晶體的電光效應

根底物理實驗研究性報告晶體的電光效應第一周坤學號：141511442016年5月12日摘要本文以“晶體電光效應”實驗為研究內(nèi)容，先介紹了實驗目的，實驗儀器，實驗的根本原理與實驗步驟，進行了數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析，并做了相對誤差分析，最后得出幾點自己對實驗的感想。關(guān)鍵詞：晶體的電光效應激光調(diào)制半波電壓目錄摘要 1一實驗目的 1二實驗儀器 2三實驗原理 21. LN晶體的線性電光效應 22．電光調(diào)制原理 3四實驗步驟 51.調(diào)整光路系統(tǒng) 52.依據(jù)3LiNbo晶體的透過率曲線(即T-V曲線)，選擇工作點。測半波電壓。 61〕極值法 62〕調(diào)制法 63〕改變直流偏壓，選擇不同的工作點，觀察正弦波電壓的調(diào)制特性。 64〕用1/4波片來改變工作點，觀察輸出特性。 7五實驗數(shù)據(jù)處理與分析 71.電光調(diào)制 72.動態(tài)法觀察調(diào)制器性能 83.測量半波電壓 9六誤差討論與分析 91.輸出波形畸變產(chǎn)生原因 92.實驗數(shù)據(jù)誤差產(chǎn)生的原因 10七實驗總結(jié)與感想 10一實驗目的1.掌握晶體電光調(diào)制的原理和實驗方法；2.了解電光效應引起的晶體光學性質(zhì)的變化，觀察會聚偏振光的干預現(xiàn)象；3.學習晶體半波電壓和光電常數(shù)的實驗方法。二實驗儀器偏振片、擴束鏡、鈮酸鋰電光晶體、光電二極管、光電池、晶體驅(qū)動電源、光功率計、1/4玻片、雙蹤示波器三實驗原理LN晶體的線性電光效應當晶體處在一個外加電場中時。晶體的折射率會發(fā)生變化，改變量的表達式為：〔1〕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是外加電場強度，和p是與物質(zhì)有關(guān)的常數(shù)?！?〕式右邊第一項表示的是線性電光效應，又稱為普克爾效應，因此叫做線性電光系數(shù)；第二項表示的是二次電光效應，又稱為克爾效應，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。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軸重合。將坐標系經(jīng)過適當?shù)男D(zhuǎn)后得到一個新的坐標系〔x′，y′，z′〕，使折射率橢球變?yōu)椋骸?〕這里、、是有電場時的三個主折射率。叫感應主折射率，坐標系〔x′，y′，z′〕叫感應主軸坐標系。在〔〕坐標系中，折射率橢球的方程為:〔3〕將〔3〕式同〔2〕式比擬，就可得出：，一般情況下有<<，于是〔4〕上述結(jié)果說明，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x′y′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。2．電光調(diào)制原理LN晶體橫向電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如下圖。當光經(jīng)過起偏器P后變成振動方向為OP的線偏振光，進入晶體(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，于是入射光的強度為：當光經(jīng)過長為的LN晶體后，x′和y′分量之間就產(chǎn)生位相差，即：〔5〕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〔6〕于是對應的輸出光強為：〔7〕將輸出光強與輸入光強比擬，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)系曲線就是光強調(diào)制特性曲線。本實驗就是通過測量透過光強隨加在晶體上電壓的變化得到半波電壓Vπ。由圖3可知，透過率與V的關(guān)系是非線性的，假設(shè)不選擇適宜的工作點會使調(diào)制光強發(fā)生畸變，但在V=Vπ/2附近有一直線局部〔即光強與電壓成線性關(guān)系〕，這就是線性調(diào)制局部。為此，我們在調(diào)制光路中插入一個λ/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π/2位相延遲，這時假設(shè)外加電場是一個幅度變化不太大的周期變化電壓，那么輸出光波的光強變化與調(diào)制信號成線性關(guān)系，即〔9〕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，輸出光強中將包含奇次高次諧波成份。當時四實驗步驟1.調(diào)整光路系統(tǒng)1.調(diào)節(jié)三角導軌底角螺絲，使其穩(wěn)定于調(diào)節(jié)臺上。在導軌上放置好半導體光源局部滑塊，將小孔光欄置于導軌上，在整個導軌上拉動滑塊，近場遠場都保證整個光路根本處于一條直線，即使光束通過小孔。放上起偏振器，使其外表與激光束垂直，且使光束在元件中心穿過。再放上檢偏器，使其外表也與激光束垂直，轉(zhuǎn)動檢偏器，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，這時光點消失，即所謂的消光狀態(tài)。2.將鈮酸鋰晶體置于導軌上，調(diào)節(jié)晶體使其x軸在鉛直方向，使其通光外表垂直于激光束〔這時晶體的光軸與入射方向平行，呈正入射〕，這時觀察晶體前后外表查看光束是否在晶體中心，假設(shè)沒有，那么精細調(diào)節(jié)晶體的二維調(diào)整架，保證使光束都通過晶體，且從晶體出來的反射像與半導體的出射光束重合。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。光強調(diào)到最大，此時晶體偏壓為零。這時可觀察到晶體的單軸錐光干預圖，即一個清楚的暗十字線，它將整個光場分成均勻的四瓣，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，使其兩個相互平行，此時所出現(xiàn)的單軸錐光圖與偏振片垂直時是互補的。5.晶體加上偏壓時呈現(xiàn)雙軸錐光干預圖，說明單軸晶體在電場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，干預圖形不旋轉(zhuǎn)，只是雙曲線分開的距離發(fā)生變化。這一現(xiàn)象說明，外加電場只改變感應主軸方向的主折射率的大小、折射率橢球旋轉(zhuǎn)的角度和電場大小無關(guān)。2.依據(jù)3LiNbo晶體的透過率曲線(即T-V曲線)，選擇工作點。測半波電壓。1〕極值法晶體上只加直流電壓，不加交流信號，并把直流偏壓從小到大逐漸改變時，示波器上可看到輸出光強出現(xiàn)極小值和極大值。具體做法：取出毛玻璃，撤走白屏，接收器對準出光點，加在晶體上的電壓從零開始，逐漸增大這時可看到示波器上光強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。先測對應于V0>0時，當光強最大時，測一組最大值，然后改變極性，最大時再測一組數(shù)據(jù)，兩個極大之間對應的電壓之和就是半波電壓的兩倍，屢次測量取平均值，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同時加上，當直流電壓調(diào)到輸出光強出現(xiàn)極小值或極大值對應時，輸出的交流信號出現(xiàn)倍頻失真，通過示波器可看出。出現(xiàn)相鄰倍頻失真對應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“輸出”接到雙蹤示波器的y1上，經(jīng)放大后的調(diào)制器的輸出信號接到示波器的y2上，把y1,y2上的信號做比擬，將檢偏器旋轉(zhuǎn)90度，當晶體上加的直流電壓緩慢增加到半波電壓時，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，又出現(xiàn)倍頻失真，相繼兩次出現(xiàn)倍頻失真時對應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，因為用極值法測半波電壓時，視覺很難準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，觀察正弦波電壓的調(diào)制特性。電源面板上的信號選擇琴鍵開關(guān)可以提供三種不同的調(diào)制信號，按下“正弦”鍵，機內(nèi)單一頻率的正弦波振蕩器工作，此信號經(jīng)放大后，加到晶體上。同時，通過面板上的“輸出”孔，輸出此信號，把它接到雙蹤示波器的y1上，作為參考信號。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上的參考信號比擬。工作點選定在曲線的直線局部，即附近時線性調(diào)制；工作點選在曲線的極小值〔或極大值〕附近時，輸出信號“倍頻”失真；工作點選定在極小值〔或極大值〕附近時輸出信號失真，觀察時調(diào)制信號幅度不能太大，否那么調(diào)制信號本身失真，輸出信號的失真無法判斷有什么原因引起，把觀察到的波形描下來，并和前面的理論分析做比擬。做這步實驗時把電源上的調(diào)制幅度、調(diào)制器上的輸入光強、放大器的輸出、示波器的增益(或衰減)這四局部調(diào)好，才能觀察到很好的輸出波形。4〕用1/4波片來改變工作點，觀察輸出特性。在上述實驗中，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，可以看到輸出波形隨著發(fā)生變化。當波片的快慢軸平行于晶體的感應軸方向時，輸出光線性調(diào)制；當波片的快慢軸分別平行于晶體的x,y軸時，輸出光失真，出現(xiàn)“倍頻”失真。因此，把波片旋轉(zhuǎn)一周時，出現(xiàn)四次線性調(diào)制和四次“倍頻”失真。實驗證明，通過晶體上加直流偏壓可以改變調(diào)制器的工作點，也可以用14波片選擇工作點，其效果是一樣的，但兩種方法的機理是不同的。五實驗數(shù)據(jù)處理與分析1.電光調(diào)制工程最大功率對應電壓/V最小功率對應電壓/V數(shù)值690-7231347-1352取值706.51349.5最大功率對應的倍頻失真波形圖最小功率對應的倍頻失真波形圖由極值法可得半波電壓V晶體根本物理量：dlλnV5mm30mm632.8nm2.286649.2V由此計算得出晶體的電光系數(shù)為:γ22=λ2Vπn02.動態(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。每次實驗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，與理論值比擬接近，可以驗證。當?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°，而且與第一次對應的度數(shù)差很接近45°。這與計算結(jié)果符合的很好，驗證了3.測量半波電壓原始數(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)理論計算，當V=0時，T應當為極小值〔T=0〕，然而從實驗測量出的T-V圖中可以發(fā)現(xiàn)，當V=o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〕光路調(diào)節(jié)存在缺陷，沒有嚴格的與導軌平行，使光嚴格沒有垂直入射。所以，有一局部光線透過，使曲線右移。2〕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，這就導致了極小值點偏離V=0點。3〕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。4〕晶體自身生長不均勻，入射光通過時光路改變造成零值點右移。2.實驗數(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消光不完全，使實驗結(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，在實驗過程中〔個人，不知道是不是普遍現(xiàn)象〕，在不受控制的情況下，有不斷退回的情況〔有一次從620v一直退回到100v，并且還有退回的趨勢〕。在電壓退回后，調(diào)節(jié)電壓到原電壓值，所測得的功率值較退回前明顯偏低，造成實驗誤差。3〕測量誤差。在動態(tài)法觀測調(diào)制器調(diào)制特性試驗中，最小失真點、振幅最大點、倍頻失真點的測量存在一個波動范圍，造成測量誤差。七實驗總結(jié)與感想通過本實驗，我根本掌握了晶體電光效應的實驗方法。剛開始做實驗的時候，因為上學期做過有關(guān)示波器的實驗和這學期的電氣實驗也熟悉過示波器，所以對根本的示波器原理還有一些經(jīng)驗，但對于光路調(diào)節(jié)沒只有在書上看到過示意圖，所以還不是很熟悉，對各種光路儀器的用處都不了解，但后來在老師的講解下才懂得了其使用方法。我覺得這是因為預習不夠充分引起的，一方面對儀器的原理了解不夠，一方面沒有考慮到儀器的具體使用。做物理實驗首先要理解其原理，再者怎么樣利用實驗儀器測出自己所需要