晶體的電光效應(yīng)

基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告晶體的電光效應(yīng)第一作者：周坤學(xué)號(hào)：141511442016年5月12日摘要本文以“晶體電光效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)為研究?jī)?nèi)容，先介紹了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)的基本原理與實(shí)驗(yàn)步驟，進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析，并做了相對(duì)誤差分析，最后得出幾點(diǎn)自己對(duì)實(shí)驗(yàn)的感想。關(guān)鍵詞：晶體的電光效應(yīng)激光調(diào)制半波電壓目錄摘要 1一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1二實(shí)驗(yàn)儀器 2三實(shí)驗(yàn)原理 21. LN晶體的線性電光效應(yīng) 22．電光調(diào)制原理 3四實(shí)驗(yàn)步驟 51.調(diào)整光路系統(tǒng) 52.依據(jù)3LiNbo晶體的透過(guò)率曲線(即T-V曲線)，選擇工作點(diǎn)。測(cè)半波電壓。 61）極值法 62）調(diào)制法 63）改變直流偏壓，選擇不同的工作點(diǎn)，觀察正弦波電壓的調(diào)制特性。 64）用1/4波片來(lái)改變工作點(diǎn)，觀察輸出特性。 7五實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析 71.電光調(diào)制 72.動(dòng)態(tài)法觀察調(diào)制器性能 83.測(cè)量半波電壓 9六誤差討論與分析 91.輸出波形畸變產(chǎn)生原因 92.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差產(chǎn)生的原因 10七實(shí)驗(yàn)總結(jié)與感想 10一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握晶體電光調(diào)制的原理和實(shí)驗(yàn)方法；2.了解電光效應(yīng)引起的晶體光學(xué)性質(zhì)的變化，觀察匯聚偏振光的干涉現(xiàn)象；3.學(xué)習(xí)晶體半波電壓和光電常數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。二實(shí)驗(yàn)儀器偏振片、擴(kuò)束鏡、鈮酸鋰電光晶體、光電二極管、光電池、晶體驅(qū)動(dòng)電源、光功率計(jì)、1/4玻片、雙蹤示波器三實(shí)驗(yàn)原理LN晶體的線性電光效應(yīng)當(dāng)晶體處在一個(gè)外加電場(chǎng)中時(shí)。晶體的折射率會(huì)發(fā)生變化，改變量的表達(dá)式為：（1）其中n是受外場(chǎng)作用時(shí)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(chǎng)強(qiáng)度，和p是與物質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。（1）式右邊第一項(xiàng)表示的是線性電光效應(yīng)，又稱(chēng)為普克爾效應(yīng)，因此叫做線性電光系數(shù)；第二項(xiàng)表示的是二次電光效應(yīng)，又稱(chēng)為克爾效應(yīng)，因此p也叫做二次電光系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)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(yùn)用方式，即在主軸y方向加電場(chǎng)Ey而Ex=Ez=0，有外電場(chǎng)時(shí)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(guò)適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)后得到一個(gè)新的坐標(biāo)系（x′，y′，z′），使折射率橢球變?yōu)椋海?）這里、、是有電場(chǎng)時(shí)的三個(gè)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:（3）將（3）式同（2）式比較，就可得出：，一般情況下有<<，于是（4）上述結(jié)果表明，在LN晶體的y軸方向上加電場(chǎng)時(shí)，原來(lái)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x′y′平面上的截線由原來(lái)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(zhǎng)短與Ey的大小有關(guān)，這就顯示了晶體的線性電光效應(yīng)。2．電光調(diào)制原理LN晶體橫向電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)光經(jīng)過(guò)起偏器P后變成振動(dòng)方向?yàn)镺P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(gè)分量，因?yàn)镺P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(guò)長(zhǎng)為的LN晶體后，x′和y′分量之間就產(chǎn)生位相差，即：（5）從檢偏器A（它只允許OA方向上振動(dòng)的光通過(guò)）出射的光為和在OA軸上的投影之和（6）于是對(duì)應(yīng)的輸出光強(qiáng)為：（7）將輸出光強(qiáng)與輸入光強(qiáng)比較，再考慮（11）式和（12）式，最后得到：（8）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(shí)驗(yàn)就是通過(guò)測(cè)量透過(guò)光強(qiáng)隨加在晶體上電壓的變化得到半波電壓Vπ。由圖3可知，透過(guò)率與V的關(guān)系是非線性的，若不選擇合適的工作點(diǎn)會(huì)使調(diào)制光強(qiáng)發(fā)生畸變，但在V=Vπ/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?cè)谡{(diào)制光路中插入一個(gè)λ/4波片，其光軸與OP成45o角，它可以使x′和y′兩個(gè)分量間的位相有一個(gè)固定的π/2位相延遲，這時(shí)若外加電場(chǎng)是一個(gè)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(hào)成線性關(guān)系，即（9）其中V是外加電壓，可以寫(xiě)成，但是如果Vm太大，就會(huì)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(shí)四實(shí)驗(yàn)步驟1.調(diào)整光路系統(tǒng)1.調(diào)節(jié)三角導(dǎo)軌底角螺絲，使其穩(wěn)定于調(diào)節(jié)臺(tái)上。在導(dǎo)軌上放置好半導(dǎo)體光源部分滑塊，將小孔光欄置于導(dǎo)軌上，在整個(gè)導(dǎo)軌上拉動(dòng)滑塊，近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)都保證整個(gè)光路基本處于一條直線，即使光束通過(guò)小孔。放上起偏振器，使其表面與激光束垂直，且使光束在元件中心穿過(guò)。再放上檢偏器，使其表面也與激光束垂直，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，使其與起偏器正交，即，使檢偏器的主截面與起偏器的主截面垂直，這時(shí)光點(diǎn)消失，即所謂的消光狀態(tài)。2.將鈮酸鋰晶體置于導(dǎo)軌上，調(diào)節(jié)晶體使其x軸在鉛直方向，使其通光表面垂直于激光束（這時(shí)晶體的光軸與入射方向平行，呈正入射），這時(shí)觀察晶體前后表面查看光束是否在晶體中心，若沒(méi)有，則精細(xì)調(diào)節(jié)晶體的二維調(diào)整架，保證使光束都通過(guò)晶體，且從晶體出來(lái)的反射像與半導(dǎo)體的出射光束重合。3.拿掉四分之一波片，在晶體盒前端插入毛玻璃片，檢偏器后放上像屏。光強(qiáng)調(diào)到最大，此時(shí)晶體偏壓為零。這時(shí)可觀察到晶體的單軸錐光干涉圖，即一個(gè)清楚的暗十字線，它將整個(gè)光場(chǎng)分成均勻的四瓣，如果不均勻可調(diào)節(jié)晶體上的調(diào)整架。4.旋轉(zhuǎn)起偏器和檢偏器，使其兩個(gè)相互平行，此時(shí)所出現(xiàn)的單軸錐光圖與偏振片垂直時(shí)是互補(bǔ)的。5.晶體加上偏壓時(shí)呈現(xiàn)雙軸錐光干涉圖，說(shuō)明單軸晶體在電場(chǎng)作用下變成雙軸晶體，即電致雙折射。6.改變晶體所加偏壓極性，錐光圖旋轉(zhuǎn)90度。7.只改變偏壓大小時(shí)，干涉圖形不旋轉(zhuǎn)，只是雙曲線分開(kāi)的距離發(fā)生變化。這一現(xiàn)象說(shuō)明，外加電場(chǎng)只改變感應(yīng)主軸方向的主折射率的大小、折射率橢球旋轉(zhuǎn)的角度和電場(chǎng)大小無(wú)關(guān)。2.依據(jù)3LiNbo晶體的透過(guò)率曲線(即T-V曲線)，選擇工作點(diǎn)。測(cè)半波電壓。1）極值法晶體上只加直流電壓，不加交流信號(hào)，并把直流偏壓從小到大逐漸改變時(shí)，示波器上可看到輸出光強(qiáng)出現(xiàn)極小值和極大值。具體做法：取出毛玻璃，撤走白屏，接收器對(duì)準(zhǔn)出光點(diǎn)，加在晶體上的電壓從零開(kāi)始，逐漸增大這時(shí)可看到示波器上光強(qiáng)極大和極小有一明顯起落，直流偏壓值由電源面板上的三位半數(shù)字表上讀出。先測(cè)對(duì)應(yīng)于V0>0時(shí)，當(dāng)光強(qiáng)最大時(shí)，測(cè)一組最大值，然后改變極性，最大時(shí)再測(cè)一組數(shù)據(jù)，兩個(gè)極大之間對(duì)應(yīng)的電壓之和就是半波電壓的兩倍，多次測(cè)量取平均值，可以減少誤差。2）調(diào)制法晶體上直流電壓和交流正弦信號(hào)同時(shí)加上，當(dāng)直流電壓調(diào)到輸出光強(qiáng)出現(xiàn)極小值或極大值對(duì)應(yīng)時(shí)，輸出的交流信號(hào)出現(xiàn)倍頻失真，通過(guò)示波器可看出。出現(xiàn)相鄰倍頻失真對(duì)應(yīng)的直流電壓之差就是半波電壓。具體做法是：把電源前面板上的調(diào)制信號(hào)“輸出”接到雙蹤示波器的y1上，經(jīng)放大后的調(diào)制器的輸出信號(hào)接到示波器的y2上，把y1,y2上的信號(hào)做比較，將檢偏器旋轉(zhuǎn)90度，當(dāng)晶體上加的直流電壓緩慢增加到半波電壓時(shí)，輸出出現(xiàn)倍頻失真；改變晶體上電壓的極性后，電壓加到半波電壓時(shí)，又出現(xiàn)倍頻失真，相繼兩次出現(xiàn)倍頻失真時(shí)對(duì)應(yīng)的直流電壓值之差就是半波電壓。這種方法比極值法更精確，因?yàn)橛脴O值法測(cè)半波電壓時(shí)，視覺(jué)很難準(zhǔn)確的定位極大和極小值，因而誤差較大。3）改變直流偏壓，選擇不同的工作點(diǎn)，觀察正弦波電壓的調(diào)制特性。電源面板上的信號(hào)選擇琴鍵開(kāi)關(guān)可以提供三種不同的調(diào)制信號(hào)，按下“正弦”鍵，機(jī)內(nèi)單一頻率的正弦波振蕩器工作，此信號(hào)經(jīng)放大后，加到晶體上。同時(shí)，通過(guò)面板上的“輸出”孔，輸出此信號(hào)，把它接到雙蹤示波器的y1上，作為參考信號(hào)。改變直流偏壓，使調(diào)制器工作在不同的狀態(tài)，把被調(diào)制信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，放大后接到雙蹤示波器y2上，和y1上的參考信號(hào)比較。工作點(diǎn)選定在曲線的直線部分，即附近時(shí)線性調(diào)制；工作點(diǎn)選在曲線的極小值（或極大值）附近時(shí)，輸出信號(hào)“倍頻”失真；工作點(diǎn)選定在極小值（或極大值）附近時(shí)輸出信號(hào)失真，觀察時(shí)調(diào)制信號(hào)幅度不能太大，否則調(diào)制信號(hào)本身失真，輸出信號(hào)的失真無(wú)法判斷有什么原因引起，把觀察到的波形描下來(lái)，并和前面的理論分析做比較。做這步實(shí)驗(yàn)時(shí)把電源上的調(diào)制幅度、調(diào)制器上的輸入光強(qiáng)、放大器的輸出、示波器的增益(或衰減)這四部分調(diào)好，才能觀察到很好的輸出波形。4）用1/4波片來(lái)改變工作點(diǎn)，觀察輸出特性。在上述實(shí)驗(yàn)中，去掉晶體上加的直流偏壓，把14波片置入晶體和偏振片之間，繞光軸緩慢旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以看到輸出波形隨著發(fā)生變化。當(dāng)波片的快慢軸平行于晶體的感應(yīng)軸方向時(shí)，輸出光線性調(diào)制；當(dāng)波片的快慢軸分別平行于晶體的x,y軸時(shí)，輸出光失真，出現(xiàn)“倍頻”失真。因此，把波片旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，出現(xiàn)四次線性調(diào)制和四次“倍頻”失真。實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)晶體上加直流偏壓可以改變調(diào)制器的工作點(diǎn)，也可以用14波片選擇工作點(diǎn)，其效果是一樣的，但兩種方法的機(jī)理是不同的。五實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析 1.電光調(diào)制項(xiàng)目最大功率對(duì)應(yīng)電壓/V最小功率對(duì)應(yīng)電壓/V數(shù)值690-7231347-1352取值706.51349.5最大功率對(duì)應(yīng)的倍頻失真波形圖最小功率對(duì)應(yīng)的倍頻失真波形圖由極值法可得半波電壓V晶體基本物理量：dlλnV5mm30mm632.8nm2.286649.2V由此計(jì)算得出晶體的電光系數(shù)為:γ22=λ2Vπn02.動(dòng)態(tài)法觀察調(diào)制器性能原始數(shù)據(jù)第一次722V303°213°128°35°最大振幅時(shí)714V335°257°168°82°由上表可知：去掉直流偏壓后把1/4波片放上后，繞光軸緩慢旋轉(zhuǎn)，可以看到輸出信號(hào)隨著發(fā)生變化，其現(xiàn)象與改變直流偏壓效果相同。每次實(shí)驗(yàn)中相鄰兩次倍頻失真的角度差大約為90°，可知1/4波片的σ=π2，與理論值比較接近，可以驗(yàn)證。當(dāng)?shù)诙稳∠虏ㄆ{(diào)到最大振幅后再放上波片后，相鄰的角度差依然很接近90°，而且與第一次對(duì)應(yīng)的度數(shù)差很接近45°。這與計(jì)算結(jié)果符合的很好，驗(yàn)證了3.測(cè)量半波電壓原始數(shù)據(jù)V1164281361428513V29041020111011861286Vπ740739749758773用線性回歸處理數(shù)據(jù)：令y=V2,x=V1a=717.957b=1.097y=1.097x+717.957由此可知：Vπ=717.957ua(b)=s(b)=b√1ua(a)=s(a)=√15x2因此ua(Vπ)=ua最終結(jié)果表示為：Vπ±ua(V相對(duì)誤差：η=717-649.2649.2六誤差討論與分析1.輸出波形畸變產(chǎn)生原因根據(jù)理論計(jì)算，當(dāng)V=0時(shí)，T應(yīng)當(dāng)為極小值（T=0），然而從實(shí)驗(yàn)測(cè)量出的T-V圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)V=o時(shí)，T不為零，且極小值也不出現(xiàn)在V=0處，對(duì)此我們可以歸納出以下幾種可能原因：1）光路調(diào)節(jié)存在缺陷，沒(méi)有嚴(yán)格的與導(dǎo)軌平行，使光嚴(yán)格沒(méi)有垂直入射。所以，有一部分光線透過(guò)，使曲線右移。2）由于在調(diào)試前后兩個(gè)偏振片過(guò)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(diǎn)偏離V=0點(diǎn)。3）由于工藝上的原因，前后兩個(gè)偏振片即使在完全垂直的情況下，也不可能完全消光，總會(huì)有光線透過(guò)，因此，極小值點(diǎn)之值大于零。4）晶體自身生長(zhǎng)不均勻，入射光通過(guò)時(shí)光路改變?cè)斐闪阒迭c(diǎn)右移。2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差產(chǎn)生的原因1）光路調(diào)節(jié)不好，偏振片偏正方向在正交時(shí)消光不完全，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差；2）儀器引起的誤差。如電壓源輸出電壓不穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中（個(gè)人，不知道是