北航大学物理综合实验报告――晶体的电光效应

基础物理实验研究性报告晶体的电光效应Crystalelectro-opticeffect作学学者:号:院:2012年5月8日晶体的电光实验北京航空航天大学基础物理实验研究性报告目录摘要：....................................................................................................................1Abstract..................................................................................................................1实验目的.......................................................................................................1一、实验仪器.......................................................................................................1二、实验原理.......................................................................................................2三、1.电光晶体和泡克耳斯效应.............................................................................22.电光调制.........................................................................................................3实验步骤.......................................................................................................8四、1.调整光路系统.................................................................................................82.依据3LiNbo晶体的透过率曲线(即T-V曲线)，选择工作点。测半波电压。………………………………………………………………………………………………………………….103.用相位补偿法测量晶体快慢轴相位差.......................................................12实验数据的记录及处理...............................................................................12五、1.原始数据记录...............................................................................................122.数据处理.......................................................................................................14有关实验误差的讨论..................................................................................17六、1.输出波形畸变产生原因...............................................................................172.实验数据误差产生的原因...........................................................................17研究性实验..................................................................................................18七、1.利用李萨如图形特性观察调制器性能.......................................................182.利用电光效应测量双轴晶体的O光折射率..............................................20结语.............................................................................................................21八、参考文献.....................................................................................................22九、晶体的电光实验1北京航空航天大学基础物理实验研究性报告摘要：本文以“晶体的电光效应”实验为主要内容，先介绍了实验的基本原理与实验步骤，进行了数据处理与相对误差分析，然后根据实验结果分析误差产生的原因。根据实电光实验原理，我设计了两个相关实验，并且去实验室验证了它的可行性。AbstractCrystalelectro-opticeffectexperiments,firstintroducedthebasicprincipleoftheexperimentandexperimentalprocedures,dataprocessingandtherelativeerroranalysis,analysisofcausesoferrorarebasedontheexperimentalresults.Accordingtotheprincipleofthesolidelectro-opticalexperiments,Idesignedtwoexperimentstothelaboratorytoverifyitsfeasibility.关键词：电光效应激光调制半波电压实验目的一、掌握晶体电光调制的原理和实验方法；（1）了解电光效应引起的晶体光学性质的变化，观察汇聚偏振光的（2）干涉现象；学习晶体半波电压和光电常数的实验方法；（3）实验仪器二、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玻片、双踪示波器。晶体的电光实验2北京航空航天大学基础物理实验研究性报告实验原理三、1.电光晶体和泡克耳斯效应介质因电场作用而引起折射率变化的现象称为电光效应，介质折射率和电场的关系可表示为：式中n0是没有外加电场（E=0）时的折射率，a和b是常数，其中电场一次项aE引起的折射率变化称为线性电光效应，由Pokels于1893年发现，故也称为Pokels效应；由电场的二次项引起bE2的折射率变化称为二次电光效应，由Kerr在1875年发现，也称平方电光电效应Kerr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与任何物质中。在无对称中心晶体中，一次应比二次效应显著得多，所以通常讨论线性效应。晶体的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；横向光电效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体中的传播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（LiNbO3）类型的晶体。晶体的坐标轴如图-1所示。本是主要研究铌酸锂晶体的一次电光效应，用铌酸锂的横向调制20bEaEnn(1)图-1晶体的电光实验3北京航空航天大学基础物理实验研究性报告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。但是如在铌酸锂晶体的x轴施加电场，晶体将由单轴晶体变为双轴晶体。这时沿z轴传播的偏振光应该按照特定的晶体感应轴X’和Y’进行分解，因为光沿着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光的偏正态的讨论，由于沿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：n𝑥′=𝑛0−𝑛03𝑟22𝐸𝑥2,n𝑦′=𝑛0−𝑛03𝑟22𝐸𝑥2式中，n0和r22是晶体的o光折射率和电光系数，𝐸𝑥=V/d是方向所加的外电场。2.电光调制在无线电通信中，为了把语育、音乐或图像等信息发送出去，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；而接收时，则需要把所要的信息从调制信号中还原出来，这个过程称为解调。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纵向电光调制，利用横向电光效应的调制叫横向电光调制。本实验用铌酸锂晶体做横向调制实验。横向电光调制（4）晶体的电光实验4北京航空航天大学基础物理实验研究性报告铌酸锂晶体的横向电光调制过程如图5.7.2所示。图中1是入射激光束；2是起偏器，偏振方向平行于电光晶体的X轴；3是铌酸锂电光晶体，晶体在X方向加电场，激光束沿晶体的Z方向（长度Z）传播；4是1/4波片，其“快轴’’平行电光晶体的X'方向，“慢轴”平行晶体的Y'方向；5是检偏器，偏振方向平行于y轴；6代表出射光束。入射光经起偏器后变为振动方向平行于X轴的线性偏振光，晶体的电光效应可按光矢量的分解与合成来处理。进入晶体时，X偏振的线偏振光按感应轴X'和Y'分解，它们的振幅和相位相等，电矢量可以分别记为𝐸𝑥′=𝐴cos𝑤𝑡,𝐸𝑦′=𝐴cos𝑤𝑡图-2为方便计算，用复振幅的表示方法，省去时间的简谐因子𝑒𝑗𝑤𝑡，这时位于晶体表面（Z=0）的光波表示为：𝐸𝑥（0）=𝐴,𝐸𝑦(0)=𝐴所以入射光的强度𝐼𝑖∝|𝐸𝑥(0)|2+|𝐸𝑦(0)|2=2A2当光通过长为𝑙的电光晶体后，因折射率的不同，x’和y’两分量之晶体的电光实验5北京航空航天大学基础物理实验研究性报告间将产生相位差δ，于是𝐸𝑥‘(0)=𝐴𝑒𝑖δ0,𝐸𝑦(0)=𝐴𝑒𝑖(δ0−δ)通过检偏器出射的光，是该分量在Y轴上的投影之和（𝐸𝑦）0=𝐴√2（𝑒−𝑖δ−1）𝑒𝑖δ0）输出光强𝐼𝑡∝[（𝐸𝑦）0∙（𝐸𝑦）0∗]=A22[(𝑒𝑖δ−1)(𝑒−𝑖δ−1)]=2A2sin2𝛿2光强的透过率T为T=𝐼𝑡𝐼𝑖=sin2𝛿2因为𝐸𝑥=V/d，所以δ=2𝜋𝜆(𝑛𝑌′−𝑛x′)𝑙=2𝜋𝜆𝑛03𝑟22𝑉𝑙𝑑由此可见，δ与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。相位差δ=𝜋，T=100%，这一电压叫半波电压，通常用V𝜋或以V𝜆2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。因为V𝜋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，V𝜋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V𝜋=𝜆2𝑛03𝑟22（𝑑𝑙）式中，𝑑、𝑙分别为晶体的厚度和长度。由此可见，