大连理工--晶体的电光效应与电光调制-实验报告

1晶体的电光效应与光电调制近代物理实验报告指导教师：得分：实验时间：2010年03月24日，第四周，周三，第5-8节实验者：班级材料0705学号200767025姓名童凌炜同组者：班级材料0705学号200767007姓名车宏龙实验地点：综合楼501实验条件：室内温度℃，相对湿度%，室内气压实验题目：晶体的电光效应与光电调制实验目的：1.掌握电光调制的原理和实验方法2.学习测量电光晶体半波电压和光电常数的试验方法3.观察电光晶体的锥光干涉实验仪器：1.晶体电光调制电源2.调制器3.接收放大器实验原理简述：某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将随着外加电场的变化而变化，这种现象称为光电效应。晶体外加电场后，如果折射率变化与外加电场的一次方成正比，则称为一次电光效应，如果折射率变化与外加电场的二次方成正比，则称为二次电光效应。晶体的一次光电效应分为纵向电光效应和横向电光效应1.一次电光效应和晶体的折射率椭球对于电光晶体，晶体在某一方向上的折射率为n0，外加电场后折射率为n，实验表明n=n0+aE0+bE02+…2晶体的电光效应与光电调制其中：a,b为常数；n0为E0=0使的折射率。由一次项引起的折射率变化的效应称为一次电光效应，也叫线性电光效应；由二次项引起的折射率变化的效应称为二次电光效应，也叫平方电光效应。未加电场时晶体的折射率椭球方程为1232222212nznynx晶体的三个主晶轴为x,y,z坐标轴，椭球的主轴与晶体主轴重合。式中n1,n2,n3分别为晶体三个主轴方向上的主折射率。如图5-2-1所示。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，椭球方程变成1222212213223233222222112nxynxznyznznynx此时，椭球主轴不在与x,y,z轴重合。由于晶体的各向异性，电场在x,y,z各个方向上的分量对椭球方程的各个系数的影响是不同的，用以下形式表示zyxErErErnn1312112121111zyxErErErnn2322212222211zyxErErErnn3332312323311zyxErErErn4342412231zyxErErErn5352512131zyxErErErn6362612121晶体的一次电光效应的普遍表达式，其中，γij叫做电光系数，共有18个，Ex,Ey,Ez是电场在x,y,z方向上的分量。本实验用的铌酸锂晶体外加电场后，晶体的一次电光系数矩阵为00000000002251613313221322rrrrrrrrrij带入基本式，得到铌酸锂晶体加电场后的椭球方程3晶体的电光效应与光电调制1222111225151233221322202132220xyErxzEryzErzErnyErErnxErErnxxyZezyzy变化后得Ernnnx22300'21Ernnny22300'21即外加电压后，铌酸锂晶体变为双轴晶体，其折射率椭球z轴的方向和长度基本保持不变，而x,y界面由半径为n0的圆变为椭圆。2.电光调制原理1)横向光电调制如图5-2-3入射光经过起偏器后变为振动方向平行于x轴的线偏振光，他在晶体感应轴x’,y’上的投影的振幅和相位均相等，分别设为wtAexcos0'wtAeycos0'用复振幅表示，将位于晶体表面（z=0）的光波表示为AEx)0('AEy)0('所以入射光的强度为22'2'2)0()0(AEEEEIyxi当光通过长为l的电光晶体后，x’,y’两分量之间产生相位差AlEx)('iyAelE)('通过检偏器出射的光，是这两个分量在y轴上的投影之和1245cos)()('0iiyyeAelEE其对应的输出光强It可写为2sin2*2200AEEIyyt4晶体的电光效应与光电调制由以上可知光强透过率为2sin2itIIT相位差的表达式dlVrnlnnyx2230''22当相位差为π时ldrnVn22302由以上各式可将透过率改写为wtVVVVVTmsin2sin2sin022可以看出改变V0或Vm，输出特性将相应变化。2)改变直流电压对输出特性的影响把V0=Vπ/2带入上式可得wtVVwtVVVVVTmmsinsin121sin2sin2sin022做近似计算得wtVVTmsin121即T∝Vmsinwt时，调制器的输出波形和调制信号的波形频率相同，即线性调制如果Vm＞Vπ，不满足小信号调制的要求，所以不能近似计算，此时展开为贝塞尔函数，即输出的光束中除了包含交流信号的基波外，还有含有奇次谐波。由于调制信号幅度比较大，奇次波不能忽略，这时，虽然工作点在线性区域，但输出波形依然会失真。图5-2-55晶体的电光效应与光电调制当V0=0或π；Vm《Vπ时，将V0=0带入到上式得wtVVTm2cos1812即T∝cos2wt，可以看出输光是调制信号的二倍，即产生倍频失真。当V0=Vπ，Vm《Vπ时。经过类似推到，可得wtVVTm2cos18112即依然看到的是倍频失真的波形。3)用λ/4波片来进行光学调制由上面的分析可知，在电光调制中，直流电压V0的作用是使晶体在x’,y’两偏振方向的光之间产生固定的相位差，从而使正弦调制工作在光强调制曲线图上的不同点。在实验中V0的作用可以用λ/4波片来实现，实验中在晶体与检偏器之间加入λ/4波片，调整λ/4波片的快慢轴方向使之与晶体的x’,y’轴平行，转动波片，可以使电光晶体工作在不同的工作点上。实验步骤简述：1.实验内容i.观察晶体的锥光干涉图ii.分别用极值法和调制法测定铌酸锂晶体的透过率曲线，求出半波电压iii.改变直流电压，选择不同工作点，观察正弦波电压的调制特性iv.用λ/4波片改变工作点，观察输出特性v.光通信演示2.实验步骤i.打开电源开关，将直流电压调到0，打开激光器ii.调节起偏器和检偏器正交，此时在晶体后的白屏上可以观察到一个暗‘十’字，光点在十字中间。iii.紧靠晶体前端放一毛玻璃片，观察单轴晶体的锥光干涉图，如图5-2-8，记录干涉图样特点iv.调节‘偏压’旋钮，加上偏压，观察锥光干涉图样的变化情况，记下变化情况，想一想说明什么问题v.改变偏压的极性，记下观察到的现象vi.改变偏压的大小，记下观察到的现象，并解释为什么出现这样的现象vii.将两个偏振片由正交改变平行，记下观察到的现象viii.用极值法测T-V曲线，具体步骤如下1.将电压调到最小，两偏振片正交，使锥光符合（3）中的要求2.取出毛玻璃，接收器瞄准广电，在晶体上加直流电压3.逐渐增大直流电压，用万用表测量直流输出，适当旋转起偏器前的检光片，保证最大不超过量程4.每隔20V测一次输出光强，在接近极大极小值时，每隔10V测一次，记录数据5.改变偏压极性，重复上述操作，再测一组数据，利用两组数据做图表，曲线上两极大值之间的电压为半波电压的2倍ix.用调制法重新测量半波电压，具体操作如下1.将电源前面板的调制信号输出接到示波器的CH1，经放大后的调制器输出信号借到CH22.选择调制信号为正弦信号3.将检偏器旋转90°，缓慢增加晶体上的直流电压，同时观察示波器，当输出信号出6晶体的电光效应与光电调制现倍频失真时，记下此时直流电压4.改变直流电压极性，重复上述操作5.两点呀绝对值的平均值即为晶体的半波电压6.重复五次取平均值7.实验中主义观察随着工作点的改变，正线电压的调制特性x.根据测得的半波电压的大小，分别画出半波电压为0，Vπ/2，Vπ时的输入波形和调制后的波形xi.用λ/4波片改变工作点，观察输出特性，操作如下1.将直流电压关闭，将λ/4波片放在晶体和偏振片之间2.绕光轴缓慢旋转波片，观察示波器中输出波形的变化3.记下输出光的线性调制和倍频失真时波片快慢轴与晶体x,y轴及感应轴x’,y’的关系xii.光通信演示1.按电源面板上信号选择开关的音乐键，输出音乐片段，输出信号通过放大器上的扬声器播放2.改变工作点，分辨音质变化注意事项：1.广电三极管应避免强光照射，以免烧坏，实验时光强应该由弱到强，缓慢变化2.电源开关打开前，所有旋钮应该逆时针旋到头，所有旋钮应逆时针旋到头，关闭时旋到头后再关电源3.晶体容易折断，操作时晶体上面的电极不能压得太紧7晶体的电光效应与光电调制原始数据、数据处理及误差计算：实验数据整理：直流法测半波电压数据：正极性Vc(V)300290280270260250240230220Vl(mV)116013001510183023202530284030603260Vc(V)210200190180170160150140130Vl(mV)341034803500351032603310312029102650Vc(V)120110100908070605040Vl(mV)24002120180014901230959749585401Vc(V)3020100Vl(mV)275180156200负极性Vc(V)0-10-20-30-40-50-60-70-80Vl(mV)2002753995978391090141017202050Vc(V)-90-100-110-120-130-140-150-160-170Vl(mV)233026402970324024903680384039804040Vc(V)-180-190-200-210-220-230-240-250-260Vl(mV)402039603860371035303280304028002480Vc(V)-270-280-290-300Vl(mV)2180186015601280交流法测半波电压数据：（单位V）正极性负极性V1V2V1V2I11189177-11II10190177-10III10189176-10IV10190176-10V10190177-101.在直流法测半波电压的实验中，可以观察到，随着加载在晶体上的电压越来越大，光斑（传感器传出的电压信号）强度有周期性的变化。原因如下：当未加载电压时，电光晶体呈现各向同性，对入射光没有分光作用，此时只有两个相互垂直的偏振片起作用，所以消光程度最大。当晶体上加载的电压逐渐增大时，晶体的双折射效应越来越明显，则入射的偏振光的xy分量相位分离的越来越大，合成的偏振光由原先的线偏振光慢慢变成椭圆偏振光再变成圆偏振光，因而透过检偏器以后的剩余亮度越来越大，而当电压继续升高时，xy分量错开更大，此时有慢慢变回线偏振光，因而透过检偏器之后的亮度又逐渐减低。因此在电压不断升高的过程中，接收器收到的光信号强弱呈周期性变化。8晶体的电光效应与光电调制直流法测半波电压的T-V曲线由上图（正负极性的情况画在同一张图中）可以看出，正半周期的最大信号电压出现在Vc=180V时，而最小值出现在Vc=10V时，可以计算出正极性周期的半波电压Vπ=95V而负半周期的半波电压则为Vπ’=-90V综上，可以取平均值认为半波电压是Vπavg=92.5V2.在交流法测半波电压的过程中，可以看到，当外加的直流电压达到TV曲线上的极值点时，输出曲线为交流信号的倍频市政。而在直流电压加载到半波电压值时，信号波形和交流信号为同频同相或者同频反相。这是因为此时交流信号相当于一个扫描信号，在如上图所示的直流曲线上进行小范围的左右振荡扫描一样，扫描的结果就是表现出接受光强在这一范围内的变化特征。根据上页的实验数据，可以在正负周期各得到五个多次测量结果的计算值，如下正极性（V）负极性（V）I10094II10093.5III99.593IV10093V10093.5平均值99.993.