测量KDP(LN)晶体的半波电压和动态消光比

1、实验三 测量KDP（LN）晶体的半波电压和动态消光比一、实验目的 1.学会测量KDP（LN）晶体的半波电压和动态消光比的方法；2.学会调整光路；3.巩固关于电光效应和偏光干涉的理论知识。二、实验原理1.一般情况下，平面单色光波一但射入各向异性晶体，沿其波法线方向上允许两个平面光波传播。这两个波有着不同的折射率（因此相速度不同）和互相垂直的偏振态都垂直于。这两个偏振方向及其对应的折射率可借助折射率椭球（或称光率体）决定。选择直角坐标轴x、y、z与晶体的三个主轴重合，则折射率椭球方程为：式中x、y、z是晶体的主折射率。KDP和LN晶体在自然状态下是负单轴晶体,在轴座标系中x=y=0，z=e其椭球方

2、程为：这是一个以z轴（即光轴方向）为转轴的旋转椭球体，该椭球的xy截面是一个半径为0的园截面；yz截面是两半轴分别为0和e的椭球园；当波法线方向与Z轴方向成任意角时，通过折射率椭球中心O点作垂直于波法线平面与椭球相截,得一椭园截面，此截面的两个半轴的方向即为波法线相应的两个许可的偏振方向，两个半轴的长度为相应的折射率0和e如图31。对于主折射率x、y、z互不相等的晶体，其折射率椭球是一个任意椭球，其xy截面不是一个园，而是一个两半轴长分别为x、y的椭园,既沿z轴方向传播的光束在晶体内的两个许可的偏振分量具有不同的折射率和传播速度。所以z轴方向不是光轴方向，但总可以找到两个方向,在这两个方向上传

3、播的光束与折射率椭球的正交截面的园，这两个方向就是光轴方向，所以这样的晶体是双轴晶体（图32）。2. KDP、LN这类非中心对称晶体具有线性电光效应，当沿KDP晶体z方向、LN晶体x方向加上外电场时，晶体的折射率椭球的主轴x、y、z方向发生了旋转：感应主轴x、y相对原主轴旋转45，Z轴与Z轴重合，椭球方程从（2）式变成： （3）（KDP晶体E=-63Ex，LN晶体E=22Ex），从上式可求出折射率椭球的三个互不相等的主轴长度（即感应主折射率）LN晶体 KDP晶体 晶体成为双轴晶体，折射率椭球的xy截面从不加外电场时的园截面变成了xy椭园截面（图33），如果沿晶体z方向通光，则晶体内许可的两束线

4、偏振光的偏振方向分别为x、y方向。在x、y方向，它们具有不同的折射率，也就具有不同的相速度，当各两束光通过长度为L、厚度为d的晶体后产生总的位相差（即电光延迟）。 (KDP晶体) (LN晶体)式子说明总的位相差与外加电压有关，我们可以通过调节uz（或ux）调节。若入射光为一线偏振光，则调节uz或ux使总位相差=时。出射光的偏振方向较入射时转过90，这时的外加电压称为半波电压： (KDP晶体) （LN晶体）3把晶体置于一对偏振轴互相垂直的偏振片之间，用平行光照射，由双光束干涉可知:式中I为透过检偏器的光强，I0为入射光强，为晶体内许可的偏振方向之一与起偏器轴之间的夹角，当=45（），=（2m+1

5、），m=1、2、3 干涉光强有极大值I=Imax；当=2m时，干涉光强有极小值I=Imin，当晶体置于一对偏振轴互相平行的偏振片之间时:恰好和I时互补。调整晶体的主轴x、y与偏振片P1、P2平行（设P1P2）则晶体加电压后，感应主轴x、y相对x、y轴旋转了45（图33），亦既此时=45时，那么当u=u时=，干光涉强就从u=0时的I=IMIN，变到u=u时的I=Imax，通过观察I从IminImax就可以测量出半波电压和消光比。三、实验装置实验仪器：1.装在晶体盒内的待测晶体KDP或LN；2.可调节直流高压电源；3.偏振片；4.氦氖激光器和电源；5.光具座及调整架；6.硅光电池；7.检流计；8.

6、毛玻璃片；9.小孔光栏；10.白色接收屏。直流电压 光栏检流计 硅光电池氦氖激光器 起偏振片 晶体盒 检偏振片 图34 实验装置示意图四、实验步骤用会聚偏振光干涉图确定KDP晶体的x、y轴和加电压后的x、y轴的方向，方法是：1.将氦氖激光器电源接通，发射激光。2.将起偏、检偏的偏振片的高度调整到和晶体盒中心高度一致，使氦氖激光束能顺利通过中心。3.调整偏振片的方向，使起偏振片和检偏振片互相垂直正交，让由起偏振片透射的氦氖激光不能通过检偏振片，在检偏振片后面的白色接收屏上可看到消光现象。4.把晶体盒放在起偏片和检偏片之间，调整激光束与晶体光轴平行，并使激光束从晶体截面中心通过。调整方法是使激光束

7、通过小孔光栏，由晶体表面反射回来的光也投射到小孔处，调整时可暂时将起偏振片拿走，调整后再放回。5.在起偏振片与晶体盒之间放置一块毛玻璃片，使入射到晶体的光为发散的偏振光束，此光束在晶体内被分解为两个许可的偏振分量，倾角不同的光线的两个偏振分量通过晶体后产生不同的位相差，在检偏振片后面的纸屏上可观察到会聚偏振光的干涉图。这是如图35（a）所示的中心有正交的黑十字线（消光线）和一组亮、暗相间的同心圆环（等色线或等光程线），如果干涉环中心不在光场中央，可稍调节晶体位置，使移至中央。6.将晶体的高压电源接通，加电压至1000伏左右，观察会聚偏振光干涉图的变化，可看到等色线和消光线变成图35（b）所示的

8、图样，这表明晶体加电压后变成双轴晶体。7.在晶体加压情况下，旋转晶体盒，可看到干涉图在变化，当晶体盒转到某一位置时，干涉图变成如图35（c），消光线又成为黑十字，两个互相垂直的消光方向就是晶体的x、y轴方向，这时将晶体再旋转45，就得到晶体的x、y轴方向、如图36，这时晶体的x轴与入射光的偏振方向平行，调整光路全部结束。 x x x y xy y 0 O y （a） （b）x轴垂直纸面向上 图36（a）由会聚偏振光干涉图中消光线方向决定晶体的x、y（b）将晶体盒旋转45，决定了x、y轴方向测定半波电压u和消光比1.去掉白色接收屏，将毛玻璃移到硅光电池前，把硅光电池的输出端接在检流计上，用手档住硅光电池的入光孔，并将检流计调整到基准位置。2.记下晶体上电压为零时检流计的读数（这时应是最弱的光强）慢慢增大晶体上所加的电压，当电压趋近半波电压时，检流计的读数应有一个极大值，记下检流计随高压电源上电压值的变化情况及相对应的检流计数值。增加电压时要缓慢进行，必须注意高压操作的安全。如发生漏电或打火放电等不正常现象，应立即减小电压并断开电源，电压不要超过6000伏，重复测量3次。消光比是当晶体电压趋近半波电压时检流计测得最大值和晶体电压为零时测得最小值之比。这个值越大则说明这块晶体在同样的测试条件下性能越好，这个值从理论上讲是无穷大值。五、实验报告1.整理实验