磁光调制实验报告

磁光调制实验报告

课程：_____光电子实验_____

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专业：信息工程

南京大学工程管理学院

磁光调制实验报告

一、实验目的

1 观察磁光调制现象

2 测量调制深度与调制角幅度

3 测定旋光角与外加磁场的关系

4 测量直流磁场对磁光介质的影响

5 磁光调制与光通讯实验演示

二、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 λ

πθ2=

l n R R λ

π

θ2=

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 求出威德尔常数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：

[][])sin (2cos 12

)(2cos 12)(cos 000

20t 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。

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

0π

θα≤

+≤

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 120max θα-+=I

I

[])(2cos 12

0min θα++=I

I （5）

如图3所示：

（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(20

max 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=

⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛+-=

=-min max min max 10sin 21I I I I θθ （7） 三、实验内容

1 观察磁光调制现象

（1）按图4所示，参照图8“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）打开调制加载开关，调制幅度开关最大，此时直流磁场为零，转动检偏器，在示波器上同时观察到调制波形与解调输出波形；再细调检偏器的转角，即可明显地看到解调波与调制波的倍频关系，此时光强指示为最小值，检偏器透光轴与起偏器透光轴垂直， ︒=90α。

2 测量调制深度与调制角幅度

在示波器中显示出解调波形时，调节检偏器偏角，读出波形曲线上相应的光强信号的最大值I max 和最小值I min ，代入（6）式和（7）式，计算出调制深度η和调制角幅度θ0。

实验测得：I max=4.56 I min =0.24

调制角幅度⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+-=

=-min max min max 10sin 21I I I I θθ=32.08 调制深度：θηsin2==0.9

3、测定旋光角与外加磁场的关系