晶體的光電效應(yīng)李華

晶體的光電效應(yīng)李華第一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期六一、實驗及應(yīng)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(yīng)。電光效應(yīng)在工程技術(shù)和科學(xué)研究中有許多重要應(yīng)用.

它有很短的響應(yīng)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(guān)；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(diào)制、制成快速傳遞信息的電光調(diào)制器。電光器件被廣泛應(yīng)用在激光通信、激光測距和光學(xué)信息處理等方面。

第二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期六二、實驗?zāi)康暮徒虒W(xué)要求掌握晶體電光調(diào)制的原理和實驗方法

學(xué)習(xí)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(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)象第三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期六1.電光效應(yīng)

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(yīng)，也稱線性電光效應(yīng)或泡克耳斯效應(yīng)；由二次項引起的折射率變化稱為二次電光效應(yīng)或克爾效應(yīng)。三、實驗原理

第四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期六

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)?？v向電光效應(yīng)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(yīng)；橫向電光效應(yīng)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(yīng)；觀察縱向電光效應(yīng)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(yīng)。

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(yīng)。

第五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期六

在晶體的X方向施加電場后，當(dāng)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，編輯于2023年，星期六

這時沿Z軸傳播的偏振光應(yīng)當(dāng)按特定的晶體感應(yīng)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(xué)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，編輯于2023年，星期六2.橫向電光調(diào)制原理 信息加載于激光輻射的過程稱為激光調(diào)制，完成這一過程的裝置稱為激光調(diào)制器，由已調(diào)制的激光束還原出所加載信息的過程稱為解調(diào)。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(diào)制信號。電光調(diào)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，編輯于2023年，星期六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(dāng)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(guān)。

第九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期六

3.電光調(diào)制工作曲線

由

可以得到電光調(diào)制工作曲線如下圖所示，可見T與V是非線性關(guān)系。第十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期六4.直流偏壓對輸出特性的影響設(shè)（1），

此為線性調(diào)制第十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期六（2），產(chǎn)生倍頻失真。第十二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期六（3）.，產(chǎn)生倍頻失真第十三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期六當(dāng)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(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形區(qū)，輸出波形仍然失真。第十四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期六四、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，編輯于2023年，星期六五、實驗內(nèi)容1.光路的調(diào)節(jié) 將有關(guān)光學(xué)器件固定在光路上，在晶體前放一張鏡頭紙，在調(diào)制器外靠近出口處放置白屏，調(diào)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，編輯于2023年，星期六2.電光調(diào)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，編輯于2023年，星期六3.動態(tài)法觀測調(diào)制器性能

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

第十八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期六

4.調(diào)制法測定鈮酸鋰晶體的半波電壓

當(dāng)直流電壓使輸出光強出現(xiàn)極小值時，交流調(diào)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(diào)制再次出現(xiàn)倍頻失真；兩次相鄰失真對應(yīng)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，編輯于2023年，星期六5.光通信的演示

按下電源面板上的信號選擇開關(guān)的“音樂”鍵，此時正弦信號被切斷，調(diào)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(zhì)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，編輯于2023年，星期六六、注意事項

He-Ne激光管出光時,電極上所加的直流電壓高達(dá)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(yù)熱。光電三極管應(yīng)避免強光照射,以免燒壞。做實驗時,光強應(yīng)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(zhuǎn)換有較好的線性響應(yīng)。第二十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期六七、課堂思考光路調(diào)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(diào)整如何進行？如何