電光效應(yīng)實驗報告

1、晶體的電光效應(yīng)實驗報告現(xiàn)代測控系統(tǒng)集成設(shè)計報告晶體的電光效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)實驗姓名：趙明學(xué)號：3112079008班級：碩2022專業(yè)：測試計量技術(shù)與儀器報告日期：2013年1月3日目錄一、實驗原理1二、儀器介紹7三、實驗內(nèi)容9四、數(shù)據(jù)處理11五、注意事項12一、實驗原理某些晶體在外加電場中，隨著電場強(qiáng)度E的改變，晶體的折射率會發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。通常將電場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E0=0時的折射率。由一次項aE0引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)或普克爾電光效應(yīng)（pokells）；由二次項引起折射率變化的效應(yīng)，稱為二次電光效應(yīng)，也

2、稱平方電光效應(yīng)或克爾效應(yīng)（kerr）。由（1）式可知，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，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。通常用折射率橢球來描述折射率與光的傳播方向、振動方向的關(guān)系，在主軸坐標(biāo)中，折射率橢球方程為：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。如圖一所示，當(dāng)晶體上加上電場后，折射率橢球的形狀、大小、方位都發(fā)生變化，橢球的方程變?yōu)?圖一 晶體折射率橢球只考慮一次電光效應(yīng)，上式與式（2）相應(yīng)項的系數(shù)之差和電場強(qiáng)度的一次方成正比。由于晶體

3、的各向異性，電場在x、y、z各個方向上的分量對橢球方程的各個系數(shù)的影響是不同的，我們用下列形式表示：上式是晶體一次電光效應(yīng)的普遍表達(dá)式，式中ij叫做電光系數(shù) (i=1,2,6;j=1,2,3)，共有18個，EX、EY、EZ是電場E在x、y、z方向上的分量。式（4）可寫成矩陣形式：電光效應(yīng)根據(jù)施加的電場方向與通光方向相對關(guān)系，可分為縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)。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。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。把加在晶體上的電場方向與光在晶體中的傳播方向平行時產(chǎn)生的電光效應(yīng)，稱為縱向電光效應(yīng)，通常以KDP類型晶

4、體為代表。加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播方向垂直時產(chǎn)生的電光效應(yīng)，稱為橫向電光效應(yīng) ，以晶體為代表。LiNbo3這次實驗中，我們只做晶體的橫向電光強(qiáng)度調(diào)制實驗。我們采用對LN晶體橫向施加電場的方式來研究LiNbO3晶體的電光效應(yīng)。其中，晶體被加工成5530mm3的長條，光軸沿長軸通光方向，在兩側(cè)鍍有導(dǎo)電電極，以便施加均勻的電場。鈮酸鋰晶體是負(fù)單軸晶體，即nx=ny=n0、nzne 。式中和分別為晶體的尋常光和非尋常光的折射率。加上電場后折射率橢球發(fā)生畸變，對于3m類晶體，由于晶體的對稱性，電光系數(shù)矩陣形式為當(dāng)X軸方向加電場，光沿Z軸方向傳播時，晶體由單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體，垂直于光軸Z方向

5、折射率橢球截面由圓變?yōu)闄E圓，此橢圓方程為：進(jìn)行主軸變換后得到：考慮到n2022Ex1，經(jīng)化簡得到當(dāng) X 軸方向加電場時，新折射率橢球繞 Z 軸轉(zhuǎn)動45o圖三為典型的利用LiNbo3晶體橫向電光效應(yīng)原理的激光強(qiáng)度調(diào)制器。圖三 晶體橫向電光效應(yīng)原理圖其中起偏器的偏振方向平行于電光晶體的X軸，檢偏器的偏振方向平行于Y軸。因此入射光經(jīng)起偏器后變?yōu)檎駝臃较蚱叫杏赬軸的線偏振光，它在晶體的感應(yīng)軸X和軸Y上的投影的振幅和位相均相等，設(shè)分別為或用復(fù)振幅的表示方法，將位于晶體表面（z=0）的光波表示為所以,入射光的強(qiáng)度是當(dāng)光通過長為l的電光晶體后， X和Y兩分量之間就產(chǎn)生位相差，即通過檢偏器出射的光，是這兩分量

6、在Y軸上的投影之和其對應(yīng)的輸出光強(qiáng)I1，可寫成由（13）、（16）式，光強(qiáng)透過率T由此可見，和V有關(guān)，當(dāng)電壓增加到某一值時，X、Y方向的偏振光經(jīng)過晶體后產(chǎn)生/2的光程差，位相差=，T=100%，這一電壓叫半波電壓，通常用V或V/2表示。 V是描述晶體電光效應(yīng)的重要參數(shù)，在實驗中，這個電壓越小越好，如果V小，需要的調(diào)制信號電壓也小，根據(jù)半波電壓值，我們可以估計出電光效應(yīng)控制透過強(qiáng)度所需電壓。由（17）式由（17）、（18）式因此，將（16）式改寫成其中V0是直流偏壓，Vmsint是交流調(diào)制信號，Vm是其振幅，是調(diào)制頻率，從（20）式可以看出，改變V0或Vm輸出特性，透過率將相應(yīng)的發(fā)生變化。由于對

7、單色光，n0322/為常數(shù)，因而T將僅隨晶體上所加電壓變化，如圖四所示，T與V的關(guān)系是非線性的，若工作點選擇不適合，會使輸出信號發(fā)生畸變。但在V/2附近有一近似直線部分，這一直線部分稱作線性工作區(qū)，由上式可以看出：當(dāng)V=V/2時，=/2，T=50%。圖三 T與V的關(guān)系曲線圖1 改變直流偏壓選擇工作點對輸出特性的影響將工作點選定在線性工作區(qū)的中心處,此時,可獲得較高頻率的線性調(diào)制，把02mV0=Vm/2代入（14）式，得即TsinVmt。這時，調(diào)制器輸出的波形和調(diào)制信號波形的頻率相同，即線性調(diào)制。調(diào)制器的工作點雖然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足小信號調(diào)制的要求，（21）式不能寫成公式（22）的

8、形式，此時的透射率函數(shù)（21）應(yīng)展開成貝賽爾函數(shù)，即由（21）式由（23）式可以看出，輸出的光束除包含交流的基波外，還含有奇次諧波。此時，調(diào)制信號的幅度較大，奇次諧波不能忽略。因此，這時雖然工作點選定在線性區(qū)，輸出波形仍然失真。即Tcos 2t。從（24）式可以看出，輸出光是調(diào)制信號頻率的二倍，即產(chǎn)生“倍頻”失真。若把V0=V代入（20）式，經(jīng)類似的推導(dǎo)，可得即Tcost“倍頻”失真。這時看到的仍是“倍頻”失真的波形。 （4）直流偏壓V0在零伏附近或在V附近變化時，由于工作點不在線性工作區(qū)，輸出波形將分別出現(xiàn)上下失真。綜上所述，電光調(diào)制是利用晶體的雙折射現(xiàn)象，將入射的線偏振光分解成o光和e光，

9、利用晶體的電光效應(yīng)由電信號改變晶體的折射率，從而控制兩個振動分量形成的像差，在利用光的相干原理兩束光疊加，從而實現(xiàn)光強(qiáng)度的調(diào)制。二、儀器介紹實驗設(shè)備：1光學(xué)實驗導(dǎo)軌 800mm 1 根 2導(dǎo)軌滑塊 6 個 3二維可調(diào)半導(dǎo)體激光器 650nm 4mW 1 套 4激光功率指示計 1 套 5偏振片 2 套 61/4波片 1 套 7三維可調(diào)電光晶體附件+驅(qū)動電源（0-1500V） 1 套 8二維可調(diào)擴(kuò)束鏡 1 套 9二維可調(diào)光電二極管探頭 1 套 10白屏 1 個功能介紹主機(jī)箱“JTDG1110晶體驅(qū)動電源”主要功能為晶體驅(qū)動電壓的輸出與輸出電壓的指示、狀態(tài)的切換、被調(diào)制信號的接受與放大和還原。各面板

10、元器件作用與功能如下：1表頭 ：3位半數(shù)字表頭，用于指示晶體驅(qū)動電壓的大小，當(dāng)狀態(tài)旋鈕打在正弦波或音頻輸入位置時，顯示值為近似平均值。2電源開關(guān)：主機(jī)的電源開關(guān)（220VAC）。3驅(qū)動電壓旋鈕：多圈。用于調(diào)節(jié)加在晶體上的直流電壓。4輸出及波形插座：9插座，其中輸出插座為高壓插座，使用時應(yīng)與晶體附件連接，波形插座輸出驅(qū)動波形，一般與示波器1通道連接5狀態(tài)旋鈕：3擋波段開關(guān)，用于選擇不同的驅(qū)動模式。其中“直流”狀態(tài)為主機(jī)輸出一大小可調(diào)的直流電壓。“正弦波”狀態(tài)為主機(jī)輸出一疊加在直流電壓上的正弦波信號。直流電壓的大小可由驅(qū)動電壓旋鈕調(diào)節(jié)，正弦波的幅度可由幅度調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)。音頻輸入狀態(tài)可將一外接音頻信

11、號疊加在直流電壓上，用于驅(qū)動晶體。6音頻輸入插座：3.5mm耳機(jī)插座，用于輸入音頻信號。7幅度調(diào)節(jié)旋鈕：用于調(diào)節(jié)正弦波的幅度。8光電接收及波形插座：Q9插座，光電接收接光電二極管，波形接示波器2通道，觀察光信號的波形。9揚(yáng)聲器開光：用于控制內(nèi)置揚(yáng)聲器的開和關(guān)。在主機(jī)后面板上。三、實驗內(nèi)容1. 驗證LN晶體在自然狀態(tài)下的單軸晶體特性和施加電壓后晶體變?yōu)殡p軸晶體的情況。即在電場作用下LN晶體由一個單軸晶體變化為雙軸晶體的過程。采用會聚偏振光的干涉圖像來直觀地對其進(jìn)行觀察。實驗步驟如下：1）將半導(dǎo)體激光器、起偏器、擴(kuò)束鏡、LN晶體、檢偏器、白屏依次擺放，使擴(kuò)束鏡緊靠LN晶體。2）分別接連好半導(dǎo)體激光

12、器電源（在激光功率指示計后面板上）和晶體驅(qū)動電源（千萬不可插錯位） 將驅(qū)動電壓旋鈕逆時針旋至最低。3）打開激光功率指示計電源，激光器亮。調(diào)整激光器的方向和各附件的高低，使各光學(xué)元件盡量同軸且與光束垂直，旋轉(zhuǎn)起偏器，使透過起偏器的光盡量強(qiáng)一些（因半導(dǎo)體激光器的輸出光為部分偏振光）4）觀察白屏上的圖案并轉(zhuǎn)動檢偏器觀察圖案的變化，應(yīng)可觀察到由十字亮線或暗線和環(huán)形線組成的圖案。這種圖案是典型的會聚偏振光穿過單軸晶體后形成的干涉圖案，如圖四所示。5）旋轉(zhuǎn)起偏器和檢偏器，使其兩個相互平行，此時所出現(xiàn)的單軸錐光圖與偏振片垂直時是互補(bǔ)的。如圖五所示6）打開晶體驅(qū)動電源，將狀態(tài)開關(guān)打在直流狀態(tài)，順時針旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)

13、整旋鈕，調(diào)高驅(qū)動電壓，觀察白屏上圖案的變化。將會觀察到圖案由一個中心分裂為兩個心，這是典型的會聚偏振光經(jīng)過雙軸晶體時的干涉圖案。如圖六所示。2. 理解LN晶體的電光特性和參數(shù)的含義，實驗步驟如下：1）將上個實驗中的擴(kuò)束鏡和LN晶體取下，使系統(tǒng)按激光器、起偏器、檢偏器、白屏排列。2）打開激光功率指示計電源，調(diào)整系統(tǒng)光路，使光學(xué)元件盡量與激光束等高、同軸、垂直。3）旋轉(zhuǎn)起偏器、使透過起偏器的光盡量強(qiáng)一些，旋轉(zhuǎn)檢偏器使白屏上的光點盡量弱。這時起偏器與檢偏器相互垂直，系統(tǒng)進(jìn)入消光的狀態(tài)。4）將LN晶體放置于起偏器與檢偏器之間，調(diào)整其高度和方向盡量使LN晶體與光束同軸。5）將晶體驅(qū)動電源的電壓調(diào)至最低，

14、狀態(tài)開關(guān)打到直流狀態(tài)，觀察白屏上的光斑亮度。仔細(xì)調(diào)整LN晶體的角度和方位，盡量使白屏上的激光光斑最暗（理論上講，LN晶體的加入應(yīng)對系統(tǒng)的消光狀態(tài)無影響，但由于LN晶體本身固有的缺陷和激光光束的品質(zhì)問題，系統(tǒng)消光狀態(tài)將會變化）。6）取下白屏換上激光功率計探頭，記下此時的光功率值Pmin7）順時針旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)整旋鈕，緩慢調(diào)高驅(qū)動電壓，并記錄下電壓值和激光功率值，可每50V 記錄一次。特別注意記錄最大功率值Pmax和對應(yīng)的電壓值V/28）根據(jù)上兩步記錄的數(shù)據(jù)，求出系統(tǒng)消光比M= Pmax / Pmin 和半波電壓V/2畫出電壓與輸入功率的對應(yīng)曲線(可在全部實驗結(jié)束后進(jìn)行)。9）取下LN晶體旋轉(zhuǎn)檢偏器，

15、記錄下系統(tǒng)輸出最大的光功率Po，計算LN晶體的透過率T。T= Pmax / Po消光比M 、透過率T、半波電壓V/2是表征電光晶體品質(zhì)的三個重要特征參量。3. 理解靜態(tài)工作點對調(diào)制波形的影響。通過上一個實驗所繪制的曲線，我們看到電壓與輸出光強(qiáng)的關(guān)系并不是完全線性的，只是在二分之一V/2處是近似線性的。響應(yīng)的非線性就會在調(diào)制時產(chǎn)生一個信號波形失真的問題，如果一個正弦驅(qū)動信號的靜態(tài)工作點在0或V/2處，還會出現(xiàn)信號被倍頻現(xiàn)象。這就要求我們在使電光晶體工作時找到一個好的靜態(tài)工作點，以使波形失真最小且最靈敏。靜態(tài)工作點的設(shè)置有多種方案，可以是電學(xué)的也可是光學(xué)的。以下實驗是為了觀察靜態(tài)工作點對輸出波形的

16、影響，實驗步驟與光路如下：1）將上一個實驗電路中的功率指示計探頭取下，換上光電二極管探頭，使系統(tǒng)光路按半導(dǎo)體激光器、起偏器、LN晶體、檢偏器、光電二極管探頭順序排列。2）將驅(qū)動信號波形插座和接受信號波形插座分別與雙蹤示波器CH1和CH2通道連接，光電二極管探頭與信號輸入插座連接。3）將狀態(tài)開關(guān)置于正弦波位置，幅度調(diào)節(jié)鈕旋至最大。4）示波器置于雙蹤同時顯示，以驅(qū)動信號波形為觸發(fā)信號，正弦波頻率約為1KHZ。5）旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)節(jié)旋鈕改變靜態(tài)工作點，觀察示波器上的波形變化。特別注意，接收信號波形失真最小、接受信號幅度最大，出現(xiàn)倍頻失真時的靜態(tài)工作點電壓。對照上一個實驗中的曲線圖，理解靜態(tài)工作點對調(diào)制波形

17、的影響。6）在起偏器與LN晶體間放入1/4波片。分別將靜態(tài)工作電壓置于倍頻失真點、接收信號波形失真最小、接收信號波形幅度最大點（參考上一步驟的參數(shù)），旋轉(zhuǎn)/4波片，觀察接收波形的變化情況，體會1/4波形對靜點的影響和作用。7）因音頻信號的調(diào)制與傳輸。將音頻信號接入音頻插座，狀態(tài)開關(guān)置于音頻狀態(tài)。觀察示波器上的波形，打開后面的喇叭開關(guān)，監(jiān)聽音頻調(diào)制與傳輸效果。四、數(shù)據(jù)處理 光功率最小值Pmin=0.051mW 最大功率值 Pmax=1.228mW 最大功率時對應(yīng)的電壓值 V=760V 系統(tǒng)消光比M= Pmax / Pmin=1.228mW/0.051mW=24.078 半波電壓 V/2=760V/2=380V LN晶體的透過率T= Pmax/ Po=1.228mW/2.36mW=52.03% 驅(qū)動電壓與輸出功率的實驗數(shù)據(jù)驅(qū)動電壓P(V)050100150200250輸出功u(Mw)0.0510.0700.1080.1680.2550.3593003504004505005506000.4780.6120.7510.8680.9961.0881.1586507007507608001.1881.2061.2211.2281.200 驅(qū)動電壓與輸出光功率的對應(yīng)關(guān)系曲線（P-u）五、注意事項（1）本裝置中使用的半導(dǎo)體激光器輸出的光是部分偏