實(shí)驗(yàn)四-電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

1、-WORD 格式-可編輯-專業(yè)資料-實(shí)驗(yàn)四電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)【預(yù)習(xí)重點(diǎn)】晶體的會聚偏振光干涉。激光調(diào)制的原理。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹空莆站w電光調(diào)制的原理和實(shí)驗(yàn)方法。學(xué)會用簡單的實(shí)驗(yàn)裝置測量晶體半波電壓、電光常數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。觀察電光效應(yīng)所引起的晶體光性的變化和會聚偏振光的干涉現(xiàn)象?！緦W(xué)史背景】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，這種現(xiàn)象成為電光效 應(yīng)。電光效應(yīng)在工程技術(shù)和科學(xué)研究中有許多重要應(yīng)用，它有很短的響應(yīng)時(shí)間（可以跟上 頻率為 1010Hz 的電場變化在激光出現(xiàn)以后，電光效應(yīng)的研究和應(yīng)用得到迅速的發(fā)展，電光器件被廣泛應(yīng)用在激光通 訊、激光測距、激光顯示和光學(xué)數(shù)據(jù)處理等方面?！緦?shí)驗(yàn)原理

2、】一次電光效應(yīng)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(yīng)。通?？蓪㈦妶鲆鸬恼凵渎实淖兓孟率奖硎荆簄 = n 0 + aE 0 +bE02+（1） 式中 a 和b 為常數(shù)，n0 為不加電場時(shí)晶體的折射率。由一次項(xiàng) aE0起折射率變化的效應(yīng)，稱為一次電光效應(yīng)，也稱線性電光效應(yīng)或普克爾（ Pokells ）效應(yīng)；由二次項(xiàng) bE 02 （Kerr 效應(yīng)。一次電光效應(yīng)只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。光在各向異性晶體中傳播時(shí)，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

3、射率與光的傳播方向、振動方向的系。在主軸坐標(biāo)中，折射率橢球及其方程為x 2 yn2n212 z 2 1n23（2）圖 1-完整版學(xué)習(xí)資料分享-WORD 格式-可編輯-專業(yè)資料-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(dāng)晶體加上電場后，折射率橢球的形狀、大小、方位都發(fā)生變化，橢球方程變成x 2 y n2n21122 z n233 2n223 2xz n213 2xy n2121（3）的電場方向與光在晶體里傳播方向垂直時(shí)產(chǎn)生的電光效應(yīng)。通常KD*P（磷酸二氘鉀）類的晶體用它的縱向電光效應(yīng)， LiNbO 3（鈮酸鋰）類型的晶體用它的橫向電光效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)研究鈮酸鋰晶體的一次

4、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(diǎn)，觀察相應(yīng)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(zhuǎn)軸， 光軸與 z 是單軸晶體，折射率橢球是旋轉(zhuǎn)橢球，其表達(dá)式為x 2 yn20zn2e1（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(fā)生畸變， 當(dāng)x 軸方向加電場，光沿 z 軸方向傳播時(shí)，晶體由單軸晶變?yōu)殡p軸晶，垂直于光軸z 軸方向折射率橢球截面由圓變?yōu)闄E圓，此橢圓方程為( 1 n 20E22)x 2 ( 1 n 20E22)y2 E22xy 1（5）稱為電光系數(shù)

5、。上式進(jìn)行主軸變換后可得到22( 1 n 20E22)x2 ( 1n 20E22) y2 1（6）考慮到 n20E221 ，經(jīng)簡化得到1nnxn320E22x1折射率橢球截面的橢圓方程化為nnyn3E2022x（7）電光調(diào)制原理x2 n2x y2n2y1（8）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(diào)制，把完成這一過程的裝置稱為激光調(diào)制器由已調(diào)制的激光輻射還原出所加載信息的過程則稱為解調(diào)。因?yàn)榧す鈱?shí)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(diào)制信號，被調(diào)制的載波稱為已

6、調(diào)波或調(diào)制光。按調(diào)制的性質(zhì)而言，激光調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，可以采用連續(xù)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及脈沖調(diào)制等形式，但激光調(diào)制多采用強(qiáng)度調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制是根據(jù)光載波電場振幅的平方比例于調(diào)制信號，使輸出的激光輻射的強(qiáng)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(qiáng)度調(diào)制形式，主要是因?yàn)楣饨邮掌饕话愣际侵苯拥仨憫?yīng)其所接受的光強(qiáng)度變化的緣故。激光調(diào)制的方法很多，如機(jī)械調(diào)制、電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和電源調(diào)制等。-完整版學(xué)習(xí)資料分享-WORD 格式-可編輯-專業(yè)資料-其中電光調(diào)制器開關(guān)速度快、結(jié)構(gòu)簡單。因此，在激光調(diào)制技術(shù)及混合型光學(xué)雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應(yīng)用。電光調(diào)制根據(jù)所施加的電場方向的不同，可分為

7、縱向電光調(diào)制和橫向電光調(diào)制。利用縱向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做縱向電光調(diào)制，利用橫向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做橫向電光調(diào)制。這次實(shí)驗(yàn)中，我們只做 LiNbO 3 晶體的橫向調(diào)制實(shí)驗(yàn)。（1） 橫向電光調(diào)制圖 2圖2為典型的利用 LiNbO 3 晶體橫向電光效應(yīng)原理的激光振幅調(diào)制器。 其中起偏振片的偏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(jīng)起偏振片后變?yōu)檎駝臃较蚱叫杏?x 軸的線偏振光，它在晶體的感應(yīng)軸 x和 y軸上的投影的振幅和相位均相等，設(shè)分別為ex=A0cost,ey=A0cost（9） 或用復(fù)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

8、)=A（10）所以，入射光的強(qiáng)度是I E E E (0) 2 E(0)ixy2A2（11）當(dāng)光通過長為 l 的電光晶體后， x和 y兩分量之間就產(chǎn)生相位差 ，即xE(l)=A,E(l)=A eix通過檢偏振片出射的光，是該兩分量在y 軸上的投影之和（12）其對應(yīng)的輸出光強(qiáng) It 可寫成(E )y 0A (ei （13）2I(E ) (E ) A2 (e i 1)(ei 2 A2 sin 2 （14）ty 0y 022由（11）和（14）式，光強(qiáng)透過率 T 為T ItIi由（7）式 sin2 （15）2 (nxn)l yn30 22l（16）d由此可見， 和加在晶體上的電壓有關(guān)，當(dāng)電壓增加到某一

9、值時(shí)x、y方向的偏振光經(jīng)過晶體后可 產(chǎn)生/2 的光程差， 相應(yīng)的相 位差=，由（15）式可知此時(shí)光 強(qiáng)透過T=100% ，這時(shí)加在晶體上的電壓稱作半波電壓，通常用U 表示。U 是描述晶體電光效應(yīng)的重要參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，這個電壓越小越好，如果U 小，需要的調(diào)制信號電壓也小。根據(jù)半波電壓值，我們可以估計(jì)出電光效應(yīng)控制透過強(qiáng)度所需電壓。由（16）式可得到-完整版學(xué)習(xí)資料分享-WORD 格式-可編輯-專業(yè)資料-Ud（17）2n3022( l )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(yīng)的半波電壓與晶片的幾何尺寸有關(guān)。由（17）式可知，如果使電極之間的距離d 盡可能的減少，而增加通光

10、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(xì)長的扁長方體。由（16（17）可得 UU因此，可將（ 15）T sin 2U sin2sint)（18）0m0m其中 U是加在晶體上的直流電壓， U sint 是同時(shí)加在晶體上的交流調(diào)制信號，0mm是調(diào)制頻率。從（ 18）式可以看出，改變 U U ，輸出特性將相應(yīng)的有變化。m0對單色光和確定的晶體來說，U為常數(shù)，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U當(dāng)U0 、U2m U時(shí)，將工作點(diǎn)選定在線性工作區(qū)的中心處，如圖a）所示，U此時(shí)，可獲得較高效率的線性調(diào)制，把U0 代入（18）式，得2T sin 2( 4

11、Usint)m 1 cos( Usint)22Um 1 sin( Usint)(19)m U時(shí)T 2Um1 (Um)sint2U即Tsint這時(shí)，調(diào)制器輸出的信號和調(diào)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(diào)制。m當(dāng)U0、U U時(shí)，如圖 3（b）所示，把U0代入（18）m00T sin 2 (U2Usint) 1 cos( sin t)2Um 1( U4Um) 2 sin 2 t1 U(m )2cos8U即Tcos2t（21從（21）式可以看出，輸出信號的頻率是調(diào)制信號頻率的二倍，即產(chǎn)生“倍頻”失真。若-完整版學(xué)習(xí)資料分享-WORD 格式-可編輯-專業(yè)資料-

12、U 0 U 代入（18）式，經(jīng)類似的推導(dǎo)，可得1 UT1(m )2 cos（22）8UTcos2 t，輸出信號仍是“倍頻”失真的信號。(b)圖 3直流偏壓 U 在0 伏附近或在 U附近變化時(shí)，由于工作點(diǎn)不在線性工作區(qū)，輸出波0形將失真。U當(dāng)U0UmU 時(shí)，調(diào)制器的工作點(diǎn)雖然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足2小信號調(diào)制的要求，（19）式不能寫成（ 20）輸出波形仍然是失真的?！緦?shí)驗(yàn)儀器】電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，電光調(diào)制電源、接收放大器、He-Ne 激光器、二蹤示波器和萬用表。）晶體電光調(diào)制電源。調(diào)制電源由-200V +200V 之間連續(xù)可調(diào)的直流電源、單頻率振蕩器（振蕩頻率約為1kHz 、音樂片和放大器

13、組成，電源面板上有三位半數(shù)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(diào)節(jié)。調(diào)制信號可由機(jī)內(nèi)振蕩器或音樂片提供，此調(diào)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(diào)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”插孔輸出的參考信號，接到二蹤示波器的一個通道與被調(diào)制后的接收信號比較，觀察調(diào)制器的輸出特性。）調(diào)制器。調(diào)制器由三個可旋轉(zhuǎn)的偏振片、一個可旋轉(zhuǎn)的1/4 波片和一塊鈮酸鋰晶體組成，采用橫向調(diào)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 軸行。檢偏振片和晶體之間可插入1/

14、4 波片，偏振片和波片均可繞其幾何軸旋轉(zhuǎn)。晶體放在四維調(diào)節(jié)架上，可精細(xì)調(diào)節(jié)，使光束嚴(yán)格沿晶體光軸方向通過。）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。光電三極管被調(diào)制了的氦氖激光經(jīng)光電轉(zhuǎn)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(diào)制器的輸出特性。交流信號輸出的大小通過“交流輸出”旋鈕調(diào)-完整版學(xué)習(xí)資料分享-WORD 格式-可編輯-專業(yè)資料-節(jié)。放大器內(nèi)裝有揚(yáng)聲器，用來再現(xiàn)聲音調(diào)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(qiáng)信號的大小。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】觀察晶體的會聚偏振光干涉圖樣和電光效

15、應(yīng)形象）調(diào)節(jié)激光管使激光束與晶體調(diào)節(jié)臺上表面平行，同時(shí) 光束通過各光學(xué)元件中心 （這一步老師已調(diào)好， 學(xué)生不要動）。調(diào) 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(xì)調(diào)，精細(xì)調(diào)節(jié)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(diǎn)，然后緊靠晶體前放一張鏡頭紙，這時(shí)在白屏上可觀 察到單軸晶體的錐光干涉圖樣，如圖4。一個暗十字圖形貫穿整 圖樣，四周為明暗相間的圖 4過的要求，再調(diào)節(jié)使干涉圖樣出現(xiàn)清晰的暗十字，且十字的一條線平行于x 軸。這一步節(jié)很重要，調(diào)節(jié)的好壞，直接影響下一步的測量，因此，一定要耐心，仔細(xì)調(diào)節(jié)。注意此時(shí)

16、放大器的電源要關(guān)掉，激光光點(diǎn)應(yīng)落在白屏上，而不能對準(zhǔn)光電三極管，以免燒壞。）加上直流偏壓時(shí)呈現(xiàn)雙軸晶體的錐光干涉圖樣，它說明單軸晶體在電場的作用）兩個偏振片正交時(shí)和平行時(shí)干涉圖樣是互補(bǔ)的。）改變直流偏壓的極性時(shí)，干涉圖樣旋轉(zhuǎn)90。）只改變直流偏壓的大小時(shí)，干涉圖樣不旋轉(zhuǎn)，只是雙曲線分開的距離發(fā)生變化測定鈮酸鋰晶體的透過率曲線（即TU 曲線求出半波電壓 U，再算出電光系數(shù) 。在我們實(shí)驗(yàn)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(diào)制法。）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(qiáng)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

17、之差即是半波電壓U。具體做法是：取出鏡頭紙，光電三極管接收器對準(zhǔn)激光光點(diǎn)，放大器的直流輸出接到 萬用表上，萬用表調(diào)到 200mV 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(shù)的變化，當(dāng)讀數(shù)超過 200mV 時(shí)，應(yīng)旋轉(zhuǎn)減光片，使光強(qiáng)減小，再增大直流偏壓到最大，保持萬用表的讀數(shù)始終不超過 200mV ，再減小直流偏壓到零，若萬用表的讀數(shù)始終不超過 200mV ，則可以開始測量數(shù)據(jù)了。加在晶體上的電壓在電源面板上的數(shù)字表讀出，每隔 5V 再讀出相應(yīng)的萬用表的讀數(shù)作為接收器接收到的光強(qiáng)值，數(shù)據(jù)填入下表。U（V） 0510152025303540-完整版學(xué)習(xí)資料分享-WORD

18、格式-可編輯-專業(yè)資料-偏壓 U（V）455055606570758085偏壓 U（V）9095100105110115120125130偏壓 U（V）135140145150155160165170175偏壓 U（V）180185190195200205210215220以T 為縱坐標(biāo)，U 為橫坐標(biāo)，畫 TU 關(guān)系曲線，確定半波電壓 U的數(shù)值，并計(jì)算電光系數(shù) 。晶體厚度 d=1.6mm，寬度 m=6.0mm ，長度 l=45.0mm，n0=2.29 ，激光波長22 =632.8nm 。22）調(diào)制法晶體上直流電壓和交流信號同時(shí)加上，與直流電壓調(diào)到輸出光強(qiáng)出現(xiàn)極小值或極大值對應(yīng)的電壓值時(shí)，輸出的

19、交流信號出現(xiàn)倍頻失真，出現(xiàn)相鄰倍頻失真對應(yīng)的直流電壓之差就是半波電壓 U 。具體做法是：按下電源面板上“正弦”鍵，把電源前面板上的調(diào)制信號“輸出”接到二蹤示波器的 CH2 上，把放大器的調(diào)制信號接到示波器的CH1 上，把 CH1、CH2 上的信做比較，調(diào)節(jié)直流電壓，當(dāng)晶體上加的直流電壓到某一值U1時(shí)，輸出信號出現(xiàn)倍頻失真， 再調(diào)節(jié)直流電壓，當(dāng)晶體上加的直流電壓到另一值U2時(shí)，輸出信號又出現(xiàn)倍頻失真，相繼兩次出現(xiàn)倍頻失真時(shí)對應(yīng)的直流電壓之差U2-U1 就是半波電壓U 這種方法比極值法更精確，因?yàn)橛脴O值法測半波電壓時(shí)，很難準(zhǔn)確的確定TU 曲線上的極大值或極小值，因其誤差也較大。但是這種方法對調(diào)節(jié)的

20、要求很高，很難調(diào)到最佳狀態(tài)。如果觀察不到兩次倍頻失真，則需要重新調(diào)節(jié)暗十字形干涉圖樣，調(diào)整好以后再做本內(nèi)容。改變直流偏壓，選擇不同的工作點(diǎn)，觀察正弦波電壓的調(diào)制特性內(nèi)單一頻率的正弦波振蕩器工作，產(chǎn)生正弦信號，此信號經(jīng)放大后，加到晶體上，同時(shí)，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(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、放大后接到二蹤示波器的 CH2 CH1 上的參考信號比較。 選擇 540V80V120V160V、200V，觀察接收信號的波形并畫出圖形。工作點(diǎn)選定在曲線的直線部分，即U0=U /2 附近時(shí)是線性調(diào)制；工作點(diǎn)選定在

21、曲線極小值（或極大值）時(shí)，輸出信號出現(xiàn)“倍頻”失真；工作點(diǎn)選定在極小值（或極大值）附近時(shí)輸出信號失真，觀察時(shí)調(diào)制信號幅度不能太大，否則調(diào)制信號本身失真，輸出信號做這一步實(shí)驗(yàn)時(shí)，把電源上的調(diào)制幅度、調(diào)制器上的輸入光強(qiáng)、放大器的輸出、示波器上的增益（或哀減）這四部分調(diào)好，才能觀察到很好的輸出波形。1/4 波片改變工作點(diǎn)，觀察輸出特性在上述實(shí)驗(yàn)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，光軸緩慢旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以看到輸出信號隨著發(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(shí)，輸出信號線性調(diào)制；當(dāng)波片的快慢軸分別平行于晶體的x、y 軸時(shí)，輸出光失真出現(xiàn)“倍頻”失真。因此，把波片旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，出現(xiàn)四次線性調(diào)制和四次“倍頻”失真。-完整