电光调制实验.doc
电光调制实验实验报告
电光调制实验实验报告【实验目的】1、掌握晶体电光调制的原理和实验方法2、学会利用实验装置测量晶体的半波电压，计算晶体的电光系数3、观察晶体电光效应引起的晶体会聚偏振光的干涉现象【实验仪器】铌酸锂晶体，电光调制电源，半导体激光器，偏振器，四分之一波片，接收放大器，双踪示波器【实验内容及步骤】一、调整光路系统1、调节三角导轨底角螺丝，使其稳定于调节台上。
在导轨上放置好半导体光源部分滑块，将小孔光栏置于导轨上，在整个导轨上拉动滑块，近场远场都保证整个光路基本处于一条直线，即使光束通过小孔。
放上起偏振器，使其表面与激光束垂直，且使光束在元件中心穿过。
再放上检偏器，使其表面也与激光束垂直，转动检偏器，使其与起偏器正交，即，使检偏器的主截面与起偏器的主截面垂直，这时光点消失，即所谓的消光状态。
2、将铌酸锂晶体置于导轨上，调节晶体使其x轴在铅直方向，使其通光表面垂直于激光束（这时晶体的光轴与入射方向平行，呈正入射），这时观察晶体前后表面查看光束是否在晶体中心，若没有，则精细调节晶体的二维调整架，保证使光束都通过晶体，且从晶体出来的反射像与半导体的出射光束重合。
3、拿掉四分之一波片，在晶体盒前端插入毛玻璃片，检偏器后放上像屏。
光强调到最大，此时晶体偏压为零。
这时可观察到晶体的单轴锥光干涉图，即一个清楚的暗字线，它将整个光场分成均匀的四瓣，如果不均匀可调节晶体上的调整架。
如图四所示4、旋转起偏器和检偏器，使其两个相互平行，此时所出现的单轴锥光图与偏振片垂直时是互补的。
如图五所示图四图五6、晶体加上偏压时呈现双轴锥光干涉图，说明单轴晶体在电场作用下变成双轴晶体，即电致双折射。
如图六所示7、改变晶体所加偏压极性，锥光图旋转90度。
如图七所示图六图七8 只改变偏压大小时，干涉图形不旋转，只是双曲线分开的距离发生变化。
这一现象说明，外加电场只改变感应主轴方向的主折射率的大小、折射率椭球旋转的角度和电场大小无关。
二、依据晶体的透过率曲线(即T-V曲线)，选择工作点。
电光调制
电光调制电光调制四电光调制与光信模拟实验袁礼文10329073 光信02班C2组2013-03-13&20 一、实验目的通过实验操作以及数据进行分析,学习并掌握电光调制、声光调制、磁光调制的机制及运用，在此基础上进一步了解光通信系统的结构。
二、实验仪器晶体电光调制电源，铌酸锂（LiNbO3），He-Ne 激光器及可调电源，可旋转偏振片，格兰棱镜，光接收器，有源音响图三、实验原理1、电光调制的物理机制电光调制的物理基础是电光效应，目前已发现有两种电光效应，一种是泡克耳斯（Pockels）效应，即折射率的变化量与外加电场强度的二次方成正比。
另一种是克尔效应，即折射率的变化量与外加电场强度的二次方成比例。
利用克尔效应制成的调制器称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。
利用泡克耳斯制成的调制器称为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。
泡克耳斯盒又有纵向调制器和横向调制器两种。
现以实验中使用的电光晶体DKDP （磷酸二氘钾）横向调制为例阐述电光调制的简单机理。
图2 电光调制器原理图原理图如上图所示，晶体位于两个正交的偏振器之间，起偏器 P 1的偏振方向平行于电光晶体的 Y 轴，光没晶体入射光的 X 轴方向加上电场后，它们将旋转 45°变成感应轴X ’、Y ’。
现在对晶体内部的偏振光传播进行讨论。
DKDP 是负单轴晶体，它的折射率椭球方程为：2221o o ex y z I I I ++=（1）其中 x 为光轴方向，在平行于光轴的方向加上电压后，折射率椭球方程变为：2226321z o o ex y z E xy I I I γ+++=（2）对上式进行坐标系的变换，消除式中的交叉项：()()'cos 45'sin 45''/2'sin 45'sin 45''/2'x x y x y y x y x y z z ⎧=-=-⎪⎪=+=+⎨⎪=⎪⎩（3）可推导出加了电场后，折射率椭球方程为：2222221'''x y zx y z n n n ++=（4）介电主轴的折射率变为：（5）沿 Z 轴入射的光束经起偏器变为平行于 X 轴的线偏振光，进入晶体后（在 Z ＝0处），被分 解 成 沿 OX ’、OY ’方向的两个分量，其振幅和相伴都相等，用复数表示为E X’(0)=A, E Y’(0)=A，入射光强度为（6）当光通过长度为L 的晶体后，由于电光效应，E X’、E Y’之间就产生一个相位差δ，从而有：（7）光从晶体出射后，通过检偏器后的光是晶体中的光的两分量在Y 轴上的投影之和，即：（8）从而对应的输出光的强度为：（9）其中，, 从而可知调制器的透过率为：（10）当从晶体出射的光的两个分量的相位差为δπ=时，外电场所加的电压为半波电压，可求得此时的电压为：（11）从而可知透过率可表示为：（12）当加在晶体上的直流电压为U 0，同时加在晶体上的交流调制信号是sin mUtω其中Um 是其振幅，ω是调制频率。
电光调制试验
2π
V 1 3 l • ne − no + no r6 z E Z ，又 E Z = ， d 2 λ
π l 3 • no r6 zV 。 λ λ d 上式前項與外加電壓無關，是由 KDP 自然雙折射效應所造成的相位移。其後項才是與外 加電場成正比的電光效應。因為 (ne − no ) 項的存在，使相位差 δ 對溫度極端敏感，故不可單 獨使用。 為了減少 45°－Z 切割 KDP 晶體的橫向效應中，自然雙折射的延遲現象，該種晶體在使用 時，經常成對出現，垂直偏極光與水平偏極光通過此晶體的相位延遲分別為
電光調制實驗-2
近代光學實驗
圖二
EOM 內部結構示意圖
2 2 設光通過 P1 後，強度為 2 AO （即 I in ＝2 AO ） ，當其通過 KDP 晶體後，依垂直與水平兩振
動方向，分成快慢兩個分量，二者間的相位差 δ =
2π
λ
•
l 3 • no r6 zV ，因 Vλ d
2
=
λd
2 ln 3 o r6 z
，則
δ=
V π ……（＊） Vλ 2
落在檢偏鏡上的兩個光波，波方程式可分別表示如下： E Z = AO e iωt ， EY ' = AO e i (ωt −δ ) 。設
通過 P2 後，光的振幅為 E P 2 ，是上述兩個電場在 P2 偏振軸上的分量和，則 E P 2 可表示為： EP2 = A 2 2 AO e iωt − AO e i (ωt −δ ) = o e iωt 1 − e iδ 。光感知器接收到的是光的強度 I out ，則 2 2 2
δ=
2π
•
l 的比值 ， 大幅降低了橫向效應 Vλ 2 的驅動電壓。 d 又因外加電場方向恆與入射光方向垂直，晶體又不需要蒸鍍昂貴的透明電極，使得在實用上
电光调制实验报告
电光调制实验报告电光调制实验报告引言电光调制是一种利用电场对光进行调制的技术，广泛应用于通信、光学传感和光学信息处理等领域。
本实验旨在通过搭建电光调制实验装置，探究电场对光的调制效果，并分析其应用前景。
实验装置本次实验所使用的电光调制实验装置包括：光源、偏振器、电光调制器、光电探测器和示波器。
其中，光源发出的光经过偏振器后，进入电光调制器，在电场的作用下发生相位差变化，最后通过光电探测器转化为电信号，再经示波器显示出来。
实验步骤1. 将光源、偏振器、电光调制器、光电探测器和示波器依次连接起来，确保电路连接正确。
2. 调整偏振器的角度，使得光通过电光调制器时，其电场与电光调制器的极化方向垂直。
3. 打开光源和示波器，调节示波器的参数，观察示波器上的波形变化。
4. 改变电光调制器的电压，观察示波器上的波形变化，并记录下来。
5. 重复步骤4，但同时改变偏振器的角度，观察示波器上的波形变化，并记录下来。
实验结果与讨论通过实验观察和记录，我们可以得到以下结论和讨论：1. 电场对光的调制效果：随着电光调制器电压的增加，示波器上的波形振幅逐渐增大，说明电场对光的幅度进行了调制。
这说明电光调制器能够通过改变电场的强度来调制光的强度。
2. 电场对光的相位调制效果：通过改变电光调制器的电压和偏振器的角度，我们可以观察到示波器上的波形发生相位差的变化。
这说明电光调制器能够通过改变电场的强度和方向来调制光的相位。
3. 电光调制器的应用前景：电光调制技术在通信领域有着广泛的应用前景。
通过调制光的幅度和相位，可以实现光信号的调制和解调，从而实现高速、大容量的光通信。
此外，电光调制器还可以用于光学传感和光学信息处理等领域，提高系统的灵敏度和可靠性。
结论通过电光调制实验，我们深入了解了电场对光的调制效果，并探讨了其应用前景。
电光调制技术在通信、光学传感和光学信息处理等领域具有重要的应用价值，为实现高速、大容量的光通信提供了有力支持。
电光调制实验(通达)
U U
d 3 2n0 r l
消光比和透射率
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。 当外加电压U＝0时，透射光强的最小值却不为0；当外加电压U ＝U 时，透射光强的最大值却不为IP，由此需要引入另外两 个特征参量： I max 消光比 M
实验步骤说明
进行光路准直时，为使激光能正射透过晶体，必需反复 对激光、晶体与光电接收孔者加以准直调整。 为获得较好的实验效果，光量宜调节在光强指示表为 0.1(最小)至5.6(最大)的读数范围之内。本实验使用的 晶体根据其绝缘性能最大安全电压约为510V左右，超值 易损坏晶体。 调节过程中应避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。 加偏压时应从0伏起逐渐缓慢增加至最大值，反极性时 也应先退回到0值后再升压。 作IA~ U曲线时，正、负偏压数据作在同一图上。
电光效应
电光调制的物理基础——电光效应 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。 本实验使用铌酸理（LiNbO3 ）晶体作电 光介质。
电光调制器的工作原理
X P a Ip ±U La 光输入 光电 电信号输出 检测器 Y A X
Y
激光器
起偏器(P)
2 2
d 其中， U 为半波电压： U 3 2n0 r l
它是一个用以表征电光调制电压对相位差影响的 重要物理量。半波电压U 决定于入射光的波长、晶 体材料和它的几何尺寸。
光强与外加电压的关系
U I A I P sin 2 U
I min
实验21 电光调制
示波器
图 4 系统连接方法
-4-
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
实验二电光调制实验
一、實驗目的：1.了解熟悉電光效應(Electro-Optical Effect)。
2.接觸非線性光學（Nonlinear Optics）題材。
二、實驗內容：1.KDP光調製(EOM)組基本特性的測量。
2.EOM對頻率的響應。
三、實驗器材：1.He-Ne laser2.Polarizer (P1, P2)3.Pockels cell (內為KDP晶體)4.高壓電源供應器5.光度計6.光具座7.示波器8.波形產生器9.信號放大器 (OP amp)四、原理：1.電光晶體中的折射率分布可用橢球表示如下2.若外加電場，則會使折射率改變，方程式必須改變為3.外加電場與折射率的關係可用矩陣表示如r ij為電光係數4.利用晶體的對稱性可使多個電光係數為零，故矩陣成為5.若電場只加在Z軸上，則橢球方程式為：由此可知外加電場在Z軸上，會使橢球繞Z軸轉動一個角度θ，X軸及Y 軸轉到了X’及Y’6.其中座標轉換的關係式為7.代入橢球方程式若θ＝45°8.與正橢球比較由近似可得------（*）9. 橫向效應用45°-Z 切割的晶體，在Z 軸加上電場使晶體成為電致雙晶軸晶體。
因晶體是45°切割，所以新建立的光軸X ’、Y ’就是立方體的邊。
將一平面偏極光垂直Y ’Z 平面入射，因偏振面與Z 軸夾了45°角且'Y Z n n ，因此光波會被分成E z 及E Y ’兩個分量。
在通過晶體之後，兩分量之間的相位差為將（*）代入式子的第一項是晶體的自然雙折射效應所造成的相位移，其對溫度極敏感，所以一般我們都是將此種晶體成對使用。
圖1 KDP 自然雙折射的利用裝置圖10.垂直偏極光與水平偏極光通過晶體之後所造成的相位延遲為其相位差為因此只要提高dl的值即可降低趨動電壓，且外加電場與入射光方向垂直，所以不需用到透明電極，可大幅降低成本。
五、 裝置圖：1. KDP 光調製(EOM)組，基本特性的測量：圖2電光調制實驗裝置圖2. 加補償器之裝置圖圖3 加補償器的裝置圖六、實驗步驟：1.KDP光調製（EMO）組，基本特性量測：(1)依照圖2.1的次序，將各光學元件與電路安裝完成，且完成光學路徑的準直工作。
电光调制试验
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当晶体上加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生 变化，椭球的方程变为
x2 y 2 z 2 2 2 2 yz xz xy 1 2 2 2 2 2 2 n11 n22 n33 n23 n13 n12
（3）
只考虑一次电光效应 ，上 式与式（ 2 ）相应项的系数 之差和电场强度的一次方 成正比。由于晶体的各向 异性，电场在 x 、 y 、 z 各个 方向上的分量对椭球方程 的各个系数的影响是不同 的，我们用右式形式表示
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13 23 EX 33 E 43 Y EZ 53 63
（4）
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上式是晶体一次电光效应的普遍表达式，式中 γij 叫做电光 系数 (i=1,2,…6;j=1,2,3)，共有18个，EX、EY、EZ是电场E在 x、y、z方向上的分量。 电光效应根据施加的电场方向与通光方向相对关系，可分 为纵向电光效应和横向电光效应。利用纵向电光效应的调 制，叫做纵向电光调制；利用横向电光效应的调制，叫做 横向电光调制。晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和 横向电光效应两种。把加在晶体上的电场方向与光在晶体 中的传播方向平行时产生的电光效应，称为纵向电光效应 ，通常以类型晶体为代表。加在晶体上的电场方向与光在 晶体里传播方向垂直时产生的电光效应，称为横向电光效 应 ，以晶体为代表。
0 0 0 ij 0 51 22
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其长短半轴的长度 和 分别等于波法线沿 ,电位移图2-1晶体折射率椭球
矢量振动方向分别与 和 平行的两个线偏振光的折射率 和 。显然 、 、 三者互相垂直,如果光波的传播方向 平行于x轴,则两个线偏光波的折射率等于 和 。同样当 平行于y轴和z轴时,相应的光波折射率亦可知。
(14)
通过检偏器出射的光,是这两分量在y轴上的投影之和
(15)
其对应的输出光强 ,可写成
(16)
由式(13)、(16),光强透过率T为
(17)
(18)
由此可见,δ和V有关,当电压增加到某一值时, 、 方向的偏振光经过晶体后产生 的光程差,位相差 ,这一电压叫半波电压,通常用 或 表示。 是描述晶体电光效应的重要参数,在实验中,这个电压越小越好,如果 小,需要的调制信号电压也小,根据半波电压值,可以预计出电光效应控制透过强度所需电压。由式(18)得
当晶体上加上电场后,折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化,椭球的方程变为
(3)
只考虑一次电光效应,式(3)与式(2)相应项的系数之差和电场强度的一次方成正比。由于晶体的各向异性,电场在x、y、z各个方向上的分量对椭球方程的各个系数的影响是不同的,用下列形式表示：
(4)
式(4)是晶体一次电光效应的普遍表达式,式中 叫做电光系数(i=1,2,…,6；j=1,2,3),共有18个,Ex、Ey、EZ是电场E在x、y、z方向上的分量。式(4)可写成矩阵形式：
本实验只做 晶体的横向电光强度调制实验。 晶体属于三角晶系,3m晶类,主轴z方向有一个三次旋转轴,光轴与z轴重合,是单轴晶体,折射率椭球是旋转椭球,其表达式为
(6)
式(6)中 和 分别为晶体的寻常光
和非寻常光的折射率。加上电场后折
射率椭球发生畸变,对于3m类晶体,
由于晶体的对称性,电光系数矩阵形
式为(7)
要用激光作为信息的载体,就必须解决如何将信息加到激光上去的问题。例如激光电话,就需要将语言信息加在与激光,由激光“携带”信息通过一定的传输通道送到接收器,再由光接收器鉴别并还原成原来的信息。这种将信息加在与激光的过程称之为调制,到达目的地后,经光电转换从中分离出原信号的过程称之为解调。其中激光称为载波,起控制作用的信号称之为调制信号。与无线电波相似的特性,激光调制按性质分,可以采用连续的调幅、调频、调相以及脉冲调制等形式。但常采用强度调制。强度调制是根据光载波电场振幅的平方比例于调制信号,使输出的激光辐射强度按照调制信号的规律变化。激光之所以常采用强度调制形式,主要是因为光接收器(探测器)一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。
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 和 轴上的投影的振幅和位相均相等,设分别为
(11)
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
(12)通过长为l的电光晶体后, 和 两分量之间就产生位相差δ,即
【实验目的】
1.掌握晶体电光调制的原理和实验方法。
2.学会利用实验装置测量晶体的半波电压,计算晶体的电光系数。
3.观察晶体电光效应引起的晶体会聚偏振光的干涉现象。
【实验仪器】
铌酸锂晶体,电光调制电源,半导体激光器,偏振器,四分之一波片,接收放大器,双踪示波器。
【实验原理】
1．电光调制的基本原理
某些晶体(固体或液体)在外加电场中,随着电场强度E的改变,晶体的折射率会发生改变,这种现象称为电光效应。通常将电场引起的折射率的变化用下式表示:
(1)
式(1)中a和b为常数, 为E0=0时的折射率。由一次项aE0引起折射率变化的效应,称为一次电光效应,也称线性电光效应或普克尔电光效应(pokells)；由二次项引起折射率变化的效应,称为二次电光效应,也称平方电光效应或克尔效应(kerr)。由(1)式可知,一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中,二次电光效应则可能存在于任何物质中,一次效应要比二次效应显著。
光在各向异性晶体中传播时,因光的传播方向不同或者是电矢量的振动方向不同,光的折射率也不同。通常用折射率椭球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的关系,在主轴坐标中,折射率椭球方程为
(2)
式中 、 、 为椭球三个主轴方向上的折射率,称为主
折射率。如图2-1所示,从折射率椭球的坐标原点O出发,向
任意方向作一直线 ,令其代表光波的传播方向 。然后,
当x轴方向加电场,光沿z轴方向传播时,晶体由单轴晶体变为双轴晶体,垂直于光轴z方向折射率椭球截面由圆变为椭圆,此椭圆方程为
(8)
进行主轴变换后得到：
(9)
考虑到 ,经化简得到
(10)
当x轴方向加电场时,新折射率椭球绕z轴转动45°。
图2-2为典型的利用 晶体横向电光效应原理的激光强度调制器。
图2-2晶体横向电光效应原理图
实验二 电光调制实验
激光是一种光频电磁波,具有良好的相干性,与无线电波相似,可作为传递信息的载波。激光具有很高的频率(约1013~1015Hz),可供利用的频带很宽,故传递信息的容量很大。再有,光具有极短的波长和极快的传递速度,加上光波的独立传播特性,可以借助光学系统把一个面上的二维信息以很高的分辨率瞬间传递到另一个面上,为二位并行光信息处理提供条件。所以激光是传递信息的一种很理想的光源。电光效应在工程技术和科学研究中有许多重要应用,它有很短的响应时间(可以跟上1010Hz的电场变化),可以在高速摄影中作快门或在光速测量中作光束斩波器等。在激光出现以后,电光效应的研究和应用得到迅速的发展,电光器件被广泛应用在激光通讯,激光测距,激光显示和光学数据处理等方面。
(5)
电光效应根据施加的电场方向与通光方向相对关系,可分为纵向电光效应和横向电光效应。利用纵向电光效应的调制,叫做纵向电光调制；利用横向电光效应的调制,叫做横向电光调制。晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应两种。把加在晶体上的电场方向与光在晶体中的传播方向平行时产生的电光效应,称为纵向电光效应,通常以 ( ,磷酸二氘钾)类型晶体为代表。加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播方向垂直时产生的电光效应,称为横向电光效应,以 晶体为代表。