晶體的電光效應(yīng)

晶體的電光效應(yīng)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆站w電光調(diào)制的原理和實(shí)驗(yàn)方法學(xué)會(huì)測(cè)量晶體半波電壓、電光系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法了解一種激光通信方法實(shí)驗(yàn)原理電光效應(yīng)：當(dāng)給晶體或液體加上電場(chǎng)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?？蓪㈦妶?chǎng)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(chǎng)時(shí)晶體的折射率。由一次項(xiàng)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(shí)驗(yàn)原理效應(yīng)；由二次項(xiàng)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(duì)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?？v向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場(chǎng)方向與光在晶體里傳播的方向平行時(shí)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(chǎng)方向與光在晶體里傳播的方向垂直時(shí)產(chǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)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(cè)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。在未加電場(chǎng)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(shí)，不會(huì)產(chǎn)生雙折射。但如在鈮酸鋰晶體的X軸施加電場(chǎng)，晶體將由單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體。這時(shí)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(jìn)行分解，因?yàn)楣庋刂@兩個(gè)方向偏振的實(shí)驗(yàn)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?yàn)檠豿′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(gè)方向的折射率：{{{{{實(shí)驗(yàn)原理在無線電通信中，為了把語(yǔ)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(hào)的控制來實(shí)現(xiàn)的。這種控制過程稱為調(diào)制；而接受時(shí)，則需把所要的信息從調(diào)制信號(hào)中還原出來，這個(gè)過程稱為解調(diào)。因?yàn)榧す庵黄鸬健皵y帶”低頻信號(hào)的作用，所以稱為載波，而起控制作用的低頻信號(hào)是我們所需要的，稱為調(diào)制信號(hào)，被調(diào)制的載波稱為已調(diào)波或調(diào)制光。在現(xiàn)代社會(huì)中，激光也常被用作傳遞信號(hào)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)采用強(qiáng)度調(diào)制，即輸出的激光輻射強(qiáng)度按照調(diào)制信號(hào)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)楣饨邮掌鳎ㄌ綔y(cè)器）一般都是直接地響應(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、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(jiǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理入射光經(jīng)起偏器后變成振動(dòng)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(jìn)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(jì)算，用復(fù)振幅的表示方法，省去時(shí)間的簡(jiǎn)諧因子ejwt，這時(shí)位于晶體表面（Z=0）的實(shí)驗(yàn)原理光波表示為：{所以入射光的強(qiáng)度：??實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)光通過長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)原理輸出光強(qiáng)：因此光強(qiáng)的透過率T為：由感應(yīng)軸的折射率，并注意到有：實(shí)驗(yàn)原理由此可見，與V有關(guān)。當(dāng)電壓增加某一值時(shí)，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(shí)驗(yàn)中，這個(gè)電壓越小越好。因?yàn)樾?，表示較小的調(diào)制信號(hào)就會(huì)有較大的響應(yīng)；用做快速電光開關(guān)時(shí)，小意味著用比較小的電壓就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)原理光開關(guān)的動(dòng)作。根據(jù)半波電壓值，可以估計(jì)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(zhǎng)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(diǎn)之一。因此，橫向效應(yīng)的電光晶體都加工成細(xì)長(zhǎng)的扁長(zhǎng)方體。實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)上述討論,取(是直流偏壓，是交流調(diào)制號(hào))，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(shí)驗(yàn)原理對(duì)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(diǎn)選擇不當(dāng)，則會(huì)使輸出信號(hào)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(shí)，=π/2,T=50%。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理（2）直流偏壓對(duì)輸出特性的影響1.當(dāng)時(shí)，工作點(diǎn)落在線性工作區(qū)的中部，此時(shí)，可獲得較高效率的線性調(diào)制，把代入前式得實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)時(shí)，它表明。這時(shí)，調(diào)制器輸出的波形和調(diào)制信號(hào)的頻率相同，即線性調(diào)制。2.當(dāng)或，時(shí)，把代入前式，則實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理即。這時(shí)，輸出光的頻率是調(diào)制信號(hào)的2倍，即產(chǎn)生“倍頻”失真。類似地，對(duì)，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(shí)，由于工作點(diǎn)不在線性工作區(qū)，故輸出波形將失真。實(shí)驗(yàn)原理4.當(dāng)且時(shí)，調(diào)制器的工作點(diǎn)雖然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足小信號(hào)調(diào)制的要求，此時(shí)的透射率函數(shù)式應(yīng)展開成貝賽爾函數(shù)，即：實(shí)驗(yàn)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(hào)的幅度較大，奇次諧波不能忽略，因此，這時(shí)雖然工作點(diǎn)選在線性區(qū)，輸出波形仍失真。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.測(cè)定鈮酸鋰晶體的透過率曲線(即T~V曲線)，計(jì)算半波電壓。

晶體上只加直流電壓，不加交流信號(hào)，把直流電壓從小到大逐漸改變，輸出的光強(qiáng)將會(huì)出現(xiàn)極小值和極大值，相鄰極小值和極大值對(duì)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(qiáng)值。

實(shí)驗(yàn)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(jìn)而求晶體電光系數(shù)。2.用1/4波片改變工作點(diǎn)，觀察輸出特性。分別將靜態(tài)工作電壓固定于倍頻失真點(diǎn)、接收信號(hào)波形失真最小、接收信號(hào)波形幅度最大點(diǎn)，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(hào)波形的變化情況。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改變工作電壓，記錄相鄰兩次出現(xiàn)倍頻失真時(shí)對(duì)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(hào)，以及解調(diào)信號(hào)4.光迅通訊的演示注意事項(xiàng)