【正文】 光電子綜合實驗實 驗 指 導 書巢湖學院電子工程與電氣自動化學院2014年2月85 / 86目錄目錄 1實驗一 晶體電光調(diào)制 2實驗二 太陽能電池特性 12實驗三 晶體的聲光效應實驗 19實驗四 晶體的磁光效應實驗 26實驗五 激光模式分析 28實驗六　光敏元件特性實驗 44實驗七 LEDamp。LD伏安（V/I）特性、電光轉換（P/I）特性實驗 52實驗八 LEDamp。LD光譜特性實驗 58實驗九 光電倍增管特性測試 61實驗十 雪崩光電二極管(APD)特性測試 68實驗十一 激光衍射光強分布實驗 71實驗十二 光纖溫度傳感系統(tǒng)特性實驗 78參考文獻 84實驗一 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)制的原理和實驗方法。2．學會用簡單的實驗裝置測量晶體半波電壓、電光常數(shù)的實驗方法。3．觀察電光效應所引起的晶體光學特性的變化和會聚偏振光的干涉現(xiàn)象。當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。電光效應在工程技術和科學研究中有許多重要應用，它有很短的響應時間(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，電光效應的研究和應用得到迅速的發(fā)展，電光器件被廣泛應用在激光通訊、激光測距、激光顯示和光學數(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。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aE0引起折射率變化的效應，稱為一次電光效應，也稱線性電光效應或普克爾(Pokells)效應；由二次項bE02引起折射率變化的效應，稱為二次電光效應，也稱平方電光效應或克爾(Kerr)效應。一次電光效應只存在于不具有對稱中心的晶體中，二次電光效應則可能存在于任何物質(zhì)中，一次效應要比二次效應顯著。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、振動方向的關系。在主軸坐標中，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分為縱向電光效應和橫向電光效應兩種?？v向電光效應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；橫向電光效應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。通常KD*P(磷酸二氘鉀)類型的晶體用它的縱向電光效應，LiNbO3(鈮酸鋰)類型的晶體用它的橫向電光效應。本實驗研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應，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，觀察相應的輸出特性的變化。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軸，光軸與z軸重合，是單軸晶體，折射率橢球是旋轉橢球，其表達式為 (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)。因為激光實際上只起到了“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)制多采用強度調(diào)制。強度調(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)制之所以常采用強度調(diào)制形式，主要是因為光接收器一般都是直接地響應其所接受的光強度變化的緣故。激光調(diào)制的方法很多，如機械調(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)制器開關速度快、結構簡單。因此，在激光調(diào)制技術及混合型光學雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應用。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。利用縱向電光效應的調(diào)制，叫做縱向電光調(diào)制，利用橫向電光效應的調(diào)制，叫做橫向電光調(diào)制。實驗只做LiNbO3晶體的橫向電光調(diào)制實驗。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，它在晶體的感應軸x′和y′軸上的投影的振幅和相位均相等，設分別為 ex′=A0cosωt , ey′=A0cosωt (9)或用復振幅的表示方法，將位于晶體表面(z=0)的光波表示為Ex′(0)=A , Ey′(0)=A (10)所以，入射光的強度是 (11)當光通過長為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)其對應的輸出光強It可寫成 (14)由(11)和(14)式，光強透過率T為 (15)由(7)式 (16)由此可見，δ和加在晶體上的電壓有關，當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，相應的相位差δ=π，由(15)式可知此時光強透過率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的重要參數(shù)。在實驗中，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控制透過強度所需電壓。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，橫向電光效應的半波電壓與晶片的幾何尺寸有關。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、UmUπ時，將工作點選定在線性工作區(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、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，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，由于工作點不在線性工作區(qū)，輸出波形將失真。④當， 時，調(diào)制器的工作點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，工作點雖然選定在了線性區(qū)，輸出波形仍然是失真的。[實驗儀器]晶體電光調(diào)制實驗裝置圖實驗儀器由晶體電光調(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)制器由一個可旋轉的偏振片、一個格蘭棱鏡、一個可旋轉的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。晶體放在四維調(diào)節(jié)架上，可精細調(diào)節(jié)，使光束嚴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調(diào)，精細調(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。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，它對應著晶體的光軸方向，十字形方向?qū)趦蓚€偏振片的偏振軸方向。在觀察過程中要反復微調(diào)晶體，使干涉圖樣中心與光點位置重合，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的。4）只改變直流偏壓的大小時，干涉圖樣不旋轉，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主軸方向的主折射率的大小，折射率橢球旋轉的角度與電場大小無關。(即T～U曲線)，求出半波電壓Uπ，再算出電光系數(shù)γ22 在實驗中，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，輸出的光強將會出現(xiàn)極小值和極大值，相鄰極小值和極大值對應的直流電壓之差即是半波電壓Uπ。調(diào)整光電接收器對準激光光點，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，再讀出相應的數(shù)字表的讀數(shù)作為接收器接收到的光強值，數(shù)據(jù)填入下表。偏壓U(V)102030405060708090100光強T(mV)