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
用复振幅
表
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示，将位于晶体表面（z=0）的光波表示为
所以入射光的强度为
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
通过检偏器出射的光，是这两个分量在y轴上的投影之和
其对应的输出光强It可写为
由以上可知光强透过率为
相位差的表达式
当相位差为π时
由以上各式可将透过率改写为
可以看出改变V0或Vm，输出特性将相应变化。
1) 改变直流电压对输出特性的影响
把V0=Vπ/2带入上式可得
做近似计算得
即T∝Vmsinwt时，调制器的输出波形和调制信号的波形频率相同，即线性调制
如果Vm＞Vπ，不满足小信号调制的要求，所以不能近似计算，此时展开为贝塞尔
函数
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，即输出的光束中除了包含交流信号的基波外，还有含有奇次谐波。由于调制信号幅度比较大，奇次波不能忽略，这时，虽然工作点在线性区域，但输出波形依然会失真。
当V0=0或π；Vm《Vπ时，将V0=0带入到上式得
即T∝cos2wt，可以看出输光是调制信号的二倍，即产生倍频失真。
当V0=Vπ，Vm《Vπ时。经过类似推到，可得
即依然看到的是倍频失真的波形。
2) 用λ/4波片来进行光学调制
由上面的
分析
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可知，在电光调制中，直流电压V0的作用是使晶体在x’,y’两偏振方向的光之间产生固定的相位差，从而使正弦调制工作在光强调制曲线图上的不同点。在实验中V0的作用可以用λ/4波片来实现，实验中在晶体与检偏器之间加入λ/4波片，调整λ/4波片的快慢轴方向使之与晶体的x’,y’轴平行，转动波片，可以使电光晶体工作在不同的工作点上。
原始数据、数据处理及误差计算：
1.研究LN单轴晶体的干涉：
（1）单轴锥光干涉图样：
调节好实验设备，当LN晶体不加横向电压时，可以观察到如图现象，这是典型的汇聚偏振光穿过单轴晶体后形成的干涉图样。
（2）晶体双轴干涉图样：
打开晶体驱动电压，将状态开关打在直流状态，顺时针旋转电压调整旋钮，调整驱动电压，将会观察到图案由一个中心分裂为两个，这是典型的汇聚偏振光穿过双轴晶体后形成的干涉图样，它说明单轴晶体在电场的作用下变成了双轴晶体
2.动态法观察调制器性能：
（1）实验现象：
当V1=143V时，出现第一次倍频失真：
当V2=486V时，信号波形失真最小，振幅最大（线性调制）：
当V3=832V时，出现第二次倍频失真：
（2）调制法测定LN晶体的半波电压：
晶体基本物理量
5mm
30mm
632.8nm
2.286
第一次倍频失真对应的电压V1=143V，第二次倍频失真对应的电压V3=832V。故
。
由
得：
3.电光调制器T-V工作曲线的测量：
（1）原始数据：
电压
V/V
功率
P/mV
电压
V/V
功率
P/mV
0
0.316
550
0.507
50
0.3
600
0.551
100
0.296
650
0.583
150
0.296
700
0.605
200
0.303
750
0.626
250
0.316
800
0.636
300
0.335
850
0.644
350
0.366
900
0.642
400
0.406
950
0.637
450
0.444
1000
0.627
500
0.474
依据数据作出电光调制器P-V工作曲线：
（2）极值法测定LN晶体的半波电压：
从图中可以看到，V在100~150V时取最小值，在800~850V时取最大值。分别在这两个区域内每隔5V测量一次，原始数据如下：
电压
V/V
功率
P/mV
电压
V/V
功率
P/mV
100
0.301
800
0.652
105
0.298
805
0.657
110
0.297
810
0.651
115
0.299
815
0.65
120
0.301
820
0.65
125
0.303
825
0.649
130
0.302
830
0.645
135
0.303
835
0.643
140
0.303
840
0.643
145
0.302
845
0.643
150
0.303
850
0.642
比较数据可以得出，极小值大致出现在
，极大值大致出现在
，由此可得
由
得：
4.测量值与理论值比较：
晶体基本物理量：
5mm
30mm
632.8nm
2.286
算出理论值
。与理论值相比，调制法测量结果相对误差约6.1%，极值法测量结果误差约7.1%，实验值与理论值符合较好。其中，动态法比极值法更精确。
5.讨论实验中观察到的输出波形和畸变产生的原因：
根据理论计算，当V=0时，T应当为极小值（T=0），然而从实验测量出的T-V图中可以发现，当V=0时，T不为零，且极小值也不出现在V=0处，对此我们可以归纳出以下几种可能原因：
（1）由于在调试前后两个偏振片过程中，难以保证其起偏方向完全垂直，这就导致了极小值点偏离V=0点。
（2）由于工艺上的原因，前后两个偏振片即使在完全垂直的情况下，也不可能完全消光，总会有光线透过，因此，极小值点之值大于零。
输出波形畸变产生的原因：
根据数学推导可得，光强透过率：
（1）当
时，工作点落在线性工作区的中部，将
代入得：
这时，调制器输出的波形和调制信号的频率相同，即线性调制。
（2）当
或
，
时，同理可得
，这时输出光的频率是调制信号的两倍，即产生“倍频”失真。
浙公网安备 33021202002483