光电子学科综合实验I讲义

.I.目录实验1晶体的电光效应实验...............................................................................1实验2组合干涉仪实验.....................................................................................13实验3用牛顿环法测透镜曲率半径.................................................................17实验4棱镜折射率的分光仪测定…………………………………….………..25实验5光电效应…………………………………………………………………33实验6液晶的电光特性实验……………………………………………………38实验7用双棱镜干涉测钠光波长.....................................................................44附录物理实验基础知识....................................................................................48.1.实验1晶体电光效应实验内容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．通过对晶体施加不同强度的直流电压，观察测量系统的通光情况，绘出电压与光强的关系曲线，求出系统的特征参数。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。4．用一音频信号驱动电光晶体，模拟信息对光的调制和传输。设备成套性1．光学实验导轨800mm1根2．导轨滑块6个3．二维可调半导体激光器650nm4mW1套4．激光功率指示计1套5．偏振片2套6．1/4波片1套7．三维可调电光晶体附件+驱动电源（0-1500V）1套8．二维可调扩束镜1套9．二维可调光电二极管探头1套10．白屏1个实验原理某些晶体在外加电场中，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）式图一晶体折射率椭球.2.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。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。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，在主轴坐标中，折射率椭球方程为1232222212nznynx（2）式中1n，2n,3n为椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。如图一所示，当晶体上加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球的方程变为2222222221122332313122221xyzyzxzxynnnnnn(3)只考虑一次电光效应，上式与式（2）相应项的系数之差和电场强度的一次方成正比。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，我们用下列形式表示：111213221112122232222231323322333414243223515253213616263212111111111xyzxyzxyZxyzxyzxyzEEEnnEEEnnEEEnnEEEnEEEnEEEn(4)上式是晶体一次电光效应的普遍表达式，式中ij叫做电光系数(i=1,2,…6;j=1,2,3)，共有18个，EX、EY、EZ是电场E在x、y、z方向上的分量。式（4）可写成矩阵形式：.3.221112211121322221222322333313233414243223515253616163213212111111111XYZnnnnEnnEEnnn（5）电光效应根据施加的电场方向与通光方向相对关系，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KDP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3LiNbo晶体为代表。这次实验中，我们只做3LiNbo晶体的横向电光强度调制实验。我们采用对LN晶体横向施加电场的方式来研究LiNbO3晶体的电光效应。其中，晶体被加工成5×5×30mm3的长条，光轴沿长轴通光方向，在两侧镀有导电电极，以便施加均匀的电场。光轴电极通光面电极.4.图二3LiNbo晶体铌酸锂晶体是负单轴晶体，即nx=ny=n0、nz＝ne。式中on和en分别为晶体的寻常光和非寻常光的折射率。加上电场后折射率椭球发生畸变，对于3m类晶体，由于晶体的对称性，电光系数矩阵形式为00000000002251513313221322ij(6)当X轴方向加电场，光沿Z轴方向传播时，晶体由单轴晶体变为双轴晶体，垂直于光轴Z方向折射率椭球截面由圆变为椭圆，此椭圆方程为：1211222222022220xyEyEnxExnxx(7)进行主轴变换后得到：111222202'2220yEnxExnx(8)考虑到xEn22201，经化简得到xxEnnn2230021,xyEnnn2230021,eznn'(9)当X轴方向加电场时，新折射率椭球绕Z轴转动45。图三为典型的利用3LiNbo晶体横向电光效应原理的激光强度调制器。.5.图三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，设分别为tAetAeyxcoscos00''(10)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AEAEyx)0()0(''(11)所以,入射光的强度是2222)0()0('AEEEEIyx(12)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，即iyxAelEAlE)()(''(13)通过检偏器出射的光，是这两分量在Y轴上的投影之和)1(20iyeAE(14).6.其对应的输出光强1I，可写成222100112sin22iiyyAIEEeeA(15)由（13）、（16）式，光强透过率T2sin21iIIT(16)''2()xynn30222llnVd(17)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2的光程差，位相差00,100T，这一电压叫半波电压，通常用V或2V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。由（17）式ldnV22302(18)由（17）、（18）式VV(19)因此，将（16）式改写成tVVVVVTmsin2sin2sin022（20）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（20）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。.7.由于对单色光，3022n为常数，因而T将仅随晶体上所加电压变化，如图四所示，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。图三T与V的关系曲线图1．改变直流偏压选择工作点对输出特性的影响（1）当02VV，mVV时,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（14）式，得.8.tVVtVVtVVTmmmsinsin121sin2cos121sin24sin2(21)当mVV时tVVTmsin121(22)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0,2mVVVV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，（21）式不能写成公式（22）的形式，此时的透射率函数（21）应展开成贝赛尔函数，即由（21）式tVVJtVVJtVVJtVVTmmmm5sin2sinsin2sinsin121531(23)由（23）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00V,mVV时，把00V代入（15）式.9.tVVtVVtVVtVVTmmmm2cos181sin41sincos121sin2sin2222(24)即cos2Tt。从（24）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0VV代入（20）式，经类似的推导，可得tVVTm2cos181120（25）即cosTt“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。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。主机箱面板功能：主机箱“JTDG1110晶体驱动电源”主要功能为晶体驱动电压的输出与输出电压的指示、状态的切换、被调制信号的接受与放大和还原。各面板元器件作用与功能如下：1．表头：3位半数字表头，用于指示晶体驱动电压的大小，当状态旋钮打在正弦波或音频输入位置时，显示值为近似平均值。2．电源开关：主机的电源开关（220VAC）。3．驱动电压旋钮：多圈。用于调节加在晶体上的直流电压。4．输出及波形插座：9插座，其中输出插座为高压插座，使用时应与晶体附件连接，波形插座输出驱动波形，一般与示波器1通道连接.10.JTDG1110晶体驱动电源V驱动电压输出波形音频输入光电接受波形幅度调节状态