晏和玉-晶体的电光效应探究性实验

1、北航物理实验探究性报告晶体的电光效应姓名：晏和玉引言:电光效应科技名词定义中文名称：电光效应英文名称：electro-optical effect定义:晶体在外电场作用下折射率会发生变化的现象称为晶体的电光效应。电光效 应是指某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性的效应。电光效应分为一次电光效应(an与电场e呈线性关系)和二次电光效应(a n与电场平方关系)；他们又分别被称为普克尔斯(pokells)效应和克尔(kerr) 效应。1875年克尔(kerr)发现了第一个电光效应。r卩某些各向同性的透明介质在 外电场作用下变为各向异性，表现出双折射现象，介质具有单轴品体的特性，并 且

2、其光轴在电场的方向上，人们称这种光电效应为克尔效应。1 8 9 3年普克尔 斯(pokells)发现，有些晶体，特别是压电晶体，在加了外电场后，也能改变 它们的各向界性性质，人们称此种电光效应为普克尔斯效应。电光效应在工程技 术和科学研究屮有许多重要应用，它有很短的响应时间(可以跟上频率为loh z的电场变化)，因此可以制成快速控制光强的光开关，被广泛用于高速摄影中 的快门，光速测量屮的光束斩波器等；利用电场引起的折射率的改变可以控制光 波的相位、偏振态等特性，从而实现对光朿的调制，做成快速传递信息的电光调 制器。出于激光的出现，电光效应的应用和研究得到了迅速发展，如激光通信、 激光测量、激光

3、数据处理等。木实验主要研究觇酸锂(linbo3)晶体的一次电光效应，用覩酸锂晶体的横 向调制装置测量晶体的半波电压及光电常数。通过本实验不仅可以获得晶体的电 光效应的基本知识，述可以对偏振光的干涉、信号的调制和传递有具体的了解。 与此同时，从晶体电光调制角度出发，通过观察电光效应所引起的晶体性能的 变化和会聚偏振光的干涉现象，以及对锐酸锂晶体电光特性曲线的测量研究，学 习和掌握品体电光调制的原理和实验方法，学会用简单的实验装置测量品体半波电压、电光常数和消光比的实验方法。一、实验目的1. 掌握晶体电光调制的原理和实验方法2. 观察晶体电光效应引起的晶体会聚偏振光的干涉现象3. 学会利用实验装置

4、测量晶体的半波电压二、实验仪器桩酸锂晶体，电光调制电源，半导体激光器，偏振器，四分z波片，接收 放大器，双踪示波器（后来添上）。注：激光光源：半导体激光器，激光波长：650680nm,激光功率：0 2. 5mw连续可调，偏置电压：±0400v连续可调，调制方式：横向调制；调 制晶体：觇酸锂晶体50mmx6mmx 1. 7nnn；调制波形：lkhz止弦波或jt他波形三、实验原理1. 电光效应晶体（固体或液体）在外加电场中，随着电场强度e的改变品休的折射率发生改变的现象。当光线穿过某些晶体（如方解石、锐酸锂、祀酸锂等）时，会折射成两束光。其 中一束符合一般折射定律称之为寻常光（简称o光）

5、，折射率以n。表示；而另一 束的折射率随入射角不同而改变，称为非常光（简称e光），折射率以表示。jo光（寻常光）:其屮的一条折射光服从折射定律，沿各方向的光的传播速度相同，各向折射率相同，且在入射面内传播弋光（非常宀光）：不服从折射定律，沿各方向的光的传播速度不相同，各向折射率代 不相同，并且不一定在入射面内传播相 位 差：5二竿os-©）d（ 其 中/i2为光在真空屮的波氏，化、化代表。光、£光在波片的折射率。）一般晶体中总有一个或二个方向，当光在晶体屮沿此方向传播时，不发生双 折射现象，把这个方向叫做品体的光轴方向。只有一个光轴的称为单轴晶体，有 两个光轴方向的称为双轴

6、晶体。由晶体光轴和光线所决定的平面称为晶体的主截 面。实验发现，o光和e光都是线偏振光，但它们的光矢量（一般指电场矢量e ） 的振动方向不同，o光的光矢量振动方向垂直于品体的主截面，e光的光矢量振 动方向平行于晶体的主截面。晶体的光轴在入射面内时，。光和e光的主截面重 合，电光矢量的振动方向互相垂直。光在各向界性晶体中传播时，因光的传播方向不同或矢量的振动方向不同， 光的折射率就不同，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。若把坐标轴x, y , z取在品体的3个主轴方向上，分别用n- ny, 表示晶体3个主轴上的折射率，并以，ny,成比例的长度分别为3个 半轴长做一椭球

7、，这个椭球可表示光在晶体内的传播悄况，称这个椭球为折射率 椭球，如图1-1所示。x图it折射率椭球上图的折射率椭球可由如下的数学计算得来 电场引起的折射率的变化：卅为e。二0时的折射率）。2泸+处。+逻+（其中a和b为常数,光在各向异性晶体中传播时，由于光传播方向不同或者电矢量的振动方向不 同，光的折射率也不同。通常用折射率椭球來描述折射率与光的传播方向、振动 方向的关系，即方程为2 2 2®5（其中比、5、山为椭球三个主轴方向上的折射率，即主折射率）。当晶体加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球的方 程变为4+签円nn22n33n23n3®22. 电光调

8、制原理（一）横向电光调制覩酸锂品体横向电光调制器的结构如图2所示。pln晶体al激光器 a p偏振片d探测器蜜轴iiii 输出光束（平行于/轴）（平行于/轴） 电光晶体四分之一检偏器 波片（平行于y轴）入射光束图2横向电光调制器示意图起偏器（平行于轴）图2-1横向屯光调制器原理图当光经过起偏器p后变成振动方向为0p的线偏振光，进入品体（z二0）后 被分解为沿”和y轴的两个分量，因为0p与x轴、$轴的夹角都是45。， 所以位相和振幅都和等。即eao） = eyo） = a于是入射光的强度为：i x e £ =|e/(o)|2 +|e/(o)|2 =2a2当光经过长为/的ln品休后，x和

9、 分量之间就产生位相差炉，bp：(13)从检偏器a （它只允许0a方向上振动的光通过）出射的光为町和血（）在 0a轴上的投影之和(14)（ey）0=（a/v2）（e-l）于是对应的输出光强为:人2尹宀 ww 六/2（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： / = sir?纟二 sir?（竺）(16)a 22匕图3透过率与电压的关系曲线人/厶为透射率，它与外加电压v z间的关系曲线就是光强调制特性曲线， 见图3o本实验就是通过测量透过光强随加在晶体上屯压的变化得到半波屯压v（二）改变直流偏压选择t作点对输出特性的影响7tv)=-l + sin()2v由图3可知

10、，透过率与v的关系是非线性的，若不选择合适的t作点会使调 制光强发生畸变，但在v二v h /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，我们在调制光路屮插入一个入/4波片，其光轴与 0p成45。角，它可以使"和 两个分量间的位相有一个固定的n/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v二匕血/,但是如果vm太大，就会发生 畸变，输岀光强中将包含奇次高次谐波成份。当人/匕vi时sin 砒(1) 当 =¥，匕“时, 将工作点选定在线性工作区的中心

11、处，此时，可获得较高频率的线性调制，把vv()=代入(16)式，得2t = sin271+4、71vm sin cot2v、天)/ 71711 - cos + sin cot2 v 、穴( 711 + sin vlt, sin coty加 /r(22)当k,«vn时(23)即 t oc vm sin cot o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) 当卡,匕匕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,(22)式不能写成公式(23)的形式，此时的透射率函数(22)应展开成贝赛尔函数,即由(22)式1 +sin兀" sin

12、e/ y m=2sine/-人sin 2cot + j5sin5ef + (24)由(24)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vq=0或v*时，vm(yn时，把%=°代入(16)式t = sin2z7t r z vni sin 69/ <2v71 - cos sma)ti匕一 2 2s11t cot(25)即 t oc cos 269/ o从(25)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v()=vt代入(21)式，经类似

13、的推导，可得(26)即toe cos曲“倍频”失真。这时看到的仍是“倍频”失真的波形。(4) 直流偏压v。在零伏附近附近变化时，由于工作点不在线性工作区，输岀波 形将分别岀现上下失真。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。晶体的电光效应灵明度极高，调制信号频率最高可达io? 10'°hz,因此在激光通 信、激光显示等领域内，电光调制得到非常广泛的应用。四、实验内容(一) 光路系统的调解1. 调解三角导轨底角螺丝

14、，且使整个光路基本处于一条直线，即保证光朿 通过齐小孔。2. 将起偏器与检偏器调节成相互垂直(即偏振方向相互正交)，此时光点消 失，即消光状态。3. 将锐酸锂晶体放在起偏器于检偏器z间，调解晶体支架，使晶体光轴即z 轴与激光朿平行。判断是否平行的方法：方一、将像屏放在检偏器之后，如果能观察到由于锥 光干涉产生的十字阴影，且激光束人致处在正中心时，即可；方法二、观察晶体 前后表面查看光束是否在晶体中心，若没有，细调晶体的二维调整架即可。（二）观察电光效应引起的干涉图1. 在晶体盒前插入毛玻璃片，检偏器后放上像屏。光强调到最大，此时使晶 体偏压为零。此时，可观察到晶体的单轴锥干涉图，整个图形大致成

15、4个四分之 一圆状，如图4所示。2. 晶体加上偏压时呈现双轴锥光干涉图，如图5所示。由此可说明，单轴晶 体在电场作用下变成双轴晶体，即电致双折射现象。图4加电压前图5加电压后3. 测定锐酸锂晶体的透过率曲线（即tv曲线），求出半波电压，根据半波 电压与屯光系数的关系算出屯光系数r 22,并和理论值比较（理论值22=3.4 x1012m / v）（1）测量电光调制器t-v曲线并用极值法测量觇酸锂晶体的半波电压a. 缓慢调高直流工作驱动电压，并记录下电压值和输出激光功率值，可每隔50v 记录一次，在最人功率和最小功率附近町把驱动电压间隔减小。b. 画出驱动电压与输岀光功率的关系曲线，读出输出光功率

16、岀现在极大和极小对 应的驱动电压，相邻极大和极小光功率所对应的驱动电压值差使是半波电压。曲 半波电压可以计算出晶体的电光系数。（2）用调制法测量保酸锂半波电压。晶体上同时加上直流电压和交流信号，与 直流电压调到输出光强出现极小值或极人值对应的电压值时，输出的交流信号出 现倍频失真，与出现相邻倍频失真对应的直流电压之差就是半波电压。具体做法是：把电源前面板上的调制信号“输;ii”接到双线示波器的y .±, 经放大后的调制器的输出信号接到示波器的y 2上，把y】、y 2上的信号做比较, 可在电源面板上的表头上读出，出现倍频失真时的直流电压值，从而可求出半波 电压。这种方法比极值法更精确，

17、因为用极值法测半波电压时，很难准确地确定 tu曲线上的极人或极小值，因而其误差也较人。4. 观察正弦波电压的调制特性（1）改变直流偏压，选择不同的工作点，观察正弦波电压的调制特性电源面板上的信号选择按键开关可以提供三种不同的调制信号，按下正弦 键，机内单一频率的正弦波振荡器工作,产生正弦信号，此信号经放大后，加到晶 体上,同时，通过面板上的输出扎 输出此信号，把它接到二踪示波器的clll±, 作为参考信号.改变直流偏压，使调制器工作在不同的状态,把被调制信号经光电 转换，放大后接到二踪示波器的ch2上,和ch1上的参考信号比较.改变不同的工作点，观察接收信号的波形并记录下图形.工作点

18、选定在曲线的直线部分，bp u0=/2附近时是线性调制;工作点选定在 曲线的极小值（或极大值）时,输出信号出现倍频失真;工作点选定在极小值（或 极大值）附近时输击信号失真，观察时调制信号幅度不能太大，否则调制信号本身 失真，输出信号的失真无法判断由什么原因引起的，把观察到的波形描下来，并和 前面的理论分析作比较做这一步实验时,把电源上的调制幅度，调制器上的输入 光强,放大器的输击，示波器上的增益（或衰减）这四部分调好，才能观察到很好的 输出波形.（2）观察输岀特性用1/4波片改变工作点,观察输出特性在上述实验中，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

19、以看到输出信号随着发生变化.当波片的快慢轴平行于 晶体的感应轴方向时，输出信号线性调制；当波片的快慢轴分别平行于晶体的 x, y轴时，输岀光失真，出现倍频失真因此，把波片旋转一周时，出现四次线性 调制和四次倍频失真.（3）光通讯的演示按下电源面板的音乐键，此时，正弦信号被切断，输出装在电源里的音乐 片信号.拔掉交流输岀插头，输岀信号通过接收放大器上的扬声器播放，可听到咅 乐如改变直流偏压的大小，则会听到音乐的音质有变化，说明音乐也有失真和不 失真用不透明的物体遮光，则音乐停止，不遮光，则音乐乂响起，由此说明激光可 以携带信号，实现光通讯.把音乐信号接到示波器上，可以看到我们听到的音乐信 号的波

20、形,它是由振幅相的不同频率的正弦波迭加而成的.五.数据处理（-）电光调制曲线的测量(v)050100150200250300350400450光强1。0.10.08181731476382101tfk (v)500550600650700750800850900950光强io119134148160168172172170165155电k (v)1000光强io143极大值与极小值附近缩小电压差距再记录测值 极人值附近(v)740750760770775780790800光强lo169172172173173172172172极小值附近电压（v）10152025303540光强lo0. 050

21、. 040. 030. 030. 020. 030. 06作图得出tv曲线1 1.hv jku：；分析根据该实验数据所做的v曲线可得，曲线走向大致与理论曲线相符合, 说明试验方法没有错误，但曲线的轮廓及具体形状与理论曲线还是有一定的差 开。首先，曲线只有在0v以上即原点右端有，而理论曲线原点左端也有一段曲线 作为比较。造成此现彖的原因是没有加反向电压测一组数据；而至于曲线在接近 极大极小附近处的曲率较理论曲线来说偏小。分析认为造成此种现彖的原因有:1 实际作图时所采用的横纵坐标比例与理论图形采用的比列不同。2 实际作图过程屮找点的误差。3 实验过程中仪器读数不稳定造成的读数误差。4 实验过程选

22、择的量程不合适造成的数据误差。（二）电光调制实验现象：当vi=839v时,失真最小:当w=93v时，出现倍频失真:x/vwwxa/wvxaa/wv（三）两种方法测饥酸锂品体的半波电圧和电光系数1）极值法测定ln晶体的半波电压：从图屮可以看到，v在050v时取最小值，在750800v时取最大值。分别在 这两个区域内每隔10v测量一次，原始数据如下：电压v/v功率 p/mv电压 v/v功率p/mv100. 05750172150. 04760172200. 03770173250. 03780173300. 02790172350. 03800172400. 06比较数据可以得出，极小值大致出现在

23、30v,极大值大致出现在770v,由此 可得半波 电压 v=770-30v=740v,由晶体展木物理量：dl2ytl"o5 mm30mm632. 8nm6.3xi0"2%2. 286算出理论值得匕=700"r22 =6.27x10,2电光系数 "r22 = 6.30xl0'12 理论值v=700v,740-700误差n v=100x100%=5. 71%6.30-6.276.30xloo%=0. 48%2）调制法测定ln晶体的半波电压:第一次倍频失真对应的电压vl99v,第二次倍频失真对应的电压v；f849vo 故得半波电压v二750v, 由-金

24、m电光系数厂22 =5.88x10-2750 - 700700xloo%= 7.14%谋差仏6.30 5.88630x 100% = 6.67%极值法测量结果误两种测量方法相比，调制法测量结果相对误差约7. 14%,差约5.71%,实验值与理论值符合较好。其中，极值法比动态法更精确,其原因 可能为在实验过程中光路有所偏移导致。与标准值比较，两次实验过程中实际测得的半波电压均较理论半波电压偏 大，但观察发现两种不同方法实际测得的半波电压（分别为740v和750v）之值 比较接近，说明实验误差的原因可能主要來口于仪器。关于仪器误差分析，我认 为可能主要由以下两方面的原因：1实验中光路不够好，可能是实验各仪器等高共轴调节不够精细，或者激光 没有完全进入光电接收器。2.受实验环境有关条件的影响，光功率相对于电压的反应较标准实验环境下 的反应迟缓。（四）讨论实验屮观察到的输出波形和畸变产生的原因根据理论计算，当v二0时，t应当为极小值（t二0）,然而从实验测量出的t-v 图屮可以发现，当v二0时，t不为零，月.极小值也不出现在v二0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=o点。（2）由于工艺上的原因，前后两个偏振片即使在完全