晶体的电光效应基础物理实验研究性实验报告

1基础物理实验研究性报告晶体的电光效应院系：软件学院第一作者：13211068樊伟富第二作者：13211074魏昭诚研究性实验报告——晶体的光电效应2目录摘要..................................................................................................................................................3实验要求...........................................................................................................................................3实验原理...........................................................................................................................................31.电光晶体和泡克尔斯效应....................................................................................................32电光调制原理.......................................................................................................................4实验仪器...........................................................................................................................................8实验步骤...........................................................................................................................................8数据记录与处理.............................................................................................................................10误差分析.........................................................................................................................................13实验总结及讨论.............................................................................................................................13附录：实验数据照片.....................................................................................................................133摘要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。本文简要介绍了晶体电光效应实验的原理、仪器、步骤以及误差分析等，并对其应用实验进行了探究。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。通常将电场引起的折射率的变化用下式表示，即20a-。。bEEnn（1）式中a和b为与E。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bE0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。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中。通常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。晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应。纵向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里的传播方向平行时产生的电光效应；横向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里的传播方向垂直时产生的电光效应；观察纵向电光效应常用磷酸二氢钾类晶研究性实验报告——晶体的光电效应4体进行，而铌酸锂晶体则被用于产生横向电光效应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。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：yxEnnn2230021(2)yyEnnn2230021（3）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.本实验用铌酸锂晶体做横向调制实验。研究性实验报告——晶体的光电效应5(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。为方便计算，用复振幅的表示方法，将位于晶体表面（z=0）的光波表示为''0;0xyEAEA（4）所以入射光的强度222''00*2xyIEEEEA（5）当光通过长为l的电光晶体后，因折射率不同，X′和Y′两分量之间就产生位相差δ，于是)(x)(,)(,,。。iYiAelEAelE（6）通过检偏器出射的光，是这两分量在Y轴上的投影之和：。。iiYee)1(*2/A)(E（7）其对应的输出光强I1，可写成2*22100112sin22iiyyeeAAIEE（8）上标“*”代表复数共轭。由（5）、（8）式，光强透过率T为21sin2iITI（9）由（2）式，并注意到dVx/E，有研究性实验报告——晶体的光电效应63''02222xyllnVdnn（10）由此可见，δ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λ/2的光程差，位相差δ=π，T=100%，这一电压叫半波电压，通常用Vπ或Vλ/2表示。Vπ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Vπ小，需要的调制信号电压也小，根据半波电压值，我们可以估计出电光效应控制透过强度所需电压。由（10)式30222dVnl（11）其中d和l分别为晶体的厚度和长度。由此可见，横向电光效应的半波电压与晶体的几何尺寸有关。综合（10）、（11）式VV（12）因此，将（9）式改写成220sinsinsin22mTVVVtVV（13）其中V0是直流偏压，Vmsinωt是交流调制信号，Vm是其振幅，ω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。对单色光，3022n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V.选择不当，会使输出信号发生畸变。但在2V附近有一近似直线的部分，这一直线部分称作线性工作区，不难看出，当2VV时，,50%2T。(2)直流偏压对输出特性的影响1）当2/VV。时研究性实验报告——晶体的光电效应7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02mVV代入（8），得2111142222sinsincossinsinsinmmmTVtVtVtVVV（14）当mVV时，112sinmTVtV（15）它表明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VVVVm,0或。时，把V。=0代入得222211112222111248sinsincossincossinsincosmmmmmTVtVtVtVVVVtVtVV（17）即cos2Tt。这时，输出光的频率是调制信号频率的2倍，即产生“倍频”失真。类似的，对。VV2011128cosmVTtV（18）这时仍将看到“倍频”失真的波形。3）直流偏压V0在零伏附近或在Vπ附近变化时，由于工作点不在线性工作区，输出波形将失真。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δ，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109~1010Hz，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研究性实验报告——晶体的光电效应8的应用。4）当2/V2/VVVm且。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135112235sinsinsinsinsinmmmmTVtVVVVJtJtJtVVV（16）由（16）式可以看出，输出的光束除包含交流的基波外，还有奇次谐波。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。实验仪器实验仪器：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○1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。○2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