【正文】 光電子綜合實(shí)驗(yàn)實(shí) 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書巢湖學(xué)院電子工程與電氣自動化學(xué)院2014年2月85 / 86目錄目錄 1實(shí)驗(yàn)一 晶體電光調(diào)制 2實(shí)驗(yàn)二 太陽能電池特性 12實(shí)驗(yàn)三 晶體的聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn) 19實(shí)驗(yàn)四 晶體的磁光效應(yīng)實(shí)驗(yàn) 26實(shí)驗(yàn)五 激光模式分析 28實(shí)驗(yàn)六　光敏元件特性實(shí)驗(yàn) 44實(shí)驗(yàn)七 LEDamp。LD伏安（V/I）特性、電光轉(zhuǎn)換（P/I）特性實(shí)驗(yàn) 52實(shí)驗(yàn)八 LEDamp。LD光譜特性實(shí)驗(yàn) 58實(shí)驗(yàn)九 光電倍增管特性測試 61實(shí)驗(yàn)十 雪崩光電二極管(APD)特性測試 68實(shí)驗(yàn)十一 激光衍射光強(qiáng)分布實(shí)驗(yàn) 71實(shí)驗(yàn)十二 光纖溫度傳感系統(tǒng)特性實(shí)驗(yàn) 78參考文獻(xiàn) 84實(shí)驗(yàn)一 晶體電光調(diào)制1．晶體電光調(diào)制電源 輸出正弦波調(diào)制幅度：0～300V連續(xù)可調(diào)，頻率1K 輸出直流偏置電壓：0～600V ,連續(xù)可調(diào)2．鈮酸鋰(LiNbO3)電光晶體 尺寸550mm 鍍銀電極3．HeNe激光器及可調(diào)電源 ，＜，電流連續(xù)可調(diào)4．可旋轉(zhuǎn)偏振片 最小刻度值1176。5．光電接收器 PIN光電池6．有源音響 漫步者1．掌握晶體電光調(diào)制的原理和實(shí)驗(yàn)方法。2．學(xué)會用簡單的實(shí)驗(yàn)裝置測量晶體半波電壓、電光常數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。3．觀察電光效應(yīng)所引起的晶體光學(xué)特性的變化和會聚偏振光的干涉現(xiàn)象。當(dāng)給晶體或液體加上電場后，該晶體或液體的折射率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。電光效應(yīng)在工程技術(shù)和科學(xué)研究中有許多重要應(yīng)用，它有很短的響應(yīng)時間(可以跟上頻率為1010Hz的電場變化)，可以在高速攝影中作快門或在光速測量中作光束斬波器等。在激光出現(xiàn)以后，電光效應(yīng)的研究和應(yīng)用得到迅速的發(fā)展，電光器件被廣泛應(yīng)用在激光通訊、激光測距、激光顯示和光學(xué)數(shù)據(jù)處理等方面。由電場所引起的晶體折射率的變化，稱為電光效應(yīng)。通?？蓪㈦妶鲆鸬恼凵渎实淖兓孟率奖硎荆簄 = n0 + aE0 +bE02+…… (1)式中a和b為常數(shù)，n0為不加電場時晶體的折射率。由一次項(xiàng)aE0引起折射率變化的效應(yīng)，稱為一次電光效應(yīng)，也稱線性電光效應(yīng)或普克爾(Pokells)效應(yīng)；由二次項(xiàng)bE02引起折射率變化的效應(yīng)，稱為二次電光效應(yīng)，也稱平方電光效應(yīng)或克爾(Kerr)效應(yīng)。一次電光效應(yīng)只存在于不具有對稱中心的晶體中，二次電光效應(yīng)則可能存在于任何物質(zhì)中，一次效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯著。光在各向異性晶體中傳播時，因光的傳播方向不同或者是電矢量的振動方向不同，光的折射率也不同。如圖1，通常用折射率球來描述折射率與光的傳播方向、振動方向的關(guān)系。在主軸坐標(biāo)中，折射率橢球及其方程為 (2)式中nnn3為橢球三個主軸方向上的折射率，稱為主折射率。當(dāng)晶體加上電場后，折射率橢球的形狀、大小、方位都發(fā)生變化，橢球方程變成 (3)晶體的一次電光效應(yīng)分為縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)兩種?？v向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播的方向平行時產(chǎn)生的電光效應(yīng)；橫向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播方向垂直時產(chǎn)生的電光效應(yīng)。通常KD*P(磷酸二氘鉀)類型的晶體用它的縱向電光效應(yīng)，LiNbO3(鈮酸鋰)類型的晶體用它的橫向電光效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應(yīng)，用鈮酸鋰晶體的橫向調(diào)制裝置測量鈮酸鋰晶體的半波電壓及電光系數(shù)，并用兩種方法改變調(diào)制器的工作點(diǎn)，觀察相應(yīng)的輸出特性的變化。鈮酸鋰晶體屬于三角晶系，3m晶類，主軸z方向有一個三次旋轉(zhuǎn)軸，光軸與z軸重合，是單軸晶體，折射率橢球是旋轉(zhuǎn)橢球，其表達(dá)式為 (4)式中n0和ne分別為晶體的尋常光和非常光的折射率。加上電場后折射率橢球發(fā)生畸變，當(dāng)x軸方向加電場，光沿z軸方向傳播時，晶體由單軸晶變?yōu)殡p軸晶，垂直于光軸z軸方向的折射率橢球截面由圓變?yōu)闄E圓，此橢圓方程為 (5)其中的稱為電光系數(shù)。上式進(jìn)行主軸變換后可得到 (6)考慮到1，經(jīng)簡化得到 (7)折射率橢球截面的橢圓方程化為 (8)要用激光作為傳遞信息的工具，首先要解決如何將傳輸信號加到激光輻射上去的問題，我們把信息加載于激光輻射的過程稱為激光調(diào)制，把完成這一過程的裝置稱為激光調(diào)制器。由已調(diào)制的激光輻射還原出所加載信息的過程則稱為解調(diào)。因?yàn)榧す鈱?shí)際上只起到了“攜帶”低頻信號的作用，所以稱為載波，而起控制作用的低頻信號是我們所需要的，稱為調(diào)制信號，被調(diào)制的載波稱為已調(diào)波或調(diào)制光。按調(diào)制的性質(zhì)而言，激光調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，可以采用連續(xù)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及脈沖調(diào)制等形式，但激光調(diào)制多采用強(qiáng)度調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制是根據(jù)光載波電場振幅的平方比例于調(diào)制信號，使輸出的激光輻射的強(qiáng)度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。激光調(diào)制之所以常采用強(qiáng)度調(diào)制形式，主要是因?yàn)楣饨邮掌饕话愣际侵苯拥仨憫?yīng)其所接受的光強(qiáng)度變化的緣故。激光調(diào)制的方法很多，如機(jī)械調(diào)制、電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和電源調(diào)制等。其中電光調(diào)制器開關(guān)速度快、結(jié)構(gòu)簡單。因此，在激光調(diào)制技術(shù)及混合型光學(xué)雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應(yīng)用。電光調(diào)制根據(jù)所施加的電場方向的不同，可分為縱向電光調(diào)制和橫向電光調(diào)制。利用縱向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做縱向電光調(diào)制，利用橫向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做橫向電光調(diào)制。實(shí)驗(yàn)只做LiNbO3晶體的橫向電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)。橫向電光調(diào)制　　　　　　　　　　　　　　　　 　圖 2圖2為典型的利用LiNbO3晶體橫向電光效應(yīng)原理的激光振幅調(diào)制器。其中起偏振片的偏振方向平行于電光晶體的x軸，檢偏振片的偏振方向平行于y軸。因此入射光經(jīng)起偏振片后變?yōu)檎駝臃较蚱叫杏趚軸的線偏振光，它在晶體的感應(yīng)軸x′和y′軸上的投影的振幅和相位均相等，設(shè)分別為 ex′=A0cosωt , ey′=A0cosωt (9)或用復(fù)振幅的表示方法，將位于晶體表面(z=0)的光波表示為Ex′(0)=A , Ey′(0)=A (10)所以，入射光的強(qiáng)度是 (11)當(dāng)光通過長為l的電光晶體后，x′和y′兩分量之間就產(chǎn)生相位差δ，即 Ex′(l)=A , Ey′(l)=A (12)通過檢偏振片出射的光，是該兩分量在y軸上的投影之和 (13)其對應(yīng)的輸出光強(qiáng)It可寫成 (14)由(11)和(14)式，光強(qiáng)透過率T為 (15)由(7)式 (16)由此可見，δ和加在晶體上的電壓有關(guān)，當(dāng)電壓增加到某一值時x′、y′方向的偏振光經(jīng)過晶體后可產(chǎn)生λ/2的光程差，相應(yīng)的相位差δ=π，由(15)式可知此時光強(qiáng)透過率T=100%，這時加在晶體上的電壓稱作半波電壓，通常用Uπ表示。Uπ是描述晶體電光效應(yīng)的重要參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，這個電壓越小越好，如果Uπ小，需要的調(diào)制信號電壓也小。根據(jù)半波電壓值，我們可以估計出電光效應(yīng)控制透過強(qiáng)度所需電壓。由(16)式可得到 (17)其中d和l分別為晶體的厚度和長度。由此可見，橫向電光效應(yīng)的半波電壓與晶片的幾何尺寸有關(guān)。由(17)式可知，如果使電極之間的距離d盡可能的減少，而增加通光方向的長度l，則可以使半波電壓減小，所以晶體通常加工成細(xì)長的扁長方體。由(16)、(17)式可得 因此，可將(15)式改寫成 (18)其中U0是加在晶體上的直流電壓，Umsinωt是同時加在晶體上的交流調(diào)制信號，Um是其振幅，ω是調(diào)制頻率。從(18)式可以看出，改變U0或Um，輸出特性將相應(yīng)的有變化。對單色光和確定的晶體來說， Uπ為常數(shù)，因而T將僅隨晶體上所加的電壓變化。 改變直流偏壓對輸出特性的影響①當(dāng)、UmUπ時，將工作點(diǎn)選定在線性工作區(qū)的中心處，如圖3(a)所示，此時，可獲得較高效率的線性調(diào)制，把 代入(18)式，得 (19)由于UmUπ時 即 T∝sinωt (20)這時，調(diào)制器輸出的信號和調(diào)制信號雖然振幅不同，但是兩者的頻率卻是相同的，輸出信號不失真，我們稱為線性調(diào)制。②當(dāng)、Um時，如圖3(b)所示，把代入(18)式 即 T∝cos2ωt (21) 從(21)式可以看出，輸出信號的頻率是調(diào)制信號頻率的二倍，即產(chǎn)生“倍頻”失真。若把代入(18)式，經(jīng)類似的推導(dǎo)，可得 (22)即T∝cos2ωt，輸出信號仍是“倍頻”失真的信號。(a) (b)圖 3③直流偏壓U0在0伏附近或在附近變化時，由于工作點(diǎn)不在線性工作區(qū)，輸出波形將失真。④當(dāng)， 時，調(diào)制器的工作點(diǎn)雖然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足小信號調(diào)制的要求，(19)式不能寫成(20)式的形式。因此，工作點(diǎn)雖然選定在了線性區(qū)，輸出波形仍然是失真的。[實(shí)驗(yàn)儀器]晶體電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)儀器由晶體電光調(diào)制電源、光電接收器、HeNe激光器、調(diào)制器等組成。1．晶體電光調(diào)制電源。調(diào)制電源由0V— +600V之間連續(xù)可調(diào)的直流電源、單一頻率振蕩器(振蕩頻率約為1kHz)、音頻信號和放大器組成，電源面板上有三位半數(shù)字面板表，可顯示直流電壓值。直流電壓的大小用“直流偏壓”旋鈕調(diào)節(jié)。調(diào)制信號可由機(jī)內(nèi)音樂片提供，此調(diào)制信號是用裝在面板上的“音頻”鍵來選擇三個信號中的任意一個信號。所有的調(diào)制信號的大小是通過“調(diào)制幅度”旋鈕控制的。通過前面板上的“調(diào)制信號”高頻插孔輸出的參考信號，接到雙蹤示波器的一個通道與被調(diào)制后的接收的光強(qiáng)信號比較，觀察調(diào)制器的輸出特性。2．調(diào)制器。調(diào)制器由一個可旋轉(zhuǎn)的偏振片、一個格蘭棱鏡、一個可旋轉(zhuǎn)的1/4波片和一塊鈮酸鋰晶體組成，采用橫向調(diào)制方式。晶體放在兩個正交的偏振片之間，起偏振片和晶體的x軸平行。檢偏振片和晶體之間可插入1/4波片，偏振片和波片均可繞其幾何軸旋轉(zhuǎn)。晶體放在四維調(diào)節(jié)架上，可精細(xì)調(diào)節(jié)，使光束嚴(yán)格沿晶體光軸方向通過。3．光電接收器。光電接收器由PIN光電二極管和功率放大器組成。PIN光電二極管把被調(diào)制了的氦氖激光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，輸入到電光調(diào)制電箱上，放大后的信號接到雙蹤示波器，同參考信號比較，觀察調(diào)制器的輸出特性。電箱內(nèi)裝有音箱插孔，用來再現(xiàn)聲音調(diào)制信號，面板上還有“調(diào)制信號”高頻插孔，用示波器測量顯示PIN光電二極管接收到的光強(qiáng)信號的大小。1）調(diào)節(jié)激光管使激光束與晶體調(diào)節(jié)臺上表面平行，同時使光束通過各光學(xué)元件中心。調(diào)節(jié)起偏格蘭棱鏡和檢偏振片正交，且分別平行于x軸，y軸，放上電光晶體后各器件要細(xì)調(diào)，精細(xì)調(diào)節(jié)是利用單軸晶體的錐光干涉圖樣的變化完成的。由于晶體的不均勻性，在檢偏振片后面的白屏上可看到一弱光點(diǎn)。然后緊靠晶體前放一張鏡頭紙，這時在白屏上可觀察到單軸晶體的錐光干涉圖樣，如圖4。一個暗十字圖形貫穿整個圖樣，四周為明暗相間的同心干涉圓環(huán)，十字形中心同時也是圓環(huán)的中心，它對應(yīng)著晶體的光軸方向，十字形方向?qū)?yīng)于兩個偏振片的偏振軸方向。在觀察過程中要反復(fù)微調(diào)晶體，使干涉圖樣中心與光點(diǎn)位置重合，同時盡可能使圖樣對稱、完整，確保光束既與晶體光軸平行，又從晶體中心穿過的要求，再調(diào)節(jié)使干涉圖樣出現(xiàn)清晰的暗十字，且十字的一條線平行于x軸。這一步調(diào)節(jié)很重要，調(diào)節(jié)的好壞，直接影響下一步的測量，因此，一定要耐心，仔細(xì)調(diào)節(jié)。2）加上直流偏壓時呈現(xiàn)雙軸晶體的錐光干涉圖樣，它說明單軸晶體在電場的作用下變成了雙軸晶體。3）兩個偏振片正交時和平行時干涉圖樣是互補(bǔ)的。4）只改變直流偏壓的大小時，干涉圖樣不旋轉(zhuǎn)，只是雙曲線分開的距離發(fā)生變化。這一現(xiàn)象說明，外加電場只改變感應(yīng)主軸方向的主折射率的大小，折射率橢球旋轉(zhuǎn)的角度與電場大小無關(guān)。(即T～U曲線)，求出半波電壓Uπ，再算出電光系數(shù)γ22 在實(shí)驗(yàn)中，用兩種方法測量鈮酸鋰晶體的半波電壓，一種方法是極值法，另一種方法是調(diào)制法。1）極值法具體做法是：電源面板上的信號選擇開關(guān)撥到“靜態(tài)”擋，晶體上只加直流電壓，不加交流信號，把直流電壓從小到大逐漸改變，輸出的光強(qiáng)將會出現(xiàn)極小值和極大值，相鄰極小值和極大值對應(yīng)的直流電壓之差即是半波電壓Uπ。調(diào)整光電接收器對準(zhǔn)激光光點(diǎn)，放大器的直流輸出接到電箱，再增大直流偏壓到最大，保持再減小直流偏壓到零，若讀數(shù)始終不超過200mV，則可以開始測量數(shù)據(jù)了。加在晶體上的電壓在電源面板上的數(shù)字表讀出，每隔10V增大一次，再讀出相應(yīng)的數(shù)字表的讀數(shù)作為接收器接收到的光強(qiáng)值，數(shù)據(jù)填入下表。偏壓U(V)102030405060708090100光強(qiáng)T(mV)