Transcript 物理实验晶体的电光效应
晶体的电光效应 班级：电科091 姓名：贺维康 学号：09461112 实验目的 (1)掌握晶体电光调制的原理和实验方法。 (2)学会测量晶体半波电压、电光常数的实验 方法。 (3)了解一种激光通信的方法。 实验原理 一、一次电光效应和晶体的折射率椭球 由电场所引起的晶体折射率的变化，称 为电光效应。通常可将电场引起的折射率 的变化用下式表示： n=n0 +aE0 +bE02+…… 式中a和b为常数，n0为不加电场时晶体的折 射率。由一次项aE0引起折射率变化的效应， 称为一次电光效应，也称为线性电光效应 或普克尔(Pokells)效应； 由二次项bE02引起折射率变化的效应， 称为二次电光效应，也称平方电光效应或 克尔(Kerr)效应。一次电光效应存在于不具 有对称中心的晶体中，二次电光效应则可 能存在于任何物质中，一次效应要比二次 效应显著。 光在各向异性晶体中传播时，因光的传播方 向不同，光的折射率也不同。 通常用折射率球来描述 折射率球来描述折射 率与光的传播方向、 振动方向的光系，在 主轴坐标中，折射率 椭球及其方程为： z 2 2 n3 2 x y z 2 2 1 2 n1 n2 n3 n2 y 式中n1,n2,n3为椭球三 个主轴方向上的折射 率，称为主折射率 n1 x 当晶体加上电场后，折射率椭球的形状、大 小、方向都发生变化，椭球方程变为： x 2 y 2 z 2 2 yz 2 xz 2 xy 2 2 2 2 2 1 2 n11 n 22 n33 n 23 n13 n12 晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和 横向电光效应两种。纵向电光效应是加在晶体 上的电场方向与光在晶体里传播的方向平行时 产生的电光效应；横向电光效应是加在晶体上 的电场方向与光在晶体里传播的方向垂直时产 生的电光效应。 二、电光调制原理 KDP晶体纵调制 设电光晶体是与xy平行的晶片，沿z方向 的厚度为L，在z方向加电压(纵调制)，在输入 端放一个与x方向平行的起偏振器，入射光波 沿z方向传播，且沿x方向偏振，射入晶体后， , 它分解成 方向的偏振光，射出晶体后的偏 振态由下式表示： Jˆ 1 ei( / 2) i ( / 2 ) 2 e 首先进行坐标变换，得到xy坐标系内琼斯 矩阵的表达式： π ˆ 1 1 1 e i ( / 2 ) cos ( / 2 ) i ( / 2 ) R ( ) J 4 2 1 1 e i sin( / 2 ) 如果在输出端放一个与y平行的偏振器，就 构成泡克耳斯盒。由检偏器输出的光波琼斯矩 阵为： 0 0 0 cos( / 2 ) （15.1） ˆ J , xy 1 1 i sin( / 2 ) i sin( / 2 ) 电光介质获得的相位差，由г=πv/vπ，式 (15.1)表示输出光波是沿y方向的线偏振光 其光强为: I0 2 v I (1 cos ) I 0 sin ( ) 2 2 v ， 上式说明光强收到外加电压的调制，称振 , 幅调制，I0为光强的幅值，当V=Vπ时，I =I0 铌酸锂晶体横调制 纵调制器件的调制度近似Гm，而与光 波在晶体中传播的距离无关。这是纵调 制的重要特性。纵调制器也有一些缺点。 首先，大部分重要的电光晶体的半波电 压Vπ都很高。由于Vπ与λ成正比，当光 源波长较大时（例如 10.6μm）， Vπ更 高，使控制电路的成本大大增加，电路 体积和重量都很大。其次，为了沿光轴 加电场，必须使用透明电极，或带中心 孔的环形金属电极。前者制作困难，扎 入损耗较大；后者引起晶体电场不均匀。 解决上述问题的方案之一，是采用横调 制。 ： 其中令电场强度为E=Ez,代入得电场感生的法 线椭球方程式 2 2 2 x y z 2 2 1 2 nx ny nz 1 3 nx n y n 0 n0 13 E z 2 3 nz ne ne 33 E z 应注意在这一情况下电场感生坐标系和 主轴坐标系一致，仍然为单轴晶体，但寻 常光和非常光的折射率都受到外电场的调 制。设入射线偏振光沿xz的角平分线方向 振动，两个本征态x和z分量的折射率差为 1 3 3 n x n z ( n0 ne ) ( n0 13 ne 33 ) E 2 当晶体的厚度为L，则射出晶体后光波 的两个本征态的相位差为 2 2 2 n0 13 ne 33 (nx nz ) L ( n0 ne ) L EL 0 0 0 2 3 3 上式说明在横调制情况下，相位差由两 部分构成：晶体的自然双折射部分（式中 第一项）及电光双折射部分（式中第二 项）。通常使自然双折射项等于π/2的整数 倍。 横调制器件的半波电压为 d 0 V 3 3 L ne 33 n0 13 我们用到关系式E=V/d。由上式可知半波 电压Vπ与晶体长度比L/d成反比。因而可以 通过加大器件的长度比V/d来减小Vπ 改变直流偏压对输出特性的影响 (1) 当U0=Uπ/2, Um<<Uπ时，将工作点选定 在线性工作区的中心处，此时可获得较高 效率的线性调制。 当Um<<Uπ时，这时调制器输出的信号和 调制信号虽然振幅不同，但是两者的频率 却是相同的，输出信号不失真，我们称为 线性调制。 (2) 当U0=0时，输出信号的频率是调制信号 频率的二倍，即产生“倍频”失真。 (3) 直流偏压U0在0伏附近或在Uπ附近变化时， 由于工作点不在线性工作区，输出波形将 失真。 (4) 当U0=Uπ/2, Um>Uπ时，调制器的工作 点虽然选定在线性工作区的中心，但不满 足小信号调制的要求。因此，工作点虽然 选定在了线性区，输出波形仍然是失真的 上面分析说明电光调制器中直流偏压的作 , , 用主要是在使晶体中x ,y 两偏振方向的光之间 产生固定的位相差，从而使正弦调制工作在光 强调制曲线上的不同点。直流偏压的作用可以 用λ/4波片濑实现 实验器材 电光调制电源组件，光接收放大器组件，HeNe激光器组件，电光调制晶体组件，起偏器 组件，检偏器组件 实验内容 (1) 测定铌酸锂晶体的透过率曲线(即T~U曲 线)，计算半波电压Uπ。 晶体上只加直流电压，不加交流信号，把直流 电压从小到大逐渐改变，输出的光强将会出现 极小值和极大值，相邻极小值和极大值对应的 直流电压之差即是半波电压Uπ。加在晶体上的 电压在电源面板上的数字表读出，每隔5v增大 一次，在读出相应的光强值。 以T为纵坐标，U为横坐标，画出T~U关系曲 线，确定半波电压Ux的数值。 (2) 观察电光调制箱内置波形信号，以及解调 信号； (3) 用1/ 4波片改变工作点，观察输出特性； (4) 光通讯的演示； 实验心得 本次实验在调节仪器上似乎没有多大问题 。在调节偏振片上没有十分完善，毕竟理论与 实际还是有很大差距的。 在晶体上加上电压以后发现改变电压对读 数影响很小，起先我们认为是精确度太低，所 以调节了测光强的精度。 最后得出一组数据 偏压（U/v）0 、50、100、150、200、250、 300、350、400、450、500、550、600 光强（mV）0.32、0.3、0.29、0.29、0.3、 0.32、0.4、0.37、0.41、0.44、0.47、0.51. 并由此得出曲线图，由于实验仪器所能达到最 大偏压是600V，T~U曲线中600V以后的曲线 是估算出来的，并且最大值在800V左右。 那么Utt=800V-100V=700V 注意事项 (1) He-Ne激光管出光时，电极上所加的直 流高压，要注意人身安全。 (2) 晶体又细又长，容易折断，晶体电极上 面的铝条不能压的太紧或给晶体施加压力，以 免压断晶体。 (3) 电源的旋钮顺时值方向为增益加大的方 向，因此，电源开关打开前，所有旋钮应该逆 时针方向旋转到头，关仪器前，所有旋钮逆时 针方向旋转到头后再关电源 谢谢！