电光效应实验

电光效应实验

摘要：电光效应，是将物质置于电场中时，物质的光学性质发生变化的现象。某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象为电光效应。利用电光效应可以制作电光调制器，电光开关，电光光偏转器等，可用于光闸，激光器的Q开关和光波调制，并在高速摄影，光速测量，光通信和激光测距等激光技术中获得了重要应用。

关键词：电光效应克尔效应偏转器

引言：

电光效应包括克尔效应和泡克耳斯效应[1]。折射率与所加电场强度的一次方成正比改变的为pockels效应或线性电光效应，1893年由德国物理学家泡克耳斯（Friedrich Carl Alwin Pockels,1865 - 1913）发现.折射率与所加电场强度的二次方成正比改变的为Kerr效应或二次电光效应，1875年由英国物理学家克尔(John kerr,1824-1907）发现。

克尔效应：

1875年英国物理学家J.克尔发现，玻璃板在强电场作用下具有双折射性质，称克尔效应(Kerr effect）。后来发现多种液体和气体都能产生克尔效应。观察克尔效应的实验装置。内盛某种液体（如硝基苯）的玻璃盒子称为克尔盒，盒内装有平行板电容器，加电压后产生横向电场。克尔盒放置在两正交偏振片之间。无电场时液体为各向同性，光不能通过P2。存在电场时液体具有了单轴晶体的性质，光轴沿电场方向，此时有光通过P2（见偏振光的干涉）。

实验表明，在电场作用下，主折射率之差与电场强度的平方成正比。电场改变时，通过P2的光强跟着变化，故克尔效应可用来对光波进行调制。液体在电场作用下产生极化，这是产生双折射性的原因。电场的极化作用非常迅速，在加电场后不到10-9秒内就可完成极化过程，撤去电场后在同样短的时间内重新变为各向同性。克尔效应的这种迅速动作的性质可用来制造几乎无惯性的光的开关——光闸，在高速摄影、光速测量和激光技术中获得了重要应用。

泡克尔斯效应

1893年由德国物理学家F.C.A.泡克耳斯发现（许多国内教材翻译为普克尔效应）。一些晶体在纵向电场（电场

方向与光的传播方向一致）作用下会改变其各向异性性质，产生附加的双折射效应。例如把磷酸二氢钾晶体放置在两块平行的导电玻璃之间，导电玻璃板构成能产生电场的电容器，晶体的光轴与电容器极板的法线一致，入射光沿晶体光轴入射。与观察克尔效应一样，用正交偏振片系统观察。不加电场时，入射光在晶体内不发生双折射，光不能通过P2。加电场后，晶体感生双折射，就有光通过P2。泡克耳斯效应与所加电场强度的一次方成正比。大多数压电晶体都能产生泡克耳斯效应。泡克耳斯效应与克尔效应一样常用于光闸、激光器的Q开关和光波调制等。实验原理

1.一次电光效应和晶体的折射率椭球

由电场所引起的晶体折射率的变化，称为电光效应.通常可将电场引起的折射率的变化用下式表示：

n = n0 + aE0 +bE02+……

式中a和b为常数，n0为不加电场时晶体的折射率。由一次项aE0 引起折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔（Pokells）效应；由二次项bE02引起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也称平方电光效应或克尔（Kerr）效应。一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应则可能存在

于任何物质中，一次效应要比二次效应显著。光在各向异性晶体中传播时，因光的传播方向不同或者是电矢量的振动方向不同，光的折射率也不同。如图1，通常用折射率球来描述折射率与光的传播方向，振动方向的关系。

晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应两种.纵向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播的方向平行时产生的电光效应；横向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播方向垂直时产生的电光效应.通常KD*P（磷酸二氘钾）类型的晶体用它的纵向电光效应，LiNbO3(铌酸锂）类型的晶体用它的横向电光效应.本实验研究铌酸锂晶体的一次电光效应，用铌酸锂晶体的横向调制装置测量铌酸锂晶体的半波电压及电光系数，并用两种方法改变调制器的工作点，观察相应的输出特性的变化.

2.电光调制原理

要用激光作为传递信息的工具，首先要解决如何将传输信号加到激光辐射上去的问题，我们把信息加载于激光辐射的过程称为激光调制，把完成这一过程的装置称为激光调制器.由已调制的激光辐射还原出所加载信息的过程则称为解调.因为激光实际上只起到了"携带"低频信号的作用，所以称为载波，而起控制作用的低频信号是我们所需要的，称为调制信号，被调制的载波称为已调波或调制

光.按调制的性质而言，激光调制与无线电波调制相类似，可以采用连续的调幅，调频，调相以及脉冲调制等形式，但激光调制多采用强度调制.强度调制是根据光载波电场振幅的平方比例于调制信号，使输出的激光辐射的强度按照调制信号的规律变化.激光调制之所以常采用强度调制形式,主要是因为光接收器一般都是直接地响应其所接受的光强度变化的缘故.

激光调制的方法很多，如机械调制，电光调制，声光调制，磁光调制和电源调制等.其中电光调制器开关速度快，结构简单.因此，在激光调制技术及混合型光学双稳器件等方面有广泛的应用.电光调制根据所施加的电场方向的不同，可分为纵向电光调制和横向电光调制.利用纵向电光效应的调制，叫做纵向电光调制，利用横向电光效应的调制，叫做横向电光调制.这次实验中，我们只做LiNbO3晶体的横向调制实验.

实验仪器

图2为典型的利用LiNbO 3晶体横向电光效应原理的激光振幅调制器。其中起偏振片的偏振方向平行于电光晶体的x 轴，检偏振片的偏振方向平行于y 轴。因此入射光经起偏振片后变为振动方向平行于x 轴的线偏振光，它在晶体的感应轴x ′和y ′轴上的投影的振幅和相位均相等，设分别为

e x ′=A 0cos ωt , e y ′=A 0cos ωt （9）

或用复振幅的表示方法，将位于晶体表面（z =0）的光波表示为

E x ′(0)=A , E y ′(0)=A （10） 所以，入射光的强度是

2

222)0()0(A E E E E I y x i =+=⋅∝'' （11） 当光通过长为l 的电光晶体后，x ′和y ′两分量之间就

产生相位差δ，即

E x ′(l )=A , E y ′(l )=A δi e - （12）

通过检偏振片出射的光，是该两分量在y 轴上的投影之和 )1(2)(0-=δ

i y e A

E （13） 其对应的输出光强I t 可写成

2sin 2)]1)(1[(2])()[(222

00δδδA e e A E E I i i y y t =--=⋅∝-* （14）