晶体电光调制实验
电光调制实验指导书V1.0
实验指南一、实验目的1、掌握晶体电光调制的原理和实验方法;2、观察电光调制实验现象,并测量电光晶体的各参数。
3、实现模拟光通讯.二、实验内容1、观察电光调制现象2、计算电光晶体的消光比，透过率，测量晶体的半波电压。
3、进行电光调制与光通讯实验演示三、实验仪器1、光学导轨 1套2、X 轴一维调节滑座 2个3、基本滑座 4个4、起偏器及手动X轴旋转架 1个5、检偏器及手动X轴旋转架 1个6、λ/4 波片及手动X轴旋转架 1个7、He-Ne 激光器 1个8、He-Ne 激光器电源 1个9、电光调制器 1个10、硅光电探测器 1个11、电光调制实验仪信号源 1个12、三相电源线 1根13、音频转接线 1根14、BNC 屏蔽连接线 2根15、有源音箱 1个16、实验指导书 1份17、双踪示波器 1个18、声音源（收音机、MP3 等等） 1个四、实验步骤1.按照系统连接方法将激光器，电光调制器，光电探测器等部件连接到位。
系统连接方法如图4，其中电光调制器的滑动座是二维移动平台，与其他的滑动座有所不同。
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。
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。
晶体电光调制实验
2
•
l cos
2
(n"n' )
2
•
1 2
n03
s
in
2
2
(
1 ne2
1 )l
no2
其中，由于 o 光和 e 光的折射角相差很小，取2 为两束光的折射角的平均值。
干涉合成光强为：
Is I0 sin2 2(1 cos ) 2
I p I0[1 1 sin2 2(1 cos )] 2
图 3.晶体的锥光干涉图像
晶体加上偏压时呈现双轴锥光干涉图，如图 3 所示。由此可说明，单轴晶体在电场作用 下变成双轴晶体，即电致双折射现象。
3.测定铌酸锂的透过率曲线（T-U 曲线），求出半波电压和电光系数 22 。
取出镜头纸，光电三极管接收器对准激光光点，在起偏器前加减光片，加在晶体上的直 流电压从 0 开始，逐渐增大。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 渐改变，输出电流将出现极小值和极大值，两者分别对应的直流电压只差即为半波电压。整 个过程中，光强始终不超过 3.2。
记录晶体所加直流电压 u0 和光强 I，得到下表：
表1
u0 (V) I（cd) u0 (V) I（cd) u0 (V) I（cd) u0 (V) I（cd) u0 (V) I（cd) u0 (V) I（cd)
5
0.08 55 0.86 105 2.36 155 2.5 205 1.26 255 0.15
（四）测量电光调制后输出信号的带宽 调节直流电压，使经电光调制后的输出电压不失真，此时 u=40V，函数发生器输入信号
频率为 1kHz。调节函数发生器输入信号的频率，使得输出信号的幅度降为初始时的一半， 记下此时的频率。
光电调制实验报告
佛山科学技术学院实验报告课程名称实验项目专业班级姓名学号指导教师成绩日期年月日图 1 折射率椭球为椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。
当晶体加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球方程变成图2xy坐标系内琼斯矩阵的表达式：图4 线性电光效应振幅调制器的特性曲线(a ) (b )图 6 晶体调制曲线③直流偏压U 0在0伏附近或在πU 附近变化时，由于工作点不在线性工作区，输出波形将失真。
图7 晶体的电光调制实验装配图1/4波片和电光晶体，利用单轴晶体锥光干涉图来调节激光沿晶体光轴入射。
采用光学调节方法使激光与每一个光学元件及晶体同轴等高，让激光束通过各光学元件的中心和晶体的轴心。
固定起偏器于某个位置（如0°），旋转检偏器使其输出消光（起偏器与检偏器的偏振轴方向垂直）信号的两倍时，记下直流电压V1，拍摄调制信号与解调信号波形。
② 保持光路不变，打开高压开光，从零开始逐步增大直流电压，当调信号频率第二次出现倍频失真时，拍摄调制信号与解调信号波形，记下直流电压V2。
由V2V1得到半波电压V ，并与式（29-8）计算的V 理论值比较，计算相对误差。
将光路上的探测器换成功率计，打开电光调制开关（正弦调制开关一定要处于关闭状态），加在晶体上的电压从零开始，逐渐增大，加在晶体上的电压有电源面板上的数字表读出，每隔20V 记录一次功率计上面的读数，将数据填入表，作出调制曲线。
求出半波电压πU 。
（输出的光强将会出现极小值和极大值，相邻的极小值和极大值对应的直流电压之差即使半波电压πU ）（2）用4λ波片改变工作点，观察输出特性关闭晶体的直流电压，在晶体和偏振片之间放入1/4波片。
绕光轴缓慢旋转1/4波片，当波片的快慢轴平行于晶体的感应轴x '、y '方向时，输出光线性调制；当波片的快慢轴分别平行于晶体的x 、y 轴时，输出光出现“倍频”失真。
1/4波片旋转一周，将出现四次线性调制和四次倍频失真，拍摄线性调制和倍频失真时调制信号与解调信号波形。
3晶体的电光效应与电光调制_实验报告
晶体的电光效应与光电调制实验目的：1) 研究铌酸锂晶体的横向电光效应，观察锥光干涉图样，测量半波电压； 2) 学习电光调制的原理和试验方法，掌握调试技能； 3) 了解利用电光调制模拟音频通信的一种实验方法。
实验仪器：1) 晶体电光调制电源 2) 调制器 3) 接收放大器实验原理简述：某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将随着外加电场的变化而变化，这种现象称为光电效应。
晶体外加电场后，如果折射率变化与外加电场的一次方成正比，则称为一次电光效应，如果折射率变化与外加电场的二次方成正比，则称为二次电光效应。
晶体的一次光电效应分为纵向电光效应和横向电光效应 1、 电光调制原理 1) 横向光电调制如图入射光经过起偏器后变为振动方向平行于x 轴的线偏振光，他在晶体感应轴x ’,y’上的投影的振幅和相位均相等，分别设为wt A e x cos 0'= wt A e y cos 0'=用复振幅表示，将位于晶体表面（z=0）的光波表示为A E x =)0(' A E y =)0(' 所以入射光的强度为 22'2'2)0()0(A E E E E I y x i =+=•∝ 当光通过长为l 的电光晶体后，x’,y’两分量之间产生相位差 A l E x =)(' δi y Ae l E -=)('通过检偏器出射的光，是这两个分量在y 轴上的投影之和()1245cos )()('0-=︒=-δδi i y y eA e l E E其对应的输出光强I t 可写为 ()()[]2sin 2*2200δA E E I y y t =•∝由以上可知光强透过率为2sin 2δ==i t I I T 相位差的表达式 ()dlVr n l n ny x 2230''22λπλπδ=-=当相位差为π时 ⎪⎭⎫ ⎝⎛=l d r n V n 22302λ由以上各式可将透过率改写为 ()wt V V V V VT m sin 2sin 2sin 022+==ππππ可以看出改变V0或Vm ，输出特性将相应变化。
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
晶体电光调制实验报告数据处理
实验一电光调制一、实验目的：1.了解电光调制的工作原理及相关特性；2.掌握电光晶体性能参数的测量方法；二、实验原理简介：某些光学介质受到外电场作用时，它的折射率将随着外电场变化，介电系数和折射率都与方向有关，在光学性质上变为各向异性，这就是电光效应。
电光效应有两种，一种是折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例，称为泡克耳斯（Pockels）效应；另一种是折射率的变化量与外电场强度的二次方成比例，称为克尔（Kerr）效应。
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。
利用泡克耳斯效应制成的调制器，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，图1是几种电光调制器的基本结构形式。
图1：几种电光调制器的基本结构形式a) 克尔盒 b) 纵调的泡克耳斯盒 c) 横调的泡克耳斯盒当不给克尔盒加电压时，盒中的介质是透明的，各向同性的非偏振光经过P后变为振动方向平行P光轴的平面偏振光。
通过克尔盒时不改变振动方向。
到达Q时，因光的振动方向垂直于Q光轴而被阻挡（P、Q分别为起偏器和检偏器，安装时，它们的光轴彼此垂直。
），所以Q没有光输出；给克尔盒加以电压时，盒中的介质则因有外电场的作用而具有单轴晶体的光学性质，光轴的方向平行于电场。
这时，通过它的平面偏振光则改变其振动方向。
所以，经过起偏器P产生的平面偏振光，通过克尔盒后，振动方向就不再与Q光轴垂直，而是在Q光轴方向上有光振动的分量，所以，此时Q就有光输出了。
Q的光输出强弱，与盒中的介质性质、几何尺寸、外加电压大小等因素有关。
对于结构已确定的克尔盒来说，如果外加电压是周期性变化的，则Q的光输出必然也是周期性变化的。
由此即实现了对光的调制。
泡克耳斯盒里所装的是具有泡克耳斯效应的电光晶体，它的自然状态就有单轴晶体的光学性质，安装时，使晶体的光轴平行于入射光线。
因此，纵向调制的泡克耳斯盒，电场平行于光轴，横向调制的泡克耳斯盒，电场垂直于光轴。
晶体电光调制实验
晶体电光调制实验【实验目的】1. 掌握晶体电光调制的原理和实验方法。
2. 学会用简单的实验装置测量晶体半波电压、电光常数的实验方法。
3. 观察电光效应所引起的晶体光学特性的变化和会聚偏振光的干涉现象。
【实验仪器】晶体电光调制电源、铌酸锂(LiNbO 3)电光晶体、He-Ne 激光器及可调电源、可旋转偏振片、格兰棱镜、光电接收器、有源音响【实验原理】1．一次电光效应和晶体的折射率椭球当给晶体或液体加上电场后，该晶体或液体的折射率发生变化，这种现象成为电光效应。
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（可以跟上频率为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。
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。
在主轴坐标中，折射率椭球及其方程为1232222212=++n z n y n x （1）式中n1、n2、n3为椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。
当晶体加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球方程变成1222212213223233222222112=+++++n xy n xz n yz n z n y n x（2）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。
纵向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播的方向平行时产生的电光效应；横向电光效应是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，本实验研究铌酸锂晶体的一次电光效应。
铌酸锂晶体属于三角晶系，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1222022=++e n z n y x （3）式中n0和ne 分别为晶体的寻常光和非常光的折射率。
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晶体电光调制实验
【实验目的】
1. 掌握晶体电光调制的原理和实验方法。
2. 学会用简单的实验装置测量晶体半波电压、电光常数的实验方法。
3. 观察电光效应所引起的晶体光学特性的变化和会聚偏振光的干涉现象。
【实验仪器】
晶体电光调制电源、铌酸锂(LiNbO 3)电光晶体、He-Ne 激光器及可调电源、可旋转偏振片、格兰棱镜、光电接收器、有源音响
【实验原理】
1．一次电光效应和晶体的折射率椭球
当给晶体或液体加上电场后，该晶体或液体的折射率发生变化，这种现象成为电光效应。
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（可以跟上频率为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。
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。
在主轴坐标中，折射率椭球及其方程为
1232222212
=++n z n y n x （1）
式中n1、n2、n3为椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。
当晶体加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球方程变成
1222212213223233222222112=+++++n xy n xz n yz n z n y n x
（2）
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。
纵向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播的方向平行时产生的电光效应；横向电光效应是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，本实验研究铌酸锂晶体的一次电光效应。
铌酸锂晶体属于三角晶系，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
122202
2=++e n z n y x （3）
式中n0和ne 分别为晶体的寻常光和非常光的折射率。
加上电场后折射率椭球发生畸变，当x 轴方向加电场，光沿z 轴方向传播时，晶体由单轴晶变为双轴晶，垂直于光轴z 轴方向的折射率椭球截面由圆变为椭圆，此椭圆方程为
12)1()1
(222222022220=-++-xy E y E n x E n x x x γγγ （4）
其中的22γ称为电光系数。
2．电光调制原理
这次实验中，我们只做LiNbO 3晶体的横向调制实验。
图 1
图1为典型的利用LiNbO 3晶体横向电光效应原理的激光振幅调制器。
其中起偏振片的偏振方向平行
于电光晶体的x 轴，检偏振片的偏振方向平行于y 轴。
光强透射率为 )sin (2sin 2sin 022t U U U U U T m ωππ
ππ+== （5）
其中U 0是加在晶体上的直流电压，U m Sin ωt 是同时加在晶体上的交流调制信号，U m 是其振幅，ω是调制频率。
从（5）式可以看出，改变U 0或U m ，输出特性将相应的有变化。
对单色光和确定的晶体来说， U π为常数，因而T 将仅随晶体上所加的电压变化。
【实验装置】
图2 晶体电光调制实验装置图
【实验内容】
1．观察晶体的会聚偏振光干涉图样和电光效应
2．测定铌酸锂晶体的透过率曲线（即T～U曲线），求出半波电压Uπ，再算出电光系数γ22。
3．改变直流偏压，选择不同的工作点，观察正弦波电压的调制特性
4．用1/4波片改变工作点，观察输出特性
5．光通讯的演示
【注意事项】
1．He-Ne激光管出光时，电极上所加的直流电压高达千伏，要注意人身安全。
2．晶体又细又长，容易折断，电极是真空镀的银膜，操作时要注意，晶体电极上面的铝条不能压的太紧或给晶体施加压力，以免压断晶体。
3．光电三极管应避免强光照射，以免烧坏。
做实验时，光强应从弱到强，缓慢改变，尽可能在弱光下使用，这样能保证接收器光电转换时线性性良好。
4．电源和放大器上的旋钮顺时针方向为增益加大的方向，因此，电源开关打开前，所有旋钮应该逆时针方向旋转到头，关仪器前，所有旋钮逆时针方向旋转到头后再关电源。
【思考题】
1．本实验中没有会聚透镜，为什么能够看到锥光干涉图？如何根据锥光干涉图调整光路？
2．工作点选定在线性区中心，信号幅度加大时怎样失真？为什么失真，请画图说明。
3．测定输出特性曲线时，为什么光强不能太大？如何调节光强？这种调节光强的方法有何优缺点？
4．晶体上不加交流信号，只加直流电压Uπ/ 2或Uπ时，在检偏振片前从晶体末端出射的光的偏振态如何？
怎样检测？。