晶体电光调制实验中半波电压的测定_张国林

102中国科技论文 实 验 技 术 与 管 理 Vol.20 No.2 2003 统计源期刊

晶体电光调制实验中半波电压的测定

张国林,邵长金,孙 为

(石油大学数理系,北京昌平 102200)

摘 要:介绍了晶体电光调制实验中两种测量半波电压的方法,并对它们进行了比较和分析,在此基础上提出了对实验装置的改进意见。

关键词:电光效应;半波电压;极值法;倍频法

中图分类号:O73411 文献标识码:B 文章编号:1002-4956(2003)02-0102-04

晶体电光调制实验是集光、机、电于一体的一个综合性实验;通过这个实验,不仅可以学会用简单的实验装置测量晶体半波电压的方法,还可以观察和了解电光效应所引起的晶体光性的变化,加深对双折射、偏振光干涉等知识的理解。半波电压是描述晶体电光效应的重要参数,根据半波电压值,可以估计出利用电光效应控制透光强度所需的电压值;对于电光晶体而言,半波电压越小越好。

1 实验原理

某些晶体或流体加上电场后,其折射率发生变化,这种现象称为电光效应。若折射率的变化正比于电场强度,称为一次电光效应。铌酸锂晶体是单轴晶体,x、y、z轴为晶体的主轴,且z轴为光轴,如图1所示。当光沿z轴方向传播时,在x方向加上电场(电压V=V0+VmsinXt)后,晶体由单轴变为双轴,新的主轴xc、yc、zc轴又称为感应轴,其中xc和yc绕z轴转45b,而zc轴与z轴重合。

图1 晶体横向电光调制器结构示意图

振动方向平行于x轴的线偏振光通过长为l的电光晶体后,xc和yc两分量之间因折射率不同而产生相位差D;则输出光强I经推导可写成:

收稿日期:2002-06-05

作者简介:张国林(1963)),男,工程师,物理实验室主任1[1]

晶体电光调制实验中半波电压的测定

2103I=I0sin2(2)

当电压(V=V0+VmsinXt)增加到某一值时,xc、yc方向的偏振光经过晶体后产生KP2的光程差,其位相差D=P,此时透光率T=100%,这一电压叫半波电压,记为VP。则(2)式可改写:

I=I0sin2[2]P(V+VmsinXt)2VP0(3)

其中V0称为直流偏压(决定电光调制器的工作点),VmsinXt为调制信号。可以看出,改变V0或Vm,输出光强将相应地有所变化,如图2

所示。

图2 I与V的关系曲线

2 测定半波电压的方法

实验装置如图3所示。

211 倍频法

[3]当V0=0或VP,且VmnVP时,把V0=

0代入(3)式,经推导可得:

VmI=I01-cosPsinXtVP2

PVm1UI04VP22 2PVm1sinXtUI08VP(1-cos2Xt)

可以看出,输出光强的变化频率是调制信号频率的二倍(2X),即产生了/倍频失真0。把V0=VP代入(3)式,经类似的推导,亦可得:

PVmI=I0-I08VP2(1-cos2Xt)

这时也是/倍频失真0。可以证明,V0取其它值时,将发生线性调制或非线性调制(失真),但不会产生倍频失真;由双综示波器可观察到各种调制情况。

实验时,取VmnV0;从0开始逐渐增大加在晶体上的直流偏压V0,到半波电压VP时,出现倍频失真;改变电压极性,反向电压加到半波电压时,又出现倍频失真。正、负方向出现(一负),2VP。

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图3 实验装置方框图

212 极值法

由(3)式可知,透射光强度由偏压V决定,当V=?2kVP(0,1,2,,)时,I=0;当V=?(2k+1)VP(0,1,2,,)时,I=I0;当V取其它值时,I介于0和I0之间。然而,由于晶体材料不可避免的不均匀性和加工工艺的不完美,光在晶体中传播时会发生吸收和散射,从晶体中射出的光束也不可能完全重叠,因此,当V=0时,IX0,只是一个极小值Imin,接收放大器直流输出电压也是极小值Vmin;当V=VP时,IXI0,而是一个极大值Imax,直流输出电压也为Vmax。但是,相邻极大、极小值间对应的直流偏压之差仍是半波电压。

实验时,不加调制信号(Vm=0),从0开始增加直流偏压V0,从接收放大器的直流输出端可得到一系列直流输出电压值;因该电压与透射光强I成正比,依据已测得的一系列直流输出电压和直流偏压值,便可做出I~V0曲线。曲线上相邻光强的极大、极小值所对应的直流偏压值之差就是半波电压VP。

3 对测量半波电压两种方法的比较

极值法所需测量时间较长,而He-Ne激光器的输出功率易随环境温度的变化而改变,从而引起入射光强的变化,使得同一直流偏压V0对应的直流输出电压值改变。另外,测量时对实验桌施压而导致桌面变形,使得从晶体射出的光线打到光靶上的位置发生微小的偏移,也会引起直流输出电压发生改变。两种情况都会导致极值点难以确定,而极值法需要做出I~V0曲线,再从曲线上求出VP,因此很难准确测得半波电压。重复测量时,其实验结果相差较大。倍频法是通过观察波形测定半波电压,只要直流偏压V0不变,调制器的工作点就不会改变,交流输出信号的波形也就不会变化;因此,倍频法测量VP不易受环境变化的影响,其精度较高;重复测量时,实验结果相差较小,见表1。

晶体电光调制实验中半波电压的测定

表1 两种方法重复测量同一电光晶体的半波电压值

极值法VP(v)

倍频法VP(v)11591582156157316315841681585152157105平均值1591615717在倍频法测量VP的过程中,还可以从示波器上观察到线性调制、非线性调制、倍频失真等波形,而极值法测量不能观察到这些现象。与倍频法相比,用极值法测量半波电压虽然有一些不足之处,但可以测得透射光强随直流偏压变化曲线,增加学生对电光晶体输出特性的感性认识,这是倍频法不能做到的。

4 对实验装置的改进建议

用极值法测量半波电压存在不足之处,除了测量方法本身的原因外,还与实验装置不尽完美有关。对实验装置,可做如下改进:(1)把光电三极管(光靶)与调制器固定在同一底坐上,就可消除测量过程中实验装置间的相对位置的变化;若在光靶支架上加装横向微调,调节起来会更方便。(2)用输出性能更稳定的半导体激光器取代He-Ne激光器。由于半导体激光器体积较小,还可以省出空间,以便将光靶固定在调制器底座上。

结束语 晶体电光调制实验不仅可以测量半波电压、观察各种电光调制现象,还能进行光通讯的演示。在1998年为硕士生开设该实验的基础上,我们近两年又为工科本科生开设了这个实验;3个学时内,绝大多数学生都能完成规定的内容,且实验结果与硕士生的基本一致,实验效果很好。由于该实验内容丰富、现象直观,容易激发学生的学习兴趣,是一个难得的适合工科本科生的综合性实验,也是最受学生欢迎的一个实验。

[参考文献]

[1]蒋民华1晶体物理[M]1山东科技出版社,19801

[2]金光旭,等1电光振幅调制实验[J]1物理实验,1990,5:193-1951

[3]张国林,等1对晶体电光调制实验中两种选择工作点方法的理论解释[J]1物理实验,2002,10:6-81(上接第96页)

宏观测试方法,事实上,测量薄膜弹性模量还有一些微观方法,但各自都有其局限性。对不同的薄膜材料,如何选择合适的方法准确测量其弹性常数,正确评估其与块体材料之间的关系仍然是一个值得研究的问题。

[参考文献]

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[2]田民波、刘德令1薄膜科学与技术手册[M]1机械工业出版社,19911

[3]蔡四维1复事材料结构力学[M]1人民交通出版社,19871

[4]黄 莉,沈 为,宋显辉1薄膜弹性模量的估算[J]1武汉工业大学学报,1997,19(3):135-1381