對晶體電光效應(yīng)數(shù)據(jù)細(xì)致分析和現(xiàn)象探討

1、物理實(shí)驗研究性報告物理實(shí)驗研究性報告對晶體的電光效應(yīng)數(shù)據(jù)細(xì)致分析和現(xiàn)象探討第一作者：向雪學(xué)號：10041160第二作者：薛園園學(xué)號：10041161第三作者：李自超學(xué)號：10051183目錄目錄2對晶體的電光效應(yīng)數(shù)據(jù)細(xì)致分析和現(xiàn)象探討3一、實(shí)驗原理31.電光晶體和泡克爾斯效應(yīng)32.電光調(diào)制原理3二、實(shí)驗內(nèi)容及操作詳細(xì)流程5光路調(diào)節(jié)52電光調(diào)制器T-V工作曲線的測量6動態(tài)法觀察調(diào)制器性能64旋轉(zhuǎn)1/4波片觀察輸出特性65.用相位補(bǔ)償測量晶體快慢軸相位差7三、現(xiàn)象觀察：8.信號波形失真最小8.接收信號幅度最大9倍頻失真9四、數(shù)據(jù)處理101.T-V曲線測量102.用兩種方法計算鈮酸鋰晶體橫向調(diào)制的半

2、波電壓和電光系數(shù)10五、誤差分析121.輸出波形產(chǎn)生畸變的原因12關(guān)于極小值非0V的討論13六、實(shí)驗后思考題：13對晶體的電光效應(yīng)數(shù)據(jù)細(xì)致分析和現(xiàn)象探討一、實(shí)驗原理1.電光晶體和泡克爾斯效應(yīng)晶體在外電場作用下折射率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。通常將電場引起的折射率變化用下式表示，即式中，a和b為與無關(guān)的常數(shù)，為時的折射率。由一次項引起的折射率變化效應(yīng)稱為一次電光效應(yīng)，也稱線性電光效應(yīng)或泡爾克斯效應(yīng)，也是我們在本次試驗中主要研究和討論的效應(yīng)；由二次項引起的折射率變化效應(yīng)稱為二次電光效應(yīng)，也稱為平方電光效應(yīng)或克爾效應(yīng)。通常，一次效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯著。泡爾克斯效應(yīng)分為縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)

3、。我們本次試驗主要研究鈮酸鋰晶體的一次橫向電光效應(yīng)，用鈮酸鋰的橫向調(diào)制裝置測量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。光在晶體中傳播時，在不平行于光軸方向上，由于e光和o光傳播速度不同，而出現(xiàn)不同折射率的現(xiàn)象叫做雙折射現(xiàn)象，只有一個光軸的晶體叫做單軸晶體，鈮酸鋰晶體本來是單軸晶體，但在外加電場作用下，將變成雙軸晶體，出現(xiàn)與雙折射類似的結(jié)果，出射光可能為橢圓偏振光。2.電光調(diào)制原理在無線電通信中，為了把語言、音樂或圖像等信息發(fā)送出去，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的控制來實(shí)現(xiàn)的。這種控制過程稱為調(diào)制。接收時，把需要的信號從調(diào)制信息中還原

4、出來，叫做解調(diào)。本實(shí)驗采用強(qiáng)度調(diào)制。即輸出的激光輻射強(qiáng)度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。鈮酸鋰晶體的橫向光調(diào)制過程如下：LN晶體橫向電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)光經(jīng)過起偏器P后變成振動方向為OP的線偏振光，進(jìn)入晶體 (z = 0) 后被分解為沿x和y軸的兩個分量，因為OP與x軸、y軸的夾角都是45º，所以位相和振幅都相等。即，于是入射光的強(qiáng)度為：當(dāng)光經(jīng)過長為的LN晶體后，x和y分量之間就產(chǎn)生位相差，即： 從檢偏器A（它只允許OA方向上振動的光通過）出射的光為和在OA軸上的投影之和 于是對應(yīng)的輸出光強(qiáng)為： 將輸出光強(qiáng)與輸入光強(qiáng)比較，再考慮上式，最后得到： 為透射率，它與外加電壓V之間的關(guān)系曲

5、線就是光強(qiáng)調(diào)制特性曲線。本實(shí)驗就是通過測量透過光強(qiáng)隨加在晶體上電壓的變化得到半波電壓V。透過率與V的關(guān)系是非線性的，若不選擇合適的工作點(diǎn)會使調(diào)制光強(qiáng)發(fā)生畸變，但在V = V/2附近有一直線部分（即光強(qiáng)與電壓成線性關(guān)系），這就是線性調(diào)制部分。為此，我們在調(diào)制光路中插入一個/4波片，其光軸與OP成45º角，它可以使x和y兩個分量間的位相有一個固定的/2位相延遲，這時若外加電場是一個幅度變化不太大的周期變化電壓，則輸出光波的光強(qiáng)變化與調(diào)制信號成線性關(guān)系，即 其中V是外加電壓，可以寫成，但是如果Vm太大，就會發(fā)生畸變，輸出光強(qiáng)中將包含奇次高次諧波成份。當(dāng)時 二、實(shí)驗內(nèi)容及操作詳細(xì)流程光路調(diào)節(jié)

6、（）.光源準(zhǔn)直的細(xì)調(diào)在粗調(diào)等高共軸之前，先要確保激光光源的出射方向是與導(dǎo)軌嚴(yán)格平行的，這一步在許多光學(xué)實(shí)驗中都會有，而且是極為關(guān)鍵的一步。下面是具體方法：打開激光光源，將白屏放置在光具座上，用筆記錄此時白屏上光點(diǎn)的位置從前向后移動白屏，通過調(diào)節(jié)激光的俯仰來調(diào)整白屏上光點(diǎn)的位置，使其始終在你所記錄的位置從后向前移動白屏，重復(fù)上述操作，直至在導(dǎo)軌上的任何位置，白屏上光點(diǎn)的位置都不改變，此時激光束與導(dǎo)軌平行。然后固定激光器的位置。（2）.消光調(diào)節(jié)在第一步的基礎(chǔ)上，在光源與白屏之間放入起偏器、檢偏器、擴(kuò)束鏡、鈮酸鋰晶體，然后粗調(diào)等高共軸。等高共軸調(diào)節(jié)也是所有光學(xué)實(shí)驗中必備的環(huán)節(jié)，在調(diào)節(jié)等高共軸時，我個

7、人認(rèn)為比較有效的方法就是看反射光是否與入射光點(diǎn)重合，不重合的話就調(diào)節(jié)該儀器的位置，直至重合為止。取下擴(kuò)束鏡，旋轉(zhuǎn)起偏器，使透過起偏器的光最強(qiáng)；旋轉(zhuǎn)檢偏器，使白屏上的光點(diǎn)最弱。這時，起偏器與檢偏器互相垂直，系統(tǒng)進(jìn)入消光狀態(tài)。（）.錐光干涉的觀察緊靠晶體放上擴(kuò)束鏡，觀察白屏上的圖案，可觀察到如右圖所示的圖案同時旋轉(zhuǎn)起偏器和檢偏器，直至暗十字與白屏上所畫的十字圖形重合，此時檢偏器與起偏器正交仔細(xì)調(diào)整晶體的兩個方位螺釘，使圖案中心與原激光點(diǎn)的位置重合打開晶體驅(qū)動電源，將狀態(tài)開關(guān)打開在直流狀態(tài)，順時針旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)整旋鈕，調(diào)高驅(qū)動電壓，觀察白屏上圖案的變化。此時將會觀察到圖案由一個中心分裂為兩個中心，這是典

8、型的會聚偏振光經(jīng)過雙軸晶體時的干涉圖樣，如右圖所示。2電光調(diào)制器T-V工作曲線的測量緩慢調(diào)高直流驅(qū)動電壓，并記錄電壓值和輸出激光功率值，每50伏記錄一次，到1000伏為止。在最大功率和最小功率附近減小電壓間隔，每5伏記錄一次動態(tài)法觀察調(diào)制器性能將驅(qū)動信號波形插座和接受信號插座分別與雙蹤示波器CH1和CH2通道連接，光電二極管換下光電池，光電二極管探頭與信號輸入插座連接將狀態(tài)開關(guān)置于正弦波位置，幅度調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)至最大。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旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電壓調(diào)節(jié)旋鈕，改變靜態(tài)工作點(diǎn)，觀察示波器上的波形變化。記錄接受信號波形失真最小、接收信號幅度最大以及出

9、現(xiàn)倍頻失真時的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓。4旋轉(zhuǎn)1/4波片觀察輸出特性分別將靜態(tài)工作點(diǎn)電壓固定于倍頻失真點(diǎn)、接收信號波形失真最小、接收信號波形幅度最大點(diǎn)，在起偏器與鈮酸鋰晶體之間放入1/4波片。旋轉(zhuǎn)1/4波片，觀察接收信號波形的變化情況，分別記錄出現(xiàn)倍頻失真時對應(yīng)1/4波片上的轉(zhuǎn)角。在上述步驟的基礎(chǔ)上，改變工作電壓，記錄相鄰兩次出現(xiàn)倍頻失真時對應(yīng)的工作電壓之差即為半波電壓。5.用相位補(bǔ)償測量晶體快慢軸相位差本實(shí)驗測的是1/4波片的快慢軸間的相位差轉(zhuǎn)過角度輸出波形特點(diǎn)86°線性調(diào)制175°倍頻失真264°線性調(diào)制355°倍頻失真在實(shí)驗中，去掉晶體上所加的直流偏壓，把1

10、/4波片置入晶體和偏振片之間，繞光軸緩慢旋轉(zhuǎn)時，可以看到輸出信號隨著發(fā)生變化，其現(xiàn)象與改變直流偏壓效果相同：根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，光強(qiáng)透過率為：與前面的公式類比，可發(fā)現(xiàn)式中的即相當(dāng)于原先公式中的“”。在從倍頻失真到線性調(diào)制的過程中，由于1/4波片旋轉(zhuǎn)了90°，透射光相位改變了（o光轉(zhuǎn)化為e光或相反），而相應(yīng)的“”改變了/2，故有： 即1/4波片的。三、現(xiàn)象觀察：.信號波形失真最小未加波片前，信號波形失真最小電壓為，加波片后，旋轉(zhuǎn)度可從一次倍頻失真到第二次倍頻失真。.接收信號幅度最大未加波片前，接收信號幅度最大電壓為，加波片后，旋轉(zhuǎn)度可從一次倍頻失真到第二次倍頻失真。倍頻失真未加波片前，倍頻失

11、真時的電壓為，加波片后，旋轉(zhuǎn)度可從一次倍頻失真到第二次倍頻失真。四、數(shù)據(jù)處理1.T-V曲線測量（1）原始數(shù)據(jù)記錄：電壓/V050100150200250300350400450500功率/mW0.3160.30.2960.2970.3030.3160.3560.3660.3970.4320.464電壓/V5506006507007508008509009501000功率/mW0.5010.5490.5760.6210.6260.6190.5930.5810.5730.562（2）曲線圖2.用兩種方法計算鈮酸鋰晶體橫向調(diào)制的半波電壓和電光系數(shù)（1）極值法測定半波電壓V在100-150V之間取最小

12、值，在700-750V之間取最大值，分別在這兩個區(qū)域每隔5V測量一次，將測量結(jié)果記錄并繪制圖像如下：電壓/V100105110115120125130135140145150功率/mW0.2960.2930.2890.2910.2920.2910.2940.2950.2950.2980.3圖像：極大值區(qū)域數(shù)值記錄及圖像電壓/V700705710715720725730735740745750功率/mW0.6190.6210.6210.6230.6250.6270.6290.6290.6310.6280.626圖像：比較數(shù)據(jù)可知，極大值最小值理論半波電壓為：相對誤差：鈮酸鋰晶體的基本物理量為：5

13、mm30mm632.8nm2.286由晶體基本物理量關(guān)系式，可得：相對誤差：（2）調(diào)制法測定半波電壓加上1/4波片后，第一次倍頻失真的對應(yīng)電壓為277V，第二次倍頻失真對應(yīng)的電壓為936V相對誤差：由此半波電壓可計算得相應(yīng)的光電系數(shù)為：相對誤差：五、誤差分析1.輸出波形產(chǎn)生畸變的原因根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得，光強(qiáng)透過率：（1）當(dāng)時，工作點(diǎn)落在線性工作區(qū)的中部，將代入得：這時，調(diào)制器輸出的波形和調(diào)制信號的頻率相同，即線性調(diào)制。（2）當(dāng)或，時，同理可得，這時輸出光的頻率是調(diào)制信號的兩倍，即產(chǎn)生“倍頻”失真。關(guān)于極小值非0V的討論根據(jù)理論計算，當(dāng)V=0V時，T應(yīng)當(dāng)為0，得最小值。而在實(shí)驗得到的T-V圖中，當(dāng)

14、V=0V T不為零，且極小值也不處于V=0?，F(xiàn)從一下三方面分析原因：操作方面：調(diào)試兩個偏振片時，沒有做到起偏方向完全垂直，導(dǎo)致極小點(diǎn)偏離V=0。儀器方面：在調(diào)解時發(fā)現(xiàn)，即使前后兩個偏振片非常逼近垂直，還是有一定的光線透過，沒有做到完全消光，因而T的極小值大于0。即偏振片工藝精度不足。原理方面：實(shí)驗時最小點(diǎn)偏離0點(diǎn)100V左右，偏振片的消光原因應(yīng)該不足以引起如此大的偏離。故主要原因可能是在外加電壓小于100V時，工作點(diǎn)落在了線性區(qū)域以外。六、實(shí)驗后思考題：1.鈮酸鋰在施加電場前后有什么不同？是否都存在雙折射現(xiàn)象？答：鈮酸鋰在未施加電場時是單軸晶體，不存在雙折射，施加電場后鈮酸鋰為雙軸晶體，存在雙折射。2.為什么1/4波片也可以改變電光晶體的工作點(diǎn)？答：1/4波片是一塊具有特定厚度的雙軸晶體，光線透過1/4波片后會分解為o光和e光，兩者的相位差為。將1/4波片引起的相位差考慮之后可得光強(qiáng)透過率：當(dāng)起始光偏振方向垂直于1/4波片的光軸時，透射光全為o光，此時=0，代入上式可得：此時調(diào)制器輸出的波形和調(diào)制信號的頻率相同，即線性調(diào)制。旋轉(zhuǎn)1/4波片，當(dāng)起始光偏振方向平