1、精選優質文檔-傾情為你奉上實驗四 電光效應實驗【預習重點】1 晶體的會聚偏振光干涉。2 激光調制的原理。 【實驗目的】1掌握晶體電光調制的原理和實驗方法。2學會用簡單的實驗裝置測量晶體半波電壓、電光常數的實驗方法。3 觀察電光效應所引起的晶體光性的變化和會聚偏振光的干涉現象。【學史背景】當給晶體或液體加上電場后，該晶體或液體的折射率發生變化，這種現象成為電光效應。電光效應在工程技術和科學研究中有許多重要應用，它有很短的響應時間（可以跟上頻率為1010Hz的電場變化），可以在高速攝影中作快門或在光速測量中作光束斬波器等。在激光出現以后，電光效應的研究和應用得到迅速的發展，電光器件被廣泛應用在激光

2、通訊、激光測距、激光顯示和光學數據處理等方面。【實驗原理】1一次電光效應和晶體的折射率橢球由電場所引起的晶體折射率的變化，稱為電光效應。通常可將電場引起的折射率的變化用下式表示：n = n0 + aE0 +bE02+ （1）式中a和b為常數，n0為不加電場時晶體的折射率。由一次項aE0 引起折射率變化的效應，稱為一次電光效應，也稱線性電光效應或普克爾（Pokells）效應；由二次項bE02引起折射率變化的效應，稱為二次電光效應，也稱平方電光效應或克爾（Kerr）效應。一次電光效應只存在于不具有對稱中心的晶體中，二次電光效應則可能存在于任何物質中，一次效應要比二次效應顯著。光在各向異性晶體中傳播

3、時，因光的傳播方向不同或者是電矢量的振動方向不同，光的折射率也不同。如圖1，通常用折射率球來描述折射率與光的傳播方向、振動方向的關系。在主軸坐標中，折射率橢球及其方程為 （2）圖 1式中n1、n2、n3為橢球三個主軸方向上的折射率，稱為主折射率。當晶體加上電場后，折射率橢球的形狀、大小、方位都發生變化，橢球方程變成 （3）晶體的一次電光效應分為縱向電光效應和橫向電光效應兩種。縱向電光效應是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播的方向平行時產生的電光效應；橫向電光效應是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播方向垂直時產生的電光效應。通常KD*P（磷酸二氘鉀）類型的晶體用它的縱向電光效應，LiNbO3

4、（鈮酸鋰）類型的晶體用它的橫向電光效應。本實驗研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應，用鈮酸鋰晶體的橫向調制裝置測量鈮酸鋰晶體的半波電壓及電光系數，并用兩種方法改變調制器的工作點，觀察相應的輸出特性的變化。鈮酸鋰晶體屬于三角晶系，3m晶類，主軸z方向有一個三次旋轉軸，光軸與z軸重合，是單軸晶體，折射率橢球是旋轉橢球，其表達式為 （4）式中n0和ne分別為晶體的尋常光和非常光的折射率。加上電場后折射率橢球發生畸變，當x軸方向加電場，光沿z軸方向傳播時，晶體由單軸晶變為雙軸晶，垂直于光軸z軸方向的折射率橢球截面由圓變為橢圓，此橢圓方程為 （5）其中的稱為電光系數。上式進行主軸變換后可得到 （6）考慮到<

5、;<1，經簡化得到 （7）折射率橢球截面的橢圓方程化為 （8）2電光調制原理要用激光作為傳遞信息的工具，首先要解決如何將傳輸信號加到激光輻射上去的問題，我們把信息加載于激光輻射的過程稱為激光調制，把完成這一過程的裝置稱為激光調制器。由已調制的激光輻射還原出所加載信息的過程則稱為解調。因為激光實際上只起到了“攜帶”低頻信號的作用，所以稱為載波，而起控制作用的低頻信號是我們所需要的，稱為調制信號，被調制的載波稱為已調波或調制光。按調制的性質而言，激光調制與無線電波調制相類似，可以采用連續的調幅、調頻、調相以及脈沖調制等形式，但激光調制多采用強度調制。強度調制是根據光載波電場振幅的平方比例于調

6、制信號，使輸出的激光輻射的強度按照調制信號的規律變化。激光調制之所以常采用強度調制形式，主要是因為光接收器一般都是直接地響應其所接受的光強度變化的緣故。激光調制的方法很多，如機械調制、電光調制、聲光調制、磁光調制和電源調制等。其中電光調制器開關速度快、結構簡單。因此，在激光調制技術及混合型光學雙穩器件等方面有廣泛的應用。電光調制根據所施加的電場方向的不同，可分為縱向電光調制和橫向電光調制。利用縱向電光效應的調制，叫做縱向電光調制，利用橫向電光效應的調制，叫做橫向電光調制。這次實驗中，我們只做LiNbO3晶體的橫向調制實驗。（1） 橫向電光調制 圖 2圖2為典型的利用LiNbO3晶體橫向電光效應

7、原理的激光振幅調制器。其中起偏振片的偏振方向平行于電光晶體的x軸，檢偏振片的偏振方向平行于y軸。因此入射光經起偏振片后變為振動方向平行于x軸的線偏振光，它在晶體的感應軸x和y軸上的投影的振幅和相位均相等，設分別為 ex=A0cost , ey=A0cost （9）或用復振幅的表示方法，將位于晶體表面（z=0）的光波表示為Ex(0)=A , Ey(0)=A （10）所以，入射光的強度是 （11）當光通過長為l的電光晶體后，x和y兩分量之間就產生相位差，即 Ex(l)=A , Ey(l)=A （12）通過檢偏振片出射的光，是該兩分量在y軸上的投影之和 （13）其對應的輸出光強It可寫成 （14）由

8、（11）和（14）式，光強透過率T為 （15）由（7）式 （16）由此可見，和加在晶體上的電壓有關，當電壓增加到某一值時x、y方向的偏振光經過晶體后可產生/2的光程差，相應的相位差=，由（15）式可知此時光強透過率T=100%，這時加在晶體上的電壓稱作半波電壓，通常用表示。是描述晶體電光效應的重要參數。在實驗中，這個電壓越小越好，如果小，需要的調制信號電壓也小。根據半波電壓值，我們可以估計出電光效應控制透過強度所需電壓。由（16）式可得到 （17）其中d和l分別為晶體的厚度和長度。由此可見，橫向電光效應的半波電壓與晶片的幾何尺寸有關。由（17）式可知，如果使電極之間的距離d盡可能的減少，而增加

9、通光方向的長度l，則可以使半波電壓減小，所以晶體通常加工成細長的扁長方體。由（16）、（17）式可得 因此，可將（15）式改寫成 （18）其中U0是加在晶體上的直流電壓，Umsint是同時加在晶體上的交流調制信號，Um是其振幅，是調制頻率。從（18）式可以看出，改變U0或Um，輸出特性將相應的有變化。對單色光和確定的晶體來說，為常數，因而T將僅隨晶體上所加的電壓變化。 （2）改變直流偏壓對輸出特性的影響當、Um<<時，將工作點選定在線性工作區的中心處，如圖3（a）所示，此時，可獲得較高效率的線性調制，把代入（18）式，得 (19)由于Um<<時 即 Tsint (20)

10、這時，調制器輸出的信號和調制信號雖然振幅不同，但是兩者的頻率卻是相同的，輸出信號不失真，我們稱為線性調制。當、Um<<時，如圖3（b）所示，把代入（18）式 即 Tcos2t （21） 從（21）式可以看出，輸出信號的頻率是調制信號頻率的二倍，即產生“倍頻”失真。若把代入（18）式，經類似的推導，可得 （22）即Tcos2t，輸出信號仍是“倍頻”失真的信號。(a) (b)圖 3直流偏壓U0在0伏附近或在附近變化時，由于工作點不在線性工作區，輸出波形將失真。當，Um>時，調制器的工作點雖然選定在線性工作區的中心，但不滿足小信號調制的要求，（19）式不能寫成（20）式的形式。因此

11、，工作點雖然選定在了線性區，輸出波形仍然是失真的。【實驗儀器】電光效應實驗儀，電光調制電源、接收放大器、He-Ne激光器、二蹤示波器和萬用表。（1）晶體電光調制電源。調制電源由-200V+200V之間連續可調的直流電源、單一頻率振蕩器（振蕩頻率約為1kHz）、音樂片和放大器組成，電源面板上有三位半數字面板表，可顯示直流電壓值。晶體上加的直流電壓的極性可以通過面板上的“極性”鍵改變，直流電壓的大小用“偏壓”旋鈕調節。調制信號可由機內振蕩器或音樂片提供，此調制信號是用裝在面板上的“信號選擇”鍵來選擇三個信號中的任意一個信號。所有的調制信號的大小是通過“幅度”旋鈕控制的。通過前面板上的“輸出”插孔輸

12、出的參考信號，接到二蹤示波器的一個通道與被調制后的接收信號比較，觀察調制器的輸出特性。（2）調制器。調制器由三個可旋轉的偏振片、一個可旋轉的1/4波片和一塊鈮酸鋰晶體組成，采用橫向調制方式。晶體放在兩個正交的偏振片之間，起偏振片和晶體的x軸平行。檢偏振片和晶體之間可插入1/4波片，偏振片和波片均可繞其幾何軸旋轉。晶體放在四維調節架上，可精細調節，使光束嚴格沿晶體光軸方向通過。（3）接收放大器。接收放大器由3DU光電三極管和功率放大器組成。光電三極管把被調制了的氦氖激光經光電轉換，輸入到功率放大器上，放大后的信號接到二蹤示波器，同參考信號比較，觀察調制器的輸出特性。交流信號輸出的大小通過“交流輸

13、出”旋鈕調節。放大器內裝有揚聲器，用來再現聲音調制信號，放大器面板上還有“直流輸出”插孔，接到萬用表的200mV直流電壓檔，用于測量光電三極管接收到的光強信號的大小。【實驗內容】1觀察晶體的會聚偏振光干涉圖樣和電光效應形象（1）調節激光管使激光束與晶體調節臺上表面平行，同時使光束通過各光學元件中心（這一步老師已調好，學生不要動）。調節起偏振片和檢偏振片正交，且分別平行于x軸，y軸，放上晶體后各器件要細調，精細調節是利用單軸晶體的錐光干涉圖樣的變化完成的。由于晶體的不均勻性，在檢偏振片后面的白屏上可看到一弱光點，然后緊靠晶體前放一張鏡頭紙，這時在白屏上可觀察到單軸晶體的錐光干涉圖樣，如圖4。一個

14、暗十字圖形貫穿整個圖樣，四周為明暗相間的 圖 4同心干涉圓環，十字形中心同時也是圓環的中心，它對應著晶體的光軸方向，十字形方向對應于兩個偏振片的偏振軸方向。在觀察過程中要反復微調晶體，使干涉圖樣中心與光點位置重合，同時盡可能使圖樣對稱、完整，確保光束既與晶體光軸平行，又從晶體中心穿過的要求，再調節使干涉圖樣出現清晰的暗十字，且十字的一條線平行于x軸。這一步調節很重要，調節的好壞，直接影響下一步的測量，因此，一定要耐心，仔細調節。注意此時放大器的電源要關掉，激光光點應落在白屏上，而不能對準光電三極管，以免燒壞。（2）加上直流偏壓時呈現雙軸晶體的錐光干涉圖樣，它說明單軸晶體在電場的作用下變成了雙軸

15、晶體。（3）兩個偏振片正交時和平行時干涉圖樣是互補的。（4）改變直流偏壓的極性時，干涉圖樣旋轉90°。（5）只改變直流偏壓的大小時，干涉圖樣不旋轉，只是雙曲線分開的距離發生變化。這一現象說明，外加電場只改變感應主軸方向的主折射率的大小，折射率橢球旋轉的角度與電場大小無關。2測定鈮酸鋰晶體的透過率曲線（即TU曲線），求出半波電壓，再算出電光系數。在我們實驗中，用兩種方法測量鈮酸鋰晶體的半波電壓，一種方法是極值法，另一種方法是調制法。（1）極值法晶體上只加直流電壓，不加交流信號，把直流電壓從小到大逐漸改變，輸出的光強將會出現極小值和極大值，相鄰極小值和極大值對應的直流電壓之差即是半波電壓

16、。具體做法是：取出鏡頭紙，光電三極管接收器對準激光光點，放大器的直流輸出接到萬用表上，萬用表調到200mV直流檔。為了使光電三極管不致損壞，在起偏振片前再加一塊偏振片作為減光片，加在晶體上的電壓從零開始，逐漸增大，注意萬用表讀數的變化，當讀數超過200mV時，應旋轉減光片，使光強減小，再增大直流偏壓到最大，保持萬用表的讀數始終不超過200mV，再減小直流偏壓到零，若萬用表的讀數始終不超過200mV，則可以開始測量數據了。加在晶體上的電壓在電源面板上的數字表讀出，每隔5V增大一次，再讀出相應的萬用表的讀數作為接收器接收到的光強值，數據填入下表。偏壓U（V）0510152025303540光強T（

17、mV）偏壓U（V）455055606570758085光強T（mV）偏壓U（V）9095100105110115120125130光強T（mV）偏壓U（V）135140145150155160165170175光強T（mV）偏壓U（V）180185190195200205210215220光強T（mV）以T為縱坐標，U為橫坐標，畫TU關系曲線，確定半波電壓的數值，并計算電光系數。晶體厚度d=1.6 mm，寬度m=6.0mm，長度l=45.0 mm，n0=2.29，激光波長=632.8nm。（2）調制法晶體上直流電壓和交流信號同時加上，與直流電壓調到輸出光強出現極小值或極大值對應的電壓值時，輸出

18、的交流信號出現倍頻失真，出現相鄰倍頻失真對應的直流電壓之差就是半波電壓。具體做法是：按下電源面板上“正弦”鍵，把電源前面板上的調制信號“輸出”接到二蹤示波器的CH2上，把放大器的調制信號接到示波器的CH1上，把CH1、CH2上的信號做比較，調節直流電壓，當晶體上加的直流電壓到某一值U1時，輸出信號出現倍頻失真，再調節直流電壓，當晶體上加的直流電壓到另一值U2時，輸出信號又出現倍頻失真，相繼兩次出現倍頻失真時對應的直流電壓之差U2-U1就是半波電壓。這種方法比極值法更精確，因為用極值法測半波電壓時，很難準確的確定TU曲線上的極大值或極小值，因而其誤差也較大。但是這種方法對調節的要求很高，很難調到

19、最佳狀態。如果觀察不到兩次倍頻失真，則需要重新調節暗十字形干涉圖樣，調整好以后再做本內容。3改變直流偏壓，選擇不同的工作點，觀察正弦波電壓的調制特性電源面板上的信號選擇按鍵開關可以提供三種不同的調制信號，按下“正弦”鍵，機內單一頻率的正弦波振蕩器工作，產生正弦信號，此信號經放大后，加到晶體上，同時，通過面板上的“輸出”孔，輸出此信號，把它接到二蹤示波器的CH1上，作為參考信號。改變直流偏壓，使調制器工作在不同的狀態，把被調制信號經光電轉換、放大后接到二蹤示波器的CH2上，和CH1上的參考信號比較。選擇5個不同的工作點40V、80V、120V、160V、200V，觀察接收信號的波形并畫出圖形。工

20、作點選定在曲線的直線部分，即U0=/2附近時是線性調制；工作點選定在曲線的極小值（或極大值）時，輸出信號出現“倍頻”失真；工作點選定在極小值（或極大值）附近時輸出信號失真，觀察時調制信號幅度不能太大，否則調制信號本身失真，輸出信號的失真無法判斷由什么原因引起的，把觀察到的波形描下來，并和前面的理論分析作比較。做這一步實驗時，把電源上的調制幅度、調制器上的輸入光強、放大器的輸出、示波器上的增益（或哀減）這四部分調好，才能觀察到很好的輸出波形。4用1/4波片改變工作點，觀察輸出特性在上述實驗中，去掉晶體上所加的直流偏壓，把1/4波片置入晶體和偏振片之間，繞光軸緩慢旋轉時，可以看到輸出信號隨著發生變化。當波片的快慢軸平行于晶體的感應軸方向時，輸出信號線性調制；當波片的快慢軸分別平行于晶體的x、y軸時，輸出光失真，出現“倍頻”失真。因此，把波片旋轉一周時，出現四次線性調制和四次“倍頻”失真。值得注意的是，不僅通過晶體上加直流偏壓可以改變調制器的工作