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1、基础物理实验研究性报告晶体的电光效应院系仪器科学与光电工程学院作者张海霞 10171124胡笛 10171147整理为word格式目录摘要- 3 -关键字- 3 -实验要求- 4 -实验原理- 4 -1.电光晶体和泡克尔斯效应- 4 -2 电光调制原理- 5 -(1) 横向调制实验- 6 -(2) 直流偏压对输出特性的影响- 8 -实验仪器- 10 -实验步骤- 10 -1 调节光路- 10 -2 电光调制器TV工作曲线的测量- 11 -3 动态法观察调制器性能- 11 -数据记录与处理- 12 -原始数据表格- 12 -TV工作曲线数据表- 12 -TV工作曲线- 13 -数据处理- 14
2、-误差分析及改进方法- 14 -实验思考题- 15 -实验总结- 16 -整理为word格式摘要激光是一种光频电磁波，具有良好的相干性，与无线电波相似，可用来作为传递信息的载波。激光具有很高的频率（约10131015Hz），可供利用的频带很宽，故传递信息的容量很大。可见光具有极短的波长和极快的传递速度，加上光波的独立传播特性，可以借助光学系统把一个面上的二维信息以很高的分辨率瞬间传递到另一个面上，为二位并行光信息处理提供条件。所以激光是传递信息的一种很理想的光源。某些晶体在外电场作用下折射率会发生变化，这种现象称为电光效应。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
3、跟上1010Hz的电场变化），可以在高速摄影中作快门或在光速测量中作光束斩波器等。在激光出现以后，电光效应的研究和应用得到迅速的发展，电光器件被广泛应用在激光通讯，激光测距，激光显示和光学数据处理等方面。 本文对晶体的电光效应实验的原理、步骤、仪器进行了简要的介绍，并对实验数据进行处理以及误差估算。通过分析实验室条件下误差产生的原因并进行精确计算，对比探究了极值法测半波电压和调制法测半波电压，并做出比较分析。此外，针对实验中误差产生的原因提出了自己的建议和改进措施。关键字电光效应，激光，双折射，半波电压，电光系数整理为word格式实验要求1. 掌握晶体电光调制的原理和实验方法；2. 了解电光效
4、应引起的晶体光学性质的变化，观察会聚偏振光的干涉现象；3. 学习测量晶体半波电压和电光常数的实验方法。实验原理1.电光晶体和泡克尔斯效应某些晶体（固体或液体）在外加电场中，随着电场强度的改变，晶体的折射率会发生改变，这种现象称为电光效应。通常将电场引起的折射率的变化用下式表示： （1）式中a和b为常数，n0为E0=0时的折射率。由一次项aE0引起的折射率变化的效应，称为一次电光效应。也称线性电光效应或普克尔电光效应；由二次项引起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也称平方电光效应或克尔效应（Kerr）。由（1）式可知，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
5、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。本实验主要研究铌酸锂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电光系数，并用两种方法改变调制器的工作点，观察相应的输出特性。电光效应在工程技术和科学研究上有许多重要的应用，它又很短的响应时间（可以跟上1010Hz的电场变化），可以在高速摄影中做快门或在光速测量中做光束斩波器等。在激光出现后，电光效应的研究和应用得到迅速发展，电光器件被广泛应用在激光通信，激光测距，激光显示和光学数据处理等方面。整理为word格式电光效应根据施加的电场方向与通光方向相对关
6、系，可分为纵向电光效应和横向电光效应。利用纵向电光效应的调制，叫做纵向电光调制；利用横向电光效应的调制，叫做横向电光调制。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。把加在晶体上的电场方向与光在晶体中的传播方向平行时产生的电光效应，称为纵向电光效应，通常以KD*P*类型晶体为代表。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，称为横向电光效应 ，以晶体LiNbo3为代表。本实验观察横向电光效应常用铌酸锂类型的晶体。晶体的坐标轴如图本实验主要研究铌酸锂晶体的一次电光效应，用铌酸锂的横向调制装置测量警惕的半波电压及电光系数，并用两种方法改变调制器的工作点，观察相应的输出特
7、性。在未加电场之前，铌酸锂晶体是单轴晶体。当线偏振光沿光轴（Z轴）方向通过晶体时，不会产生双折射。但如在铌酸锂晶体的X轴施加电场，晶体将由单轴晶体变为双轴晶体。这时沿Z轴传播的偏振光应按特定的晶体感应轴X和Y进行分解，因为光沿这两个方向偏振的折射率不同（传播速率不同）。类似于双折射中关于o光和e光的偏振态的讨论，由于沿着X和Y的偏振分量存在相位差，出射光一般将分成椭圆偏振光，由晶体光学可以证明，这两个方向的折射率： （2）式中，n0和r22是晶体的o光折射率和电光系数，EX=V/d是X方向所加的外电场。2 电光调制原理要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辐射上去的问题，
8、我们把信息加载于激光辐射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。由已调制的激光辐射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频信号的作用，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.按调制的性质而言，激光调制与无线电波调制相类似，可以采用连续的调幅，调频，调相以及脉冲调制等形式，但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。激光调制之所以常采用强度调制形式,主要是因为光接收器一般都是直接地响应其所接受的光强度变化的缘故。 整理为w
9、ord格式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。因此，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。电光调制根据所施加的电场方向的不同，可分为纵向电光调制和横向电光调制。利用纵向电光效应的调制，叫做纵向电光调制，利用横向电光效应的调制，叫做横向电光调制.这次实验中，我们只做LiNbO3晶体的横向调制实验。(1) 横向调制实验其中起偏器的偏振方向平行于电光晶体的X轴，检偏器的偏振方向平行于Y轴。因此入射光经起偏器后变为振动方向平行于X轴的线偏振光，它在晶体的感应轴X和Y轴上的投影的振幅和位相均相等，设分别为： （3）
10、整理为word格式或用复振幅的表示方法，将位于晶体表面（z=0）的光波表示为 （4）所以,入射光的强度是 （5）当光通过长为l的电光晶体后， X和Y两分量之间就产生位相差，即 （6）通过检偏器出射的光，是这两分量在Y轴上的投影之和： （7）其对应的输出光强I1，可写成 （8）由（5）、（8）式，光强透过率T为 （9） （10）由此可见，和V有关，当电压增加到某一值时，X、Y方向的偏振光经过晶体后产生的光程差，位相差 =，T=100%，这一电压叫半波电压，通常用V或V表示。 V是描述晶体电光效应的重要参数，在实验中，这个电压越小越好，如果V小，需要的调制信号电压也小，根据半波电压值，我们可以估计
11、出电光效应控制透过强度所需电压。 由（10)式 （11）其中d和l分别为晶体的厚度和长度。 由（10）、（11）式 （12）整理为word格式因此，将（9）式改写成 （13）其中V0是直流偏压， Vmsint是交流调制信号，Vm是其振幅，是调制频率，从（13）式可以看出，改变V0或Vm输出特性，透过率将相应的发生变化。由于对单色光，为常数，因而T将仅随晶体上所加电压变化，如图所示，T与V的关系是非线性的，若工作点选择不适合，会使输出信号发生畸变。但在附近有一近似直线部分，这一直线部分称作线性工作区，由上式可以看出：当时，。(2) 直流偏压对输出特性的影响 1） 当时将工作点选定在线性工作区的中
12、心处，此时，可获得较高频率的线性调制，把=代入（8），得整理为word格式（14）当时，可得： （15）即。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，（14）式不能写成公式（15）的形式，此时的透射率函数（14）应展开成贝赛尔函数，即由（14）式 （16）由（16）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）当时（17）即从（17）式可以看出，输出光是调制信号频率的二倍，即产生“倍频”失
13、真。若把V0=V代入（13）式，经类似的推导，可得： （18）整理为word格式即 Tcost “倍频”失真。 这时看到的仍是“倍频”失真的波形。 4）直流偏压V0在零伏附近或在V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。 p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1091010Hz，因此在激光通信、激光显示等领域内，电光调制得到非常广泛的应用。实验仪器实验仪器：
14、半导体激光器，偏振片，扩束镜，铌酸锂电光晶体，光电二极管，光电池，晶体驱动电源，光功率计，1/4波片，双踪示波器。实验步骤1 调节光路 将半导体激光器，起偏器，扩束镜，LN晶体，检偏器，白屏依次摆放。 打开激光功率指示计电源，激光灯亮。调整激光器的方向和各附件的高低，使各光学元件尽量同轴且与光束垂直。取下扩束镜，旋转起偏器，使透过起偏器的光最强；旋转起偏器，使白屏上的光点最弱。这时起偏器与检偏器相互垂直，系统进入消光状态。整理为word格式 用白屏记下激光点的位置。紧靠晶体放上扩束镜，观察白屏上的图案，可观察到图片：这种图案是典型的会聚偏振光穿过单轴晶体后形成的干涉图案。个暗十字图形贯穿整个图样，四周为明暗相间。十字形中心同时也是圆环的中心，它对应着晶体的光轴方向，十字形方向对应于两个偏
