晶体的电光效应.docx

班级：380721姓名： （38072112）实验日期：2010年4月23日实验老师：基础物理实验报告一、 实验目的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和观察汇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二、 实验原理电光效应电场施加在晶体上，会使晶体的折射率发生变化，这种现象称之为电光效应。通常将电场引起的折射率变化由下式表示：n-n0=aE0+bE02+式中a和b为与E0无关的常数，n0为E0=0时的折射率。由一次项aE0引起的折射率变化称为一次电光效应，也称为线性电光效应或Pokells 效应；由二次项aE20引起的折射率变化称为二次电光效应，也称为平方电光效应或Kerr 效应。一次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里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。观察纵向电光效应最常用的晶体是KDP，而观察横向电光效应则常用铌酸锂（LiNbO3）类型的晶体。本实验主要研究铌酸锂（LiNbO3）的一次电光效应。在未加电场前，铌酸锂是单轴晶体。当线偏振光沿光轴方向通过晶体时，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。类似于双折射中o光和e光的偏振态的讨论，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，这两个方向的折射率：nX=n0-n03r22Ex2，nY=n0-n03r22Ex2电光调制原理当光经过起偏器P后变成振动方向为OP的线偏振光，进入晶体 (z = 0) 后被分解为沿x和y轴的两个分量，因为OP与x轴、y轴的夹角都是45，所以位相和振幅都相等。即，于是入射光的强度为：当光经过长为的LN晶体后，x和y分量之间就产生位相差，即： （13）从检偏器A（它只允许OA方向上振动的光通过）出射的光为和在OA轴上的投影之和 （14）于是对应的输出光强为： （15）将输出光强与输入光强比较，再考虑（11）式和（12）式，最后得到： （16）为透射率，它与外加电压V之间的关系曲线就是光强调制特性曲线，见图3。本实验就是通过测量透过光强随加在晶体上电压的变化得到半波电压V。由图3可知，透过率与V的关系是非线性的，若不选择合适的工作点会使调制光强发生畸变，但在V = V/2附近有一直线部分（即光强与电压成线性关系），这就是线性调制部分。为此，我们在调制光路中插入一个/4波片，其光轴与OP成45角，它可以使x和y两个分量间的位相有一个固定的/2位相延迟，这时若外加电场是一个幅度变化不太大的周期变化电压，则输出光波的光强变化与调制信号成线性关系，即 （17）其中V是外加电压，可以写成，但是如果Vm太大，就会发生畸变，输出光强中将包含奇次高次谐波成份。当时三、 预习思考题1、 在无线电通讯中，为了把语言、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的信号的控制来实现的。这种控制过程成为调制。而接收时，则需把所要的信息从调制信号中还原出来，这个过程成为解调。通过调制可以改变信号的形式，便于传输。比如网络信号和移动电话，将视频和音频信号转换为电子信号。2、 电光调制是利用晶体但电光效应来进行信号调制的一种激光调制方式。3、 使光学元件尽量同轴且与光束垂直，起偏器与检偏器垂直系统进入消光状态。晶体位于两个偏振片之间。4、 紧靠晶体放置扩束镜保证光线与光轴平行。5、 将装有LN晶体的支架放在P与A之间，调节LN支架，使LN晶体的光轴（z轴）与激光束平行。方法为：在A之后放一白纸，可看到，由于锥光干涉产生的十字阴影，使激光束处在黑十字阴影的正中时，就可以认为大体调好了。 调节LN晶体的感应主轴x和y与P和A的偏振方向成45夹角。调节方法可参考如下步骤：首先在晶体上加上直流电压（约50V），然后使P和A向同一方向转过同样的角度，直到通过A的光强为最小时为止，记下此时P和A度盘上的角度值。这时外加电压的变化不能改变透过A的光强。这样P和A的方向与x和y轴平行。然后当需要测量半波电压时，就使P和A向同一方向转过45，这样就调节完了。6、 施加电压前后晶体由单轴晶体变为双轴晶体。双轴晶体才有双折射现象。7、 当=时，施加的电压称为半波电压V。22称为电光系数。TVm sint，此时调制器输出波形频率和调制频率相同，即线性调制。通过画出驱动电压与输出光功率的对应曲线，读出输出光功率出现极大和极小对应的驱动电压，相邻极大和极小光功率时对应的驱动电压之差是半波电压。还可以通过极值法测定半波电压。四、实验数据及处理1.研究LN单轴晶体的干涉：（1）单轴锥光干涉图样：调节好实验设备，当LN晶体不加横向电压时，可以观察到如图现象，这是典型的汇聚偏振光穿过单轴晶体后形成的干涉图样。（2）晶体双轴干涉图样：打开晶体驱动电压，将状态开关打在直流状态，顺时针旋转电压调整旋钮，调整驱动电压，将会观察到图案由一个中心分裂为两个，这是典型的汇聚偏振光穿过双轴晶体后形成的干涉图样，它说明单轴晶体在电场的作用下变成了双轴晶体2.动态法观察调制器性能：（1）实验现象：当V1=339V时，出现第一次倍频失真：当V2=642V时，信号波形失真最小，振幅最大（线性调制）：当V3=1062V时，出现第二次倍频失真：（2）调制法测定LN晶体的半波电压：晶体基本物理量5mm30mm632.8nm2.286第一次倍频失真对应的电压V1=339V、341V、347V平均值：342V，第二次倍频失真对应的电压V3=1062V、1066V、1061V平均值：1063V。故。V=V3-V1=721V由得：3.电光调制器T-V工作曲线的测量：原始数据由于用到了14波片，所以比理论曲线向右平移了约100V。（2）极值法测定LN晶体的半波电压：从图中可以看到，V在80120V时取最小值，在780820V时取最大值。分别在这两个区域内每隔5V测量一次，测得实验中极小值出现在V1=98V时，极大值出现在V2=798V时。所以，V2-V1=798-98=700V。由得： 22=2n03Vdl=6.1510-124.与标准值进行比较：算出理论值。与理论值相比，调制法测量结果相对误差约11.11%，极值法测量结果误差约7.82%，实验值与理论值符合较好。所以极值法更为准确，接近真实值。5.讨论实验中观察到的输出波形和畸变产生的原因：根据理论计算，当V=0时，T应当为极小值（T=0），然而从实验测量出的T-V图中可以发现，当V=0时，T不为零，且极小值也不出现在V=0处，对此我们可以归纳出以下几种可能原因：（1）由于在调试前后两个偏振片过程中，难以保证其起偏方向完全垂直，这就导致了极小值点偏离V=0点。（2）由于工艺上的原因，前后两个偏振片即使在完全垂直的情况下，也不可能完全消光，总会有光线透过，因此，极小值点之值大于零。输出波形畸变产生的原因：根据数学推导可得，光强透过率：（1）当时，工作点落在线性工作区的中部，将代入得：这时，调制器输出的波形和调制信号的频率相同，即线性调制。（2）当或，Vm=V时，同理可得，这时输出光的频率是调制信号的两倍，即产生“倍频”失真。五、选作实验：测量1/4波片的：在实验中，去掉晶体上所加的直流偏压，把1/4波片置入晶体和偏振片之间，绕光轴缓慢旋转时，可以看到输出信号随着发生变化，其现象与改变直流偏压效果相同，实验装置与极值法测半波电压类似，去掉铌酸锂晶体，放上1/4波片，转动1/4波片，观察示波器。转过角度输出波形特点83线性调制175倍频失真266线性调制358倍频失真根据数学推导，光强透过率为：与前面的公式类比，可发现式中的即相当于原先公式中的“”。在从倍频失真到线性调制的过程中，由于1/4波片旋转了90，透射光相位改变了（o光转化为e光或相反），而相应的“”改变了/2，故有： 即1/4波片的。六、课后思考题12.为什么1/4波片也可以改变电光晶体的工作点？答：1/4波片是一块具有特定厚度的双轴晶体，光线透过1/4波片后会分解为o光和e光，两者的相位差为。将1/4波片引起的相位差考虑之后可得光强透过率：当起始光偏振方向垂直于1/4波片的光轴时，透射光全为o光，此时=0，代入上式可得：