晏和玉-晶体的电光效应探究性实验.doc

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（n与电场E呈线性关系）和二次电光效应（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。即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，介质具有单轴晶体的特性，并且其光轴在电场的方向上，人们称这种光电效应为克尔效应。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异性性质，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中有许多重要应用，它有很短的响应时间（可以跟上频率为1010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，光速测量中的光束斩波器等；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，从而实现对光束的调制，做成快速传递信息的电光调制器。由于激光的出现，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、激光数据处理等。本实验主要研究铌酸锂（LiNbO3)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，还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，以及对铌酸锂晶体电光特性曲线的测量研究，学习和掌握晶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晶体半波电压、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. 学会利用实验装置测量晶体的半波电压二、 实验仪器铌酸锂晶体，电光调制电源，半导体激光器，偏振器，四分之一波片，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：02.5mW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：铌酸锂晶体 50mm6mm1.7mm； 调制波形：1KHz正弦波或其他波形3、 实验原理1.电光效应 晶体（固体或液体）在外加电场中，随着电场强度的改变晶体的折射率发生改变的现象。当光线穿过某些晶体（如方解石、铌酸锂、钽酸锂等）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（简称光），折射率以表示；而另一束的折射率随入射角不同而改变，称为非常光（简称光），折射率以表示。相位差：（其中e光O光图1 双折射现象 一般晶体中总有一个或二个方向，当光在晶体中沿此方向传播时，不发生双折射现象，把这个方向叫做晶体的光轴方向。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，光和光都是线偏振光，但它们的光矢量（一般指电场矢量）的振动方向不同，光的光矢量振动方向垂直于晶体的主截面，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，光和光的主截面重合，电光矢量的振动方向互相垂直。光在各向异性晶体中传播时，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，取在晶体的个主轴方向上，分别用，表示晶体个主轴上的折射率，并以，成比例的长度分别为个半轴长做一椭球，这个椭球可表示光在晶体内的传播情况，称这个椭球为折射率椭球，如图1-1所示。图1-1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：（其中a和b为常数， 为=0时的折射率）。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。通常用折射率椭球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的关系，即方程为 （其中、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2.电光调制原理 (一)横向电光调制 铌酸锂晶体横向电光调制器的结构如图2所示。 图2-1横向电光调制器原理图当光经过起偏器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。（二）改变直流偏压选择工作点对输出特性的影响 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 （1）当，时,将工作点选定在线性工作区的中心处,此时,可获得较高频率的线性调制,把代入（16）式，得 ， (22) 当时 ， (23) 即。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 ， (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）当或V*时，时，把代入（16）式 ， (25)即。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。若把代入（21）式，经类似的推导，可得 ， （26） 即 “倍频”失真。这时看到的仍是“倍频”失真的波形。（4） 直流偏压V0在零伏附近附近变化时，由于工作点不在线性工作区，输出波形将分别出现上下失真。 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。4、 实验内容（一） 光路系统的调解1. 调解三角导轨底角螺丝，且使整个光路基本处于一条直线，即保证光束通过各小孔。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. 将铌酸锂晶体放在起偏器于检偏器之间，调解晶体支架，使晶体光轴即Z轴与激光束平行。 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，且激光束大致处在正中心时，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. 测定铌酸锂晶体的透过率曲线（即V曲线），求出半波电压，根据半波电压与电光系数的关系算出电光系数，并和理论值比较（理论值3.410-12） (1)测量电光调制器T-V曲线并用极值法测量铌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，在最大功率和最小功率附近可把驱动电压间隔减小。b.画出驱动电压与输出光功率的关系曲线，读出输出光功率出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便是半波电压。由半波电压可以计算出晶体的电光系数。（2）用调制法测量铌酸锂半波电压。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大值对应的电压值时，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“输出”接到双线示波器的上，经放大后的调制器的输出信号接到示波器的上，把、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，因为用极值法测半波电压时，很难准确地确定曲线上的极大或极小值，因而其误差也较大。 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,通过面板上的输出孔,输出此信号,把它接到二踪示波器的CH1上,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.工作点选定在曲线的直线部分,即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)附近时输出信号失真,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,放大器的输出,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）观察输出特性用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,输出光失真,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.拔掉交流输出插头,输出信号通过接收放大器上的扬声器播放,可听到音乐.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,则音乐又响起,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形,它是由振幅相的不同频率的正弦波迭加而成的.5 数据处理（一）电光调制曲线的测量电压（V）050100150200250300350400450光强Io0.10.08181731476382101电压（V）500550600650700750800850900950光强Io119134148160168172172170165155电压（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大值附近电压（V）740750760770775780790800光强Lo169172172173173172172172极小值附近电压（V）10152025303540光强Lo0.050.040.030.030.020.030.06作图得出T-V曲线 分析根据该实验数据所做的T-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异。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。造成此现象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象的原因有：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. 实际作图过程中找点的误差。3. 实验过程中仪器读数不稳定造成的读数误差。4. 实验过程选择的量程不合适造成的数据误差。（2） 电光调制实验现象：当V1=839V时，失真最小：当V2=485V时，振幅最大（线性调制）：当V3=93V时，出现倍频失真：(三)两种方法测铌酸锂晶体的半波电压和电光系数 1）极值法测定LN晶体的半波电压：从图中可以看到，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 晶体基本物理量：5mm30mm632.8nm2.286算出理论值得电光系数理论值V=700v , 误差v=5.71% 误差r=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V1=99V，第二次倍频失真对应的电压V3=849V。故得半波电压V=750v，由得： 电光系数误差误差两种测量方法相比，调制法测量结果相对误差约7.14%，极值法测量结果误差约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来自于仪器。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