晶體電光調制實驗裝置與光路調整的改進

姚 志，李建東，劉 昱

（大連理工大學 物理與光電工程學院，遼寧 大連116023）

1 引 言

某些晶體的折射率隨外加電場的變化而改變的現象為電光效應，晶體電光調制實驗是基于晶體電光效應，通過電光調制實現激光通信的綜合性實驗［1－2］．通過實驗可以使學生加深對偏振光干涉、激光調制等知識的理解和認識，培養和鍛煉學生的動手能力．實驗中光路的調整十分重要，光路調整的優劣直接影響實驗效果．一直以來對光路的調整相關的大學物理實驗及教材都是借助單軸晶體錐光干涉圖的觀察來實現的［3－6］．然而，利用現有實驗裝置通過光路調整使錐光干涉圖效果達到最佳，學生往往不易準確把握，因而造成實驗誤差．為此筆者對本校所用電光調制實驗裝置進行了改進，并給出了具體的光路調整方法．

2 實驗原理與實驗裝置

2．1 電光調制原理

鈮酸鋰（LiNbO3）晶體橫向電光調制器結構如圖1所示，其中x，y，z為晶體的折射率主軸，z軸為晶體光軸方向．起偏器的偏振方向平行于晶體的x軸，檢偏器的偏振方向平行于y軸．若入射光沿z軸方向傳播，在x軸方向加上電場時，折射率主軸x和y將繞z軸旋轉45°，產生新的感應主軸x′，y′，晶體由單軸晶體變為雙軸晶體．沿感應主軸x′和y′方向的折射率［7］為

圖1 晶體橫向電光調制器結構

入射光經起偏器后變為振動方向平行于x軸的線偏振光，它在晶體的感應軸x′和y′方向的投影的振幅與相位均相等，設分別為Ex′（0）＝A，Ey′（0）＝A，當光通過長為l的電光晶體后，x′和y′兩分量之間就產生相位差δ，為

通過檢偏器出射的輸出光強It可寫為It∝因此，光強透過率T為

相位差δ＝π時T＝100%，稱這時的電壓V為半波電壓Vπ，Vπ的測量可以采用極值法或調制法［8］．若V＝V0＋Vmsinωt，其中V0是直流分量，Vmsinωt是交流調制信號，則可以將透過率寫為

從（4）式可以看出改變V0或Vm輸出特性將相應變化，選擇合適的V0和Vm可以實現線性調制，如圖2所示．

圖2 T與V的關系曲線

2．2 實驗裝置

實驗所使用儀器是長春東河光電技術公司生產的DGT－B型電光調制實驗儀，光源為635 nm半導體激光器，所用晶體為LiNbO3，此外還有晶體電光調制電源、光電接收器、光電接收放大器及示波器．

3 實驗問題與改進

實驗所用的LiNb O3晶體尺寸為45 mm×10 mm×1．5 mm的細長扁長方體，是按照光軸方向進行切割的［9］，本實驗晶體光軸方向與z軸方向平行（見圖1），晶體放置在多維調節支架上，晶體的俯仰調節通過調節架上同一平面的4個調整旋鈕來實現．

問題1：本實驗所用激光光源的光輸出截面是寬高為2 mm×5 mm的長方形光束，光源光束截面較大而晶體側面較窄，影響觀察入射光與晶體表面的入射方向，不利于光路的調整．

問題2：實驗中學生是通過對晶體方位的多維調整及錐光干涉圖的觀察實現對光路的調整，但利用現有裝置學生往往不容易使錐光干涉圖調整到最佳狀態，造成測量曲線最弱光強點對零電場的偏移，因而使半波電壓的測量出現誤差．根據理論可知，由于（1）式是在入射光沿z軸方向傳播給出的，如果光路調整時入射光不與晶體z軸平行，則（2）式相位差δ將不是電壓V的單值函數，δ大小將與入射光與光軸方向的夾角有關，因此造成實驗誤差．

筆者對裝置進行了改進，首先在激光光源輸出端固定一開有直徑1 mm圓孔的擋板，并使擋板與光源為一體，以便使光束收束．另外制作2個相同的圓形小孔光闌A′和B′，光闌大小與儀器附件的起偏器及消光器大小相同，可以固定在支架附件的消光器和起偏器位置．實驗中采取的方法是將光闌A′和B′置于原光路的消光器位置A和起偏器位置B，如圖3所示．通過對光源的方向調整，使激光光源的光通過兩光闌光孔后入射到晶體，同時通過對晶體的多維調整使從晶體表面反射的光從兩光闌光孔返回，這樣可以簡單快捷地實現入射光方向與晶體光軸方向平行的調整．采用兩光孔反射的目的是為了消除單孔反射的調節誤差．

圖3 光路調節簡圖

4 光路調整與實驗

1）打開激光光源，在光源和晶體之間位置A放置小孔光闌A′，調整光源，使光穿過光闌小孔；在光源和晶體之間位置B放置另一小孔光闌B′，調整光源，使光穿過光闌A′后穿過光闌B′光孔．

2）調整晶體，使穿過光闌A′和B′的光入射到晶體的前表面C的中心位置并從晶體后表面D的中心輸出；微調晶體的前表面C端，使得從晶體前表面反射的光返回光闌B′光孔；取下光闌B′，微調晶體的后表面D端使從晶體前表面反射的光返回光闌A′光孔；重置光闌B′于位置B，重復調整，直到反射光從光闌A′和B′小孔返回，此時入射光傳播方向將與晶體z軸方向平行．

3）取下光闌A′和B′，在位置B處放置起偏器，在晶體與光功率接收器之間位置F放置檢偏器，調整起偏振器和檢偏器，使起偏振器和檢偏器的表面與光束垂直，并使光束在中心通過．轉動檢偏器，使光輸出最小（即消光狀態），此時起偏器和檢偏器正交．

4）在起偏器與晶體之間插入毛玻璃片，在檢偏器后邊放置觀察屏，觀察暗十字單軸晶體錐光干涉圖，如圖4所示．確認晶體的x軸平行于暗十字的豎線，晶體的y軸平行于暗十字的橫線，否則重新調整起偏器和檢偏器方向，直到符合光路要求．

圖4 晶體錐光干涉圖

5）打開晶體電光調制電源和光接收器放大電源，用極值法和調制法測量半波電壓及相關調制觀測．

5 結束語

通過對實驗裝置和光路調整的改進和完善，利用小孔光闌對光的準直實現了入射光方向與晶體光軸方向的平行，使電光調制實驗的錐光干涉圖觀察及光路調整變得輕松、準確、快捷，提高了實驗測量的準確性．

［1］ 李葉芳，潘潔，梁秀萍．電光調制通信實驗的改進［J］．物理實驗，2001，21（1）：39－42．

［2］ 李莉，齊曉慧，劉秉琦，等．晶體電光調制實驗模擬激光通信［J］．實驗室科學，2009（5）：73－76．

［3］ 吳思誠，王祖銓．近代物理實驗［M］．北京：高等教育出版社，2005．

［4］ 丁慎訓，張連芳．物理實驗教程［M］．北京：清華大學出版社，2002．

［5］ 孔麗晶，駱萬發．基于Matlab的單軸晶體錐光干涉圖樣模擬［J］．物理實驗，2009，29（2）：13－16．

［6］ 曹碩，馬瑩瑩，高鵬．錐光干涉圖、光強透過率曲線對電光調制實驗的影響［J］．遼寧大學學報，2007，34（4）：339－341．

［7］ 姜東光．近代物理實驗［M］．北京：科學出版社，2007．

［8］ 張國林，孫為，唐軍杰，等．對晶體電光調制實驗中兩種選擇工作點方法的理論解釋［J］．物理實驗，2002，22（10）：6－8．

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