晶體電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)裝置與光路調(diào)整的改進(jìn)

姚 志，李建東，劉 昱

（大連理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，遼寧 大連116023）

1 引 言

某些晶體的折射率隨外加電場(chǎng)的變化而改變的現(xiàn)象為電光效應(yīng)，晶體電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)是基于晶體電光效應(yīng)，通過(guò)電光調(diào)制實(shí)現(xiàn)激光通信的綜合性實(shí)驗(yàn)［1－2］．通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生加深對(duì)偏振光干涉、激光調(diào)制等知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力．實(shí)驗(yàn)中光路的調(diào)整十分重要，光路調(diào)整的優(yōu)劣直接影響實(shí)驗(yàn)效果．一直以來(lái)對(duì)光路的調(diào)整相關(guān)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)及教材都是借助單軸晶體錐光干涉圖的觀察來(lái)實(shí)現(xiàn)的［3－6］．然而，利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)光路調(diào)整使錐光干涉圖效果達(dá)到最佳，學(xué)生往往不易準(zhǔn)確把握，因而造成實(shí)驗(yàn)誤差．為此筆者對(duì)本校所用電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，并給出了具體的光路調(diào)整方法．

2 實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)裝置

2．1 電光調(diào)制原理

鈮酸鋰（LiNbO3）晶體橫向電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中x，y，z為晶體的折射率主軸，z軸為晶體光軸方向．起偏器的偏振方向平行于晶體的x軸，檢偏器的偏振方向平行于y軸．若入射光沿z軸方向傳播，在x軸方向加上電場(chǎng)時(shí)，折射率主軸x和y將繞z軸旋轉(zhuǎn)45°，產(chǎn)生新的感應(yīng)主軸x′，y′，晶體由單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體．沿感應(yīng)主軸x′和y′方向的折射率［7］為

圖1 晶體橫向電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)

入射光經(jīng)起偏器后變?yōu)檎駝?dòng)方向平行于x軸的線偏振光，它在晶體的感應(yīng)軸x′和y′方向的投影的振幅與相位均相等，設(shè)分別為Ex′（0）＝A，Ey′（0）＝A，當(dāng)光通過(guò)長(zhǎng)為l的電光晶體后，x′和y′兩分量之間就產(chǎn)生相位差δ，為

通過(guò)檢偏器出射的輸出光強(qiáng)It可寫為It∝因此，光強(qiáng)透過(guò)率T為

相位差δ＝π時(shí)T＝100%，稱這時(shí)的電壓V為半波電壓Vπ，Vπ的測(cè)量可以采用極值法或調(diào)制法［8］．若V＝V0＋Vmsinωt，其中V0是直流分量，Vmsinωt是交流調(diào)制信號(hào)，則可以將透過(guò)率寫為

從（4）式可以看出改變V0或Vm輸出特性將相應(yīng)變化，選擇合適的V0和Vm可以實(shí)現(xiàn)線性調(diào)制，如圖2所示．

圖2 T與V的關(guān)系曲線

2．2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所使用儀器是長(zhǎng)春東河光電技術(shù)公司生產(chǎn)的DGT－B型電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀，光源為635 nm半導(dǎo)體激光器，所用晶體為L(zhǎng)iNbO3，此外還有晶體電光調(diào)制電源、光電接收器、光電接收放大器及示波器．

3 實(shí)驗(yàn)問(wèn)題與改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)所用的LiNb O3晶體尺寸為45 mm×10 mm×1．5 mm的細(xì)長(zhǎng)扁長(zhǎng)方體，是按照光軸方向進(jìn)行切割的［9］，本實(shí)驗(yàn)晶體光軸方向與z軸方向平行（見(jiàn)圖1），晶體放置在多維調(diào)節(jié)支架上，晶體的俯仰調(diào)節(jié)通過(guò)調(diào)節(jié)架上同一平面的4個(gè)調(diào)整旋鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)．

問(wèn)題1：本實(shí)驗(yàn)所用激光光源的光輸出截面是寬高為2 mm×5 mm的長(zhǎng)方形光束，光源光束截面較大而晶體側(cè)面較窄，影響觀察入射光與晶體表面的入射方向，不利于光路的調(diào)整．

問(wèn)題2：實(shí)驗(yàn)中學(xué)生是通過(guò)對(duì)晶體方位的多維調(diào)整及錐光干涉圖的觀察實(shí)現(xiàn)對(duì)光路的調(diào)整，但利用現(xiàn)有裝置學(xué)生往往不容易使錐光干涉圖調(diào)整到最佳狀態(tài)，造成測(cè)量曲線最弱光強(qiáng)點(diǎn)對(duì)零電場(chǎng)的偏移，因而使半波電壓的測(cè)量出現(xiàn)誤差．根據(jù)理論可知，由于（1）式是在入射光沿z軸方向傳播給出的，如果光路調(diào)整時(shí)入射光不與晶體z軸平行，則（2）式相位差δ將不是電壓V的單值函數(shù)，δ大小將與入射光與光軸方向的夾角有關(guān)，因此造成實(shí)驗(yàn)誤差．

筆者對(duì)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，首先在激光光源輸出端固定一開(kāi)有直徑1 mm圓孔的擋板，并使擋板與光源為一體，以便使光束收束．另外制作2個(gè)相同的圓形小孔光闌A′和B′，光闌大小與儀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．實(shí)驗(yàn)中采取的方法是將光闌A′和B′置于原光路的消光器位置A和起偏器位置B，如圖3所示．通過(guò)對(duì)光源的方向調(diào)整，使激光光源的光通過(guò)兩光闌光孔后入射到晶體，同時(shí)通過(guò)對(duì)晶體的多維調(diào)整使從晶體表面反射的光從兩光闌光孔返回，這樣可以簡(jiǎn)單快捷地實(shí)現(xiàn)入射光方向與晶體光軸方向平行的調(diào)整．采用兩光孔反射的目的是為了消除單孔反射的調(diào)節(jié)誤差．

圖3 光路調(diào)節(jié)簡(jiǎn)圖

4 光路調(diào)整與實(shí)驗(yàn)

1）打開(kāi)激光光源，在光源和晶體之間位置A放置小孔光闌A′，調(diào)整光源，使光穿過(guò)光闌小孔；在光源和晶體之間位置B放置另一小孔光闌B′，調(diào)整光源，使光穿過(guò)光闌A′后穿過(guò)光闌B′光孔．

2）調(diào)整晶體，使穿過(guò)光闌A′和B′的光入射到晶體的前表面C的中心位置并從晶體后表面D的中心輸出；微調(diào)晶體的前表面C端，使得從晶體前表面反射的光返回光闌B′光孔；取下光闌B′，微調(diào)晶體的后表面D端使從晶體前表面反射的光返回光闌A′光孔；重置光闌B′于位置B，重復(fù)調(diào)整，直到反射光從光闌A′和B′小孔返回，此時(shí)入射光傳播方向?qū)⑴c晶體z軸方向平行．

3）取下光闌A′和B′，在位置B處放置起偏器，在晶體與光功率接收器之間位置F放置檢偏器，調(diào)整起偏振器和檢偏器，使起偏振器和檢偏器的表面與光束垂直，并使光束在中心通過(guò)．轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，使光輸出最?。聪鉅顟B(tài)），此時(shí)起偏器和檢偏器正交．

4）在起偏器與晶體之間插入毛玻璃片，在檢偏器后邊放置觀察屏，觀察暗十字單軸晶體錐光干涉圖，如圖4所示．確認(rèn)晶體的x軸平行于暗十字的豎線，晶體的y軸平行于暗十字的橫線，否則重新調(diào)整起偏器和檢偏器方向，直到符合光路要求．

圖4 晶體錐光干涉圖

5）打開(kāi)晶體電光調(diào)制電源和光接收器放大電源，用極值法和調(diào)制法測(cè)量半波電壓及相關(guān)調(diào)制觀測(cè)．

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置和光路調(diào)整的改進(jìn)和完善，利用小孔光闌對(duì)光的準(zhǔn)直實(shí)現(xiàn)了入射光方向與晶體光軸方向的平行，使電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)的錐光干涉圖觀察及光路調(diào)整變得輕松、準(zhǔn)確、快捷，提高了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確性．

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