电光调制实验

一、实验目的

1、了解铌酸锂电光调制器的结构和工作原理；

2、掌握此调制器的使用方法；

3、学习此调制器的典型运用。

 

二、实验内容

组装电光调制实验装置，调节理想工作状态，观察实验现象。

 

三、实验仪器

1、铌酸锂电光调制器                                                     1套

2、起偏器                                                               1个

3、检偏器                                                               1个

4、1/4波片                                                              1个

5、He-Ne激光器（带电源）                                               1台

6、光电探测器                                                           1个

7、ZY60电光调制器信号源                                                1台

8、20MHz 模拟双踪示波器                                                1台

 

四、实验原理

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。用来作为调制元件的晶体必须按相对于光轴的一些特殊方向进行切割成长方形或圆柱形等形状。当电场加在晶体上时，其折射率的变化可能是线性效应（普克尔效应），也可能是平方效应（克尔效应）。

加电场的方向通常有两种方式：一是电场沿着晶体主轴（光轴方向），使电场方向与光线方向平行，产生纵向电光效应；二是电场方向沿着其他任意主轴方向，即取通光方向与电场方向垂直，产生横向电光效应。本实验是利用晶体在外加电场作用下，折射率的变化与电场大小成正比的线性电光效应进行调制。

1、横向电光效应

由晶体光学原理可知，对于横向电光效应，在加上电压之后，晶体旋转后的两个主轴方向和方向的折射率要发生变化，不再相等。因而沿和方向振动的光的传播速度也不相等，这样在经过长为厚为的晶体后要产生相位差。经数学推导，有如下表达式：

上式中第一项表示天然双折射造成的相位差，第二项由电光效应引起，为电光延迟。是光通过晶体在主轴和方向传播的相位差；V是沿垂直晶体光轴方向加上的电压。为晶体的横向半波电压，对一定传播长度而言，与晶体的厚度成正比，晶体越薄，则横向半波电压越小，越容易实现电光调制。

 

2、横向电光调制器结构

 

 

典型的电光振幅调制器结构如图1所示。P、Q分别为起偏器和检偏器，能将寻常光转换为与偏振片偏振方向相同的偏振光。二者结构相同，但偏振方向相互垂直。P的偏振方向平行于晶体的x主轴，Q的偏振方向平行于晶体的y主轴。在P、Q之间放置铌酸锂电光晶体和1/4波片。

3、调制原理

加上横向电场后，铌酸锂电光晶体的感应主轴分别旋转到与原主轴成45º的夹角方向和。入射光经过P后分解成沿和轴两个相位和振幅都分别相等的分量。若入射光的输入光强，则输出光强=22sin2(/2)。所以透过率：

                  

 

图2 电光信号调制曲线

由T-V曲线图可以看出，其关系曲线是非线性的，所以必须选取合适的调制工作点，否则调制光强将发生畸变。但是在附近有线性关系，因此在实际使用时，必须设法使调制器工作在这段线性部分。在中间加入1/4波片，使得在和两个分量间的相位差＝π/2，此时透过率为：

式中电压V在直线部分变动，由于调制电压值一般远小于半波电压,即,因而上式可近似为

                         

这表明在一个小的正弦调制电压的作用下，就会使已调制光波的强度变化与调制信号成线性关系，那么光强的变化就能正确的反映信号的变化。当V＝0时，透过光强I＝0；当时，透过光强最大；时，透过的光强为最大值的一半。

图3为加波片和不加波片的区别示意图

由图可见,加波片相当于给调制器增加了一个直流偏压,从而使调制器的工作点移到这一中心点，在此工作点附近，输出光强度随外加电压的变化近似线型，于是很小的正弦信号就能引起不畸变的正弦输出调制光强。

五、注意事项

1、ZY605电光调制器的信号源的输出有100V以上的高压，采用示波器测试时应10倍衰减后才能观察到信号特征。

2、请勿与信号源的输出端接触，以免发生触电事故。

3、请勿将激光器照射人眼，以免造成伤害。

4、电光调制仪器属于精密仪器系列，实验操作过程中应轻拿轻放，以免损坏仪器。

 

六、实验步骤

1、 实验装置如图4所示；

 

图4  实验装置

 

2、按如图所示布置好光路的各元器件，打开氦氖激光器电源开关，调整底座高度，使输出的光束依次通过起偏器、电光调制晶体、波片、检偏器后，光束落在探测器接收区域，将探测器与示波器的CH1/CH2相连，直接观察此时有无光照的情况下示波器波形的变化；

3、将ZY605电光调制器信号源的信号输出CH1/CH2输出电缆线鳄鱼夹与示波器的探头CH2/CH1相连，打开信号源开关，将信号源的输出信号设置为峰-峰值=80V左右，频率设置为1KHZ，关闭电源；

4、将ZY605电光调制器信号源的信号输出CH2输出电缆线与电光调制器相连；（注意：在连线过程中请勿动各装置的位置。）

5、打开信号源开关，调整起偏器和检偏器，使之成正交，再调整1/4波片，观察示波器的波形，直到调制出来的波形清晰且无失真为止；

6、改变信号源的输出频率，让低频信号源输出一定频率的正弦波，此时在示波器上便

可以观察到调制光的波形，记录所观测到的波形；

7、调节此正弦信号的幅度，记录波形的变化；

8、关掉各供电电源，结束实验。

七、思考题

1、上述实验可否去掉1/4波片，采用在低频信号上加直流偏压的方式实现该实验？若不行，请说明理由？若行，本试验为什么不采用此种方法？

2、实验过程中去掉起偏器或检偏器能否观察到实验现象？简述其原因。