实验电光

晶体的电光效应实验【实验目的】1．通过观察穿过晶体的会聚偏振光的干涉图案，了解电场对晶体的作用机理。2．正确掌握JTDG光电效应仪器的使用方法。3．在晶体上施加一个正弦波信号，观察光学系统的响应情况，理解设置静态工作点的目的和意义，以及设置方法和要求。【实验仪器】激光功率指示计、晶体驱动电源、3LiNbO晶体、偏振片，1/4玻片、光电探头，扩束镜、白屏、导轨、滑块等。【实验原理】某些各向同性的透明晶体在外加电场中，随着电场强度E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:0200nnaEbE(1)式中a和b为常数，0n为E0=0时的折射率。由一次项aE0引起折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔电光效应（pokells）；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中，一次效应要比二次效应显著。图1为典型的利用3LiNbO晶体横向电光效应原理的激光强度调制器。图1晶体横向电光效应原理图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，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δ，则光强透过率2sin21iIIT(2)''2()xynn30222llnVd(3)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2的光程差，位相差00,100T，这一电压叫半波电压，通常用V或21V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，我们可以估计出电光效应控制透过强度所需电压。ldnV22302(4)VV(5)tVVVVVTmsin2sin2sin022（6）其中0V是直流偏压，sinmVt是交流调制信号，mV是其振幅，是调制频率，从（6）式可以看出，改变0V或mV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2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2V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12VV时，00,502T。图2T与V的关系曲线图我们知道电压与输出光强的关系并不是完全线性的，只是在2/V处是近似线性的。响应的非线性就会在调制时产生一个信号波形失真的问题，如果一个正弦驱动信号的静态工作点在0或2/V处，还会出现信号被倍频现象。这就要求我们在使电光晶体工作时找到一个好的静态工作点，以使波形失真最小且最灵敏。静态工作点的设置有多种方案，可以是电学的也可是光学的。【实验步骤】1.验证LN晶体在自然状态下的单轴晶体特性和施加电压后晶体变为双轴晶体的情况。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，使扩束镜紧靠LN晶体2）分别接连好半导体激光器电源（在激光功率指示计后面板上）和晶体驱动电源（千万不可插错位）将驱动电压旋钮逆时针旋至最低。3）打开激光功率指示计电源，开启激光器。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，旋转起偏器，使透过起偏器的光尽量强一些（因半导体激光器的输出光为部分偏振光）。4）观察白屏上的图案并转动检偏器观察图案的变化，应可观察到由十字亮线或暗线和环形线组成的图案。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，如图3所示。记录图样。5）旋转起偏器和检偏器，使其两个相互平行，此时所出现的单轴锥光图与偏振片垂直时是互补的。如图4所示，记录图样。6）打开晶体驱动电源，将状态开关打在直流状态，顺时针旋转电压调整旋钮，调高驱动电压，观察白屏上图案的变化。将会观察到图案由一个中心分裂为两个心，这是典型的会聚偏振光经过双轴晶体时的干涉图案。如图5所示。电压大致在600~700V。记录图样。图3图4图52.研究LN晶体的电光特性和参数1）将上个实验中的扩束镜和LN晶体取下，使系统按激光器、起偏器、检偏器、白屏排列。2）打开激光功率指示计电源，调整系统光路，使光学元件尽量与激光束等高、同轴、垂直。3）旋转起偏器、使透过起偏器的光尽量强一些，旋转检偏器使白屏上的光点尽量弱。这时起偏器与检偏器相互垂直，系统进入消光的状态。也可用功率检测仪测量。4）将LN晶体放置于起偏器与检偏器之间，调整其高度和方向尽量使LN晶体与光束同轴。5）将晶体驱动电源的电压调至最低，状态开关打到直流状态，观察白屏上的光斑亮度。仔细调整LN晶体的角度和方位，尽量使白屏上的激光光斑最暗（理论上讲，LN晶体的加入应对系统的消光状态无影响，但由于LN晶体本身固有的缺陷和激光光束的品质问题，系统消光状态将会变化）。6）取下白屏换上激光功率计探头，记下此时的光功率值Pmin7）顺时针旋转电压调整旋钮，缓慢调高驱动电压，并记录下电压值和激光功率值，每50V记录一次，作出VP图，在实验曲线上，寻找功率的最大值maxP和最小值minP以及对应的电压值2V和1V。8）把LN晶体取下，并旋转检偏器，记录下系统输出最大的光功率0P9）计算消光比M、透过率T、半波电压2/V。3、用调制法测量电光晶体的光电系数：调节光路①将之前实验的光功率计取下，换上光电二极管探头，使得系统以激光器，起偏器，LN晶体，检偏器和二极管探头的顺序排列。②双踪示波器CH1显示的是驱动信号的波形，CH2则显示的是接受信号波形，光电二极管探头与信号输入插座连接。输出波形为正弦波，频率约为1KHz，幅度调到最大。③改变驱动信号电压，观察示波器的波形，并找到接收信号幅度最大，失真最小以及出现倍频失真的静态工作点。静态工作点对调制波形的影响。1）在起偏器与LN晶体间放入1/4波片。分别将静态工作电压置于倍频失真点、接收信号波形失真最小、接收信号波形幅度最大点（参考上一步骤的参数），旋转λ/4波片，观察接收波形的变化情况，体会1/4波片对静点的影响和作用。2）音频信号的调制与传输。将音频信号接入音频插座，状态开关置于音频状态。观察示波器上的波形，打开后面的喇叭开关，监听音频调制与传输效果。【实验数据记录及处理】1.单轴晶体的干涉LN晶体在自然状态下的单轴晶体特性和施加电压后晶体变为双轴晶体干涉图样2.LN晶体的电光特性和参数1V=100（V）2V=851（V）minP=0.05(mw)maxP=1.18(mw)0P=2.38(mw)半波电压：12VVV751（V）消光比:maxminPPM=0.04。透过率：0maxPPT0.49。电光系数：)(23022ldVn5.88*10-12（m/V）百分误差：0E13.53%这种测量半波电压的方法称为极值法。铌酸锂晶体基本物理量dl220n5mm30mm632.8nm-126.810m/V2.2863、光调制波形记录00.20.40.60.811.21.402004006008001000120014001600电压（V）功率P（mW）P与V的关系曲线图当出现第一次倍频失真时，1V187（V）当出现第二次倍频失真时，2V881（V）当信号波形失真最小、振幅最大时，3V683（V）半波电压：12VVV694（V）电光系数：)(23022ldVn6.36*10-12（m/V）百分误差：0E6.47%这种测量半波电压的方法称为调制法。