晶體的電光效應(yīng)(共13頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上對晶體的電光效應(yīng)的原理及應(yīng)用的探究摘要：本文對晶體的電光效應(yīng)實驗的原理、步驟、儀器進(jìn)行了簡要的介紹，并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及誤差估算。通過分析實驗室條件下誤差產(chǎn)生的原因并進(jìn)行精確計算，對比探究了極值法測半波電壓和調(diào)制法測半波電壓，并做出分析，深入理解實驗，在討論中談到了實驗的收獲并從中吸取的經(jīng)驗教訓(xùn)，并說明實驗的收獲與感想。一、實驗?zāi)康模?.掌握晶體電光調(diào)制的原理和實驗方法；2.學(xué)習(xí)一種測量晶體半波電壓和電光常數(shù)的實驗方法；3.觀察電光效應(yīng)引起的晶體光學(xué)性質(zhì)的變化和會聚偏振光的干涉現(xiàn)象。二、實驗原理：1晶體的折射率橢球根據(jù)光的電磁理論知道，光波是一種電磁波。在各向異性

2、介質(zhì)中，光波中的電場強(qiáng)度矢量與電位移矢量的方向是不同的。 對于任意一種晶體，我們總可以找到一個直角坐標(biāo)系（x，y，z）,在此坐標(biāo)系中有 (i = x，y，z)。這樣的坐標(biāo)系（x，y，z）叫做主軸坐標(biāo)系。光波在晶體中的傳播性質(zhì)可以用一個折射率橢球來描述，在晶體的主軸坐標(biāo)系中，折射率橢球的表達(dá)式寫為：（1） 其中（i = x，y，z）, 是晶體的主折射率。對于單軸晶體（如本實驗所用的LN晶體）有nx = ny = no， nz = ne，于是單軸晶體折射率橢球方程為： 由此看出，單軸晶體的折射率橢球是一個旋轉(zhuǎn)對稱的橢球。2LN晶體的線性電光效應(yīng) 以上討論的是沒有外界影響時的折射率橢球，也就是晶體的

3、自然雙折射。當(dāng)晶體處在一個外加電場中時。晶體的折射率會發(fā)生變化，改變量的表達(dá)式為： 其中n是受外場作用時晶體的折射率，n0是自然狀態(tài)下晶體的折射率，E是外加電場強(qiáng)度，和p是與物質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。上式右邊第一項表示的是線性電光效應(yīng)，又稱為普克爾效應(yīng)，因此叫做線性電光系數(shù)；第二項表示的是二次電光效應(yīng)，又稱為克爾效應(yīng)，因此p也叫做二次電光系數(shù)。本實驗只涉及到線性電光效應(yīng)。LN晶體通常采用橫向加壓，z向通光的運用方式，即在主軸y方向加電場Ey而Ex = Ez = 0 ，有外電場時折射率橢球的主軸一般不再與原坐標(biāo)軸重合。將坐標(biāo)系經(jīng)過適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)后得到一個新的坐標(biāo)系（x，y，z），使折射率橢球變?yōu)椋?這里、是有

4、電場時的三個主折射率。叫感應(yīng)主折射率，坐標(biāo)系（x，y，z）叫感應(yīng)主軸坐標(biāo)系。在（ ）坐標(biāo)系中，折射率橢球的方程為:將以上兩個式子比較，就可得出：， 一般情況下有<<，于是 上述結(jié)果表明，在LN晶體的y軸方向上加電場時，原來的單軸晶體（nx= ny = n0，nz = ne）變成了雙軸晶體（nx ny nz），折射率橢球在xy平面上的截線由原來的圓變成了橢圓，橢園的短軸x（或y）與x軸（或y軸）平行,感應(yīng)主軸的長短與Ey的大小有關(guān)，這就顯示了晶體的線性電光效應(yīng)。3LN晶體的橫向電光相移當(dāng)入射光沿晶體光軸z方向傳播時，電矢量在x方向振動的光波與y方向振動的光波傳播速度不同（這是因為nx

5、ny），因此通過長度為的電光晶體后要產(chǎn)生位相差： 其中是晶體的通光長度，d是晶體在y方向的厚度，V = Ey d是外加電壓，此式表明，由引起的位相差與加在晶體上的電壓V成正比，這種以電場方向和光傳播方向相互垂直方式工作的電光調(diào)制器稱為橫向調(diào)制器。在電光效應(yīng)中，將兩個光波產(chǎn)生位相差為時晶體上所加的電壓稱為“半波電壓”，記為V，于是，所以有 。 4、電光調(diào)制器的工作原理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

6、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)系曲線就是光強(qiáng)調(diào)制特性曲線。本實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

7、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 三、實驗儀器：1.激光束 2.偏振片 3.LN晶體 4.光電三極管 5.放大器 6.直流電源 7.音樂片 8.正弦波振蕩器 9.揚聲器 10.雙蹤示波器四、光路的調(diào)節(jié)：1首先將起偏器P與檢偏器A調(diào)節(jié)成相互垂直（即偏振方向相互正交），此時透過A的光強(qiáng)應(yīng)為最小（如果P和A都是理想的話，則應(yīng)無光通過）。2將裝有LN晶體的支架放在P與A之間，調(diào)節(jié)LN支架，使LN晶體的光軸（z軸）與激

8、光束平行。方法為：在A之后放一白紙，可看到，由于錐光干涉產(chǎn)生的十字陰影，使激光束處在黑十字陰影的正中時，就可以認(rèn)為大體調(diào)好了。3調(diào)節(jié)LN晶體的感應(yīng)主軸x和y與P和A的偏振方向成45º夾角。調(diào)節(jié)方法可參考如下步驟：首先在晶體上加上直流電壓（約50V），然后使P和A向同一方向轉(zhuǎn)過同樣的角度，直到通過A的光強(qiáng)為最小時為止，記下此時P和A度盤上的角度值。這時外加電壓的變化不能改變透過A的光強(qiáng)。這樣P和A的方向與x和y軸平行。然后當(dāng)需要測量半波電壓時，就使P和A向同一方向轉(zhuǎn)過45º，這樣就調(diào)節(jié)完了。4將/4波片加入光路，在P和A的方向與X和Y軸平行的狀態(tài)下，當(dāng)晶體上不加電壓時，旋轉(zhuǎn)/

9、4波片，使透過A的光強(qiáng)最小，此時波片的光軸與P平行或者成90º。記下此時波片刻度盤上的角度值。5當(dāng)需要將調(diào)制器的工作點放在如圖3中的B點處，就將/4波片旋轉(zhuǎn)45º。五、數(shù)據(jù)處理：1.研究LN單軸晶體的干涉：（1）單軸錐光干涉圖樣：調(diào)節(jié)好實驗設(shè)備，當(dāng)LN晶體不加橫向電壓時，可以觀察到如圖現(xiàn)象，這是典型的匯聚偏振光穿過單軸晶體后形成的干涉圖樣。（2）晶體雙軸干涉圖樣：打開晶體驅(qū)動電壓，將狀態(tài)開關(guān)打在直流狀態(tài)，順時針旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)整旋鈕，調(diào)整驅(qū)動電壓，將會觀察到圖案由一個中心分裂為兩個，這是典型的匯聚偏振光穿過雙軸晶體后形成的干涉圖樣，它說明單軸晶體在電場的作用下變成了雙軸晶體2.動

10、態(tài)法觀察調(diào)制器性能：（1）實驗現(xiàn)象：當(dāng)V1=444V時，出現(xiàn)第一次倍頻失真： 當(dāng)V2=687V時，信號波形失真最小，振幅最大（線性調(diào)制）：當(dāng)V3=1242V時，出現(xiàn)第二次倍頻失真：（2）調(diào)制法測定LN晶體的半波電壓：晶體基本物理量5mm30mm632.8nm2.286第一次倍頻失真對應(yīng)的電壓V1=444V，第二次倍頻失真對應(yīng)的電壓V3=1242V。故半波電壓為798V。由得：3.電光調(diào)制器T-V工作曲線的測量：（1）原始數(shù)據(jù)：電壓V/V功率P/mV電壓V/V功率P/mV40.0025500.044540.0036000.0481020.0056520.0521530.0087000.05520

11、00.0117510.0572500.0158000.0593030.0198560.0623520.0248610.0624020.0299020.0584500.0349530.0575010.03910020.054依據(jù)數(shù)據(jù)作出電光調(diào)制器P-V工作曲線：P-V曲線00.010.020.030.040.050.060.07010020030040050060070080090010001100V/VP/mV（2）極值法測定LN晶體的半波電壓：從圖中可以看到，V在400450V時取最小值，在810860V時取最大值。分別在這兩個區(qū)域內(nèi)每隔5V測量一次，原始數(shù)據(jù)如下：電壓V/V功率P/mV電壓

12、V/V功率P/mV4000.0298100.0594050.0288150.0604100.0278200.0604150.0298250.0604200.0308300.0614250.0308350.0614300.0328400.0614350.0338450.0624400.0338510.0624440.0328560.0624500.0338610.062比較數(shù)據(jù)可以得出，極小值大致出現(xiàn)在444V，極大值大致出現(xiàn)在1242V，由此可得半波電壓為（1242444）V798V由得：4.測量值與理論值比較：晶體基本物理量：5mm30mm632.8nm2.286算出理論值。與理論值相比，調(diào)

13、制法測量結(jié)果相對誤差約6.1%，極值法測量結(jié)果誤差約7.1%，實驗值與理論值符合較好。其中，動態(tài)法比極值法更精確。5.討論實驗中觀察到的輸出波形和畸變產(chǎn)生的原因：根據(jù)理論計算，當(dāng)V=0時，T應(yīng)當(dāng)為極小值（T=0），然而從實驗測量出的T-V圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)V=0時，T不為零，且極小值也不出現(xiàn)在V=0處，對此我們可以歸納出以下幾種可能原因：（1）由于在調(diào)試前后兩個偏振片過程中，難以保證其起偏方向完全垂直，這就導(dǎo)致了極小值點偏離V=0點。（2）由于工藝上的原因，前后兩個偏振片即使在完全垂直的情況下，也不可能完全消光，總會有光線透過，因此，極小值點之值大于零。輸出波形畸變產(chǎn)生的原因：根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得，

14、光強(qiáng)透過率：（1）當(dāng)時，工作點落在線性工作區(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。六、選作實驗：測量1/4波片的：轉(zhuǎn)過角度輸出波形特點86°線性調(diào)制175°倍頻失真264°線性調(diào)制355°倍頻失真在實驗中，去掉晶體上所加的直流偏壓，把1/4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

15、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。七、實驗后思考題：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？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