物理實驗晶體的電光效應(yīng)

實驗?zāi)康?1)掌握晶體電光調(diào)制的原理和實驗方法(2)學(xué)會測量晶體半波電壓、電光常數(shù)的實驗方法(3)了解一種激光通信的方法第一頁第二頁，共25頁。實驗原理

一·一次電光效應(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)。通常可將電場引起的折射率的變化用下式表示：

n=n0+aE0+bE02+……式中a和b為常數(shù)，n0為不加電場是晶體的折射率。第二頁第三頁，共25頁。一次項aE0引起的折射率變化的效應(yīng)，稱為一次電光效應(yīng)，也稱線性電光效應(yīng)或普克爾效應(yīng)；由二次項bE02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)或克爾效應(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。第三頁第四頁，共25頁。如圖，通常用折射率球來描述折射率于光的傳播方向、振動方向的關(guān)系，在主軸坐標(biāo)中，折射率橢球及其方程為:

x3x2x1第四頁第五頁，共25頁。式中n1，n2，n3為橢圓球三個主軸方向上的折射率，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，橢球方程變成第五頁第六頁，共25頁。

晶體的第一次電光效應(yīng)分為縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)兩種。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。第六頁第七頁，共25頁。二、電光調(diào)制原理

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。第七頁第八頁，共25頁。

因為激光實際上只起“攜帶”低頻信號作用，所以稱為載波，而起控制作用的低頻信號時我們所需的，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。激光調(diào)制之所以常采用強(qiáng)度調(diào)制形式，主要是因為光接收器一般都是直接地響應(yīng)其所接收的光強(qiáng)度變化的緣故。第八頁第九頁，共25頁。

激光調(diào)制的方法有很多，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，一幫采用電光調(diào)制，電光調(diào)制根據(jù)所施加的電場方向的不同，分為縱向電光調(diào)制和橫向電光調(diào)制。有KDP晶體縱調(diào)制和鈮酸鋰晶體橫調(diào)制兩種經(jīng)典的調(diào)制，本實驗采用鈮酸鋰晶體橫調(diào)制。第九頁第十頁，共25頁。電光效應(yīng)引起的相位差Γ正比于電場的強(qiáng)度E和作用距離L（即晶體沿光軸Z的厚度）的乘積EL，E正比與電壓V，反比于電極間距離d，因此Γ~LV/d鈮酸鋰晶體具有很高的的電光系數(shù)，γ=30.8×10-12m/v,常常用來做成橫制器。為單軸負(fù)晶體。nx=ny=n0=2.297,nz=ne=2.208第十頁第十一頁，共25頁。令電場強(qiáng)度為E=Ez,代入得電場感生的法線橢球方程式：其中第十一頁第十二頁，共25頁。應(yīng)注意在這一情況下電場感生坐標(biāo)系和主軸坐標(biāo)系一致，仍然為單軸晶體，但尋常光和非常光的折射率都受到外電場的調(diào)制。設(shè)入射線偏振光沿xz的角平分線方向振動，兩個本征態(tài)x和z分量的折射率差為：第十二頁第十三頁，共25頁。

當(dāng)晶體的厚度為L，則射出晶體后光波的兩個本征態(tài)的相位差為：上式說明在橫調(diào)制情況下，相位差由兩部分構(gòu)成：晶體的自然雙折射部分（式中第一項）及電光雙折射部分（式中第二項）。通常使自然雙折射項等于π/2的整數(shù)倍。第十三頁第十四頁，共25頁。橫調(diào)制器件的半波電壓為我們用到關(guān)系式E=V/d。由上式可知半波電壓Vπ與晶體長度比L/d成反比。因而可以通過加大器件的長度比V/d來減小Vπ第十四頁第十五頁，共25頁。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)制晶體組件器偏起組件檢偏器組件第十五頁第十六頁，共25頁。第十六頁第十七頁，共25頁。第十七頁第十八頁，共25頁。實驗內(nèi)容（1）測定鈮酸鋰晶體的透過率曲線（即T~U曲線），計算半波電壓Uπ。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)得直流電壓之差既是半波電壓Uπ。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，再讀出相應(yīng)的光強(qiáng)值，數(shù)據(jù)填入表。第十八頁第十九頁，共25頁。

(2)觀察電光調(diào)制箱內(nèi)置波形信號，以及解調(diào)信號實驗光路如圖。（3）用1/4波片改變工作點，觀察輸出特性。（4）光通訊的演示。第十九頁第二十頁，共25頁。第二十頁第二十一頁，共25頁。兩極值的差Uπ=0.55-0.29=0.26v第二十一頁第二十二頁，共25頁。注意事項（1）He-Ne激光管出光時，電極上所加的直流高壓，要注意人身安全。（2）晶體又細(xì)又長，容易折斷，晶體電極上面的鋁條不能壓的太緊或給晶體施加壓力，以免壓斷晶體。（3）電源的旋鈕順時針方向為增益加大的方向，因此，電源開關(guān)打開前，所以旋鈕應(yīng)該逆時針方向旋轉(zhuǎn)到頭，關(guān)儀器錢，所有旋鈕逆時針方向旋轉(zhuǎn)到頭后再關(guān)電源。第二十二頁第二十三頁，共25頁。感想這個實驗需要有耐心和一定