对晶体的电光效应数据细致分析和现象探讨.docx

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对晶体的电光效应数据细致分析和现象探讨

物理实验研究性报告

对晶体的电光效应数据细致分析和现象探讨

第一作者：

向雪

学号：

10041160

第二作者：

薛园园

学号：

10041161

第三作者：

李自超

学号：

10051183

对晶体的电光效应数据细致分析和现象探讨

一、实验原理

1.电光晶体和泡克尔斯效应

晶体在外电场作用下折射率会发生变化，这种现象称为电光效应。

通常将电场引起的折射率变化用下式表示，即

式中，a和b为与无关的常数，

为

时的折射率。

由一次项

引起的折射率变化效应称为一次电光效应，也称线性电光效应或泡尔克斯效应，也是我们在本次试验中主要研究和讨论的效应；由二次项

引起的折射率变化效应称为二次电光效应，也称为平方电光效应或克尔效应。

通常，一次效应要比二次效应显著。

泡尔克斯效应分为纵向电光效应和横向电光效应。

我们本次试验主要研究铌酸锂晶体的一次横向电光效应，用铌酸锂的横向调制装置测量晶体的半波电压及电光系数，并用两种方法改变调制器的工作点，观察相应的输出特性。

光在晶体中传播时，在不平行于光轴方向上，由于e光和o光传播速度不同，而出现不同折射率的现象叫做双折射现象，只有一个光轴的晶体叫做单轴晶体，铌酸锂晶体本来是单轴晶体，但在外加电场作用下，将变成双轴晶体，出现与双折射类似的结果，出射光可能为椭圆偏振光。

2.电光调制原理

在无线电通信中，为了把语言、音乐或图像等信息发送出去，总是通过表征电磁波特性的振幅、频率或相位受被传递信号的控制来实现的。

这种控制过程称为调制。

接收时，把需要的信号从调制信息中还原出来，叫做解调。

本实验采用强度调制。

即输出的激光辐射强度按照调制信号的规律变化。

铌酸锂晶体的横向光调制过程如下：

LN晶体横向电光调制器的结构如图2所示。

当光经过起偏器P后变成振动方向为OP的线偏振光，进入晶体（z=0）后被分解为沿x′和y′轴的两个分量，因为OP与x’轴、y’轴的夹角都是45º，所以位相和振幅都相等。

即

，于是入射光的强度为：

当光经过长为

的LN晶体后，x′和y′分量之间就产生位相差

，即：

从检偏器A（它只允许OA方向上振动的光通过）出射的光为

和

在OA轴上的投影之和

于是对应的输出光强为：

将输出光强与输入光强比较，再考虑上式，最后得到：

为透射率，它与外加电压V之间的关系曲线就是光强调制特性曲线。

本实验就是通过测量透过光强随加在晶体上电压的变化得到半波电压Vπ。

透过率与V的关系是非线性的，若不选择合适的工作点会使调制光强发生畸变，但在V=Vπ/2附近有一直线部分（即光强与电压成线性关系），这就是线性调制部分。

为此，我们在调制光路中插入一个λ/4波片，其光轴与OP成45º角，它可以使x′和y′两个分量间的位相有一个固定的π/2位相延迟，这时若外加电场是一个幅度变化不太大的周期变化电压，则输出光波的光强变化与调制信号成线性关系，即

其中V是外加电压，可以写成

，但是如果Vm太大，就会发生畸变，输出光强中将包含奇次高次谐波成份。

当

时

二、实验内容及操作详细流程

１．光路调节

（１）.光源准直的细调

在粗调等高共轴之前，先要确保激光光源的出射方向是与导轨严格平行的，这一步在许多光学实验中都会有，而且是极为关键的一步。

下面是具体方法：

①打开激光光源，将白屏放置在光具座上，用笔记录此时白屏上光点的位置

②从前向后移动白屏，通过调节激光的俯仰来调整白屏上光点的位置，使其始终在你所记录的位置

③从后向前移动白屏，重复上述操作，直至在导轨上的任何位置，白屏上光点的位置都不改变，此时激光束与导轨平行。

然后固定激光器的位置。

（2）.消光调节

①在第一步的基础上，在光源与白屏之间放入起偏器、检偏器、扩束镜、铌酸锂晶体，然后粗调等高共轴。

等高共轴调节也是所有光学实验中必备的环节，在调节等高共轴时，我个人认为比较有效的方法就是看反射光是否与入射光点重合，不重合的话就调节该仪器的位置，直至重合为止。

②取下扩束镜，旋转起偏器，使透过起偏器的光最强；旋转检偏器，使白屏上的光点最弱。

这时，起偏器与检偏器互相垂直，系统进入消光状态。

（３）.锥光干涉的观察

①紧靠晶体放上扩束镜，观察白屏上的图案，可观察到如右图所示的图案

②同时旋转起偏器和检偏器，直至暗十字与白屏上所画的十字图形重合，此时检偏器与起偏器正交

③仔细调整晶体的两个方位螺钉，使图案中心与原激光点的位置重合

④打开晶体驱动电源，将状态开关打开在直流状态，顺时针旋转电压调整旋钮，调高驱动电压，观察白屏上图案的变化。

此时将会观察到图案由一个中心分裂为两个中心，这是典型的会聚偏振光经过双轴晶体时的干涉图样，如右图所示。

2．电光调制器T-V工作曲线的测量

①缓慢调高直流驱动电压，并记录电压值和输出激光功率值，每50伏记录一次，到1000伏为止。

②在最大功率和最小功率附近减小电压间隔，每5伏记录一次

３．动态法观察调制器性能

①将驱动信号波形插座和接受信号插座分别与双踪示波器CH1和CH2通道连接，光电二极管换下光电池，光电二极管探头与信号输入插座连接

②将状态开关置于正弦波位置，幅度调节旋钮调至最大。

示波器置于双踪同时显示，以驱动信号波形为触发信号，正弦波频率约为1kHz

③旋转驱动电压调节旋钮，改变静态工作点，观察示波器上的波形变化。

记录接受信号波形失真最小、接收信号幅度最大以及出现倍频失真时的静态工作点电压。

4．旋转1/4波片观察输出特性

分别将静态工作点电压固定于倍频失真点、接收信号波形失真最小、接收信号波形幅度最大点，在起偏器与铌酸锂晶体之间放入1/4波片。

旋转1/4波片，观察接收信号波形的变化情况，分别记录出现倍频失真时对应1/4波片上的转角。

在上述步骤的基础上，改变工作电压，记录相邻两次出现倍频失真时对应的工作电压之差即为半波电压。

5.用相位补偿测量晶体快慢轴相位差

本实验测的是1/4波片的快慢轴间的相位差

转过角度

输出波形特点

86°

线性调制

175°

倍频失真

264°

线性调制

355°

倍频失真

在实验中，去掉晶体上所加的直流偏压，把1/4波片置入晶体和偏振片之间，绕光轴缓慢旋转时，可以看到输出信号随着发生变化，其现象与改变直流偏压效果相同：

根据数学推导，光强透过率为：

与前面的公式类比，可发现式中的

即相当于原先公式中的“

”。

在从倍频失真到线性调制的过程中，由于1/4波片旋转了90°，透射光相位改变了

（o光转化为e光或相反），而相应的“

”改变了

/2，故有：

即1/4波片的

。

三、现象观察：

１.信号波形失真最小

未加１／４波片前，信号波形失真最小电压为３７０Ｖ，加１／４波片后，旋转８９度可从一次倍频失真到第二次倍频失真。

２.接收信号幅度最大

未加１／４波片前，接收信号幅度最大电压为４０８Ｖ，加１／４波片后，旋转９３度可从一次倍频失真到第二次倍频失真。

３．倍频失真

未加１／４波片前，倍频失真时的电压为７４７Ｖ，加１／４波片后，旋转９５度可从一次倍频失真到第二次倍频失真。

四、数据处理

1.T-V曲线测量

（1）原始数据记录：

电压/V

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

功率/mW

0.316

0.3

0.296

0.297

0.303

0.316

0.356

0.366

0.397

0.432

0.464

电压/V

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

功率/mW

0.501

0.549

0.576

0.621

0.626

0.619

0.593

0.581

0.573

0.562

（2）曲线图

2.用两种方法计算铌酸锂晶体横向调制的半波电压和电光系数

（1）极值法测定半波电压

V在100-150V之间取最小值，在700-750V之间取最大值，分别在这两个区域每隔5V测量一次，将测量结果记录并绘制图像如下：

电压/V

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

功率/mW

0.296

0.293

0.289

0.291

0.292

0.291

0.294

0.295

0.295

0.298

0.3

图像：

极大值区域数值记录及图像

电压/V

700

705

710

715

720

725

730

735

740

745

750

功率/mW

0.619

0.621

0.621

0.623

0.625

0.627

0.629

0.629

0.631

0.628

0.626

图像：

比较数据可知，极大值

最小值

理论半波电压为：

相对误差：

铌酸锂晶体的基本物理量为：

5mm

30mm

632.8nm

2.286

由晶体基本物理量关系式，可得：

相对误差：

（2）调制法测定半波电压

加上1/4波片后，第一次倍频失真的对应电压为277V，第二次倍频失真对应的电压为936V

相对误差：

由此半波电压可计算得相应的光电系数为：

相对误差：

五、误差分析

1.输出波形产生畸变的原因

根据数学推导可得，光强透过率：

（1）当

时，工作点落在线性工作区的中部，将

代入得：

这时，调制器输出的波形和调制信号的频率相同，即线性调制。

（2）当

或

，

时，同理可得

，这时输出光的频率是调制信号的两倍，即产生“倍频”失真。

２．关于极小值非0V的讨论

根据理论计算，当V=0V时，T应当为0，得最小值。

而在实验得到的T-V图中，当V=0VT不为零，且极小值也不处于V=0。

现从一下三方面分析原因：

操作方面：

调试两个偏振片时，没有做到起偏方向完全垂直，导致极小点偏离V=0。

仪器方面：

在调解时发现，即使前后两个偏振片非常逼近垂直，还是有一定的光线透过，没有做到完全消光，因而T的极小值大于0。

即偏振片工艺精度不足。

原理方面：

实验时最小点偏离0点100V左右，偏振片的消光原因应该不足以引起如此大的偏离。

故主要原因可能是在外加电压小于100V时，工作点落在了线性区域以外。

六、实验后思考题：

1.铌酸锂在施加电场前后有什么不同？

是否都存在双折射现象？

答：

铌酸锂在未施加电场时是单轴晶体，不存在双折射，施加电场后铌酸锂为双轴晶体，存在双折射。

2.为什么1/4波片也可以改变电光晶体的工作点？

答：

1/4波片是一块具有特定厚度的双轴晶体，光线透过1/4波片后会分解为o光和e光，两者的相位差为

。

将1/4波片引起的相位差考虑之后可得光强透过率：

当起始光偏振方向垂直于1/4波片的光轴时，透射光全为o光，此时

=0，代入上式可得：

此时调制器输出的波形和调制信号的频率相同，即线性调制。

旋转1/4波片，当起始光偏振方向平行于1/4波片的光轴时，透射光全为e光，此时

，代入上式可得：

这时输出光的频率是调制信号的两倍，即产生“倍频”失真。

因此，旋转1/4波片可以改变电光晶体的工作点。

3.半波电压如何测量？

本试验有几种测量的方法？

操作有什么特点？

答：

本实验有两种方法测量半波电压，一种是调制法测定半波电压，一种是极值法测定半波电压。

其特点为：

前者是通过示波器观察输入输出波形特点来测定半波电压，后者是通过检测透射光强的极大值和极小值来测定半波电压。

其中，调制法的测量精度更高。