晶體的電光效應(yīng)

晶體的電光效應(yīng)1實驗?zāi)康恼莆站w電光調(diào)制的原理和實驗方法學(xué)會測量晶體半波電壓、電光系數(shù)的實驗方法了解一種激光通信方法實驗?zāi)康恼莆站w電光調(diào)制的原理和實驗方法2實驗原理電光效應(yīng)：當(dāng)給晶體或液體加上電場后，該晶體或液體的折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象。一、一次電光效應(yīng)通常可將電場引起的折射率的變化用下式表示：

式中a和b為常數(shù)，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(yīng)，稱為一次電光效應(yīng)，也稱為線性電光效應(yīng)或普克爾(Pokells)實驗原理電光效應(yīng)：當(dāng)給晶體或液體加上電場后，該晶3實驗原理效應(yīng)；由二次項引起折射率變化的效應(yīng)稱為二次電光效應(yīng)，也稱平方電光效應(yīng)或克(Kerr)效應(yīng)。一次電光效應(yīng)存在于不具有對稱中心的晶體中，二次電光效應(yīng)則可能存在于任何物質(zhì)中，一次效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯著。晶體的一次電光效應(yīng)分為縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)兩種。縱向電光效應(yīng)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(chǎn)生的電光效應(yīng)；橫向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播的方向垂直時產(chǎn)實驗原理效應(yīng)；由二次項引起折射率變化的效應(yīng)稱為二次電4實驗原理生的電光效應(yīng)。通常KD*P(磷酸二氘鉀)類型的晶體用它的縱向電光效應(yīng)，LiNbO3(鈮酸鋰)類型的晶體用橫向電光效應(yīng)，晶體的坐標(biāo)軸如圖所示。xyzx′y′實驗原理生的電光效應(yīng)。通常KD*P(磷酸二氘鉀)類型的晶體用5實驗原理本實驗研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應(yīng)，用鈮酸鋰晶體的橫向調(diào)制裝置測量鈮酸鋰晶體的半波電壓及電光系數(shù)并用兩種方法改變調(diào)制器的工作點，觀察相應(yīng)的輸出特性的變化。在未加電場前，鈮酸鋰是單晶體。當(dāng)線性偏振光沿光軸（Z軸）方向通過晶體時，不會產(chǎn)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(yīng)按特定的晶體感應(yīng)軸x′和y′進行分解，因為光沿著這兩個方向偏振的實驗原理本實驗研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應(yīng)，用6實驗原理折射率不同（傳播速度不同）。類似于雙折射中關(guān)于o光和e光的偏振態(tài)的討論，因為沿x′和y′的偏振分量存在相位差，出射光一般將成為橢圓偏振光。由晶體光學(xué)可以證明，這兩個方向的折射率：{{{{{實驗原理折射率不同（傳播速度不同）。類似于雙折射中關(guān)于o光和7實驗原理在無線電通信中，為了把語言、音樂或圖像等信息發(fā)出去，總是通過表征電磁波特性的振幅、頻率或相位受被傳遞信號的控制來實現(xiàn)的。這種控制過程稱為調(diào)制；而接受時，則需把所要的信息從調(diào)制信號中還原出來，這個過程稱為解調(diào)。因為激光只起到“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(diào)制信號，被調(diào)制的載波稱為已調(diào)波或調(diào)制光。在現(xiàn)代社會中，激光也常被用作傳遞信號的工具，它的調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，可以采用連實驗原理在無線電通信中，為了把語言、音樂或圖像等信息8實驗原理續(xù)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及脈沖調(diào)制等形式。本實驗采用強度調(diào)制，即輸出的激光輻射強度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。激光調(diào)制之所以常采用強度調(diào)制形式，主要是因為光接收器（探測器）一般都是直接地響應(yīng)其所接受的光強度變化的緣故。激光調(diào)制的方法很多，如機械調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和電源調(diào)制等。而電光調(diào)制開關(guān)速度快，結(jié)構(gòu)簡單，因此在激光調(diào)制技術(shù)、混合型光學(xué)雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應(yīng)用。實驗原理續(xù)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及脈沖調(diào)制等形式。9實驗原理橫向電光調(diào)制鈮酸鋰晶體的橫向電光調(diào)制過程如圖所示。實驗原理橫向電光調(diào)制10實驗原理入射光經(jīng)起偏器后變成振動方向平行于X軸的線性偏振光，晶體的電光效應(yīng)可按光矢量的分解與合成來處理。進入晶體后，X偏振的線性偏振光按感應(yīng)軸x′和y′分解，它們的振幅和相位相等，電矢量可以分別記為：{

為方便計算，用復(fù)振幅的表示方法，省去時間的簡諧因子ejwt，這時位于晶體表面（Z=0）的實驗原理入射光經(jīng)起偏器后變成振動方向平行于X軸11實驗原理光波表示為：{所以入射光的強度：??實驗原理光波表示為：{所以入射光的強度：??12實驗原理當(dāng)光通過長為的電光晶體后，因折射率不同，x′和y′兩分量之間將產(chǎn)生相位差，于是{通過檢偏器出射的光，是該兩分量在Y軸上的投影之和實驗原理當(dāng)光通過長為的電光晶體后，因折射率不同，x13實驗原理輸出光強：因此光強的透過率T為：由感應(yīng)軸的折射率，并注意到有：實驗原理輸出光強：因此光強的透過率T為：由感應(yīng)軸的折射率，并14實驗原理由此可見，與V有關(guān)。當(dāng)電壓增加某一值時，x′和y′方向的偏振光經(jīng)過晶體后產(chǎn)生λ/2的光程差，相位差=π，T=100%,這一電壓叫半波電壓，通常用或表示。是描述晶體電光效應(yīng)的重要參數(shù)。在實驗中，這個電壓越小越好。因為小，表示較小的調(diào)制信號就會有較大的響應(yīng)；用做快速電光開關(guān)時，小意味著用比較小的電壓就可以實現(xiàn)實驗原理由此可見，與V有關(guān)。當(dāng)電壓增加某一值時，x′15實驗原理光開關(guān)的動作。根據(jù)半波電壓值，可以估計出控制電光效應(yīng)所需的電壓。根據(jù)上述討論得式中，

和

分別為晶體的厚度和長度。由此可見，橫向電光效應(yīng)的半波電壓與晶體的幾何尺寸有關(guān),而縱向電光效應(yīng)的半波電壓為不能靠尺寸調(diào)整，這是橫向電光調(diào)制器的優(yōu)點之一。因此，橫向效應(yīng)的電光晶體都加工成細(xì)長的扁長方體。實驗原理光開關(guān)的動作。根據(jù)半波電壓值，可以估計出控制電光效應(yīng)16實驗原理根據(jù)上述討論,取(是直流偏壓，是交流調(diào)制號)，因此可以得到：由此可以看出，改變或，輸出特性將相應(yīng)發(fā)生變化。實驗原理根據(jù)上述討論,取17實驗原理對單色光來說，為常數(shù)，因而T將隨晶體上所加的電壓變化，如圖所示，T與V的關(guān)系是非線性的。如果工作點選擇不當(dāng)，則會使輸出信號發(fā)生畸變；但在附近有一近似直線的部分，這一直線部分稱為線性工作區(qū)。不難看出，當(dāng)時，=π/2,T=50%。實驗原理對單色光來說，為常數(shù)，因而T將隨晶體上18實驗原理實驗原理19實驗原理（2）直流偏壓對輸出特性的影響1.當(dāng)時，工作點落在線性工作區(qū)的中部，此時，可獲得較高效率的線性調(diào)制，把代入前式得實驗原理（2）直流偏壓對輸出特性的影響20實驗原理當(dāng)時，它表明。這時，調(diào)制器輸出的波形和調(diào)制信號的頻率相同，即線性調(diào)制。2.當(dāng)或，時，把代入前式，則實驗原理當(dāng)時，它表明21實驗原理實驗原理22實驗原理即。這時，輸出光的頻率是調(diào)制信號的2倍，即產(chǎn)生“倍頻”失真。類似地，對，可得這是仍將看到“倍頻”失真的波形。3.直流偏壓在0V附近或變化時，由于工作點不在線性工作區(qū)，故輸出波形將失真。實驗原理即。這時，輸出光的頻率是調(diào)制信號的23實驗原理4.當(dāng)且時，調(diào)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(diào)制的要求，此時的透射率函數(shù)式應(yīng)展開成貝賽爾函數(shù)，即：實驗原理4.當(dāng)且時，調(diào)制器的工24實驗原理由式可以看出，輸出的光束包括交流的基波，還有奇次諧波。由于調(diào)制信號的幅度較大，奇次諧波不能忽略，因此，這時雖然工作點選在線性區(qū)，輸出波形仍失真。實驗原理由式可以看出，輸出的光束包括交流的基波，還有奇次諧波25實驗器材電光調(diào)制電源組件光接收放大器組件He-Ne激光器組件電光調(diào)制晶體組件起偏器組件檢偏器組件實驗器材電光調(diào)制電源組件26實驗內(nèi)容1.測定鈮酸鋰晶體的透過率曲線(即T~V曲線)，計算半波電壓。

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(xiàn)極小值和極大值，相鄰極小值和極大值對應(yīng)的直流電壓之差即是半波電壓。加在晶體上的電壓在電源面板上的數(shù)字表讀出，每隔5v

增大一次，在讀出相應(yīng)的光強值。

實驗內(nèi)容1.測定鈮酸鋰晶體的透過率曲線(即T~V曲線)27實驗內(nèi)容以T為縱坐標(biāo)，V為橫坐標(biāo)，畫出T~V關(guān)系曲線，確定半波電壓的數(shù)值，進而求晶體電光系數(shù)。2.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、接收信號波形幅度最大點，在起偏器與LN晶體間放入1/4波片。旋轉(zhuǎn)1/4波片，觀察接收信號波形的變化情況。實驗內(nèi)容以T為縱坐標(biāo)，V為橫坐標(biāo)，畫出T~V關(guān)系曲線，確定半28實驗內(nèi)容改變工作電壓，記錄相鄰兩次出現(xiàn)倍頻失真時對應(yīng)的工作電壓之差即為半波電壓。3.觀察電光調(diào)制箱內(nèi)置波形信號，以及解調(diào)信號4.光迅通訊的演示實驗內(nèi)容改變工作電壓，記錄相鄰兩次出現(xiàn)倍頻