20xx-09光电－激光原理与技术实验

20xx-09光电－激光原理与技术实验内容摘要：

C 和散 热 片≈ 2 0 m m 图 2 调 Q 实验装置 1） 安装 Cr4+:YAG 晶体，在准直器前准直后放入谐振腔内。 LD 电流调到 ，观察输出的平均功率，微调调整架，使激光输出平均功率最大； 2） 降低 LD 电流到零。 然后从小到大缓慢增加，测量 、 、 时输出脉冲的平均功率； 3） 安装探测器，取三个不同的 LD 工作电流（ 、 、 ），分别测量输出脉冲的脉宽、重复频率； 4） 计算不同泵浦功率下的峰值功率，对不同功率下的输出脉冲进行对比，并作简要分析。 半导体泵浦固体激光器倍频实验 N d : Y A G输 出 镜准 直 器≈ 8 0 m mK T PL D耦 合 系 统电 源T E C 和散 热 片≈ 2 0 m m ≈ 1 5 m m 图 3 倍频实验装置图 1） 将输出镜换为短波通输出镜，微调调整架使其反射光点在准直器中心。 打开 LD 电源，取工作电流 ，微调输出镜、激光晶体、耦合系统的旋钮，使输出激光功率最大； 2） 安装 KTP 晶体（或 LBO），在准直器前准直后放入谐振腔内，倍频晶体尽量靠近激光晶体。 调节调整架，使得输出绿光功率最亮；然后旋转 KTP 晶体（或 LBO），观察旋转过程中绿光输出有何变化； 四、实验结果与思考 什么是半导体泵浦固体激光器中的光谱匹配和模式匹配。 可饱 和吸收调 Q 中的激光脉宽、重复频率随泵浦功率如何变化。 为什么。 把倍频晶体放在激光谐振腔内对提高倍频效率有何好处。 五、注意事项 半导体激光器（ LD）对环境有较高要求，因此本实验系统需放置于洁净实验室内。 实验完成后，应及时盖上仪器罩，以免 LD 沾染灰尘。 LD 对静电非常敏感。 所以严禁随意拆装 LD 和用手直接触摸 LD 外壳。 如果确实需要拆装，请带上静电环操作，并将拆下的 LD 两个电极立即短接。 不要自行拆装 LD 电源。 电源如果出现问题，请与产家联系。 同时， LD 电源的控制温度已经设定，对应于 LD 的最佳泵浦波 长，请不要自行更改。 LD、耦合系统、激光晶体，两滑块之间距离大约为 32mm、 8mm，经调整好以后最好不要随意变动，以免影响实验使用。 准直好光路后需用遮挡物（如功率计或硬纸片）挡住准直器，避免准直器被输出的红外激光打坏。 实验过程避免双眼直视激光光路。 人眼不要与光路处与同一高度，最好能带上激光防护镜操作。 实验 三 、电光和声光调制技术 一、实验目的 掌握晶体电光调制的原理和实验方法。 掌握声光调制的原理和实验方法。 二、电光调制技术 （一） 实验原理 1．一次电光效应和晶体的折射 率椭球 由电场引起的晶体折射率的变化，称为电光效应，包含一次电光效应（泡克耳斯 Pokells效应）和二次电光效应（克尔 Kerr 效应）。 一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应则可能存在于任何物质中，一次效应要比二次效应显著。 光在各向异性晶体中传播时，因光的传播方向不同或者是电矢量的振动方向不同，光的折射率也不同，通常用折射率椭球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的关系，如图 1。 在主轴坐标中，折射率椭球及其方程为 1232222212 nznynx 图 1 折射率椭球 式中 n n n3 为椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。 当晶体加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球方程变成 1222 212213223233222222112  nxyn xzn yznznynx 晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应两种。 纵向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播的方向平行时产生的电光效应；横向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播方向垂直时产生的电光效应。 通常 KD*P（磷酸二氘钾）类型的晶体应用 它的纵向电光效应， LiNbO3（铌酸锂）类型的晶体用它的横向电光效应。 本实验利用铌酸锂晶体的一次电光效应对激光进行调制。 电光调制原理 采用激光作为传递信息的工具，首先要解决如何将传输信号加到激光上去的问题，把信息加载于激光的过程称为激光调制，把完成这一过程的装置称为激光调制器。 由已调制的激光还原出所加载信息的过程则称为解调。 因为激光实际上只起到了 “携带 ”低信号的作用，所以称为载波，而起控制作用的低频信号是我们所需要的，称为调制信号，被调制的载波称为已调波或调制光。 由于光接收器一般都是直接响应其所接受的 光强度变化，所以激光调制多采用强度调制，强度调制是根据光载波电场振幅的平方比例于调制信号，使输出的激光辐射的强度按照调制信号的规律变化。 激光调制的方法很多，如机械调制、电光调制、声光调制、磁光调制和电源调制等。 其中电光调制器开关速度快、结构简单，在激光调制技术及混合型光学双稳器件等方面有广泛的应用。 （ 1）铌酸锂晶体横向调制 (transverse modulation) 纵调制器的缺点是半波电压 V 很高，使控制电路的成本增加，电路体积和重量也很大。 其次，为了沿光轴 加电场，必须使用透明电极，或带中心孔的环形金属电极。 前者制作困难，插入损耗较大；后者引起晶体中电场不均匀。 解决上述问题的方案之一，是采用横调制。 图 2 为横调制器示意图，电极 D D2 与光波传播方向平行，外加电场则与光波传播方向垂直。 电光效应引起的相位差  正比于电场强度 E 和作用距离 L（即晶体沿光轴 z的厚度） 的乘积 EL， E 正比于 电压 V，反 比于电极 间距离 d ，即 dLV/~。 对一定的  ，外加电压 V 与晶体长宽比 L/d 成反比，加大 L/d 可使得 V 下降。 电压 V 下降不仅使控制电路成本下降、而且有利于提高开关速度。 铌酸锂晶体具有优良的加工性能及很高的电光系数，常常用来做成横调制器。 铌酸锂为单轴负晶体，有 2 .2 9 7 , 2 .2 0 8x y o z en n n n n   。 令电场强度为 ZEE ，代入方程得到电场感生的法线椭球 方程式2 2 21 3 3 32211( ) 1 ,zzoeE x y E znn              2D 1D 光波传播方向 外电场 (强度为 E) 晶体 图 2 横调制； 电极为 D D2 L d 或写成 2 2 22 2 2 1,x y zx y zn n n   其中 3 1312x y o o zn n n n E   ， 3 3312z e e zn n n E 应注意在这一情况下电场感生坐标系和主轴坐标系一致，仍然为单轴晶体，但寻常光和非常光的折射率都受到外电场的调制。 设入射线偏振光沿 xz 的角平分线方向振动，两个本征态 x 和 z 分量的折射率差为    3313 3312x z o e o en n n n n n E     当晶体的厚度为 L ，则射出晶体后光波的两个本征态的相位差为    331 3 3 30 0 02 2 2 2oex z o e nnn n L n n L E L             上式说明在横调制情况下，相位差由两部分构成：晶体的自然双折射部分 (式中第一项 )及电光双折射 部分（式中第二项）。 通常使自然双折射项等于 π/2 的整倍数。 横调制器件的半波电压为 03333 13eodV L n n   ， 由上式可知半波电压 V 与晶体长宽比 L/d 成反比，因而可以通过加大器件的长宽比 L/d 来减小 V。 横调制器的电极不在光路中，工艺上比较容易解决。 横调制的主要缺点在于它对波长 0 很敏感 ， 0 稍有变化，自然双折射引起的相位差即发生显著的变化。 当波长确定时（例如使用激光），这一项又强烈地依赖于作用距离 L。 加工误差、装调误差引起的光波方向的稍许变化都会引起相位差的明显改变，因此通常只用于准直的激光束中。 或用一对晶体，第一块晶体的 x 轴与第二块晶体的 z 轴相对，使晶体的自然双折射部分相互补偿，以消除或降低器件对温度、入射方向的敏感性。 有时也用巴比涅－索勒尔（ BabiSoleil）补偿器，将工作点偏置到特性曲线的线性部分。 振幅调制的物理实质在于：输入 的线偏振光在调制晶体中分解为一对偏振方位正交的本征态，在晶体中传播过一段距离后获得相位差 ， 为外加电压的函数。 在输出的偏振元件透光轴上这一对正交偏振分量重新叠加，输出光的振幅被外加电压所调制，这是典型的偏振光干涉效应。 输出光波是沿 y 方向的线偏振光，输出光强为 20 0 (1 c o s ) s i n22I VII V      式中， I0 为输入光强的幅值， V 为调制器电压。 当 VV 时， 0II 。 （ 2）改变直流偏压对输出特性的影响 在调制器上加上直流偏压 U0，信号电压 tUm wsin ，则 tUUV m wsin0 。 ① 当 2/0 UU  、 Um U 时，即将工作点选定在线性工作区的中心处，如图 3（ a）所示，此时可获得较高效率的线性调制，则 )]s in2c o s (1[21)s in24(s in 20 tUUtUUIIT mm ww   经计算， ]s in)(1[21)]s in( s in1[21 tUUtUUT mm ww   由于 Um U ，所以 tT wsin ，这时，调制器输出的信号和调制信号虽然振幅不同，但是两者的频率却是相同的，输出信号不失真，称为线性调制。 ② 当 00U 、 Um U 时，如图 3（ b）所示，把 00U 代入，得 )]s inc os (1[21)s in2(s in 2 tUUtUUT mm ww   经计算， )2c os1()(81s in)(41 22 tUUtUUT mm ww   从上式可以看出，输出信号的频率是调制信号频率的二倍，即产生 “倍频 ”失真。 若把 UU0 代入，经类似的推导，可得 )2c o s1()(811 2 tUUT m w   即 T∝ cos2ωt，输出信号仍是 “倍频 ”失真的信号。 ③ 直流偏压 U0 在 0 伏附近或在 U 附近变化时，由于工作点不在线性工作区，输出波形将失真。 ④ 当 2/0 UU  ， Um U 时，调制器的工作点虽然选定在线性工作区的中心，但不满足小信号调制的要求。 因此，工作点虽然选定在了线性区，输出波形仍然是失真的。 (a) (b) 图 3 不同偏置电压的调制波形 用 λ/4 波片进行光学调制 上面分析说明电光调制器中直流偏压的作用主要是在使晶体中 x`,y`两偏振方向的光之间产生固定的位相差，从而使正弦调制工作在光强调制曲线上的不同点。 直流 偏压的作用可以用 λ/4 波片来实现。 在起偏器和检偏器之间加入 λ/4 片，调整 λ/4 波片的快慢轴方向使之与晶体的 x`,y`轴平行，即可保证电光调制器工作在线性调制状态下，转动波片可使电光晶体处于不同的工作点。