实验二电光调制实验.doc

实验二、电光调制实验 [实验目的] 了解电光调制的工作原理及相关特性； 掌握电光晶体性能参数的测量方法； [实验原理] 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2-1是几种电光调制器的基本结构形式。 图2-1：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。二者比较，横调的两电极间距离短，所需的电压低，而且可采用两块相同的晶体来补偿因温度因素所引起的自然双折射，但横调的泡克耳斯盒的调制效果不如纵调的好，目前这两种形式的器件都很常用。 图2-2：纵调的泡克耳斯电光调制器 图2-2为纵调的泡克耳斯电光调制器。在不给泡克耳斯盒加电压时，由于启偏器P1产生的平面偏振光平行于光轴方向(M方向)入射于晶体，所以它在晶体中不产生双折射，也不分解为o、e光。当光离开晶体达到Q时，光的振动方向没变，仍平行于M。因M垂直于N，故入射光被P2(偏振方向为N)完全阻挡，P2无光输出。 当给泡克耳斯盒加以电压时，电场会使晶体感应出一个新的光轴OG。OG的方向发生于同电场方向相垂直的平面内。由于这种电感应，便使晶体产生了一个附加的各向异性。使晶体对于振动方向平行于OG和垂直于OG的两种偏振光的折射率不同，因此这两种光在晶体中传播速度也就不同。当它们达到晶体的出射端时，它们之间则存在着一定的相位差。合成后，总光线的振动方向就不再与P2的光轴N垂直，而是在N方向上有分量，因此，这时P2则有光输出。泡克耳斯效应的时间响应也特别快，而且φ与U成线性关系，所以多用泡克耳斯盒来作电光调制器。 [实验仪器] 1.实验仪器 CA9005系统控制主机 1台 一维平移台 1只 光学平台600mm x 300mm 1只 二维调整架 1只 半导体激光器 1只 支架 5只 光电探测器 1只 器件箱 1只 电光调制器 1只 紧固工具 1套 偏振滤波器 2只 连接线缆 1套 2.仪器安装光路图 图2-3：LiNbO3晶体静态特性曲线测量光路图 3.实验仪器装置图 图2-4：LiNbO3晶体静态特性曲线测量装置图 [实验内容及步骤] 1.按图2-3所示结构放置各光学器件，并调节支架高度至各光学器件等高同轴。 2.将635nm半导体激光器控制电缆连接至LD1，设置LD1工作模式为ACC，设置驱动电流Ic为30mA。 3.将LiNbO3晶体控制电压驱动端连接至高压信号源输出HV+和HV-。 4.将Si-PD信号输出连接至PD.IN，测量时注意选择合适量程。 5.将LiNbO3晶体从测试光路中移开，将起偏器偏振方向调至与水平面成45°角，将检偏器调至与其正交。再将LiNbO3晶体放回测试光路，调节其空间位置和倾斜角度，使入射光束与其表面垂直。 6.从0V开始设置HVS输出电压V，记录PD读数P。 7.0V至400V每隔10V测一个点，记录相应的电压V和光强P，测量完毕后HVS置零。 8保持光路不变，将HV+和HV-端口处两线交换。 9.0V至-400V每隔10V测一个点，记录相应的电压V和光强P，测量完毕后HVS置零。 10.重复上述过程两次，