实验二 晶体的电光调制实验
一、实验目的
1、掌握晶体电光调制的原理和实验方法。
2、了解一种激光通信的方法。
二、实验原理
一次电光效应和晶体的折射率椭球
由电场所引起的晶体折射率的变化，称为电光效应。通常可将电场引起的胡 射率的变化用下式表示：
n=n0+aE0+bE02+…
式中a 和b 为常数，nO 为不加电场时晶体的折射率。由一次项 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 (Pokells)效应；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(Kerr)效应。—次电光效应只存在于不对称中 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。如图丨，通常用折射率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，折射率椭球及其方程为
x 2y 2z 2
++=1 n 1n 2n 3
式中nl 、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，橢球方程变成
x 2y 2z 22yz 2xz 2xy ++++2+2=1 2222n 11n 22n 33n 23n 13n 12
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 是电光效应是加在晶体上的由场一方向与光在晶体一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。通常KD*P (磷酸二氘钾）类型的晶体用它的纵光效应，LiNb03（铌酸锂）类型的晶体用它的横向电光效应。本实验研究铌酸锂晶体的一次电光效应，用铌酸锂晶体的横向调制装置测量铌酸锂晶体的半波电压及电光系数，并用两种方法改变调制器的工作点，观察相应的输出特性的变化。
2. 电光调制原理
要用激光作为传递信息的工具，首先要解决如何将传输值号加到激光辐射上的问题，我们把信息加载于激光辐射放过程称为激光调制, 把完成这一过程的装置称为激光调制器。由已调制的激光辐射还原出所加载信息的过程则称为解调。因为激光实际上只起到了“携带”低频信号的作用，所以称为载波，而起控制作用的低频信号是我们所需要的，称为调制信号，被调制的载波称为已调波或调制光。按调制的性质而言，激光调制与无线电波调相类似丁调幅、调频、调相以及脉冲调制等形式，但激光调制多釆用强度调制。强度调制是根据光载波电场振幅的平方比例于调制信号，使输出的激光辐射的强度按照调制信号的规律变化。激光调制之所以常釆用强度调制形式，主要是因为光接收器一 般都是直接地响应其所接受的光强度变化的缘故。
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。其中电光调制器开关速度快、结构简单。因此，在激光调制技术及混合 型光学双稳器件等方面有广泛的应用。电光调制根据所施加的电场方向的不同， 可分为纵向电光调制和横向电光调制。
用λ/4波片进行光学调制
上面分析说明电光调制器中直流偏压的作用主要是在使晶体中x' ，y' 两偏振方向的光之间产生固定的位相差，从而使正弦调制工作在光强调制曲线上的不同点。直流偏压的作用可以用λ/4波片来实现。在起偏器和检偏器之间加入λ/4片, 调整λ/4波片的快慢轴方向使之与晶体的x',y'/轴平行，即可保证电光调制器工作 在线性调制状态下，转动波片可使电光晶体处于不同的工作点上。
三、实验仪器
电光调制电源组件、光接收放大器组件、He-Ne 激光器组件、电光调制晶体组件、 起偏器组件、检偏器组件，二踪示波器，光阑。
四、实验内容
1. 观察正弦波电压的调制特性--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。激光束与台面平行，其它器件依次放入光路，并保持与激光束同轴等高。
将晶体与电光调制箱连接，打开开关，调制切换选择“内”，输出切换选择 “外”。电源面板上的信号选择按键开关可以提供两种不同的调制信号，按下“正弦”键，机内单一频率的正弦波振荡器工作，产生正弦信号，此信号经放大后，加到晶体上，同时，通过面板上的“信号输出”孔，输出此信号，把它接到二踪示波器的CH1上，作为参考信号。改变直流偏压，使调制器工作在不同的状态，把被调制信号经光电转换，放大后接到二踪示波器的CH2上，和CH1 上的参考信号比较。选择5个不同的工作点40V ，80V , 120V, 160V, 200V, 观察 接收信号的波形并画出图形。
工作点选定在曲线的直线部分，即U0=/2附近时是线性调制；工作点选作点选定在曲线的直线部分，即U0=/2附近时是线性调制；工作点选 定在曲线的极小值（或极大值）时，输出信号出现“倍频”失真；工作点选定在 极小值（或极大值）附近时输出信号失真，观察时调制信号幅度不能太大，否 则调制信号本身失真，输出信号的失真无法判断由什么原因引起的，把观察到的波形描下来，并和前面的理论分析作比较. 做这一步实验时，把电源上 的调制幅度，调制器上的输入光强，放大器的输出，示波器上的增益（或衰减） 这四部分调好，才能观察到很好的输出波形。
2. 观察输出特性一用1/4波片改变工作点，观察输出特性在上述实验中，去掉晶体上所加的直流偏压，把1/4波片置入晶体和偏振片之间，绕光轴缓慢旋转时，可以看到输出信号随着发生变化。. 当波片的快慢轴平行与感应轴方向时. 输出信线性调制；当波片的快慢轴分别平行于晶体的x ，y 轴时. 输出光失真，. 出现“倍频”失真. 因此，旋转一周时，出现四次线性调制和四次“倍频”失真。
值得注意的是，不仅通过晶体上加直流偏压可以改变调制器的工作点，也可以用1/4波片选择工作点，其效果是一样的，但这两种方法的机理是不同的。
3. 音频信号的电光调制与解调--光通讯的演示
将mp3音源于电光调制实验箱的“外部输入”连接，调制切换选择“外”，输出 切换选择“内，，，则首先可从实验箱内置的扬声器听到清晰的mp3播放的音乐。
再将输出切换选择“外”，把提供的外置扬声器（音箱）与接收探测器连接，则可听到mp3播出的音乐。适当调整“调制幅度”和“高压调节”旋钮，旋转光路中的偏振片和Y 波片，使音乐最清晰。如改变直流偏压的大小，则会听到音乐的音质有变化，说明音乐也有失真和不失真. 用不透明的物体遮光，则音乐停止，不遮光，则音乐又响起，由此说明激光可以携带信号，实现光通讯. 把音乐信号接到示波器上，可以看到我们听到的音乐信号的波形，它是由振幅相的不同频率的正弦波迭加而成的。
五、实验现象及感悟
倍频失真图样
该试验中测得的线性工作电压点电压为117V 。此实验只要将接收端放置在较近的位置就可以获得比较理想的传输效果。实验的光具座没有固定使用时比较容易移动，测量时容易因为光路的晃动而导致波形较差。建议换用更稳定的光具座。
实验二 晶体的电光调制实验
一、实验目的
1、掌握晶体电光调制的原理和实验方法。
2、了解一种激光通信的方法。
二、实验原理
一次电光效应和晶体的折射率椭球
由电场所引起的晶体折射率的变化，称为电光效应。通常可将电场引起的胡 射率的变化用下式表示：
n=n0+aE0+bE02+…
式中a 和b 为常数，nO 为不加电场时晶体的折射率。由一次项 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 (Pokells)效应；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(Kerr)效应。—次电光效应只存在于不对称中 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。如图丨，通常用折射率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，折射率椭球及其方程为
x 2y 2z 2
++=1 n 1n 2n 3
式中nl 、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，橢球方程变成
x 2y 2z 22yz 2xz 2xy ++++2+2=1 2222n 11n 22n 33n 23n 13n 12
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 是电光效应是加在晶体上的由场一方向与光在晶体一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。通常KD*P (磷酸二氘钾）类型的晶体用它的纵光效应，LiNb03（铌酸锂）类型的晶体用它的横向电光效应。本实验研究铌酸锂晶体的一次电光效应，用铌酸锂晶体的横向调制装置测量铌酸锂晶体的半波电压及电光系数，并用两种方法改变调制器的工作点，观察相应的输出特性的变化。
2. 电光调制原理
要用激光作为传递信息的工具，首先要解决如何将传输值号加到激光辐射上的问题，我们把信息加载于激光辐射放过程称为激光调制, 把完成这一过程的装置称为激光调制器。由已调制的激光辐射还原出所加载信息的过程则称为解调。因为激光实际上只起到了“携带”低频信号的作用，所以称为载波，而起控制作用的低频信号是我们所需要的，称为调制信号，被调制的载波称为已调波或调制光。按调制的性质而言，激光调制与无线电波调相类似丁调幅、调频、调相以及脉冲调制等形式，但激光调制多釆用强度调制。强度调制是根据光载波电场振幅的平方比例于调制信号，使输出的激光辐射的强度按照调制信号的规律变化。激光调制之所以常釆用强度调制形式，主要是因为光接收器一 般都是直接地响应其所接受的光强度变化的缘故。
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。其中电光调制器开关速度快、结构简单。因此，在激光调制技术及混合 型光学双稳器件等方面有广泛的应用。电光调制根据所施加的电场方向的不同， 可分为纵向电光调制和横向电光调制。
用λ/4波片进行光学调制
上面分析说明电光调制器中直流偏压的作用主要是在使晶体中x' ，y' 两偏振方向的光之间产生固定的位相差，从而使正弦调制工作在光强调制曲线上的不同点。直流偏压的作用可以用λ/4波片来实现。在起偏器和检偏器之间加入λ/4片, 调整λ/4波片的快慢轴方向使之与晶体的x',y'/轴平行，即可保证电光调制器工作 在线性调制状态下，转动波片可使电光晶体处于不同的工作点上。
三、实验仪器
电光调制电源组件、光接收放大器组件、He-Ne 激光器组件、电光调制晶体组件、 起偏器组件、检偏器组件，二踪示波器，光阑。
四、实验内容
1. 观察正弦波电压的调制特性--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。激光束与台面平行，其它器件依次放入光路，并保持与激光束同轴等高。
将晶体与电光调制箱连接，打开开关，调制切换选择“内”，输出切换选择 “外”。电源面板上的信号选择按键开关可以提供两种不同的调制信号，按下“正弦”键，机内单一频率的正弦波振荡器工作，产生正弦信号，此信号经放大后，加到晶体上，同时，通过面板上的“信号输出”孔，输出此信号，把它接到二踪示波器的CH1上，作为参考信号。改变直流偏压，使调制器工作在不同的状态，把被调制信号经光电转换，放大后接到二踪示波器的CH2上，和CH1 上的参考信号比较。选择5个不同的工作点40V ，80V , 120V, 160V, 200V, 观察 接收信号的波形并画出图形。
工作点选定在曲线的直线部分，即U0=/2附近时是线性调制；工作点选作点选定在曲线的直线部分，即U0=/2附近时是线性调制；工作点选 定在曲线的极小值（或极大值）时，输出信号出现“倍频”失真；工作点选定在 极小值（或极大值）附近时输出信号失真，观察时调制信号幅度不能太大，否 则调制信号本身失真，输出信号的失真无法判断由什么原因引起的，把观察到的波形描下来，并和前面的理论分析作比较. 做这一步实验时，把电源上 的调制幅度，调制器上的输入光强，放大器的输出，示波器上的增益（或衰减） 这四部分调好，才能观察到很好的输出波形。
2. 观察输出特性一用1/4波片改变工作点，观察输出特性在上述实验中，去掉晶体上所加的直流偏压，把1/4波片置入晶体和偏振片之间，绕光轴缓慢旋转时，可以看到输出信号随着发生变化。. 当波片的快慢轴平行与感应轴方向时. 输出信线性调制；当波片的快慢轴分别平行于晶体的x ，y 轴时. 输出光失真，. 出现“倍频”失真. 因此，旋转一周时，出现四次线性调制和四次“倍频”失真。
值得注意的是，不仅通过晶体上加直流偏压可以改变调制器的工作点，也可以用1/4波片选择工作点，其效果是一样的，但这两种方法的机理是不同的。
3. 音频信号的电光调制与解调--光通讯的演示
将mp3音源于电光调制实验箱的“外部输入”连接，调制切换选择“外”，输出 切换选择“内，，，则首先可从实验箱内置的扬声器听到清晰的mp3播放的音乐。
再将输出切换选择“外”，把提供的外置扬声器（音箱）与接收探测器连接，则可听到mp3播出的音乐。适当调整“调制幅度”和“高压调节”旋钮，旋转光路中的偏振片和Y 波片，使音乐最清晰。如改变直流偏压的大小，则会听到音乐的音质有变化，说明音乐也有失真和不失真. 用不透明的物体遮光，则音乐停止，不遮光，则音乐又响起，由此说明激光可以携带信号，实现光通讯. 把音乐信号接到示波器上，可以看到我们听到的音乐信号的波形，它是由振幅相的不同频率的正弦波迭加而成的。
五、实验现象及感悟
倍频失真图样
该试验中测得的线性工作电压点电压为117V 。此实验只要将接收端放置在较近的位置就可以获得比较理想的传输效果。实验的光具座没有固定使用时比较容易移动，测量时容易因为光路的晃动而导致波形较差。建议换用更稳定的光具座。