晶体的电光效应研究性报告

I研究性物理实验报告对于晶体的电光效应的探讨院系:材料科学与工程学号:13005050第一作者:李雪韬目录一，摘要部分........................................................................................................................2摘要：........................................................................................................................2关键词：......................................................................................................................2Abstract..........................................................................................................................2Keywords........................................................................................................................2二、实验原理........................................................................................................................32.1电光晶体和泡克耳斯效应......................................................................................32.2电光调制原理......................................................................................................4三、仪器介绍........................................................................................................................7四、实验内容........................................................................................................................84.1调节光路..............................................................................................................84.2电光调制器T-V工作曲线的测量.......................................................................94.3动态法观察调制性能..........................................................................................9五、数据处理....................................................................................................................105.1研究LN单轴晶体的干涉....................................................................................105.2极值法测半波电压..............................................................................................115.4¼波片对调制性能的影响..................................................................................13六、实验思考题..................................................................................................................14七.晶体的电光效应的应用.................................................................................................15八、感想与总结..................................................................................................................17九,实验数据.........................................................................................................................182一，摘要部分摘要：本研究性实验报告以“晶体的电光效应”为研究对象，针对实验的原理、仪器、步骤进行了简要地介绍，对实验的数据进行了适当的处理,针对实验中的一些问题提出建议.关键词：电光效应、电光调制、半波电压、倍频失真Abstract:Thisresearchlabreportbycrystalelectro-opticeffectastheresearchobject,accordingtotheexperiment,theprincipleoftheinstrument,thestepsarebrieflyintroduced,andexperimentaldatafortheproperhandling,aimingatsomeproblemsintheexperimentarealsoproposed.Keywords:crystalelectro-opticeffectexperimentinstrument3二、实验原理2.1电光晶体和泡克耳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[1]。通常将电场引起的折射率的变化用下式表示，即：（1）上式中a和b为与OE无关的常数，0n为00E时的折射率。由0aE一次引起的折射率变化效应称为一次电光效应，也称线性电光效应或泡克耳斯效应；由二次项0bE引起的折射率变化效应称为二次电光效应，也称为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。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中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中的传播方向垂直时产生的电光效应。观察纵向电光效应最常用的晶体是磷酸二氢钾(KDP)，而观察横向电光效应则常用铌酸锂类型的晶体。晶体的坐标轴如图(1)所示。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：2ooobEaEnn4图1.晶体的坐标轴示意图在未加电场前，铌酸锂是单晶体。当线性偏振光沿光轴（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，因为光沿着这两个方向偏振的折射率不同（传播速度不同）。类似于双折射中关于o光和e光的偏振态的讨论，因为沿X和Y的偏振分量存在相位差，出射光一般将成为椭圆偏振光。由晶体光学可以证明，这两个方向的折射率：(2)上式中和是晶体的o光折射率和电光系数，是X方向所加的外电场。2.2电光调制原理在无线电通信中，为了把语言、音乐或图像等信息发出去，总是通过表征电磁波特性的振幅、频率或相位受被传递信号的控制来实现的。这种控制过程称为调制；而接受时，则需把所要的信息从调制信号中还原出来，这个过程称为解调。在现代社会中，激光也常被用作传递信号的工具，它的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。本实验采用强度调制，即输出的激光辐射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（探测器）一般都是直接地响应其所接受的光强度变化的缘故。2/223'xooxErnnn2/2230'xoYErnnnon22rdVEX/5激光调制的方法很多，如机械调制、声光调制、磁光调制和电源调制等。而电光调制开关速度快，结构简单，因此在激光调Q技术、混合型光学双稳器件等方面有广泛的应用。（1）横向电光调制为方便计算，用复振幅的表述方法Z=0的光波,AEX)0(AEY)0(（3）所以入射光的强度：（4）当光通过长为L的电光晶体后，因折射率不同，和两分量之间将产生相位差δ，于是（5）通过检偏器出射的光：（6）输出的光强：（7）由（4）和（7），可求出光强的透过率：（8）由(2),并注意到（d是晶体的厚度），有：dlVnlnnoXY22322）（（9）由此可见，δ与V有关。当电压增加到某一值时，,方向的偏振光经过222i2)0()0(AEEIYXXY)()(;)(oiYixAelEAelEiireeAE)1(2)(02sin2)1)(1(2)()(222AeeAEEIiiorort2sin2itIITdVEX/XY6晶体后产生的光程差，相位差δ=π，T=100%，这一电压叫半波电压，通常用V或2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。因为v小，表示较小的调制信号就会有较大的响应；用做快速电光开关时，v小意味着用比较小的电压就可以实现光开关的动作。根据半波电压值，可以估计出控制电光效应所需的电压。由式（10）得：)(22230ldnV(11)上式中，d和t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。如果减少电极之间的距离d，而增加通光方向的长度l，则同样的晶体横向电光效应的半波电压v将会减少，而纵向电光效应的半波电压为32on，不能靠尺寸调整，这是横向电光调制器的优点之一。因此，横向效应的电光晶体都加工成细长的扁长方体。结合式（10）、式（11),取vv,取wtVVVmOsin（OV是直流偏压,wtVmsin是交流调制信号，mV是调制信号的振幅，是调制的角频率)，由式（9）可得)sin(2sin2sin22wtVVVVVTmo(12)由此可以看出，改变oV或mV，输出特性将相应发生变化。对单色光来说，223on为常数，因而T将随晶体上所加的电压变化，如图3所示，T与V的关系是非线性的。如果工作点oV选择不当，则会使输出信号发生畸