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光電子綜合實驗講義-展示頁

2025-04-25 23:03本頁面
  

【正文】 明激光束可以攜帶音頻信號,實現(xiàn)光通訊。輸出信號通過接收放大器上的揚聲器播放,可聽到音樂。值得注意的是,不僅通過晶體上加直流偏壓可以改變調(diào)制器的工作點,也可以用1/4波片選擇工作點,其效果是一樣的,但這兩種方法的機理是不同的。當波片的快慢軸平行于晶體的感應(yīng)軸方向時,輸出信號線性調(diào)制;當波片的快慢軸分別平行于晶體的x、y軸時,輸出光失真,出現(xiàn)“倍頻”失真。做這一步實驗時,把電源上的調(diào)制幅度、調(diào)制器上的輸入光強、放大器的輸出、示波器上的增益(或哀減)這四部分調(diào)好,才能觀察到很好的輸出波形。選擇5個不同的工作點40V、80V、120V、160V、200V,觀察接收信號的波形并畫出圖形。3)改變直流偏壓,選擇不同的工作點,觀察正弦波電壓的調(diào)制特性電源面板上的信號選擇開關(guān)撥到“調(diào)制”擋,機內(nèi)單一頻率的正弦波振蕩器工作,產(chǎn)生正弦信號,此信號經(jīng)放大后,加到晶體上,同時,通過面板上的“調(diào)制信號”孔,輸出此信號,把它接到雙蹤示波器的CH1上,作為參考信號。但是這種方法對調(diào)節(jié)的要求很高,很難調(diào)到最佳狀態(tài)。具體做法是:電源面板上的信號選擇開關(guān)撥到“調(diào)制”擋,把電源前面板上的“調(diào)制信號”輸出接到雙蹤示波器的CH2上,把放大器的“光強信號”接到示波器的CH1上,把CHCH2上的信號做比較,調(diào)節(jié)直流偏壓,當晶體上加的直流電壓到某一值U1時,輸出信號出現(xiàn)倍頻失真,再調(diào)節(jié)直流電壓,當晶體上加的直流電壓到另一值U2時,輸出信號又出現(xiàn)倍頻失真,相繼兩次出現(xiàn)倍頻失真時對應(yīng)的直流電壓之差U2-U1就是半波電壓Uπ。晶體厚度d= mm,寬度m=,長度L=50 mm,n0=,激光波長λ=。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值,數(shù)據(jù)填入下表。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。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)。3)兩個偏振片正交時和平行時干涉圖樣是互補的。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)。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。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。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。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。3.光電接收器。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)。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。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。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。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。[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。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。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。 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。從(18)式可以看出,改變U0或Um,輸出特性將相應(yīng)的有變化。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)式可得到 (17)其中d和l分別為晶體的厚度和長度。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。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(yīng)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(guān),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(yīng)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。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。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。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。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。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。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。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。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。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)。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(yīng)分為縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)兩種。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。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。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。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。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(yīng)。2.學(xué)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。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(zhuǎn)偏振片 最小刻度值1176。光電子綜合實驗實 驗 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(yīng)實驗 19實驗四 晶體的磁光效應(yīng)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(zhuǎn)換(P/I)特性實驗 52實驗八 LEDamp。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。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。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。由電場所引起的晶體折射率的變化,稱為電光效應(yīng)。由一次項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)。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。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??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)。本實驗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,觀察相應(yīng)的輸出特性的變化。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)。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)。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。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(yīng)其所接受的光強度變化的緣故。其中電光調(diào)制器開關(guān)速度快、結(jié)構(gòu)簡單。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。實驗只做LiNbO3晶體的橫向電光調(diào)制實驗。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。Uπ是描述晶體電光效應(yīng)的重要參數(shù)。根據(jù)半波電壓值,我們可以估計出電光效應(yīng)控制透過強度所需電壓。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(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。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。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。(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。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。1.晶體電光調(diào)制電源。直流電壓的大小用“直流偏壓”旋鈕調(diào)節(jié)。所有的調(diào)制信號的大小是通過“調(diào)制幅度”旋鈕控制的。2.調(diào)
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