实验二连续激光相位调制与波片判定Word下载.docx
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1.了解偏振光学理论,了解线性电光效应以及晶体电光调制理论
2.掌握Soleil-Barbinet相位补偿器的应用
3.掌握相位延迟测量方法
4.调试系统并测量不同波片
三、实验原理
测量系统如图1所示:
图1测量系统图
L是光源,P为起偏器,E为电光调制晶体,通过调制信号源M加上调制信号。
S为待测波片,C为Soleil-Barbinet补偿器,A为检偏器,出射光由光探测器D接收,并经过滤波放大等处理后,最终结果显示在示波器O上。
系统的坐标方向规定为:
光束传播方向为z轴,起偏器的透振方向沿x轴、检偏器的透振方向沿y轴,电光调制器加电压后的感生轴
方向和待测波片及补偿器的快慢轴方向一致,和x轴成45°
角,如图2所示。
图2系统的坐标方向
在本实验中,通过电光调制晶体的电光效应,产生调制偏振光以准确判断极值点的位置;
通过Soleil-Barbinet补偿器进行光学相位补偿;
从而将调制和补偿两种作用分开,精度高,误差小,稳定性好。
1.调制原理
由电场所引起的晶体折射率的变化,称为电光效应。
通过晶体的透射光是一对振动方向相互垂直的线偏振光,通过调节外加电场大小,可对偏振光的振幅或相位进行调制。
例如,KD*P晶体沿光轴方向(z方向)加外电场Ez后,从单轴晶体变成了双轴晶体(有两个光轴),折射率椭球(描述晶体的折射率的空间分布)与xy平面的交线由圆变成了椭圆(图3)。
沿z轴传播一对正交的本征模,分别在
方向偏振,折射率由
(1)式表示。
(1)
图3
当光波在z方向传播的距离为L时,两个本征模的相位差为
(2)
通常把
时的外加电压称为半波电压,记为
,则由
(2)式可得,
(3)
通过
可将
表示为
(4)
可见,沿
方向振动的出射偏振光其相位差和外加电压V的大小成正比,可通过调节外加电场大小的方式实现偏振光的调制。
我们的电光调制电源采用了一个正弦调制信号,即
(5)
如果此时起偏器P沿x方向透振,检偏器A沿y方向透振,电光调制晶体的感生主轴
方向和x轴成45°
角,则输出光波的光强为:
(6)
式中
为常数,
为
阶贝塞尔函数。
(6)式表明输出的交变信号为二次频率信号,没有基频。
这是系统零点的特征。
调制电压、晶体的相位差、输出光强的关系如图4所示。
图4调制电压、晶体的相位差、输出光强的关系
光波偏振态随外电压变化的情况如图5所示。
图5光波偏振态随外电压变化的情况
2.补偿原理
Soleil-Barbinet补偿器的作用类似于一个相位延迟量可调的零级波片。
由成对的晶体楔A和A’和一块平行晶片B组成。
A和A’两光轴都平行于折射棱边,它们可以彼此相对移动,形成一个厚度可变的石英片;
平行晶片B的光轴与晶体楔A垂直,如图6所示。
图6
Soleil-Barbinet补偿器的原理
设晶体楔厚度为h,宽为L,楔角为,则
(7)
晶体楔平移
后,沿光束通过方向厚度改变量为
(8)
光通过补偿器后产生的相位延迟量为
(9)
其中,
分别是晶体发生双折射的o光和e光对应的主折射率。
(9)式表明光通过补偿器后产生的相位延迟量正比于厚度改变量
,也正比于晶体楔的平移量
。
角,加入待测波片和Soleil-Barbinet补偿器后,输出光波的光强为:
(10)
由此可以看到,输出的交变信号由基频和二次频率分量构成,出现基频分量是系统偏离零点的特征。
由(10)式可知,当
,即
时,(10)式与(6)式完全相同,此时称为完全补偿。
在完全补偿条件下,从补偿器的平移量
,即可得到待测波片的相位延迟量
(11)
五、实验步骤
1、调试
1)在光学防震平台上进行调试。
各部件调整时保证等高共轴。
2)调整激光器L方向,使出射光平行于台面。
后续放入的探测器和各种光学元件其表面均应和光线传播方向垂直。
3)放入光电探测器D及示波器O。
4)放入起偏器P,使得P的输出光强为极大。
5)放入检偏器A,调整起偏棱镜P、检偏棱镜A正交,使通过出射光强最小。
6)放入KD*P调制器E。
KD*P加电,精密调整KD*P晶体,反复调节零位置和±
45°
位置(通过信号频率加倍来确认)。
这时从调制器出射的是一对正交的调制偏振光,偏振方向沿KD*P晶体的感生主轴方向。
7)放入补偿器C,调节补偿器晶轴方向:
首先,使C处于零延迟位置以外的其他任何位置,即系统输出光强为非最小值。
其次,绕轴旋转补偿器C使出射光最小,通过输出交流信号频率加倍来判断。
此时补偿器快慢轴和入射正交调制偏振光的偏振方向重合,记下此时补偿器旋转的位置。
最后,将补偿器C相对上述位置旋转45度。
8)补偿器定标。
每次测量前应先对补偿器定标。
调节补偿器C的平移旋钮,观察输出信号的变化,由二次谐波出现的位置,可定出0和2相位延迟量对应补偿器的平移位置x1,x2,两个最小值之间的平移距离X=x2–x1作为仪器常数,根据
可得补偿器的定标系数为:
2、测量
1)调节补偿器C的平移旋钮,使补偿器C恢复到零延迟位置x1。
2)放入待测元件S。
旋转S,找到零点位置(即信号倍频位置)。
然后将S准确旋转45度。
此时待测元件S的快慢轴方向、补偿器C的快慢轴方向、KD*P晶体的感生主轴方向重合。
3)调节补偿器C的平移旋钮,找到零点位置(即信号倍频位置)x,此时补偿器C的平移量为L=x’-x1。
根据定标系数,可得到补偿器C的相位延迟
,待测元件S的相位延迟即为
4)对待测元件S的不同方向,不同位置多次测量求平均值。
因设备原因,本实验进行简化,暂不采用电光调制器件及示波器。
实验步骤调整如下:
1.顺序放上图1中的偏振片P、A及功率计D,调节A的角度使光强最大,记录此时光功率p1。
随后调节A使消光。
2.放入巴比涅补偿器C,在补偿不为0的任意位置,旋转C使消光,此时C的光轴与P光轴平行,记录此时C的角度(消光角度)。
3.令C旋转45度,此时C中o、e光分量相等。
调节C旋钮,使消光,此时补偿δ=0,记下此时旋钮位置1。
4.调节C旋钮使光强最大,记录此时功率p2(应与p1接近),此时δ=π,补偿器C处于二分之一波片的状态,记下此时旋钮位置2。
5.调节旋钮至位置1、2的中间位置,此时δ=π/2,出射光应为p2/2。
因器件误差等原因,此位置可能略有偏差,微调至实际光强为p2/2的位置即可,补偿器C处于四分之一波片的状态,记下此时旋钮位置3。
6.令C处于二分之一波片的状态,相对其消光角度旋转15度、30度,通过检偏器A检测出射光新的偏振方向(记录相对于A原消光位置的角度)
7.令C处于四分之一波片的状态,相对其消光角度旋转15度、30度,通过检偏器A检测出射椭偏光的长短轴方向(记录相对于A原消光位置的角度)。
六、思考题
1、当补偿器旋钮处于上述位置2时,对入射偏振光的作用是什么?
旋钮处于上述位置2与3之间时,线偏振光入射,出射光是什么偏振态?
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- 关 键 词:
- 实验 连续 激光 相位 调制 判定