电光晶体调制实验系统的数字化研究(2)
1.1 课题研究背景
铌酸锂（LN）晶体电光调制在激光技术、光通信等领域不可或缺，电光晶体调制实验是考察电光调制特性的方便途径。在晶体双折射、偏振光干涉、非线性光学的学习上，该实验为学生对知识的理解提供了莫大帮助。然而同学们在做实验的过程中遇到很多问题，比如调整实验光路非常麻烦，用纸屏观察单轴晶体和双轴晶体的锥光干涉图并不清晰等等，这影响了实验的效果。本课题即以此为研究背景，对电光晶体调制实验系统做了改进，使得调整操作更便捷有效，以及可以在计算机中获取锥光干涉图，然后对其作增强处理，以获得清楚的观察效果。而且锥光干涉图中包含实验目前没有充分利用的信息，利用计算机可以做一些数据的分析处理。
1.2 电光效应的原理及应用
给有些晶体或者液体外加电压，它的折射率会跟着外加电压的改变而改变，这种现象称为电光效应。电光效应的形式有不同分法。分成横向电光效应和纵向电光效应是按加在其上的电场方向来分的。横向电光效应所加电压方向与光传播方向垂直；纵向电光效应所加电压与光传播方向平行。分成线性电光效应和二次电光效应是根据折射率的改变与电压的关系来分的。折射率与所加电压成正比的改变称为线性电光效应，也叫做泡克耳斯(Pockels)效应[1]；与所加电压的平方成正比的改变称为二次电光效应，也叫做克尔(Kerr)效应[2]。
顾名思义，会产生电光效应的晶体就是电光晶体。常见的有LN（铌酸锂）、ADP（磷酸二氢铵）、KDP（磷酸二氢钾）、铌酸钡钠、钛酸钡等 [3]。
电光效应的应用很细化。它能改变晶体的光学性质，可以做成电光器件对光束的强度、相位、偏振态进行调制，在现代光学技术中运用很多。例如利用铌酸锂晶体调制发送信号，用于自由空间光通信（FSO）[4]；用KDP做成光开关、光线偏转器[5]、用硅酸铋（BSO）制成全息摄影的存储器等等[6]。下面具体介绍在激光通信中利用电光效应调制信号，即电光调制的应用。
在激光通信中，光调制是首先要解决的问题。调制有直接和间接两种形式：直接调制是把发送信号转变成电信号注入激光器或LED，获得调制信号；间接调制即是利用晶体的电光或者磁光效应等对载波激光进行调制。两种方式相比较，前者虽然简单，容易实现，但也存在容易发生色散，传输距离短的缺点。后者受激光光源影响少，常在激光发出后对载波调制。其中电光调制因其极高的调制速率而被用于高级光通信中。
激光通信系统的结构图如下：
图 1.1 激光通信系统
在电光晶体调制实验中能够传递音乐信号，以验证通讯质量。首先将声音信号转化成电信号，可以是麦克风或者是转换存储后的音频格式文件，然后选择合适的工作点，给电光晶体加此电压信号。当激光穿过晶体时，折射率的变化改变了光波的偏振态，光波幅度被调制。包含声音信号的激光在空气中传输，用光电三极管接收，再经过转换电路光信号变成电信号，然后解调器还原声音，这就是声音信号完整的传送过程。实际激光通信中调制的原理和本实验表达的原理一致。第2章将详细论述实验的内容。
1.3 实验研究现状
近些年来，对于电光晶体电光调制实验的研究已经相当细致，主要集中于对实验内容的原理理论研究和实验操作方法两方面。在对实验原理理论分析方面，有光强透过率曲线，即T-U曲线的数学描述、半波电压法和调制法选择工作点的理论解释、锥光干涉图的理论计算等；在对实验操作方法方面的研究有CCD图像法测光轴的偏向角、小孔光阑法调整光路、半波电压的测量方法、工作点的选取方法等。