晶體的光電效應李華

晶體的光電效應李華第一頁，共二十三頁，2022年，8月28日一、實驗及應用背景介紹

晶體在外電場的作用下折射率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電光效應。電光效應在工程技術和科學研究中有許多重要應用.

它有很短的響應時間（足夠跟上十億赫茲的電場變化),可以制成快速控制光強的光開關；利用電場引起折射率的改變可以控制光波的位相、偏振態(tài)等特性，從而實現(xiàn)對光束的調制、制成快速傳遞信息的電光調制器。電光器件被廣泛應用在激光通信、激光測距和光學信息處理等方面。

第二頁，共二十三頁，2022年，8月28日二、實驗目的和教學要求掌握晶體電光調制的原理和實驗方法

學習測量晶體半波電壓和電光常數(shù)的實驗方法觀察電光效應引起的晶體光學性質的變化和會聚偏振光的干涉現(xiàn)象第三頁，共二十三頁，2022年，8月28日1.電光效應

晶體在外電場的作用下折射率的變化可表示為：

n=n0+aE0+bE02+┅

式中a和b為常數(shù)，n0為E0=0時的折射率。由一次項引起的折射率變化稱為一次電光效應，也稱線性電光效應或泡克耳斯效應；由二次項引起的折射率變化稱為二次電光效應或克爾效應。三、實驗原理

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晶體的一次電光效應分為縱向電光效應和橫向電光效應。縱向電光效應是加在晶體上的電場方向與光在晶體里的傳播方向平行時產(chǎn)生的電光效應；橫向電光效應是加在晶體上的電場方向與光在晶體里的傳播方向垂直時產(chǎn)生的電光效應；觀察縱向電光效應常用磷酸二氫鉀（KDP）類晶體進行，而鈮酸鋰（LiNbO3）晶體則被用于產(chǎn)生橫向電光效應。

本實驗主要是研究鈮酸鋰晶體產(chǎn)生的一次橫向電光效應。

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在晶體的X方向施加電場后，當平面偏振光沿Z軸方向傳播時，晶體將產(chǎn)生雙折射。第六頁，共二十三頁，2022年，8月28日

這時沿Z軸傳播的偏振光應當按特定的晶體感應軸（X′，Y′）進行分解，光沿這兩個方向偏振的折射率不同（傳播速度不同）從而產(chǎn)生相位差,使出射光成為橢圓偏振光。由晶體光學可以證明，這兩個方向的折射率如下所示:式中n0和r22是晶體的o光折射率和電光系數(shù)，

Ex=V/d是X方向所加的外電場。第七頁，共二十三頁，2022年，8月28日2.橫向電光調制原理 信息加載于激光輻射的過程稱為激光調制，完成這一過程的裝置稱為激光調制器，由已調制的激光束還原出所加載信息的過程稱為解調。因為激光所起的作用是“攜帶”信息，所以稱為載波，而起控制作用的信號稱為調制信號。電光調制實驗光路圖1.入射激光束；2.起偏器，偏振方向平行于電光晶體的X軸；3.LiNbO3電光晶體，4.檢偏器，偏振方向平行于Y軸；5.代表出射光束。

第八頁，共二十三頁，2022年，8月28日可以證明光通過檢偏器的光強的透過率為δ為二束偏振光之間的相位差，當δ=π,T=100%此時

其中Vπ稱為半波電壓，它與晶體的幾何尺寸有關。

第九頁，共二十三頁，2022年，8月28日

3.電光調制工作曲線

由

可以得到電光調制工作曲線如下圖所示，可見T與V是非線性關系。第十頁，共二十三頁，2022年，8月28日4.直流偏壓對輸出特性的影響設（1），

此為線性調制第十一頁，共二十三頁，2022年，8月28日（2），產(chǎn)生倍頻失真。第十二頁，共二十三頁，2022年，8月28日（3）.，產(chǎn)生倍頻失真第十三頁，共二十三頁，2022年，8月28日當時，

由上面的式子可以看出，輸出的光束包括交流的基波，還有奇次諧波。由于調制信號的幅度較大，奇次諧波不能忽略，因此，這時雖然工作點選定在線形區(qū)，輸出波形仍然失真。第十四頁，共二十三頁，2022年，8月28日四、實驗儀器和裝置1.激光束，2.偏振片，3.鈮酸鋰電光晶體，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。第十五頁，共二十三頁，2022年，8月28日五、實驗內容1.光路的調節(jié) 將有關光學器件固定在光路上，在晶體前放一張鏡頭紙，在調制器外靠近出口處放置白屏，調節(jié)起偏器和檢偏器正交，且分別平行x，y軸。這時可以在白屏上觀察到偏振光的干涉圖樣（如圖所示）

第十六頁，共二十三頁，2022年，8月28日2.電光調制器T—V工作曲線的測量

（1）晶體上只加直流偏壓，電壓從小到大逐漸改變，同時讀出直流偏壓和光電三極管的電壓輸出。測完一組數(shù)后，改變電壓極性，再測一組數(shù)據(jù)。

（2）極值法測定鈮酸鋰晶體的半波電壓。在所測得數(shù)據(jù)中，出現(xiàn)兩組極大值，極大值的電壓之差就是半波電壓的兩倍。第十七頁，共二十三頁，2022年，8月28日3.動態(tài)法觀測調制器性能

在電光調制器上同時加上直流電壓和交流正弦信號，適當增加光強，觀察不同直流偏壓下調制器的性能。記錄在不同工作偏壓下所得到的線性調制和各種失真的輸出波形。

第十八頁，共二十三頁，2022年，8月28日

4.調制法測定鈮酸鋰晶體的半波電壓

當直流電壓使輸出光強出現(xiàn)極小值時，交流調制就出現(xiàn)倍頻失真；增加直流偏壓使輸出光強出現(xiàn)極大值時，交流調制再次出現(xiàn)倍頻失真；兩次相鄰失真對應得直流電壓之差就是半波電壓。用這種方法測得的半波電壓將更加精確。第十九頁，共二十三頁，2022年，8月28日5.光通信的演示

按下電源面板上的信號選擇開關的“音樂”鍵，此時正弦信號被切斷，調制電源輸出“音樂”信號。輸出的信號可以通過放大器上的揚聲器播放。改變工作點，所聽到的音質不同，通過遮光和照光，可生動地演示光通信原理。第二十頁，共二十三頁，2022年，8月28日六、注意事項

He-Ne激光管出光時,電極上所加的直流電壓高達幾千伏,要注意安全。剛啟動時，輸出不穩(wěn)定，測定數(shù)據(jù)前要充分預熱。光電三極管應避免強光照射,以免燒壞。做實驗時,光強應從弱到強,緩慢改變,盡可能在弱光下使用，這樣能保證接收器光電轉換有較好的線性響應。第二十一頁，共二十三頁，2022年，8月28日七、課堂思考光路調整時為什么要緊靠晶體前放一張鏡頭紙？錐光干涉圖的同心干涉圓環(huán)和暗十字圖形是怎樣形成的？光路調整如何進行？如