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1、北航物理实验探究性报告北航物理实验探究性报告晶体的电光效应晶体的电光效应姓名：晏和玉引言：引言：电光效应电光效应科技名词定义科技名词定义中文名称： 电光效应英文名称： electro-optical effect定义：晶体在外电场作用下折射率会发生变化的现象称为晶体的电光效应。电光效 应是指某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性的效应。电光效应分为一次电光效应（n 与电场 E 呈线性关系）和二次电光效应 （n 与电场平方关系） ；他们又分别被称为普克尔斯（Pokells）效应和克尔 （Kerr)效应。1875年克尔（Kerr）发现了第一个电光效应。即某些各向同性的透明介质在外电场
2、作用下变为各向异性，表现出双折射现象，介质具有单轴晶体的特性，并且其光轴在电场的方向上，人们称这种光电效应为克尔效应。年普克尔斯（Pokells）发现，有些晶体，特别是压电晶体，在加了外电场后，也能改变它们的各向异性性质，人们称此种电光效应为普克尔斯效应。电光效应在工程技术和科学研究中有许多重要应用，它有很短的响应时间（可以跟上频率为1010的电场变化） ，因此可以制成快速控制光强的光开关，被广泛用于高速摄影中的快门，光速测量中的光束斩波器等；利用电场引起的折射率的改变可以控制光波的相位、偏振态等特性，从而实现对光束的调制，做成快速传递信息的电光调制器。由于激光的出现，电光效应的应用和研究得到
3、了迅速发展，如激光通信、激光测量、激光数据处理等。本实验主要研究铌酸锂（LiNbO3)晶体的一次电光效应，用铌酸锂晶体的横向调制装置测量晶体的半波电压及光电常数。通过本实验不仅可以获得晶体的电光效应的基本知识，还可以对偏振光的干涉、信号的调制和传递有具体的了解。 与此同时，从晶体电光调制角度出发，通过观察电光效应所引起的晶体性 能的变化和会聚偏振光的干涉现象，以及对铌酸锂晶体电光特性曲线的测量研究，学习和掌握晶体电光调制的原理和实验方法，学会用简单的实验装置测量晶体半波电压、电光常数和消光比的实验方法。一、一、 实验目的实验目的 1. 掌握晶体电光调制的原理和实验方法 2. 观察晶体电光效应引
4、起的晶体会聚偏振光的干涉现象 3. 学会利用实验装置测量晶体的半波电压二、二、 实验仪器实验仪器 铌酸锂晶体，电光调制电源，半导体激光器，偏振器，四分之一波片，接收放大器，双踪示波器（后来添上） 。 注：激光光源：半导体激光器， 激光波长：650680nm， 激光功率： 02.5mW 连续可调， 偏置电压：0400V 连续可调， 调制方式: 横向调制；调制晶体：铌酸锂晶体 50mm6mm1.7mm； 调制波形：1KHz 正弦波或其他 波形3、 实验原理实验原理1.1.电光效应电光效应晶体（固体或液体）在外加电场中，随着电场强度的改变晶体的折射率发E生改变的现象。当光线穿过某些晶体（如方解石、铌
5、酸锂、钽酸锂等）时，会折射成两束光。其中一束符合一般折射定律称之为寻常光（简称光） ，折射率以表示；而另一束的折射率随入射角不同而改变，称为非常光（简称光） ，折射率以表示。入射面内传播不相同，并且不一定在率速度不相同，各向折射，沿各方向的光的传播光）：不服从折射定律光（非常播相同，且在入射面内传各向折射率播速度相同，律，沿各方向的光的传一条折射光服从折射定光（寻常光）：其中的eneno0相位差：（其中dnne)(20光在波片的折射率。）光、代表、为光在真空中的波长，eonne0e 光O 光图 1 双折射现象一般晶体中总有一个或二个方向，当光在晶体中沿此方向传播时，不发生双折射现象，把这个方向
6、叫做晶体的光轴方向。只有一个光轴的称为单轴晶体，有两个光轴方向的称为双轴晶体。由晶体光轴和光线所决定的平面称为晶体的主截面。实验发现，光和光都是线偏振光，但它们的光矢量（一般指电场矢量）的振动方向不同，光的光矢量振动方向垂直于晶体的主截面，光的光矢量振动方向平行于晶体的主截面。晶体的光轴在入射面内时，光和光的主截面重合，电光矢量的振动方向互相垂直。光在各向异性晶体中传播时，因光的传播方向不同或矢量的振动方向不同，光的折射率就不同，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。若把坐标轴，取在晶体的个主轴方向上，分别用，表示晶体个主轴上的折射率，并以，成比例的长度分别为个半轴长做一
7、椭球，这个椭球可表示光在晶体内的传播情况，称这个椭球为折射率椭球，如图1-1所示。图1-1 折射率椭球上图的折射率椭球可由如下的数学计算得来电场引起的折射率的变化：（其中a和b为常数， 为=0时的折射率） 。02 00nnaEbE0n0E光在各向异性晶体中传播时，由于光传播方向不同或者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，即方程为 （其中、为椭球三个主轴方向上的折射率，即12 322 222 12 nz ny nx1n2n3n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，椭球的方程变为222222222 1
8、122332313122221xyzyzxzxynnnnnn2.2.电光调制原理电光调制原理(一)横向电光调制铌酸锂晶体横向电光调制器的结构如图 2 所示。图 2-1 横向电光调制器原理图当光经过起偏器 P 后变成振动方向为 OP 的线偏振光，进入晶体 (z = 0) 后被分解为沿 x和 y轴的两个分量，因为 OP 与 x轴、y轴的夹角都是45，所以位相和振幅都相等。即，于是入射光的强度为：AOEOEyx)()(222*2)()(AOEOEEEIyx当光经过长为 的 LN 晶体后，x和 y分量之间就产生位相差，即：l（13）i yx AelEAlE)()(从检偏器 A（它只允许 OA 方向上振
9、动的光通过）出射的光为和)(lEx在 OA 轴上的投影之和)(lEy（14）()(/2)(1)i yoEAe于是对应的输出光强为：（15）2 *22() ()()(1)(1)2sin/22ii oyoyoAIEEeeA将输出光强与输入光强比较，再考虑（11）式和（12）式，最后得到：（16）22sinsin ()22oiIV IV为透射率，它与外加电压 V 之间的关系曲线就是光强调制特性曲线，iII /0见图 3。本实验就是通过测量透过光强随加在晶体上电压的变化得到半波电压 V。（二）改变直流偏压选择工作点对输出特性的影响由图 3 可知，透过率与 V 的关系是非线性的，若不选择合适的工作点会使
10、 调制光强发生畸变，但在 V = V/2 附近有一直线部分（即光强与电压成线性 关系） ，这就是线性调制部分。为此，我们在调制光路中插入一个 /4 波片， 其光轴与 OP 成 45 角，它可以使 x和 y两个分量间的位相有一个固定的 /2 位相延迟，这时若外加电场是一个幅度变化不太大的周期变化电压，则输 出光波的光强变化与调制信号成线性关系，即（17）211sin ()1 sin()2 22oiIVV IVV其中 V 是外加电压，可以写成，但是如果 Vm 太大，就会发生sinmmVVt畸变，输出光强中将包含奇次高次谐波成份。当时1/VVm11sin2om m iIVtIV（1）当，时,02VV
11、mVV将工作点选定在线性工作区的中心处,此时,可获得较高频率的线性调制, 把代入（16）式，得02mVV ， tVVtVVtVVTmmmsinsin121sin2cos121sin24sin2(22)当时mVV， tVVTmsin121(23)即。sinmTVt这时，调制器输出的波形和调制信号波形的频率相同，即线性调制。（2）当时0,2mVVVV 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，（22）式不能写成公式（23）的形式，此时的透射率函数（22）应展开成贝赛尔函数，即由（22）式， LtVVJtVVJtVVJtVVTmmmm5sin2sinsin2sinsin12
12、1531(24) 由（24）式可以看出，输出的光束除包含交流的基波外，还含有奇次谐波。此时，调制信号的幅度较大，奇次谐波不能忽略。因此，这时虽然工作点选定在线性区，输出波形仍然失真。（3）当或V*时，时，把代入（16）式00V mVV00V ， (25)tVVtVVtVVtVVTmmmm2cos181sin41sincos121sin2sin2222 即。cos2Tt从（25）式可以看出，输出光是调制信号频率的二倍，即产生“倍频”失真。若把代入（21）式，经类似的推导，可得0VV， tVVTm2cos181120 （26） 即 “倍频”失真。cosTt这时看到的仍是“倍频”失真的波形。（4）直
13、流偏压V0在零伏附近附近变化时，由于工作点不在线性工作区，输出波形将分别出现上下失真。综上所述，电光调制是利用晶体的双折射现象，将入射的线偏振光分解成o光和e光，利用晶体的电光效应有电信号改变晶体的折射率，从而控制两个振动分量形成的像差，在利用光的相干原理两束光叠加，从而实现光强度的调制。晶体的电光效应灵明度极高，调制信号频率最高可达Hz，因此在激光9101010:通信、激光显示等领域内，电光调制得到非常广泛的应用。4 4、实验内容实验内容（一）光路系统的调解 1. 调解三角导轨底角螺丝，且使整个光路基本处于一条直线，即保证光束 通过各小孔。 2. 将起偏器与检偏器调节成相互垂直（即偏振方向相
14、互正交） ，此时光点 消失，即消光状态。 3. 将铌酸锂晶体放在起偏器于检偏器之间，调解晶体支架，使晶体光轴即 Z轴与激光束平行。 判断是否平行的方法：方一、将像屏放在检偏器之后，如果能观察到由于锥 光干涉产生的十字阴影，且激光束大致处在正中心时，即可；方法二、观察晶 体前后表面查看光束是否在晶体中心，若没有，细调晶体的二维调整架即可。（二）观察电光效应引起的干涉图1. 在晶体盒前插入毛玻璃片，检偏器后放上像屏。光强调到最大，此时使 晶体偏压为零。此时，可观察到晶体的单轴锥干涉图，整个图形大致成 4 个四 分之一圆状，如图 4 所示。2. 晶体加上偏压时呈现双轴锥光干涉图，如图 5 所示。由此可说明，单轴 晶体在电场作用下变成双轴晶体，即电致双折射现象。图图4 4 加电压前加电压前 图图5 5 加电压后加电压后3. 测定铌酸锂晶体的透过率曲线（即V曲线） ，求出半波电压，根据半波电压与电光系数的关系算出电光系数，并和理论值比较（理论值3.410-12）(1)测量电光调
