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1、实验六铌酸锂晶体横向电光调制实验一、实验目的：1、了解电光调制的基本原理及铌酸锂晶体横向调制的基本机构。2、掌握铌酸锂电光调制器的调试方法并测量和计算晶体的特性参数。二、实验仪器：晶体电光调制器，电光调制电源，He-Ne 激光器，双线示波器和万用表等。三、实验原理：1、激光调制激光调制，就是以激光作载波，将要传输的信号加载于激光辐射的过程。分为内调制和外调制。内调制是加载调制信号在激光振荡器的过程中进行的，按调制信号的规律改变振荡参数，从而改变激光的输出特性并实现调制。外调制是指加载调制信号在激光形成之后进行，其方法是在激光器谐振腔外的电路上放置调制器，调制器上加调制信号电压，使调制器的物理特
2、性（如电光调制效应等）发生相应的变化，当激光通过时即得到调制。其中强度调制是激光是使激光载波的电矢量平方比例于调制信号。因为对光的调制比较容易实现，而且光接受器通常都是根据它所接收的光辐射功率而产生相应的电信号的，因此，强度调制是各种激光调制方法中用的比较多的一种。电光强度调制器是利用某些晶体的电光效应，在晶体上加调制信号电压后，通过晶体的激光束的振幅或相位就随着信号电压而变化。2、铌酸锂晶体的一次电光效应给晶体外加电场时，晶体的折射率将发生变化，这种现象成为电光效应。外电场 E 引起的折射率变化关系式为：n n0 aEbE 2（ 1）其中 a、 b 为常数， n0是 E=0时的折射率。由一次
3、项aE 引起的折射率变38化的效应，称为一次电光效应或电光效应，也称普朗克（Pokell ）效应。一次电光效应只存在于二十类无对称中心的晶体中。由二次项bE 2 引起的折射率变化的效应，称为二次电光效应也称平方电光效应或克尔（Kerr ）效应，二次电光效应则可能存在于任何物质中。一般一次电光效应要比二次电光效应显著的多。电光效应在工程技术中有着广泛的应用。通常用折射率椭球的变化来分析。晶体在未加电场时的折射率椭球方程为：x 2y2z2（2）n x2n2y1n 2z式中 nx、ny、nz 分别为三个主轴x、 y、z 上的主折射率。晶体在外加电场作用下折射率椭球发生变化，即椭球的三个主轴位置和长度
4、都发生变化，变化的大小与外加电场E 的大小和方向及晶体的性质又关。铌酸锂晶体是负单轴晶体，即 nx =ny =n0、nz ne 。它所属的三方晶系3m点群电光系数有四个，即 22、 13 、 33、 51。由此可得铌酸锂晶体在外加电场后的折射率椭球方程为：( 1222 E y15 Ez ) x2( 1222 E y13 Ez ) y2n0n012( ne133 Ez ) z251 ( Ez yzE x xz) 222 E x xy1（3）通常情况下，铌酸锂晶体采用450 z 切割，沿 x 轴或 y 轴加压， z 轴方向通光的运用方式，当主轴x 轴方向上外加电场时，有 Ez=Ey=0,晶体主轴
5、x,y要发生旋转， （ 3）式变为：x 2y 2z2251 Ex xz 2 22 Ex xy 1。因nx2ny2nz251E x 1，故对应项可以忽略，经坐标变换，可求出三个感应主轴x、 y、39z（仍在z 方向上）上的主折射率变成（4）式所示。其中铌酸锂晶体变为双轴晶体，其折射率椭球z 轴的方向和长度基本保持不变，而x,y 截面由半径为n0 变为椭圆，椭圆的长短轴方向x y 相对原来的x y 轴旋转了450，转角的大小与外加电场的大小无关，而椭圆的长度nx ，ny 的大小与外加电场Ex 成线性关系。nxn01 n0322 Ex2nyn01 n0322 Ex2nzne（4）（更详细的信息请参考
6、附录一）。当光沿铌酸锂晶体光轴z 方向传播时，经过长度为l 的晶体后，由于晶体的横向电光效应（x-z ），两个正交的偏震分量将产生位相差：2(nx ny )l2n03 22Vx l（ 5）d其中d 为晶体在 x 方向的横向尺寸，Vx Ex d 为加在晶体x 方向两端面间的电压。通过晶体使光波两分量产生相位差（光程差/2 ）所需的电压Vx ，称为“半波电压” ，以 V 表示。由上式可得出铌酸锂晶体在以（x-z ）方式运用时的半波电压表示式：Va2n03（6）22 l还可以利用 V求一外加电压 Vx 下所产生的相位差：VVx(7)由（ 5）式可以看出， 铌酸锂晶体横向电光效应产生的位相差不仅与外加
7、电压称正比，还与晶体长度比l / d 有关系。因此，实际运用中，为了减小外加电压，40通常使 l / d 有较大值，即晶体通常被加工成细长的扁长方体。 12铌酸锂晶体的电光系数22 6.8 10m/V,此处采用 632.8nm 光波， n0 2.2956 ， ne 2.2044 。3、电光调制原理激光调制的方法很多，如机械调制，电光调制，声光调制，磁光调制和电源调制等。其中电光调制开关速度快，机构简单，因为，在激光调Q技术，混合型光学双稳器等方面运用广泛。电光调制根据所使加的电场方向不同，可分为纵向调制和横向调制。利用纵向电光效应的调制，叫做纵向电光调制，利用横向电光调制效应的调制，叫做横向电
8、光调制。本次实验中，我们只做铌酸锂晶体的横向调制实验。（ 1）横向电光调制：图一为典型的利用硫酸钠晶体横向电光效应原理的激光振幅调制器。其中起偏器的偏震方向平行于电光晶体x 轴，检偏器的偏震方向平行于y 轴。因此入射光经起偏器后偏震方向变为振荡方向平行于x 轴的线偏震光，它在晶体的感应轴 x y 轴上的投影和位相都相等，设分别为：ex=A0costey=A0cost(8)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41Ex (0)=AEy (0)=A所以入射光的强度是222(9)I i E E =| E x (0)| +| E y (0)|=2A当光通过长为l 的电光晶体后，x
9、和 y两分量之间就产生位相差即：Ex (0)=AE(0)=Ae-i(10)y通过检偏器出射的光，是该两分量在y 轴上的投影之和(E y) 0= A(e i1)(11)2其对应的输出光强 It 可写为I(E )（E ）*A2ii22(12)t=( e1)(e1) =2A sin2y0y02由（ 9）、（ 12）式，光强透过率T 为：TI tsin 22（ 13）I i将（ 7）式带入：Tsin 22VVsin 22V(V0Vm sint)（ 14）其中 V0 是直流偏压， Vm sint 是交流调制信号，Vm是振幅，是调制频率。从上式可以看出，改变V0 或 Vm或，输出特性将发生相应变化。考察（
10、 5）式，我们知道，对于单色光，2n03 22 为常数，因而T 将仅随晶体上的电压Vx 所变化， 如图二所示， T 与 Vx 的关系是非线性的。若工作点选42择不合适，会使输出信号发生畸变。但在V附近有一近似直线部分，这一直2线部分称为线性工作区，由上式可以看出， 当 VxV，T 50 。时，22（ 2）改变直流偏压对输出特性的影响i.当 V0V, VmV 时，2将工作点选定在线性工作区中心，此时，可获得较高效率的线性调制，把 V0V带入（ 14）式，得：2Tsin 2(Vm sint)1 1cos(Vm sin t )42V22V 11sin(Vm sint )（ 15）2V当 VmV 时，43T1 1Vm sin t （ 16）2V即 T Vm sint ，这时，调制器输出的波形和调制信号的波形的频率相同，即线性调制。ii.当 V00 或 V ， VmV 时，把 V00 带入（ 14）式，得：Tsin 2 ( Vm sint)1 1cos( Vm sint )2V2V1(Vm )2 sin 2t1 (Vm ) 2 (1 cos 2t)（ 17）4V8 V即 Tcos2t ，这时
