晶體的電光效應(yīng)

1、基礎(chǔ)物理實驗研究性報告基礎(chǔ)物理實驗研究性報告晶體的電光效應(yīng)第一作者：周坤學(xué)號：141511442016年5月12日摘要本文以“晶體電光效應(yīng)”實驗為研究內(nèi)容，先介紹了實驗?zāi)康?，實驗儀器，實驗的基本原理與實驗步驟，進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析，并做了相對誤差分析，最后得出幾點自己對實驗的感想。關(guān)鍵詞：晶體的電光效應(yīng) 激光調(diào)制 半波電壓目錄摘要1一 實驗?zāi)康?二 實驗儀器2三 實驗原理21.LN晶體的線性電光效應(yīng)22電光調(diào)制原理3四 實驗步驟51.調(diào)整光路系統(tǒng)52. 依據(jù)3 LiNbo 晶體的透過率曲線(即T-V 曲線)，選擇工作點。測半波電壓。61） 極值法62） 調(diào)制法63）改變直流偏壓，選擇不同的

2、工作點，觀察正弦波電壓的調(diào)制特性。64） 用1/4波片來改變工作點，觀察輸出特性。7五 實驗數(shù)據(jù)處理與分析71.電光調(diào)制72.動態(tài)法觀察調(diào)制器性能83.測量半波電壓9六 誤差討論與分析91.輸出波形畸變產(chǎn)生原因92.實驗數(shù)據(jù)誤差產(chǎn)生的原因10七 實驗總結(jié)與感想10一 實驗?zāi)康?.掌握晶體電光調(diào)制的原理和實驗方法； 2.了解電光效應(yīng)引起的晶體光學(xué)性質(zhì)的變化，觀察匯聚偏振光的干涉現(xiàn)象； 3.學(xué)習(xí)晶體半波電壓和光電常數(shù)的實驗方法。二 實驗儀器偏振片、擴(kuò)束鏡、鈮酸鋰電光晶體、光電二極管、光電池、晶體驅(qū)動電源、光功率計、1/4玻片、雙蹤示波器三 實驗原理1. LN晶體的線性電光效應(yīng)當(dāng)晶體處在一個外加電場

3、中時。晶體的折射率會發(fā)生變化，改變量的表達(dá)式為： （1）其中n是受外場作用時晶體的折射率，n0是自然狀態(tài)下晶體的折射率，E是外加電場強(qiáng)度，和p是與物質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。（1）式右邊第一項表示的是線性電光效應(yīng)，又稱為普克爾效應(yīng)，因此叫做線性電光系數(shù)；第二項表示的是二次電光效應(yīng)，又稱為克爾效應(yīng)，因此p也叫做二次電光系數(shù)。本實驗只涉及到線性電光效應(yīng)。LN晶體通常采用橫向加壓，z向通光的運(yùn)用方式，即在主軸y方向加電場Ey而Ex = Ez = 0 ，有外電場時折射率橢球的主軸一般不再與原坐標(biāo)軸重合。將坐標(biāo)系經(jīng)過適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)后得到一個新的坐標(biāo)系（x，y，z），使折射率橢球變?yōu)椋?（2）這里、是有電場時的三個主折射

4、率。叫感應(yīng)主折射率，坐標(biāo)系（x，y，z）叫感應(yīng)主軸坐標(biāo)系。在（ ）坐標(biāo)系中，折射率橢球的方程為:（3）將（3）式同（2）式比較，就可得出：， 一般情況下有<<，于是 （4）上述結(jié)果表明，在LN晶體的y軸方向上加電場時，原來的單軸晶體（nx= ny = n0，nz = ne）變成了雙軸晶體（nx ny nz），折射率橢球在xy平面上的截線由原來的圓變成了橢圓，橢園的短軸x（或y）與x軸（或y軸）平行,感應(yīng)主軸的長短與Ey的大小有關(guān)，這就顯示了晶體的線性電光效應(yīng)。2電光調(diào)制原理LN晶體橫向電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)光經(jīng)過起偏器P后變成振動方向為OP的線偏振光，進(jìn)入晶體 (z = 0)

5、 后被分解為沿x和y軸的兩個分量，因為OP與x軸、y軸的夾角都是45º，所以位相和振幅都相等。即，于是入射光的強(qiáng)度為：當(dāng)光經(jīng)過長為的LN晶體后，x和y分量之間就產(chǎn)生位相差，即： （5）從檢偏器A（它只允許OA方向上振動的光通過）出射的光為和在OA軸上的投影之和 （6）于是對應(yīng)的輸出光強(qiáng)為： （7）將輸出光強(qiáng)與輸入光強(qiáng)比較，再考慮（11）式和（12）式，最后得到： （8）為透射率，它與外加電壓V之間的關(guān)系曲線就是光強(qiáng)調(diào)制特性曲線。本實驗就是通過測量透過光強(qiáng)隨加在晶體上電壓的變化得到半波電壓V。由圖3可知，透過率與V的關(guān)系是非線性的，若不選擇合適的工作點會使調(diào)制光強(qiáng)發(fā)生畸變，但在V =

6、V/2附近有一直線部分（即光強(qiáng)與電壓成線性關(guān)系），這就是線性調(diào)制部分。為此，我們在調(diào)制光路中插入一個/4波片，其光軸與OP成45º角，它可以使x和y兩個分量間的位相有一個固定的/2位相延遲，這時若外加電場是一個幅度變化不太大的周期變化電壓，則輸出光波的光強(qiáng)變化與調(diào)制信號成線性關(guān)系，即 （9）其中V是外加電壓，可以寫成，但是如果Vm太大，就會發(fā)生畸變，輸出光強(qiáng)中將包含奇次高次諧波成份。當(dāng)時四 實驗步驟1.調(diào)整光路系統(tǒng)1. 調(diào)節(jié)三角導(dǎo)軌底角螺絲，使其穩(wěn)定于調(diào)節(jié)臺上。在導(dǎo)軌上放置好半導(dǎo)體光源部分滑塊，將小孔光欄置于導(dǎo)軌上，在整個導(dǎo)軌上拉動滑塊，近場遠(yuǎn)場都保證整個光路基本處于一條直線，即使光

7、束通過小孔。放上起偏振器，使其表面與激光束垂直，且使光束在元件中心穿過。再放上檢偏器，使其表面也與激光束垂直，轉(zhuǎn)動檢偏器，使其與起偏器正交，即，使檢偏器的主截面與起偏器的主截面垂直，這時光點消失，即所謂的消光狀態(tài)。2. 將鈮酸鋰晶體置于導(dǎo)軌上，調(diào)節(jié)晶體使其x軸在鉛直方向，使其通光表面垂直于激光束（這時晶體的光軸與入射方向平行，呈正入射），這時觀察晶體前后表面查看光束是否在晶體中心，若沒有，則精細(xì)調(diào)節(jié)晶體的二維調(diào)整架，保證使光束都通過晶體，且從晶體出來的反射像與半導(dǎo)體的出射光束重合。3. 拿掉四分之一波片，在晶體盒前端插入毛玻璃片，檢偏器后放上像屏。光強(qiáng)調(diào)到最大，此時晶體偏壓為零。這時可觀察到晶

8、體的單軸錐光干涉圖，即一個清楚的暗十字線，它將整個光場分成均勻的四瓣，如果不均勻可調(diào)節(jié)晶體上的調(diào)整架。4. 旋轉(zhuǎn)起偏器和檢偏器，使其兩個相互平行，此時所出現(xiàn)的單軸錐光圖與偏振片垂直時是互補(bǔ)的。5. 晶體加上偏壓時呈現(xiàn)雙軸錐光干涉圖，說明單軸晶體在電場作用下變成雙軸晶體，即電致雙折射。6.改變晶體所加偏壓極性，錐光圖旋轉(zhuǎn)90度。7.只改變偏壓大小時，干涉圖形不旋轉(zhuǎn)，只是雙曲線分開的距離發(fā)生變化。這一現(xiàn)象說明，外加電場只改變感應(yīng)主軸方向的主折射率的大小、折射率橢球旋轉(zhuǎn)的角度和電場大小無關(guān)。2. 依據(jù)3 LiNbo 晶體的透過率曲線(即T-V 曲線)，選擇工作點。測半波電壓。1） 極值法晶體上只加直

9、流電壓，不加交流信號，并把直流偏壓從小到大逐漸改變時，示波器上可看到輸出光強(qiáng)出現(xiàn)極小值和極大值。具體做法：取出毛玻璃，撤走白屏，接收器對準(zhǔn)出光點，加在晶體上的電壓從零開始，逐漸增大這時可看到示波器上光強(qiáng)極大和極小有一明顯起落，直流偏壓值由電源面板上的三位半數(shù)字表上讀出。先測對應(yīng)于V0>0時，當(dāng)光強(qiáng)最大時，測一組最大值，然后改變極性，最大時再測一組數(shù)據(jù)，兩個極大之間對應(yīng)的電壓之和就是半波電壓的兩倍，多次測量取平均值，可以減少誤差。2） 調(diào)制法晶體上直流電壓和交流正弦信號同時加上，當(dāng)直流電壓調(diào)到輸出光強(qiáng)出現(xiàn)極小值或極大值對應(yīng)時，輸出的交流信號出現(xiàn)倍頻失真，通過示波器可看出。出現(xiàn)相鄰倍頻失真對

10、應(yīng)的直流電壓之差就是半波電壓。具體做法是：把電源前面板上的調(diào)制信號“輸出”接到雙蹤示波器的y1上，經(jīng)放大后的調(diào)制器的輸出信號接到示波器的y2上，把y1,y2上的信號做比較，將檢偏器旋轉(zhuǎn)90度，當(dāng)晶體上加的直流電壓緩慢增加到半波電壓時，輸出出現(xiàn)倍頻失真；改變晶體上電壓的極性后，電壓加到半波電壓時，又出現(xiàn)倍頻失真，相繼兩次出現(xiàn)倍頻失真時對應(yīng)的直流電壓值之差就是半波電壓。這種方法比極值法更精確，因為用極值法測半波電壓時，視覺很難準(zhǔn)確的定位極大和極小值，因而誤差較大。3）改變直流偏壓，選擇不同的工作點，觀察正弦波電壓的調(diào)制特性。電源面板上的信號選擇琴鍵開關(guān)可以提供三種不同的調(diào)制信號，按下“正弦”鍵，機(jī)

11、內(nèi)單一頻率的正弦波振蕩器工作，此信號經(jīng)放大后，加到晶體上。同時，通過面板上的“輸出”孔，輸出此信號，把它接到雙蹤示波器的y1上，作為參考信號。改變直流偏壓，使調(diào)制器工作在不同的狀態(tài)，把被調(diào)制信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，放大后接到雙蹤示波器y2上，和y1上的參考信號比較。工作點選定在曲線的直線部分，即附近時線性調(diào)制；工作點選在曲線的極小值（或極大值）附近時，輸出信號“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(diào)制信號幅度不能太大，否則調(diào)制信號本身失真，輸出信號的失真無法判斷有什么原因引起，把觀察到的波形描下來，并和前面的理論分析做比較。做這步實驗時把電源上的調(diào)制幅度、調(diào)制器上的輸入

12、光強(qiáng)、放大器的輸出、示波器的增益(或衰減)這四部分調(diào)好，才能觀察到很好的輸出波形。4） 用1/4波片來改變工作點，觀察輸出特性。在上述實驗中，去掉晶體上加的直流偏壓，把1 4波片置入晶體和偏振片之間，繞光軸緩慢旋轉(zhuǎn)時，可以看到輸出波形隨著發(fā)生變化。當(dāng)波片的快慢軸平行于晶體的感應(yīng)軸方向時，輸出光線性調(diào)制；當(dāng)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(xiàn)“倍頻”失真。因此，把波片旋轉(zhuǎn)一周時，出現(xiàn)四次線性調(diào)制和四次“倍頻”失真。實驗證明，通過晶體上加直流偏壓可以改變調(diào)制器的工作點，也可以用1 4波片選擇工作點，其效果是一樣的，但兩種方法的機(jī)理是不同的。五 實驗數(shù)據(jù)處理與分析1.電光調(diào)制項目

13、最大功率對應(yīng)電壓/V最小功率對應(yīng)電壓/V數(shù)值690-7231347-1352取值706.51349.5最大功率對應(yīng)的倍頻失真波形圖最小功率對應(yīng)的倍頻失真波形圖由極值法可得半波電壓 V=1349.5-706.5=643 V晶體基本物理量：dln0V5mm30mm632.8nm2.286649.2V由此計算得出晶體的電光系數(shù)為:22=2Vn03(dl)=632.8×52×643×2.2863×30×10-9=6.86×10-12 m/V2.動態(tài)法觀察調(diào)制器性能原始數(shù)據(jù)第一次722V303°213°128°35

14、°最大振幅時714V335°257°168°82°由上表可知：去掉直流偏壓后把1/4波片放上后，繞光軸緩慢旋轉(zhuǎn)，可以看到輸出信號隨著發(fā)生變化，其現(xiàn)象與改變直流偏壓效果相同。每次實驗中相鄰兩次倍頻失真的角度差大約為90°，可知1/4波片的=2，與理論值比較接近，可以驗證。當(dāng)?shù)诙稳∠虏ㄆ?，調(diào)到最大振幅后再放上波片后，相鄰的角度差依然很接近90°，而且與第一次對應(yīng)的度數(shù)差很接近45°。這與計算結(jié)果符合的很好，驗證了推導(dǎo)。3.測量半波電壓原始數(shù)據(jù)V1/V164281361428513V2/V904102011101186

15、1286V/V740739749758773用線性回歸處理數(shù)據(jù)：令y=V2,x=V1,經(jīng)SPSS分析得到線性回歸方程為：a=717.957 b=1.097 y=1.097x+717.957由此可知：V=717.957 Vua(b)=s(b)=b1k-2(1r2-1)=0.02004ua(a)=s(a)=15x2*ua(b)=7.404因此ua(V)= ua(a)= 7.404最終結(jié)果表示為：V±ua(V)=(717±7) V相對誤差：=717-649.2649.2×100%=10.4%六 誤差討論與分析1.輸出波形畸變產(chǎn)生原因根據(jù)理論計算，當(dāng)V=0時，T應(yīng)當(dāng)為極小

16、值（T=0），然而從實驗測量出的T-V圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)V=o時，T不為零，且極小值也不出現(xiàn)在V=0處，對此我們可以歸納出以下幾種可能原因：1）光路調(diào)節(jié)存在缺陷，沒有嚴(yán)格的與導(dǎo)軌平行，使光嚴(yán)格沒有垂直入射。所以，有一部分光線透過，使曲線右移。2）由于在調(diào)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(dǎo)致了極小值點偏離V=0點。3）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。4）晶體自身生長不均勻，入射光通過時光路改變造成零值點右移。2.實驗數(shù)據(jù)誤差產(chǎn)生的原因1）光路調(diào)節(jié)不好，偏振片偏正方向在正交時消光不完全，使實驗

17、結(jié)果產(chǎn)生誤差； 2）儀器引起的誤差。如電壓源輸出電壓不穩(wěn)定，在實驗過程中（個人，不知道是不是普遍現(xiàn)象），在不受控制的情況下，有不斷退回的情況（有一次從620v一直退回到100v，并且還有退回的趨勢）。在電壓退回后，調(diào)節(jié)電壓到原電壓值，所測得的功率值較退回前明顯偏低，造成實驗誤差。3）測量誤差。在動態(tài)法觀測調(diào)制器調(diào)制特性試驗中，最小失真點、振幅最大點、倍頻失真點的測量存在一個波動范圍，造成測量誤差。=七 實驗總結(jié)與感想通過本實驗，我基本掌握了晶體電光效應(yīng)的實驗方法。剛開始做實驗的時候，因為上學(xué)期做過有關(guān)示波器的實驗和這學(xué)期的電氣實驗也熟悉過示波器，所以對基本的示波器原理還有一些經(jīng)驗，但對于光路調(diào)節(jié)沒只有在書上看到過示意圖，所以還不是很熟悉，對各種光路儀器的用處都不了解，但后來在老師的講解下才懂得了其使用方法。我覺得這是因為預(yù)習(xí)不夠充分引起的，一方面對儀器的原理了解不夠，一方面沒有考慮到儀器的具體使用。做物理實驗首先要理解其原理，再者怎么樣利用實驗儀器測出自己所需要的數(shù)