晶体的电光效应
晶体的电光效应实验报告
晶体的电光效应实验报告引言电光效应是指在一些特定的晶体材料中，当施加电场时，会产生光的现象。
本实验旨在通过实验验证晶体的电光效应，并研究不同电场强度对光产生效果的影响。
实验材料•一块晶体样品（例如硫化锌晶体）•电源•电压表•光强测量仪实验步骤步骤1：准备工作1.将晶体样品放置在实验台上，并清洁表面，确保无尘。
2.将电压表和光强测量仪连接到电源上，确保所有设备正常工作。
步骤2：施加电场1.将电源的正极和负极分别连接到晶体样品的两端。
2.逐渐增加电压，记录每个电压值下的光强度。
步骤3：测量光强度1.将光强测量仪放置在晶体样品的一侧，确保光线直接照射到晶体表面。
2.记录每个电压值下测得的光强度。
实验结果与讨论在本次实验中，我们使用硫化锌晶体样品进行了电光效应的实验。
实验过程中，我们记录了不同电场强度下的光强度，并进行了分析。
通过实验数据的分析，我们观察到以下现象：随着电场强度的增加，晶体样品的光强度也随之增加。
这说明在施加电场的情况下，晶体样品会发生电光效应，并产生光。
根据实验数据的变化趋势，我们可以推测晶体样品的电光效应与电场强度成正比。
换句话说，电场强度越大，晶体样品产生的光强度也会增加。
这个结果与我们的预期相符合。
根据晶体的电光效应理论，当晶体材料中存在应变时，其晶格结构会发生微小变化，从而改变了晶体内部的折射率。
施加电场会引起晶格结构的应变，进而改变晶体的折射率，导致光的产生。
通过本次实验，我们验证了晶体的电光效应，并通过测量光强度的变化，研究了电场强度对光产生效果的影响。
这为进一步研究晶体材料的光电特性提供了基础。
结论通过本次实验，我们验证了晶体的电光效应现象，并观察到电场强度对光产生效果的影响。
随着电场强度的增加，晶体样品的光强度也增加。
这个实验结果对于理解晶体的光电特性具有重要意义，也为进一步研究和应用晶体材料的光电效应提供了参考。
参考文献[参考文献1]。
晶体的电光效应实验报告
晶体的电光效应实验报告晶体的电光效应实验报告引言：晶体是一种具有有序排列的原子、离子或分子的固体物质。
它们在光学、电子学和通信等领域中具有重要的应用。
本实验旨在探究晶体的电光效应，通过实验观察和数据分析，深入了解晶体在电场作用下的光学行为。
实验装置和步骤：实验装置包括：晶体样品、光源、电源、电极、偏振片等。
实验步骤如下：首先，将晶体样品放置在实验台上，并连接电源和电极；然后，使用光源照射晶体样品，并通过偏振片调节光的偏振方向；最后，记录观察到的光学现象，并根据实验数据进行分析和解释。
实验结果：在实验过程中，我们观察到了晶体的电光效应。
当电场施加到晶体上时，晶体的折射率发生了变化，导致光线的传播速度发生改变。
这种现象称为克尔效应。
通过调节电场的强度，我们发现晶体的折射率随电场的变化而变化，进一步验证了克尔效应。
此外，我们还观察到了晶体的双折射现象。
在无电场作用下，晶体的折射率相同，光线以相同的速度传播。
然而，在电场的作用下，晶体的折射率变化，光线被分成了两束，分别沿着不同的方向传播。
这种现象称为晶体的双折射现象，也是晶体的电光效应的重要表现形式之一。
数据分析：通过实验测量和数据分析，我们可以得出晶体的电光效应与电场强度之间存在一定的关系。
随着电场强度的增加，晶体的折射率也随之增加。
这种关系可以通过线性拟合得到一条直线，从而可以预测在不同电场强度下晶体的折射率。
此外，我们还可以通过实验数据计算晶体的电光系数。
电光系数是衡量晶体电光效应强弱的指标，它描述了晶体折射率随电场变化的程度。
通过实验测量晶体在不同电场下的折射率，并将其与电场强度进行对比，我们可以计算出晶体的电光系数。
讨论和结论：通过本实验，我们深入了解了晶体的电光效应。
晶体在电场作用下表现出的克尔效应和双折射现象，为我们理解晶体在光学领域的应用提供了重要的实验基础。
此外，我们还发现晶体的电光效应与电场强度之间存在一定的关系，并通过实验数据计算出晶体的电光系数。
研究性实验报告——晶体的电光效应1.
研究性实验报告——晶体的电光效应1.
实验目的：
通过实验，学习晶体的电光效应原理，掌握利用光学仪器测量晶体的电光性质的方法，并了解晶体的电光效应在光电技术中的应用。
实验原理：
当晶体被加上一个外部的电场时，它的介电常数会发生变化，从而会改变晶体的折射率。
这种现象被称为晶体的电光效应。
晶体的电光效应可以分为两种类型：平移效应和旋
转效应。
平移效应：当一个光束穿过一个加有电场的单轴晶体时，光束的振动方向会发生平移。
平移角度与电场的强度成正比。
旋转效应：当一个光束穿过一个加有电场的双轴晶体时，光束会因为双折射现象而沿
着不同的路径传播。
这种现象被称为旋转效应。
实验步骤：
1. 实验室管理员指导下，打开光路并将实验装置调整到最佳状态。
2. 将一块单轴晶体放在两根金属极板之间，接上稳压直流电源以施加电场。
3. 在透过晶体的光路中加入一束偏振光，并将光路调整到最佳状态。
使用光度计测
量被散射的光束的光密度与偏振角度之间的关系。
4. 按照同样的方法，使用双轴晶体来研究旋转效应。
5. 根据实验得到的数据，绘制光密度和电场强度之间的关系图，并分析它的形状和
趋势。
实验结果和分析：
从实验数据得到的图形中，我们可以看到光密度和电场强度之间的关系是非线性的，
并且在电场强度为一定值时，光密度会发生一个明显的跳跃现象。
这是因为在这个电场强
度下，晶体的介电常数发生了变化，导致光线发生了反射或折射。
这种现象可以应用于光
电调制器和光电开关等光学器件的设计和制造中。
结论：。
晶体的电光效应—泡克尔斯效应
晶体的电光效应—泡克尔斯效应基本定义：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。
电光效应包括泡克耳斯(Pockels)效应和克尔(Kerr)效应。
电光效应是指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的效应。
泡克耳斯效应是指光介质在恒定或交变电场下产生光的双折射效应，这是一种线性电-光效应，其折射率的改变和所加电场的大小成正比。
德国物理学家弗里德里斯·泡克耳斯于1893年研究发现的。
但这种效应只存在缺少反演对称性的晶体中，例如铌酸锂（LiNbO3）,钽酸锂（LiTaO3），硼酸钡（BBO），和砷化镓（GaAs）等，或存在其它非中心对称的介质，例如在电场极化高分子和玻璃中出现。
电场极化高分子中含有特别设计的有机分子，它们具有比高非线性晶体高10倍的非线系数。
泡克耳斯效应克尔效应的区别在于：泡克耳斯效应是与电场大小成正比，而克尔效应则是与电场大小的平方成比例的。
实验原理：某些晶体在外加电场中，随着电场强度E的改变，晶体折射率会发生改变，这种现象称为电光效应。
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与任何物质中，一次效应要比二次效应显著，电光效应根据施加的电场方向与通光方向相对关系，可分为总想电光效应和横向电光效应。
利用纵向电光效应的调制，叫做纵向电光效应调制；利用横向电光效应的调制，叫做横向电光效应调制。
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。
把加在晶体上的电场方向与光在晶体中的传播方向平行时产生的电光效应，成为纵向电光效应，通常以KDP类型晶体为代表。
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，称为横向电光效应，以LiNbO3晶体（简称LN晶体）为代表。
在本实验中，只研究LN晶体的横向电光效应调制性质，采用对LN晶体横向施加电场的方式来研究其电光效应。
实验总结：电光调制是利用晶体的双折射现象，将入射的线偏振光分解成o光和n光，利用晶体的电光效应有电信号改变晶体的折射率，从而控制两个振动分量形成的相差ζ，再利用光的相干原理两束光叠加，从而实现光强度的调制。
晶体物理性能 第7章 电光效应
考虑到63Ez<<nO-2，使用 系，可以得到：
3 nO 63 E3 n1 ' nO 2
3 nO 63 E 3 n2 ' nO 2
n3 1 dn d ( 3 ) 2 n
的关
(7.12a) (7.12b)
1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3
E E E
1 2 3
(7.4)
5
6
系数ij共有18元素称为电光张量
共青团南京大学委员会 组织部 8
从二阶张量的性质知道， 二次曲面方程的六个系数，必具有二阶对称张量的性质，所以 每个系数和下列二阶张量符号对应
1 2 n 1 2 n 1 1 1 B B B , , , 11 2 22 2 33 2 B23 , B32 , n 4 n 3 n 2 1 1 B13 , B31 , 2 B12 , B21 n 6 5
n3 ' n e
可见，原来属于单轴晶体的KDP，在E3电场
作用下变为双轴晶体，沿原来光轴传播的特 性会发生最显著的影响.
共青团南京大学委员会 组织部
2010年11月18日
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二．LiNbO3类晶体
LiNbO3属3m点群，负单轴晶体，标准坐 标系的取法是坐标z轴取在三次轴方向．另外 二轴，取法是x轴，对称平面y沿着对称平 面，属LiNbO3同类的晶体有LiTaO3等．它的 光电系数矩阵为：
2010年11月18日 共青团南京大学委员会 组织部 5
加上电场以后折射率椭球就要变形，(7.1)中
晶体电光效应实验报告
晶体电光效应实验报告晶体电光效应实验报告引言：晶体电光效应是指在外加电场作用下，晶体表面发生光学现象的现象。
这一现象在光电子学和光通信领域有着重要的应用，因此对其进行深入研究和实验探究是非常有意义的。
本实验旨在通过实际操作，观察晶体在电场下的光学变化，进一步了解晶体的电光性质。
实验材料和方法：实验所用材料为一块具有晶体结构的透明晶体样品，实验仪器包括电源、电压表、光源和光强测量仪。
实验步骤如下：1. 将晶体样品放置在实验台上，并确保其表面光洁无划痕。
2. 将电源与电压表连接，调节电源输出电压，并记录下不同电压下的数值。
3. 将光源对准晶体样品，调节光源亮度，并记录下不同亮度下的数值。
4. 使用光强测量仪测量不同电压和亮度下的光强，并记录下相应的数值。
实验结果和分析：根据实验数据，我们可以得到晶体在不同电场下的光学变化。
随着电场的增加，晶体的透光性会发生变化，即光强会有所改变。
通过观察实验数据，我们可以发现晶体的光强与电压呈现一定的关联性。
当电压较小时，光强基本保持不变；但当电压达到一定数值后，光强会出现明显的变化。
这说明晶体在电场作用下，会发生电光效应。
进一步分析实验结果，我们可以得出晶体电光效应的几个特点。
首先，晶体的电光效应是非线性的，即光强与电压之间的关系不是简单的比例关系。
其次，晶体的电光效应是可逆的，即当电压减小时，光强会恢复到初始状态。
这说明晶体的电光效应是与电场的存在和强度密切相关的。
晶体电光效应的机理可以通过晶体的结构来解释。
晶体是由离子或分子组成的有序排列的固体，其内部存在着电荷分布的不均匀性。
当外加电场作用于晶体时，电场会使晶体内部的电荷分布发生变化，从而导致晶体的光学性质发生变化。
具体来说，电场会引起晶体内部的电荷重新排列，导致晶体的折射率发生变化，从而影响光的传播和透射。
这就是晶体电光效应的基本机理。
结论：通过本次实验，我们观察到了晶体在电场作用下的光学变化，进一步了解了晶体的电光性质。
晶体的电光效应
晶体的电光效应介质因电场作用而引起折射率变化的现象称为电光效应，介质折射率和电场的关系可表示为：+++=20bE aE n n (1)式中n 0是没有外加电场（E =0）时的折射率，a 和b 是常数，其中电场一次项引起的变化称为线性电光效应，由Pokels 于1893年发现，故也称为Pokels 效应；由电场的二次项引起的变化称为二次电光效应，由Kerr 在1875年发现，也称Kerr 效应，在无对称中心晶体中，一次效应比二次效应显著得多，所以通常讨论线性效应。
尽管电场引起折射率的变化很小，但可用干涉等方法精确地显示和测定，而且它有很短的响应时间，所以利用电光效应制成的电光器件在激光通信、激光测距、激光显示、高速摄影、信息处理等许多方面具有广泛的应用。
[实验目的]研究铌酸锂晶体的横向电光效应，观察锥光干涉图样，测量半波电压； 学习电光调制的原理和实验方法，掌握调试技能；了解利用电光调制模拟音频光通信的一种实验方法；[实验原理]1． 晶体的电光效应 按光的电磁理论，光在介质中传播的速度为210)(-==μεn c c ，ε为介电系数，是对称的二阶张量，即ji ij εε=，由此建立的D 和E 的关系为：j j i i E D ε= （3,2,1,=j i ) (2)即： 333232131332322212323132121111E E E D E E E D E E E D εεεεεεεεε++=++=++=在各向同性的介质中，εεεε===332211，D 和E 成简单的线性关系，光在这类介质中以某一确定速度传播；但在各向异性的介质中，一般情况下各方向的折射率却不再相同，所以各偏振态的光传播速度也不同，将呈现双折射现象。
如果光在晶体中沿某方向传播时，各个方向的偏振光折射率都相等，则该方向称为晶体的光轴。
若晶体只含有一个这样的方向，则称为单轴晶体。
通常用折射率椭球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的关系。
晶体电光效应
1 晶体的电光效应因为晶体折射率的各向异性与组成晶体的原子或分子的排列方式及相互作用的特点有关，因此，外界作用可以改变他们的排列方式（例如压力下的形变）或相互作用的状况（例如电场使原子极化），导致晶体光学性质产生相应的变化。
人工双折射就是指光学介质受到人为施加的外力或外场作用而产生的偏振和双折射现象。
人工双折射可以根据人们的意愿加以控制。
例如将一块受到电场作用的晶体放在两块偏振器之间，人们就可以通过改变电场的大小或方向而有效的控制出射光束的强度、方向和偏振态等，达到电光调制、偏转、调Q 等目的。
1.1 电光效应基本原理在各向异性晶体中，介电常数是随作用在介质上的电场强度而变化的，尤其在强场作用下这种变化就更加明显，光波在其中的传播规律也要改变。
对于无对称中心的晶体，外加电场沿一个主轴方向作用于晶体上，感生电位移矢量D 和外加电场E 的方向一致，大小关系可表示为：以D(E)曲线的切线斜率定义介电常数，上式可写为：显然，折射率随外加电场而变化（如下图）。
我们把介质由于外加电场作用而引起的折射率变化的现象称为电光效应。
为了定量的描述电场引起的折射率变化，上式写为:利用公式())0x (11→+≈+当mx x m，上式可简化为： 令：,2/3,/00n b n a βα== 则有电场引起折射率变化为：此外，不仅电场能够引起介质折射率变化，而且外力也能引起介质的折射率变化。
沿晶体主轴方向作用单向压力，参照上述分析方法，折射率因应力而产生的变化，可表示为：其中σ表示应力。
由于应力产生的折射率变化成为弹光效应。
当介质上作用一外电场时，除了由于介电常数的变化引起折射率的变化外，电场还通过反压电效应作用，使介质产生应变，这种应变通过弹光效应引起折射率变化。
为了区别这两种折射率变化，我们把由外加电场通过介电常数引起的折射率变化称为初级电光效应，而把由外加电场通过反压电效应引起的折射率变化称为次级电光效应。
因此，外加电场对介质所产生的折射率变化为两种效应之和：任意方向外加电场对于晶体折射率的影响，可以用折射率椭球的改变来描述。
晶体的电光效应
基础物理实验报告一、实验目的1、掌握晶体电光调制的原理和实验方法2、了解电光效应引起的晶体光学性质的变化和观察汇聚偏振光的干涉现象3、学习测量晶体半波电压和电光常数的实验方法二、实验原理电光效应电场施加在晶体上，会使晶体的折射率发生变化，这种现象称之为电光效应。
通常将电场引起的折射率变化由下式表示：式中a和b为与E0无关的常数，n0为E0=0时的折射率。
由一次项aE0引起的折射率变化称为一次电光效应，也称为线性电光效应或Pokells 效应；由二次项aE20引起的折射率变化称为二次电光效应，也称为平方电光效应或Kerr 效应。
一次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，通常一次效应比二次效应显著。
晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应。
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的传播方向垂直时产生的电光效应。
观察纵向电光效应最常用的晶体是KDP，而观察横向电光效应则常用铌酸锂（LiNbO3）类型的晶体。
本实验主要研究铌酸锂（LiNbO3）的一次电光效应。
在未加电场前，铌酸锂是单轴晶体。
当线偏振光沿光轴方向通过晶体时，不会产生双折射。
但如在铌酸锂晶体的X轴施加电场，晶体将由单轴晶体变为双轴晶体。
这时沿Z轴传播的偏振光应按特定的晶体感应轴X’和Y’进行分解，因为光沿这两个方向偏振的折射率不同。
类似于双折射中o光和e光的偏振态的讨论，由于沿X’和Y’的偏振分量存在相位差，出射光一般将成为椭圆偏振光。
由晶体光学可以证明，这两个方向的折射率：，电光调制原理当光经过起偏器P后变成振动方向为OP的线偏振光，进入晶体 (z = 0) 后被分解为沿x′和y′轴的两个分量，因为OP与x’轴、y’轴的夹角都是45º，所以位相和振幅都相等。
即AOEOEyx=='')()(，于是入射光的强度为：222*2)()(AOEOEEEIyx=+=⋅∝''当光经过长为l的LN晶体后，x′和y′分量之间就产生位相差ϕ，即：⎪⎩⎪⎨⎧==-ϕiyxAelEAlE)()(''（13）从检偏器A（它只允许OA方向上振动的光通过）出射的光为)('lEx和)('lEy在OA轴上的投影之和()(1)iy oE A eϕ-=-（14）于是对应的输出光强为：2*22()()()[(1)(1)]2sin /22i i o y oy o A I E E e e A ϕϕϕ-∝=--= （15）将输出光强与输入光强比较，再考虑（11）式和（12）式，最后得到：22sin sin ()22o i I V I V πϕπ== （16） i I I /0为透射率，它与外加电压V 之间的关系曲线就是光强调制特性曲线，见图3。
晶体电光效应知乎
晶体电光效应知乎晶体电光效应是指当光线通过晶体时，晶体会发生光的偏振转换或光的折射现象。
这是因为晶体具有非线性光学特性，即光的电场强度和光的偏振态之间存在着非线性关系。
晶体电光效应在光通信、激光技术、光电子学等领域有着重要的应用。
通过控制光的偏振态和光的传播方向，可以实现光信号的调制、光的放大、光的传输等功能。
晶体电光效应的基本原理是晶体中的光子与晶格中的电子相互作用，导致光的偏振转换或光的折射现象。
晶体的晶格结构决定了光子与晶格中的电子之间的相互作用方式，从而影响光的传播特性。
晶体的晶格结构可以分为立方晶系、四方晶系、六方晶系等多种类型。
不同类型的晶体具有不同的光学性质和电光效应。
例如，某些晶体在外加电场的作用下会发生光的偏振转换，这种现象被称为电光效应。
晶体电光效应的具体机制可以通过非线性光学理论来解释。
非线性光学理论指的是光与物质相互作用时，光的电场强度和物质的响应之间存在非线性关系。
通过非线性光学效应，可以实现光的调制、光的放大和光的传输等功能。
晶体电光效应的应用非常广泛。
在光通信中，晶体电光效应可以用于光的调制，实现光信号的传输和接收。
在激光技术中，晶体电光效应可以用于激光器的调谐和频率转换。
在光电子学中，晶体电光效应可以用于光电探测器的增益和灵敏度的提高。
除了晶体电光效应，还有其他光学效应也具有重要的应用价值。
例如，光电效应、拉曼散射等都是光学中的重要现象。
通过研究和应用这些光学效应，可以实现光的调控和信息的传输。
晶体电光效应是指当光线通过晶体时，晶体会发生光的偏振转换或光的折射现象。
这是由于晶体具有非线性光学特性所致。
晶体电光效应在光通信、激光技术和光电子学等领域有着重要的应用。
通过控制光的偏振态和光的传播方向，可以实现光信号的调制、光的放大和光的传输等功能。
晶体电光效应知乎
晶体电光效应知乎晶体电光效应是指晶体在电场的作用下发生的光学现象。
它是一种重要的光电效应，可以通过调控晶体的电场来改变光的传播状态和光学性质。
晶体电光效应在光通信、光学传感、光学调制等领域具有广泛应用。
晶体电光效应的基本原理是晶体中的正负电荷在电场的作用下发生位移，导致晶体内部发生畸变。
这种畸变会改变晶体的光学性质，使光的传播速度和方向发生变化。
晶体电光效应的大小与晶体的结构、光波长、电场强度等因素有关。
晶体电光效应的机制可以分为直接和间接两种。
直接电光效应是指电场直接改变晶体的介电常数，从而改变光的传播速度。
间接电光效应是指电场改变晶体的折射率，从而改变光的传播路径。
这两种机制常常同时存在，共同影响晶体的光学性质。
晶体电光效应的应用非常广泛。
在光通信领域，晶体电光效应可以用于光调制器，实现光信号的调制和解调。
光调制器是光纤通信系统中的重要组件，它可以将电信号转换为光信号，实现光纤之间的高速传输。
晶体电光效应的调制速度快、带宽宽，非常适合用于光调制器。
在光学传感领域，晶体电光效应可以用于制造光电调制器，实现对光信号的调制和控制。
光电调制器可以将光信号转换为电信号，并对其进行调制和控制。
晶体电光效应的灵敏度高、响应速度快，非常适合用于光电调制器的制造。
晶体电光效应还可以用于制造光学开关和光学存储器。
光学开关是一种可以控制光信号开关状态的器件，可以实现光信号的路由和切换。
晶体电光效应的快速响应和高灵敏度使得光学开关具有很高的性能。
光学存储器是一种可以存储和读取光信号的器件，可以实现光信号的存储和检索。
晶体电光效应可以用来控制光信号的写入和读取过程，实现光学存储器的功能。
晶体电光效应还可以用于制造光学干涉仪和光学调制器。
光学干涉仪是一种利用光的干涉现象来测量物体形状和表面质量的仪器。
晶体电光效应可以用来控制光的相位和幅度，从而实现对光学干涉仪的精确控制。
光学调制器是一种可以调制光信号的器件，可以实现光信号的调制和控制。
晶体的电光效应
以顺电相KLTN晶体为例
通过晶体后两束偏振光的相位差为
2 1 (n3 n )d ( s11 s12 )n03 E 2 d 2
' ' 1
2
中心对称晶体在横向电光效应的应用中也存在一些问题， 认识较多的此类晶体，居里温度较高，在室温下不能展现 出二次电光效应，影响了实际的应用，而且二次电光效应 较小，所以需求低居里温度，高的二次电光系数的铁电晶 体材料具有很大的意义。
电光晶体做光开关器件有几个重要的参数 ： （1）大的电光系数 （2）开关速度 （3）消光比
电光强度调制器其设计光路与上述光开关光路相同， 已知
I [ Eout E
* out
A ] [exp( i ) 1][exp(i ) 1] 2 2 A2 sin 2 ( ) 2
0 0 1 0 0 0 0 2 E1 0 0 3 0 E2 0 4 41 0 E3 5 0 41 0 0 0 63 6
和
此时各主轴方向的折射率为
1 1 1 2 s E 12 2 2 2 n n n0 1 2 1 1 s E2 11 2 2 n0 n3
n2 n3 n1
1 3 2 n ' n ' n n s E 1 2 0 0 12 2 n ' n 1 n3 s E 2 3 0 0 11 2
由式
ij sijkl Ek El
sijkl为二次电光系数（Kerr）系数，为四阶张量
因此引入以下简化下标
二次电光效应表示为
晶体光学lesson6-晶体的电光效应
晶体的电光效应及光波在电光晶体中的传播晶体的电光效应晶体的电光效应是一种人工双折射现象 由于人为施加外力场或电场引起改变晶体内原子的排列方式和分布本质上是改变电子云的分布引起介电系数的改变－进而改变晶体的折射率椭球参数可以人工控制－用于电光调制、电光偏转、调Q等应用领域晶体的电光效应电光效应－晶体在外电场作用下，其光学性质（折射率）的变化。
电磁场在介质中应满足物质关联方程，对光波来说在各向同性晶体中传播时，其电位移矢量D和电场强度E 之间的关联方程为D=ε·E其中ε为晶体的介电常数张量。
晶体的电光效应1、晶体的介电系数随电场强度的变化而变化，是电场强度的函数•我们在波动光学中利用的公式是弱电场近似公式•在外加强电场条件下，介电系数（折射率）随电场强度发生变化•由于折射率变化，光波传输规律也发生变化，我们可以通过研究电场对晶体介电系数的影响，研究电场对光波传输的影响2、介电系数与电场强度之间不是简单的线性关系外加电场与介电系数之间的关系晶体的介电系数可以用二阶张量描述；利用晶体电光系数表征晶体介电系数同电场之间的关联； 晶体电光系数可以表征为－三阶张量三阶张量只存在于没有对称中心的晶体中， 所以只有无对称中心的晶体才有电光效应(,,1,2,3)ij ijk k C D A i j k ==(,,1,2,3)ij ijk k B E i j k γ==外加电场与介电系数之间的关系取无对称中心晶体作为研究对象为了研究方便，我们取外加电场沿晶体的主轴方向，这时电位移矢量同电场强度方向一致。
通过测量表明电位移矢量同电场强度之间满足下列线性关系023...D E aE E εβ=+++0ε为线性介电系数任意方向的外加电场引起的折射率变化 上面给出了沿晶体主轴施加外加电场引起折射率变化的情况；对于任意方向电场我们可以通过下面方式处理：1、研究电场对晶体主轴折射率的影响进而获得新的折射率椭球方程（很复杂）2、直接考虑电场对折射率椭球的影响线性电光系数与外加频率之间关系晶体在外加电场作用下发生受迫振动； 当外加电场频率与晶体自身固有频率相同时，振动幅度最大发生共振。
晶体的电光效应
x
图 2.1 xy 坐标系和 标系（感生坐标系）
• 首先进行坐标变换，得到xy坐标系内琼斯矩阵的
表达式：
π R( )
4
Jˆ
1 2
1 1
11
ei( / 2) ei(/ 2)
cos( / i sin(
2) / 2)
• 如果在输出端放一个与y 平行的检偏振器，就构
成泡克耳斯盒。由检偏器输出的光波琼斯矩阵为：
• 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者调制光。
• 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。
• 当U0= Uπ/2,um> Uπ时,调制器的工作点虽然
选定在线性工作区的中心，但不满足小信号调 制的要求。因此，工作点虽然选定在了线性区， 输出波形仍然是失真的。
• 上面分析说明电光调制器中直流偏压的作用主要 是在使晶体中x’,y’两偏振方向的光之间产生固定
的位相差，从而使正弦调制工作在光强调制曲线
实验内容
• 测定铌酸锂晶体的透过率曲线（即T～U曲线），
计算半波电压Uπ。 晶体上只加直流电压，不加交流信号，把直流电 压从小到大逐渐改变，输出的光强将会出现极小 值和极大值，相邻极小值和极大值对应的直流电 压之差即是半波电压。加在晶体上的电压在电源 面板上的数字表读出，每隔5V增大一次，再读出 相应的光强值。
• 当晶体加上电场后，折射率椭球的 形状、大小、方位都发生变化，椭
5.2 晶体的电光效应及其应用
B x + B x + B x
0 1 2 1 0 2 2 2 0 3
2 3
=1
外加电场后，由于线性电光效应， 外加电场后，由于线性电光效应，折射率椭球发生了变 它应表示为一般折射率椭球的形式： 化， 它应表示为一般折射率椭球的形式：
B x + B12 x1 x 2 + B13 x1 x3 + B 21 x 2 x1 + B 22 x
α=±45° 45°
切割晶片沿光轴方向外加电场后， 故x3-切割晶片沿光轴方向外加电场后，感应折射率椭球 轴旋转45 45° 的三个主轴方向为原折射率椭球的三个主轴绕x3轴旋转45° 得到，该转角与外加电场的大小无关，但转动方向与电场方 得到，该转角与外加电场的大小无关， 向有关。 =45° 折射率椭球方程为： 向有关。若取α=45°，折射率椭球方程为：
0 0 0 0 0
γ
63
E1 E 2 E3
因此： 因此：
∆ B ∆ B ∆ B ∆ B ∆ B ∆ B
1 2 3 4 5 6
= 0 = 0 = 0 = γ = γ = γ
41 41 63
E E E
1 2 3
11 21 31 41 51 61
γ γ γ γ γ γ
12 22 32 42 52 62
γ γ γ γ γ γ
13 23 33 43 53 63
E1 E 2 E3
式中的(6×3)γ矩阵就是线性电光系数矩阵，它描述了 式中的(6× 矩阵就是线性电光系数矩阵， (6 外加电场对晶体光学特性的线性效应。 外加电场对晶体光学特性的线性效应。
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晶体的电光效应基础物理实验研究性报告晶体的电光效应第一作者：周坤学号：141511442016年5月12日摘要本文以“晶体电光效应”实验为研究内容，先介绍了实验目的，实验仪器，实验的基本原理与实验步骤，进行了数据处理与结果分析，并做了相对误差分析，最后得出几点自己对实验的感想。
关键词：晶体的电光效应激光调制半波电压目录摘要 (1)一实验目的 (2)二实验仪器 (2)三实验原理 (3)1.............. LN晶体的线性电光效应32．电光调制原理 (4)四实验步骤 (6)1.调整光路系统 (6)2. 依据3 LiNbo 晶体的透过率曲线(即T-V 曲线)，选择工作点。
测半波电压。
(7)1）极值法 (7)2）调制法 (7)3）改变直流偏压，选择不同的工作点，观察正弦波电压的调制特性。
(7)4）用1/4波片来改变工作点，观察输出特性。
(8)五实验数据处理与分析 (8)1.电光调制 (8)2.动态法观察调制器性能 (10)3.测量半波电压 (10)六误差讨论与分析 (11)1.输出波形畸变产生原因 (11)2.实验数据误差产生的原因 (11)七实验总结与感想 (11)一实验目的1.掌握晶体电光调制的原理和实验方法；2.了解电光效应引起的晶体光学性质的变化，观察汇聚偏振光的干涉现象；3.学习晶体半波电压和光电常数的实验方法。
二实验仪器偏振片、扩束镜、铌酸锂电光晶体、光电二极管、光电池、晶体驱动电源、光功率计、1/4玻片、双踪示波器三 实验原理1. LN 晶体的线性电光效应当晶体处在一个外加电场中时。
晶体的折射率会发生变化，改变量的表达式为：22220111()E pE n n n γ∆=-=++L L （1） 其中n 是受外场作用时晶体的折射率，n0是自然状态下晶体的折射率，E 是外加电场强度，γ和p 是与物质有关的常数。
（1）式右边第一项表示的是线性电光效应，又称为普克尔效应，因此γ叫做线性电光系数；第二项表示的是二次电光效应，又称为克尔效应，因此p 也叫做二次电光系数。
本实验只涉及到线性电光效应。
LN 晶体通常采用横向加压，z 向通光的运用方式，即在主轴y 方向加电场Ey 而Ex = Ez = 0 ，有外电场时折射率椭球的主轴一般不再与原坐标轴重合。
将坐标系经过适当的旋转后得到一个新的坐标系（x ′，y ′，z ′），使折射率椭球变为：1222222='+'+''''z y x n z n y n x （2） 这里x n '、y n '、z n '是有电场时的三个主折射率。
叫感应主折射率，坐标系（x ′，y ′，z ′）叫感应主轴坐标系。
在（x ' y ' z '）坐标系中，折射率椭球的方程为:（3）将（3）式同（2）式比较，就可得出： 222211y x o E n n γ'=-， 222211,y y o E n n γ'=+ e z n n =' 一般情况下有y E 22γ<<20/1n ，于是y x E n n n 2230021γ+=' y y E n n n 2230021γ-='e z n n =' （4） 上述结果表明，在LN 晶体的y 轴方向上加电场时，原来的单轴晶体（nx= ny = n0，2222222222111'''1y y o o e E x E y z n n n γγ⎛⎫⎛⎫-+-+= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭nz = ne）变成了双轴晶体（nx′≠ ny′≠ nz′），折射率椭球在x′y′平面上的截线由原来的圆变成了椭圆，椭园的短轴x′（或y′）与x轴（或y轴）平行,感应主轴的长短与Ey的大小有关，这就显示了晶体的线性电光效应。
2．电光调制原理LN晶体横向电光调制器的结构如图所示。
当光经过起偏器P后变成振动方向为OP的线偏振光，进入晶体 (z = 0) 后被分解为沿x′和y′轴的两个分量，因为OP与x’轴、y’轴的夹角都是45º，所以位相和振幅都相等。
即AOEOEyx=='')()(，于是入射光的强度为：222*2)()(AOEOEEEIyx =+=⋅∝''当光经过长为l 的LN 晶体后，x ′和y ′分量之间就产生位相差ϕ，即：⎪⎩⎪⎨⎧==-ϕi y x Ae l E A l E )()('' （5）从检偏器A （它只允许OA 方向上振动的光通过）出射的光为)('l E x 和)('l E y 在OA 轴上的投影之和()(1)i y o E A e ϕ-=- （6）于是对应的输出光强为： 2*22()()()[(1)(1)]2sin /22i i o y oy o A I E E e e A ϕϕϕ-∝=--= （7） 将输出光强与输入光强比较，再考虑（11）式和（12）式，最后得到：22sin sin ()22o i I V I V πϕπ== （8）i I I /0为透射率，它与外加电压V 之间的关系曲线就是光强调制特性曲线。
本实验就是通过测量透过光强随加在晶体上电压的变化得到半波电压V π。
由图3可知，透过率与V 的关系是非线性的，若不选择合适的工作点会使调制光强发生畸变，但在V = V π/2附近有一直线部分（即光强与电压成线性关系），这就是线性调制部分。
为此，我们在调制光路中插入一个λ/4波片，其光轴与OP 成45º角，它可以使x ′和y ′两个分量间的位相有一个固定的π/2位相延迟，这时若外加电场是一个幅度变化不太大的周期变化电压，则输出光波的光强变化与调制信号成线性关系，即211sin [()][1sin()]222o i I V V I V V πππππ=+=+ （9）其中V 是外加电压，可以写成sin m m V V t ω=，但是如果Vm 太大，就会发生畸变，输出光强中将包含奇次高次谐波成份。
当1/<<πV V m 时 1[1sin ]2o m m i I V t I V ππω=+四实验步骤1.调整光路系统1. 调节三角导轨底角螺丝，使其稳定于调节台上。
在导轨上放置好半导体光源部分滑块，将小孔光栏置于导轨上，在整个导轨上拉动滑块，近场远场都保证整个光路基本处于一条直线，即使光束通过小孔。
放上起偏振器，使其表面与激光束垂直，且使光束在元件中心穿过。
再放上检偏器，使其表面也与激光束垂直，转动检偏器，使其与起偏器正交，即，使检偏器的主截面与起偏器的主截面垂直，这时光点消失，即所谓的消光状态。
2. 将铌酸锂晶体置于导轨上，调节晶体使其x轴在铅直方向，使其通光表面垂直于激光束（这时晶体的光轴与入射方向平行，呈正入射），这时观察晶体前后表面查看光束是否在晶体中心，若没有，则精细调节晶体的二维调整架，保证使光束都通过晶体，且从晶体出来的反射像与半导体的出射光束重合。
3. 拿掉四分之一波片，在晶体盒前端插入毛玻璃片，检偏器后放上像屏。
光强调到最大，此时晶体偏压为零。
这时可观察到晶体的单轴锥光干涉图，即一个清楚的暗十字线，它将整个光场分成均匀的四瓣，如果不均匀可调节晶体上的调整架。
4. 旋转起偏器和检偏器，使其两个相互平行，此时所出现的单轴锥光图与偏振片垂直时是互补的。
5. 晶体加上偏压时呈现双轴锥光干涉图，说明单轴晶体在电场作用下变成双轴晶体，即电致双折射。
6.改变晶体所加偏压极性，锥光图旋转90度。
7.只改变偏压大小时，干涉图形不旋转，只是双曲线分开的距离发生变化。
这一现象说明，外加电场只改变感应主轴方向的主折射率的大小、折射率椭球旋转的角度和电场大小无关。
2. 依据3 LiNbo 晶体的透过率曲线(即T-V 曲线)，选择工作点。
测半波电压。
1）极值法晶体上只加直流电压，不加交流信号，并把直流偏压从小到大逐渐改变时，示波器上可看到输出光强出现极小值和极大值。
具体做法：取出毛玻璃，撤走白屏，接收器对准出光点，加在晶体上的电压从零开始，逐渐增大这时可看到示波器上光强极大和极小有一明显起落，直流偏压值由电源面板上的三位半数字表上读出。
先测对应于V0>0时，当光强最大时，测一组最大值，然后改变极性，最大时再测一组数据，两个极大之间对应的电压之和就是半波电压的两倍，多次测量取平均值，可以减少误差。
2）调制法晶体上直流电压和交流正弦信号同时加上，当直流电压调到输出光强出现极小值或极大值对应时，输出的交流信号出现倍频失真，通过示波器可看出。
出现相邻倍频失真对应的直流电压之差就是半波电压。
具体做法是：把电源前面板上的调制信号“输出”接到双踪示波器的y1上，经放大后的调制器的输出信号接到示波器的y2上，把y1,y2上的信号做比较，将检偏器旋转90度，当晶体上加的直流电压缓慢增加到半波电压时，输出出现倍频失真；改变晶体上电压的极性后，电压加到半波电压时，又出现倍频失真，相继两次出现倍频失真时对应的直流电压值之差就是半波电压。
这种方法比极值法更精确，因为用极值法测半波电压时，视觉很难准确的定位极大和极小值，因而误差较大。
3）改变直流偏压，选择不同的工作点，观察正弦波电压的调制特性。
电源面板上的信号选择琴键开关可以提供三种不同的调制信号，按下“正弦”键，机内单一频率的正弦波振荡器工作，此信号经放大后，加到晶体上。
同时，通过面板上的“输出”孔，输出此信号，把它接到双踪示波器的y1上，作为参考信号。
改变直流偏压，使调制器工作在不同的状态，把被调制信号经光电转换，放大后接到双踪示波器y2上，和y1上的参考信号比较。
工作点选定在曲线的直线部分，即附近时线性调制；工作点选在曲线的极小值（或极大值）附近时，输出信号“倍频”失真；工作点选定在极小值（或极大值）附近时输出信号失真，观察时调制信号幅度不能太大，否则调制信号本身失真，输出信号的失真无法判断有什么原因引起，把观察到的波形描下来，并和前面的理论分析做比较。
做这步实验时把电源上的调制幅度、调制器上的输入光强、放大器的输出、示波器的增益(或衰减)这四部分调好，才能观察到很好的输出波形。
4）用1/4波片来改变工作点，观察输出特性。
在上述实验中，去掉晶体上加的直流偏压，把1 4波片置入晶体和偏振片之间，绕光轴缓慢旋转时，可以看到输出波形随着发生变化。
当波片的快慢轴平行于晶体的感应轴方向时，输出光线性调制；当波片的快慢轴分别平行于晶体的x,y轴时，输出光失真，出现“倍频”失真。
因此，把波片旋转一周时，出现四次线性调制和四次“倍频”失真。
实验证明，通过晶体上加直流偏压可以改变调制器的工作点，也可以用1 4波片选择工作点，其效果是一样的，但两种方法的机理是不同的。