电光效应实验报告

1、晶体的电光效应实验报告现代测控系统集成设计报告晶体的电光效应泡克尔斯效应实验姓名：赵明学号：3112079008班级：硕2022专业：测试计量技术与仪器报告日期：2013年1月3日目录一、实验原理1二、仪器介绍7三、实验内容9四、数据处理11五、注意事项12一、实验原理某些晶体在外加电场中，随着电场强度E的改变，晶体的折射率会发生改变，这种现象称为电光效应。通常将电场引起的折射率的变化用下式表示:式中a和b为常数，n0为E0=0时的折射率。由一次项aE0引起折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔电光效应（pokells）；由二次项引起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也

2、称平方电光效应或克尔效应（kerr）。由（1）式可知，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于任何物质中，一次效应要比二次效应显著。 光在各向异性晶体中传播时，因光的传播方向不同或者是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，在主轴坐标中，折射率椭球方程为：式中n1，n2，n3为椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。如图一所示，当晶体上加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球的方程变为 图一 晶体折射率椭球只考虑一次电光效应，上式与式（2）相应项的系数之差和电场强度的一次方成正比。由于晶体

3、的各向异性，电场在x、y、z各个方向上的分量对椭球方程的各个系数的影响是不同的，我们用下列形式表示：上式是晶体一次电光效应的普遍表达式，式中ij叫做电光系数 (i=1,2,6;j=1,2,3)，共有18个，EX、EY、EZ是电场E在x、y、z方向上的分量。式（4）可写成矩阵形式：电光效应根据施加的电场方向与通光方向相对关系，可分为纵向电光效应和横向电光效应。利用纵向电光效应的调制，叫做纵向电光调制；利用横向电光效应的调制，叫做横向电光调制。晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应两种。把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，称为纵向电光效应，通常以KDP类型晶

4、体为代表。加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播方向垂直时产生的电光效应，称为横向电光效应 ，以晶体为代表。LiNbo3这次实验中，我们只做晶体的横向电光强度调制实验。我们采用对LN晶体横向施加电场的方式来研究LiNbO3晶体的电光效应。其中，晶体被加工成5530mm3的长条，光轴沿长轴通光方向，在两侧镀有导电电极，以便施加均匀的电场。铌酸锂晶体是负单轴晶体，即nx=ny=n0、nzne 。式中和分别为晶体的寻常光和非寻常光的折射率。加上电场后折射率椭球发生畸变，对于3m类晶体，由于晶体的对称性，电光系数矩阵形式为当X轴方向加电场，光沿Z轴方向传播时，晶体由单轴晶体变为双轴晶体，垂直于光轴Z方向

5、折射率椭球截面由圆变为椭圆，此椭圆方程为：进行主轴变换后得到：考虑到n2022Ex1，经化简得到当 X 轴方向加电场时，新折射率椭球绕 Z 轴转动45o图三为典型的利用LiNbo3晶体横向电光效应原理的激光强度调制器。图三 晶体横向电光效应原理图其中起偏器的偏振方向平行于电光晶体的X轴，检偏器的偏振方向平行于Y轴。因此入射光经起偏器后变为振动方向平行于X轴的线偏振光，它在晶体的感应轴X和轴Y上的投影的振幅和位相均相等，设分别为或用复振幅的表示方法，将位于晶体表面（z=0）的光波表示为所以,入射光的强度是当光通过长为l的电光晶体后， X和Y两分量之间就产生位相差，即通过检偏器出射的光，是这两分量

6、在Y轴上的投影之和其对应的输出光强I1，可写成由（13）、（16）式，光强透过率T由此可见，和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/2的光程差，位相差=，T=100%，这一电压叫半波电压，通常用V或V/2表示。 V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，如果V小，需要的调制信号电压也小，根据半波电压值，我们可以估计出电光效应控制透过强度所需电压。由（17）式由（17）、（18）式因此，将（16）式改写成其中V0是直流偏压，Vmsint是交流调制信号，Vm是其振幅，是调制频率，从（20）式可以看出，改变V0或Vm输出特性，透过率将相应的发生变化。由于对

7、单色光，n0322/为常数，因而T将仅随晶体上所加电压变化，如图四所示，T与V的关系是非线性的，若工作点选择不适合，会使输出信号发生畸变。但在V/2附近有一近似直线部分，这一直线部分称作线性工作区，由上式可以看出：当V=V/2时，=/2，T=50%。图三 T与V的关系曲线图1 改变直流偏压选择工作点对输出特性的影响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02mV0=Vm/2代入（14）式，得即TsinVmt。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。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，（21）式不能写成公式（22）的

8、形式，此时的透射率函数（21）应展开成贝赛尔函数，即由（21）式由（23）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。即Tcos 2t。从（24）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V0=V代入（20）式，经类似的推导，可得即Tcost“倍频”失真。这时看到的仍是“倍频”失真的波形。 （4）直流偏压V0在零伏附近或在V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，

9、利用晶体的电光效应由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。二、仪器介绍实验设备：1光学实验导轨 800mm 1 根 2导轨滑块 6 个 3二维可调半导体激光器 650nm 4mW 1 套 4激光功率指示计 1 套 5偏振片 2 套 61/4波片 1 套 7三维可调电光晶体附件+驱动电源（0-1500V） 1 套 8二维可调扩束镜 1 套 9二维可调光电二极管探头 1 套 10白屏 1 个功能介绍主机箱“JTDG1110晶体驱动电源”主要功能为晶体驱动电压的输出与输出电压的指示、状态的切换、被调制信号的接受与放大和还原。各面板

10、元器件作用与功能如下：1表头 ：3位半数字表头，用于指示晶体驱动电压的大小，当状态旋钮打在正弦波或音频输入位置时，显示值为近似平均值。2电源开关：主机的电源开关（220VAC）。3驱动电压旋钮：多圈。用于调节加在晶体上的直流电压。4输出及波形插座：9插座，其中输出插座为高压插座，使用时应与晶体附件连接，波形插座输出驱动波形，一般与示波器1通道连接5状态旋钮：3挡波段开关，用于选择不同的驱动模式。其中“直流”状态为主机输出一大小可调的直流电压。“正弦波”状态为主机输出一叠加在直流电压上的正弦波信号。直流电压的大小可由驱动电压旋钮调节，正弦波的幅度可由幅度调节旋钮调节。音频输入状态可将一外接音频信

11、号叠加在直流电压上，用于驱动晶体。6音频输入插座：3.5mm耳机插座，用于输入音频信号。7幅度调节旋钮：用于调节正弦波的幅度。8光电接收及波形插座：Q9插座，光电接收接光电二极管，波形接示波器2通道，观察光信号的波形。9扬声器开光：用于控制内置扬声器的开和关。在主机后面板上。三、实验内容1. 验证LN晶体在自然状态下的单轴晶体特性和施加电压后晶体变为双轴晶体的情况。即在电场作用下LN晶体由一个单轴晶体变化为双轴晶体的过程。采用会聚偏振光的干涉图像来直观地对其进行观察。实验步骤如下：1）将半导体激光器、起偏器、扩束镜、LN晶体、检偏器、白屏依次摆放，使扩束镜紧靠LN晶体。2）分别接连好半导体激光

12、器电源（在激光功率指示计后面板上）和晶体驱动电源（千万不可插错位） 将驱动电压旋钮逆时针旋至最低。3）打开激光功率指示计电源，激光器亮。调整激光器的方向和各附件的高低，使各光学元件尽量同轴且与光束垂直，旋转起偏器，使透过起偏器的光尽量强一些（因半导体激光器的输出光为部分偏振光）4）观察白屏上的图案并转动检偏器观察图案的变化，应可观察到由十字亮线或暗线和环形线组成的图案。这种图案是典型的会聚偏振光穿过单轴晶体后形成的干涉图案，如图四所示。5）旋转起偏器和检偏器，使其两个相互平行，此时所出现的单轴锥光图与偏振片垂直时是互补的。如图五所示6）打开晶体驱动电源，将状态开关打在直流状态，顺时针旋转电压调

13、整旋钮，调高驱动电压，观察白屏上图案的变化。将会观察到图案由一个中心分裂为两个心，这是典型的会聚偏振光经过双轴晶体时的干涉图案。如图六所示。2. 理解LN晶体的电光特性和参数的含义，实验步骤如下：1）将上个实验中的扩束镜和LN晶体取下，使系统按激光器、起偏器、检偏器、白屏排列。2）打开激光功率指示计电源，调整系统光路，使光学元件尽量与激光束等高、同轴、垂直。3）旋转起偏器、使透过起偏器的光尽量强一些，旋转检偏器使白屏上的光点尽量弱。这时起偏器与检偏器相互垂直，系统进入消光的状态。4）将LN晶体放置于起偏器与检偏器之间，调整其高度和方向尽量使LN晶体与光束同轴。5）将晶体驱动电源的电压调至最低，

14、状态开关打到直流状态，观察白屏上的光斑亮度。仔细调整LN晶体的角度和方位，尽量使白屏上的激光光斑最暗（理论上讲，LN晶体的加入应对系统的消光状态无影响，但由于LN晶体本身固有的缺陷和激光光束的品质问题，系统消光状态将会变化）。6）取下白屏换上激光功率计探头，记下此时的光功率值Pmin7）顺时针旋转电压调整旋钮，缓慢调高驱动电压，并记录下电压值和激光功率值，可每50V 记录一次。特别注意记录最大功率值Pmax和对应的电压值V/28）根据上两步记录的数据，求出系统消光比M= Pmax / Pmin 和半波电压V/2画出电压与输入功率的对应曲线(可在全部实验结束后进行)。9）取下LN晶体旋转检偏器，

15、记录下系统输出最大的光功率Po，计算LN晶体的透过率T。T= Pmax / Po消光比M 、透过率T、半波电压V/2是表征电光晶体品质的三个重要特征参量。3. 理解静态工作点对调制波形的影响。通过上一个实验所绘制的曲线，我们看到电压与输出光强的关系并不是完全线性的，只是在二分之一V/2处是近似线性的。响应的非线性就会在调制时产生一个信号波形失真的问题，如果一个正弦驱动信号的静态工作点在0或V/2处，还会出现信号被倍频现象。这就要求我们在使电光晶体工作时找到一个好的静态工作点，以使波形失真最小且最灵敏。静态工作点的设置有多种方案，可以是电学的也可是光学的。以下实验是为了观察静态工作点对输出波形的

16、影响，实验步骤与光路如下：1）将上一个实验电路中的功率指示计探头取下，换上光电二极管探头，使系统光路按半导体激光器、起偏器、LN晶体、检偏器、光电二极管探头顺序排列。2）将驱动信号波形插座和接受信号波形插座分别与双踪示波器CH1和CH2通道连接，光电二极管探头与信号输入插座连接。3）将状态开关置于正弦波位置，幅度调节钮旋至最大。4）示波器置于双踪同时显示，以驱动信号波形为触发信号，正弦波频率约为1KHZ。5）旋转电压调节旋钮改变静态工作点，观察示波器上的波形变化。特别注意，接收信号波形失真最小、接受信号幅度最大，出现倍频失真时的静态工作点电压。对照上一个实验中的曲线图，理解静态工作点对调制波形

17、的影响。6）在起偏器与LN晶体间放入1/4波片。分别将静态工作电压置于倍频失真点、接收信号波形失真最小、接收信号波形幅度最大点（参考上一步骤的参数），旋转/4波片，观察接收波形的变化情况，体会1/4波形对静点的影响和作用。7）因音频信号的调制与传输。将音频信号接入音频插座，状态开关置于音频状态。观察示波器上的波形，打开后面的喇叭开关，监听音频调制与传输效果。四、数据处理 光功率最小值Pmin=0.051mW 最大功率值 Pmax=1.228mW 最大功率时对应的电压值 V=760V 系统消光比M= Pmax / Pmin=1.228mW/0.051mW=24.078 半波电压 V/2=760V/2=380V LN晶体的透过率T= Pmax/ Po=1.228mW/2.36mW=52.03% 驱动电压与输出功率的实验数据驱动电压P(V)050100150200250输出功u(Mw)0.0510.0700.1080.1680.2550.3593003504004505005506000.4780.6120.7510.8680.9961.0881.1586507007507608001.1881.2061.2211.2281.200 驱动电压与输出光功率的对应关系曲线（P-u）五、注意事项（1）本装置中使用的半导体激光器输出的光是部分偏