1、基礎物理實驗研究性報告晶體的電光效應院系儀器科學與光電工程學院作者張海霞 10171124胡笛 10171147目錄摘要- 3 -關鍵字- 3 -實驗要求- 4 -實驗原理- 4 -1.電光晶體和泡克爾斯效應- 4 -2 電光調制原理- 5 -(1) 橫向調制實驗- 6 -(2) 直流偏壓對輸出特性的影響- 8 -實驗儀器- 10 -實驗步驟- 10 -1 調節(jié)光路- 10 -2 電光調制器TV工作曲線的測量- 11 -3 動態(tài)法觀察調制器性能- 11 -數據記錄與處理- 12 -原始數據表格- 12 -TV工作曲線數據表- 12 -TV工作曲線- 13 -數據處理- 14 -誤差分析及改進方

2、法- 14 -實驗思考題- 15 -實驗總結- 16 -摘要激光是一種光頻電磁波，具有良好的相干性，與無線電波相似，可用來作為傳遞信息的載波。激光具有很高的頻率（約10131015Hz），可供利用的頻帶很寬，故傳遞信息的容量很大。可見光具有極短的波長和極快的傳遞速度，加上光波的獨立傳播特性，可以借助光學系統把一個面上的二維信息以很高的分辨率瞬間傳遞到另一個面上，為二位并行光信息處理提供條件。所以激光是傳遞信息的一種很理想的光源。某些晶體在外電場作用下折射率會發(fā)生變化，這種現象稱為電光效應。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1010Hz的電場變化），可以在

3、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(fā)展，電光器件被廣泛應用在激光通訊，激光測距，激光顯示和光學數據處理等方面。 本文對晶體的電光效應實驗的原理、步驟、儀器進行了簡要的介紹，并對實驗數據進行處理以及誤差估算。通過分析實驗室條件下誤差產生的原因并進行精確計算，對比探究了極值法測半波電壓和調制法測半波電壓，并做出比較分析。此外，針對實驗中誤差產生的原因提出了自己的建議和改進措施。關鍵字電光效應，激光，雙折射，半波電壓，電光系數實驗要求1. 掌握晶體電光調制的原理和實驗方法；2. 了解電光效應引起的晶體光學性質的變化，觀察會聚偏振光的干涉現象；

4、3. 學習測量晶體半波電壓和電光常數的實驗方法。實驗原理1.電光晶體和泡克爾斯效應某些晶體（固體或液體）在外加電場中，隨著電場強度的改變，晶體的折射率會發(fā)生改變，這種現象稱為電光效應。通常將電場引起的折射率的變化用下式表示： （1）式中a和b為常數，n0為E0=0時的折射率。由一次項aE0引起的折射率變化的效應，稱為一次電光效應。也稱線性電光效應或普克爾電光效應；由二次項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效應（Kerr）。由（1）式可知，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時

5、，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。本實驗主要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。電光效應在工程技術和科學研究上有許多重要的應用，它又很短的響應時間（可以跟上1010Hz的電場變化），可以在高速攝影中做快門或在光速測量中做光束斬波器等。在激光出現后，電光效應的研究和應用得到迅速發(fā)展，電光器件被廣泛應用在激光通信，激光測距，激光顯示和光學數據處理等方面。電光效應根據施加的電場方向與通光方向相對關系，可分為縱向電光效應和橫向電光效應。利用縱向電光效應的調制，叫做縱向電

6、光調制；利用橫向電光效應的調制，叫做橫向電光調制。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。把加在晶體上的電場方向與光在晶體中的傳播方向平行時產生的電光效應，稱為縱向電光效應，通常以KD*P*類型晶體為代表。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，稱為橫向電光效應 ，以晶體LiNbo3為代表。本實驗觀察橫向電光效應常用鈮酸鋰類型的晶體。晶體的坐標軸如圖本實驗主要研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應，用鈮酸鋰的橫向調制裝置測量警惕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。在未加電場之前，鈮酸鋰晶體是單軸晶體。當線偏振光沿光軸（Z軸）方向通

7、過晶體時，不會產生雙折射。但如在鈮酸鋰晶體的X軸施加電場，晶體將由單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體。這時沿Z軸傳播的偏振光應按特定的晶體感應軸X和Y進行分解，因為光沿這兩個方向偏振的折射率不同（傳播速率不同）。類似于雙折射中關于o光和e光的偏振態(tài)的討論，由于沿著X和Y的偏振分量存在相位差，出射光一般將分成橢圓偏振光，由晶體光學可以證明，這兩個方向的折射率： （2）式中，n0和r22是晶體的o光折射率和電光系數，EX=V/d是X方向所加的外電場。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

8、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(xù)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制信號，使輸出的激光輻射的強度按照調制信號的規(guī)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

9、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(wěn)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) 橫向調制實驗其中起偏器的偏振方向平行于電光晶體的X軸，檢偏器的偏振方向平行于Y軸。因此入射光經起偏器后變?yōu)檎駝臃较蚱叫杏赬軸的線偏振光，它在晶體的感應軸X和Y軸上的投影的振幅和位相均相等，設分別為： （3）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 （4）所以,入射光的強度是 （

10、5）當光通過長為l的電光晶體后， X和Y兩分量之間就產生位相差，即 （6）通過檢偏器出射的光，是這兩分量在Y軸上的投影之和： （7）其對應的輸出光強I1，可寫成 （8）由（5）、（8）式，光強透過率T為 （9） （10）由此可見，和V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產生的光程差，位相差 =，T=100%，這一電壓叫半波電壓，通常用V或V表示。 V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V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（10)式 （11）其中d和l分別為晶體的厚度和長度。 由（10）、（1

11、1）式 （12）因此，將（9）式改寫成 （13）其中V0是直流偏壓， Vmsint是交流調制信號，Vm是其振幅，是調制頻率，從（13）式可以看出，改變V0或Vm輸出特性，透過率將相應的發(fā)生變化。由于對單色光，為常數，因而T將僅隨晶體上所加電壓變化，如圖所示，T與V的關系是非線性的，若工作點選擇不適合，會使輸出信號發(fā)生畸變。但在附近有一近似直線部分，這一直線部分稱作線性工作區(qū)，由上式可以看出：當時，。(2) 直流偏壓對輸出特性的影響 1） 當時將工作點選定在線性工作區(qū)的中心處，此時，可獲得較高頻率的線性調制，把=代入（8），得（14）當時，可得： （15）即。這時，調制器輸出的波形和調制信號波形

12、的頻率相同，即線性調制。 2）當時調制器的工作點雖然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足小信號調制的要求，（14）式不能寫成公式（15）的形式，此時的透射率函數（14）應展開成貝賽爾函數，即由（14）式 （16）由（16）式可以看出，輸出的光束除包含交流的基波外，還含有奇次諧波。此時，調制信號的幅度較大，奇次諧波不能忽略。因此，這時雖然工作點選定在線性區(qū)，輸出波形仍然失真。3）當時（17）即從（17）式可以看出，輸出光是調制信號頻率的二倍，即產生“倍頻”失真。若把V0=V代入（13）式，經類似的推導，可得： （18）即 Tcost “倍頻”失真。 這時看到的仍是“倍頻”失真的波形。 4）直流偏壓V

13、0在零伏附近或在V附近變化時，由于工作點不在線性工作區(qū)，輸出波形將分別出現上下失真。 p綜上所述，電光調制是利用晶體的雙折射現象，將入射的線偏振光分解成o光和e光，利用晶體的電光效應有電信號改變晶體的折射率，從而控制兩個振動分量形成的像差，在利用光的相干原理兩束光疊加，從而實現光強度的調制。晶體的電光效應靈明度極高，調制信號頻率最高可達1091010Hz，因此在激光通信、激光顯示等領域內，電光調制得到非常廣泛的應用。實驗儀器實驗儀器：半導體激光器，偏振片，擴束鏡，鈮酸鋰電光晶體，光電二極管，光電池，晶體驅動電源，光功率計，1/4波片，雙蹤示波器。實驗步驟1 調節(jié)光路 將半導體激光器，起偏器，擴

14、束鏡，LN晶體，檢偏器，白屏依次擺放。 打開激光功率指示計電源，激光燈亮。調整激光器的方向和各附件的高低，使各光學元件盡量同軸且與光束垂直。取下擴束鏡，旋轉起偏器，使透過起偏器的光最強；旋轉起偏器，使白屏上的光點最弱。這時起偏器與檢偏器相互垂直，系統進入消光狀態(tài)。 用白屏記下激光點的位置。緊靠晶體放上擴束鏡，觀察白屏上的圖案，可觀察到圖片：這種圖案是典型的會聚偏振光穿過單軸晶體后形成的干涉圖案。個暗十字圖形貫穿整個圖樣，四周為明暗相間。十字形中心同時也是圓環(huán)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

15、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(jié)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(jié)很重要，調節(jié)的好壞，直接影響下一步的測量，因此，一定要耐心，仔細調節(jié).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.。 打開晶體驅動電源，將狀態(tài)開關打開在直流狀態(tài)，順時針旋轉電壓調節(jié)按鈕，調高驅動電壓，觀察白屏上的圖案變化。這時會看到圖案由一個中心分裂為兩個中心，這是典型的會聚偏振光經過雙軸晶體時的干涉圖案。2 電光調制器TV工作曲線的測量 緩慢調高直流驅動電壓，并記錄下電壓值和輸出激光值，可每50V記錄一次，在最大功率

16、和最小功率附近可把驅動電壓間隔調小。 畫出驅動電壓與輸出光功率的對應曲線，讀出輸出光功率出現極大和極小對應的驅動電壓，相鄰極小和極大光功率所對應的驅動電壓之差是半波電壓。由半波電壓V計算晶體的電光系數22。3 動態(tài)法觀察調制器性能 將驅動信號波形插座和接收信號插座分別與雙蹤示波器CH1和CH2通道連接，光電二極管探頭與信號輸入插座連接。 將狀態(tài)開關置于正弦波位置，幅度調節(jié)旋鈕調至最大。示波器置于雙蹤同時顯示，以驅動信號波形為觸發(fā)信號，正弦波頻率約為1kHz。 旋轉驅動電壓調節(jié)按鈕，改變靜態(tài)工作點，觀察示波器上的波形變化，特別注意，記錄接收信號波形失真最小，接收信號幅度最大以及出現倍頻失真時的靜

17、態(tài)工作點電壓，對照TV曲線，理解靜態(tài)工作點對調制性能的影響。 用1/4波片改變工作點，觀察輸出特性。分別將靜態(tài)工作電壓固定于倍頻失真點，接收信號波形失真最小，接收信號幅度最大點，在起偏器與LN晶體間放入1/4波片，旋轉1/4波片，觀察接收信號波形的變化情況，分別記錄出現倍頻失真時對應1/4波片上的轉角，并總結規(guī)律。 在上一步的基礎上，改變工作電壓，記錄相鄰兩次出現倍頻失真對應的工作電壓之差即為半波電壓。 光通信演示音頻信號的調制與輸出：將音頻信號插入音頻插座，狀態(tài)置于音頻狀態(tài)，打開揚聲器開關。改變工作電壓，觀察示波器上的波形，監(jiān)聽音頻調制與輸出效果。數據記錄與處理原始數據表格一電光調制器T-V

18、工作曲線的測量：TV工作曲線數據表電壓/V266080100150200250300350T/mV0.0070.0090.0140.0200.0440.0780.1210.1700.224電壓/V400450500550600650700750800T/mV0.2770.3280.3760.4160.4450.4630.4700.4680.454電壓/V850900950100010501100T/mV0.4350.4060.3690.3290.2860.241TV工作曲線（1） 由數據可得V=700V時有最大輸出功率；（2） 調制法測定鈮酸鋰半波電壓：加入1/4玻片后，兩次出現倍頻失真的電壓

19、V1=350V，V2=1044V因此V=694V二.動態(tài)法觀察調制器性能：（1）實驗現象：當V1=349V時，信號波形失真最小；當V2=406V時，接收信號幅度最大；當V3=701V時，出現倍頻失真。（2）用1/4玻片改變工作點以后，分別將靜態(tài)工作電壓至于上述三特殊點，可得出現倍頻失真時1/4玻片的轉角1，2，3；1/2/3/349V確定1222103011=90.5406V確定225190.5462=88.25701V確定3452571663=89.5可知出現倍頻失真時1/4波片的轉角大致在90左右。數據處理晶體基本物理量：5mm30mm632.8nm6.31012m/V2.286算出理論值

20、 V=2n322dl=632.810-922.28636.31012530=700.8V（1）由調制法測定LN晶體半波電壓V=694V 22=2n3Vdl=6.351012m/V(2)由極值法測定LN晶體半波電壓V=700V22=2n3Vdl=6.311012m/V綜上所求，與理論值相比，調制法測量結果相對誤差約0.97%，極值法測量結果誤差約0.114%，實驗值與理論值符合較好。誤差分析及改進方法誤差分析：（1）半波電壓測定：i. 在以50V間隔改變電壓的進程中，間隔較大，在極值附近沒有減少增幅間隔繼續(xù)觀察波形改變，這樣會導致測出的數值沒有很好地突出極值點。ii. 在讀數過程中，數值不穩(wěn)定，

21、微小變化引起微小的讀數誤差。iii. 實驗者操作的熟練程度也會對實驗結果造成影響iv. 在實驗中我們發(fā)現，光電二極管的穩(wěn)定會對示波器波形造成很大的影響。若改變光電二極管的方向即可發(fā)現波形有很大幅度的變化。（2）電光調制器T-V工作曲線的測量根據理論計算，當V=0時，T應當為極小值（T=0），然而從實驗測量出的T-V圖中可以發(fā)現，當V=0時，T不為零，且極小值也不出現在V=0處，對此我們可以歸納出以下幾種可能原因：1. 由于在調試前后兩個偏振片過程中，難以保證其起偏方向完全垂直，這就導致了極小值點偏離V=0點。2. 由于工藝上的原因，前后兩個偏振片即使在完全垂直的情況下，也不可能完全消光，總會有光線透過，因此，極小值點之值大于零。改進方法：第一次以50V為間隔改變電壓后，測得粗略極值范圍。然后在此極值左右50V范圍內，以5V的小間隔重新測量功率值從而獲得準確的極值電壓。在實驗儀器操作過程中，應該在等高共軸調節(jié)同時調節(jié)好光電二極管的接受對準方向，因其在整個實驗裝置中處于最末端，不會對之前的實驗產生影響。