Home實驗項目9】電光效應E.O.電光效應實驗

電光效應實驗

方法一：使用1/2波片(HWP) 和線偏振片(PL) 做實驗

方法二：使用P1和P2做實驗

【一】 $HWP \perp PL$

【二】高壓放大器放大倍率

【三】相位調變

【四】測量 $V_0$ 、 $V_{\pi}$ 和 $V_{\pi/2}$

【五】振福調變

【六】比較在 $\Gamma=90^0$ 時， $V_{\pi/2}$ 和 $\lambda/4$ 的效果

【七】音訊傳輸

【八】響應頻率

說明與定義：

偏振符號 $E$

雷射光是線偏振光，其偏振寫成 $E_{LA}$ （雷射源偏振）

雷射光在系統中行進時，其偏振方向會受光學元件影響而改變，其偏振寫成 $E_{PG}$ （光偏振）

調整 1/2波片（HWP）和線偏振片（PL）時，以 $E_{LA}$ 為參考方向

HWP 與 $E_{LA}$ 平行時的刻度，寫成 $\theta_{HWP//}$
HWP 與 $E_{LA}$ 垂直時的刻度，寫成 $\theta_{HWP \perp}$
PL 與 $E_{LA}$ 平行時的刻度，寫成 $\theta_{PL //}$
PL 與 $E_{LA}$ 垂直時的刻度，寫成 $\theta_{PL \perp}$

【一】 $HWP \perp PL$

光偵測器--->>BNC線--->>示波器 CH01

1、對光，雷射光打到光偵測器，調整光偵測器高度與角度，確定示波器顯示光訊號最強。

光偵測器所接收到的半導體雷射訊號為直流訊號(DC訊號)，
因此，此時示波器【耦合】要設定為【直流DC】，
【反相】設定為【關閉OFF】，
【探棒】設定為【1*】

(示波器設定)

(CH1平均值最大)

2、放入偏振片 $PL$ ，旋轉偏振片 $PL$ 使得光偵測器接收的訊號最弱，

此時， $PL \perp E_{LA}$ ，紀錄此時 $\theta_{PL \perp}$ 刻度=______

3、放入1/2波片(HWP)，旋轉1/2波片使得訊號最弱，

此時 $HWP // laser$ ， $HWP \perp PL$

紀錄此時 $\theta_{HWP //}$ 刻度=______。

4、先移開 PL，放入電光晶體 EOM，調整 EOM 高度角度，確定接收到的訊號最強。

因為 EOM 會影響雷射光的路線，因此需要再次確認光偵測器接收到的訊號強度。

5、將 PL 移入。

『整理數據』： $\theta_{HWP //}$ 刻度=______與 $\theta_{PL \perp}$ 刻度=______。

【二】高壓放大器放大倍率

1、波形產生器--->>BNC線--->>示波器CH1

波形產生器輸出設定： $50mV_{p-p}$ ， $100Hz$ 正弦波

紀錄輸出訊號振福大小 = $V_F=108 mV_{pp}$

2、波形產生器--->>高壓放大器輸入端

高壓放大器 HV OUTPUT 輸出--->>示波器 CH01

紀錄輸出訊號振福大小 = $V_{HV}=2.04 V_{pp}$

高壓放大器 monitor 輸出--->>示波器 CH02

紀錄輸出訊號振福大小 = $V_m=102 mV_{pp}$

高壓放大器：HVA200

3、計算放大倍率

振幅放大器對波形產生器放大倍率： $\dfrac{V_{HV}}{V_F}=\dfrac{2.04 V_{pp}}{108 mV_{pp}}=18.89$

monitor 對波形產生器放大倍率： $\dfrac{V_m}{V_F}=\dfrac{102 mV_{pp}}{108 mV_{pp}}=0.94$

振幅放大器對 monitor 放大倍率： $\dfrac{V_{HV}}{V_m}=\dfrac{2.04 V_{pp}}{102 mV_{pp}}=20$

4、旋轉DC BIOS CONTROL旋鈕，紀錄CH1電壓平均值與CH2電壓平均值。

DC BIOS CONTROL提供的直流偏壓--->>CH1電壓平均值

計算振幅放大器對 monitor 直流放大倍率： $\dfrac{V_{HV}}{V_m}=\dfrac{1.39 V_{pp}}{68.5 mV_{pp}}=20.29$

（這邊是計算電壓平均值的放大率，從monitor可以計算得到DC BIOS CONTROL提供的直流偏壓值）

示波器measure值要有CH1電壓峰峰值、CH1電壓平均值、CH2電壓峰峰值、CH2電壓平均值。

『數據整理』：兩張示波器存圖+列式計算結果。

【三】相位調變

1、波型產生器--->>高壓放大器輸入端

高壓放大器 HV OUTPUT 輸出--->>E.O.晶體

高壓放大器 monitor 輸出--->>示波器 CH02

2、波形產生器設定輸出 $1kHz$ 、 $400mV_{p-p}$

從步驟【二】可以知道，經由放大器給EOM的電壓為 $400mV_{p-p}*2*20=16V_{p-p}$

3、旋轉 $HWP$ ，觀察 CH01 訊號變化

當示波器 CH01 顯示為 DC 訊號時，表示通過 HWP 的光偏振方向與 EOM 光軸平行或垂直。

1/2波片轉一圈，觀察到示波器上顯示輸出波型變化
會隨著 1/2波片與 EO 晶體的夾角不同，而有振幅變化

4、說明：通過 HWP 的光偏振與 EOM 光軸平行或垂直時，

（圖）進入EOM的光的偏振方向與 EOM光軸(圖中的Z軸)平行

此時進入 EOM 的是線偏振光，通過 EOM 的光也是線偏振光，且方向不變。

此時若旋轉 $PL$ ，可以看到示波器的 DC 訊號上下移動

(注意：示波器耦合要設定為直流比較好觀察)

紀錄此時 $\theta_{HWP }$ 刻度=_______

【四】測量 $V_0$ 、 $V_{\pi}$ 和 $V_{\pi/2}$

1、先關閉訊號產生器，將 HWP 轉22.5度，意即：通過 HWP 的光與 EOM 夾45度角。轉 PL，使得 $E_{PL}$ 與 $E_{HWP}$ 垂直。

此時沒加入調變訊號，沒有做調變，離開 EOM 的光是橢圓偏振，示波器得到 DC 訊號。

進入 EOM 的是線偏振光，離開 EOM 的可能是線偏振光、橢圓偏振光或圓偏振光。

當 $\Gamma=0$ 或當 $\Gamma=\pi$ 時，離開 EOM 的光為線偏振光。

當 $\Gamma=\pi/2$ 時，離開 EOM 的是圓偏振光。

當 $\Gamma=$ 其他角度時，離開 EOM 的光為橢圓偏振。

（補圖）

2、調整 DC BIOS CONTROL，提供一個直流偏壓給 EOM，改變 $\Gamma$ 。

當 $\Gamma=0$ 時，CH1 訊號最小，紀錄 $V_{monitor}$ =_____，乘上倍率 G，得到 $V_0$ =_____

當 $\Gamma=\pi$ 時，CH1 訊號最大，紀錄 $V_{monitor}$ =_____，乘上倍率 G，得到 $V_{\pi}$ =_____

3、旋轉 DC BIAS CONTROL，當 CH1 訊號為兩者的一半時，相當於 $V_{\pi/2}$ 。

此時 DC BIAS CONTROL 所提供的直流偏壓為，約等於 $\dfrac{V_0+ V_\pi}{2}$ ，此時為圓偏振。紀錄 CH2 的平均值，計算 DC BIAS CONTROL 所提供的直流偏壓為大小為何？紀錄 $V_{\pi/2}$ =_____。

當 $\Gamma=\pi/2$ 時，離開 EOM 的是圓偏振光。

在 $\Gamma=\pi/2$ 時，在同樣的交流電壓調變之下，會有最大的輸出振幅（此時是觀察 CH01）

$\Gamma=\pi/2$ ，加入訊號調變，離開 EOM 的光，會在橢圓偏振-圓偏振-橢圓偏振之間來回變化。經過檢偏板後的光強度會隨外加訊號(正弦波)而有週期性變化(正弦波)。

紀錄此時 CH1 振福...存圖~

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比較：在 $\Gamma=\pi/2$ 與 $\Gamma=0$ （或 $\Gamma=180$ ）時，加入調變訊號輸出訊號振幅變化

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振幅調變時，離開 EOM 的光，因相位差可能是線偏振、橢圓偏振、圓偏振
此時 EOM 兩端加上調變變壓，輸出訊號變化整理：

【五】振福調變

1、波形產生器開啟並設定輸出 $1kHz$ 、 $400mV_{p-p}$ (提供調變訊號)

再次確認通過 $HWP$ 的光偏振與 EOM 夾 45 度角

保持 PL 與此偏振方向垂直 $E_{PG} \perp PL$

（此時為 AC 訊號）

2、波形產生器輸出波型換成方波、三角波...觀察示波器 CH1 訊號...存圖！

【六】比較在 $\Gamma=90^0$ 時， $V_{\pi/2}$ 和 $\lambda/4$ 的效果

1、 $\lambda/4$ 波片的作用

通過 $HWP$ 的光偏振 $E_{PG}$ 與 EOM 夾 45 度角，且 $PL$ 與此 $E_{PG}$ 垂直。

波形產生器輸出設定為 $1kHz$ 、 $400mV_{p-p}$

DC BIOS CONTROL 的輸出調回 $V_0$

放入 $\lambda/4$ 波片

$\lambda/4$ 波片轉一圈，觀察 CH01 訊號變化。

離開 EOM 的【光的偏振】與【1/4波片的主軸】的夾角不同會造成進入 PL 的光的偏振可能為【線偏振】、【橢圓偏振】、【圓偏振】

當偏振狀態是圓偏振時，1/4波片的作用與外加 $V_{\pi/2}$ 的作用一樣...造成 $\Gamma=90^0$

【七】音訊傳輸

1、聲音訊號透過電光調變傳輸：將手機音源訊號接到高壓放大器的輸入端。利用手機播放音樂，由光偵測器接收訊號，並從擴音喇叭播放出聲音。

2、旋轉 PL，聽一下喇叭輸出聲音的音量大小有何變化？

3、旋轉 PL 到音量最大的位置，略為調整 DC BIOS CONTRAL，音量大小又有何變化？

4、旋轉 DC BIOS CONTRAL 到音量最大的位置，放入1/4波片，旋轉1/4波片，音量變化又是如何？

【八】響應頻率（進階項目，此項目可不做）（視實驗剩餘時間決定是否操作此項目。）

1、通過 $HWP$ 的光偏振 $E_{PG}$ 與 EOM 夾 45 度角，且 $PL$ 與此 $E_{PG}$ 垂直。

2、調整 $\lambda/4$ 波片，使 CH01 訊號達到最大，失真最小。

3、改變波型產生器的輸出振幅（與助教確認最高輸出振幅為多少），紀錄示波器輸出為【 $I_0 V_{p-p}$ 】

4、改變波型產生器的輸出波型（方波、三角波、正弦波），觀察示波器 CH01 訊號。

5、改變波形產生器的輸出頻率（提高頻率）

觀察示波器 CH01 訊號

當 CH01 訊號衰減為 $\frac{1}{\sqrt{2}}I_0 V_{p-p}$ （約【 $0.7 I_0 V_{p-p}$ 】，即原訊號的70%）時，此時的波型產生器的輸出頻率為光偵測器的高頻截止頻率。