， I A 在p I ~0之间变化

由于晶体受材料的缺陷和加工工艺的限制，光束通过晶体时还会受晶体的吸收和散射，使两振动分量传播方向不完全重合，出射光截面也就不能重叠起来。

于是，即使两偏振光处于正交的状态，且在 ︒±=-=45X P θθα的条件下，

当外加电压0=U 时，透射光强却不为0， 即0min ≠=I I A

πU U =时，透射光强也不为I P ， 即P A I I I ≠=max

由此需要引入另外两个特征参量：

消光比 m i n m a x I I M = 透射率 0

m a x I I T = 式中，I 0为移去电光晶体后转动检偏器A 得到的输出光强最大值。

M 愈大，T 愈接近于1，表示晶体的电光性能愈佳。半波电压πU ，消光比M ，透光率T 是表征电光晶体品质的三个特征参量。

从图3可见，相差在2πδ=（或2

πU U =）附近时，光强I A 与相差δ（或电压U ）呈线性关系，故从调制的实际意义来说，电光调制器的工作点通常就选在该处附近。图4为外加偏置直流电压与交变电信号时光强调制的输出波形图。

U I A ~()U

I A δ~

３

图4 选择不同工作点时的输出波形

由图4可见，选择工作点②（U=U π/2）时，输出波形最大且不失真。

选择工作点①(0=U )或③ 时，输出波形小且严重失真，同时输出信号的频率为调制频率的两倍。

工作点的偏置可通过在光路中插入一个透光轴平行于电光晶体X 轴的λ/4波片（相当于附加一个固定相差2

πδ=）作为“光偏置”。但也可以加直流偏置电压来实现。 四、实验装置

电光调制实验系统由光路与电路两大单元部件组成，如图5所示：

图5 电光调制实验系统结构

（一）光路系统

由激光管(L)、起偏器(P)、电光晶体(LN)、检偏器(A)与光电接收组件(R)以及附加的减光器(P 1)和λ/4波片(P 2)等组装在精密光具座上，组成电光调制器的光路系统。

()πU U =