晶体电光调制实验装置与光路调整的改进

姚 志，李建东，刘 昱

（大连理工大学 物理与光电工程学院，辽宁 大连116023）

1 引 言

某些晶体的折射率随外加电场的变化而改变的现象为电光效应，晶体电光调制实验是基于晶体电光效应，通过电光调制实现激光通信的综合性实验［1－2］．通过实验可以使学生加深对偏振光干涉、激光调制等知识的理解和认识，培养和锻炼学生的动手能力．实验中光路的调整十分重要，光路调整的优劣直接影响实验效果．一直以来对光路的调整相关的大学物理实验及教材都是借助单轴晶体锥光干涉图的观察来实现的［3－6］．然而，利用现有实验装置通过光路调整使锥光干涉图效果达到最佳，学生往往不易准确把握，因而造成实验误差．为此笔者对本校所用电光调制实验装置进行了改进，并给出了具体的光路调整方法．

2 实验原理与实验装置

2．1 电光调制原理

铌酸锂（LiNbO3）晶体横向电光调制器结构如图1所示，其中x，y，z为晶体的折射率主轴，z轴为晶体光轴方向．起偏器的偏振方向平行于晶体的x轴，检偏器的偏振方向平行于y轴．若入射光沿z轴方向传播，在x轴方向加上电场时，折射率主轴x和y将绕z轴旋转45°，产生新的感应主轴x′，y′，晶体由单轴晶体变为双轴晶体．沿感应主轴x′和y′方向的折射率［7］为

图1 晶体横向电光调制器结构

入射光经起偏器后变为振动方向平行于x轴的线偏振光，它在晶体的感应轴x′和y′方向的投影的振幅与相位均相等，设分别为Ex′（0）＝A，Ey′（0）＝A，当光通过长为l的电光晶体后，x′和y′两分量之间就产生相位差δ，为

通过检偏器出射的输出光强It可写为It∝因此，光强透过率T为

相位差δ＝π时T＝100%，称这时的电压V为半波电压Vπ，Vπ的测量可以采用极值法或调制法［8］．若V＝V0＋Vmsinωt，其中V0是直流分量，Vmsinωt是交流调制信号，则可以将透过率写为

从（4）式可以看出改变V0或Vm输出特性将相应变化，选择合适的V0和Vm可以实现线性调制，如图2所示．

图2 T与V的关系曲线

2．2 实验装置

实验所使用仪器是长春东河光电技术公司生产的DGT－B型电光调制实验仪，光源为635 nm半导体激光器，所用晶体为LiNbO3，此外还有晶体电光调制电源、光电接收器、光电接收放大器及示波器．

3 实验问题与改进

实验所用的LiNb O3晶体尺寸为45 mm×10 mm×1．5 mm的细长扁长方体，是按照光轴方向进行切割的［9］，本实验晶体光轴方向与z轴方向平行（见图1），晶体放置在多维调节支架上，晶体的俯仰调节通过调节架上同一平面的4个调整旋钮来实现．

问题1：本实验所用激光光源的光输出截面是宽高为2 mm×5 mm的长方形光束，光源光束截面较大而晶体侧面较窄，影响观察入射光与晶体表面的入射方向，不利于光路的调整．

问题2：实验中学生是通过对晶体方位的多维调整及锥光干涉图的观察实现对光路的调整，但利用现有装置学生往往不容易使锥光干涉图调整到最佳状态，造成测量曲线最弱光强点对零电场的偏移，因而使半波电压的测量出现误差．根据理论可知，由于（1）式是在入射光沿z轴方向传播给出的，如果光路调整时入射光不与晶体z轴平行，则（2）式相位差δ将不是电压V的单值函数，δ大小将与入射光与光轴方向的夹角有关，因此造成实验误差．

笔者对装置进行了改进，首先在激光光源输出端固定一开有直径1 mm圆孔的挡板，并使挡板与光源为一体，以便使光束收束．另外制作2个相同的圆形小孔光阑A′和B′，光阑大小与仪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．实验中采取的方法是将光阑A′和B′置于原光路的消光器位置A和起偏器位置B，如图3所示．通过对光源的方向调整，使激光光源的光通过两光阑光孔后入射到晶体，同时通过对晶体的多维调整使从晶体表面反射的光从两光阑光孔返回，这样可以简单快捷地实现入射光方向与晶体光轴方向平行的调整．采用两光孔反射的目的是为了消除单孔反射的调节误差．

图3 光路调节简图

4 光路调整与实验

1）打开激光光源，在光源和晶体之间位置A放置小孔光阑A′，调整光源，使光穿过光阑小孔；在光源和晶体之间位置B放置另一小孔光阑B′，调整光源，使光穿过光阑A′后穿过光阑B′光孔．

2）调整晶体，使穿过光阑A′和B′的光入射到晶体的前表面C的中心位置并从晶体后表面D的中心输出；微调晶体的前表面C端，使得从晶体前表面反射的光返回光阑B′光孔；取下光阑B′，微调晶体的后表面D端使从晶体前表面反射的光返回光阑A′光孔；重置光阑B′于位置B，重复调整，直到反射光从光阑A′和B′小孔返回，此时入射光传播方向将与晶体z轴方向平行．

3）取下光阑A′和B′，在位置B处放置起偏器，在晶体与光功率接收器之间位置F放置检偏器，调整起偏振器和检偏器，使起偏振器和检偏器的表面与光束垂直，并使光束在中心通过．转动检偏器，使光输出最小（即消光状态），此时起偏器和检偏器正交．

4）在起偏器与晶体之间插入毛玻璃片，在检偏器后边放置观察屏，观察暗十字单轴晶体锥光干涉图，如图4所示．确认晶体的x轴平行于暗十字的竖线，晶体的y轴平行于暗十字的横线，否则重新调整起偏器和检偏器方向，直到符合光路要求．

图4 晶体锥光干涉图

5）打开晶体电光调制电源和光接收器放大电源，用极值法和调制法测量半波电压及相关调制观测．

5 结束语

通过对实验装置和光路调整的改进和完善，利用小孔光阑对光的准直实现了入射光方向与晶体光轴方向的平行，使电光调制实验的锥光干涉图观察及光路调整变得轻松、准确、快捷，提高了实验测量的准确性．

［1］ 李叶芳，潘洁，梁秀萍．电光调制通信实验的改进［J］．物理实验，2001，21（1）：39－42．

［2］ 李莉，齐晓慧，刘秉琦，等．晶体电光调制实验模拟激光通信［J］．实验室科学，2009（5）：73－76．

［3］ 吴思诚，王祖铨．近代物理实验［M］．北京：高等教育出版社，2005．

［4］ 丁慎训，张连芳．物理实验教程［M］．北京：清华大学出版社，2002．

［5］ 孔丽晶，骆万发．基于Matlab的单轴晶体锥光干涉图样模拟［J］．物理实验，2009，29（2）：13－16．

［6］ 曹硕，马莹莹，高鹏．锥光干涉图、光强透过率曲线对电光调制实验的影响［J］．辽宁大学学报，2007，34（4）：339－341．

［7］ 姜东光．近代物理实验［M］．北京：科学出版社，2007．

［8］ 张国林，孙为，唐军杰，等．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］．物理实验，2002，22（10）：6－8．

［9］ 孔勇发，许京军，张光寅，等．多功能光电材料－铌酸锂晶体［M］．北京：科学出版社，2005：126－147．