晶体的电光效应

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：14151144

2016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3

2．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：

122

2222='+'+''''

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

A

O

E

O

E

y

x

=

=

'

'

)

(

)

(

，于是入射光的强度为：

2

2

2

*2

)

(

)

(A

O

E

O

E

E

E

I

y

x =

+

=

⋅

∝

'

'

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 o

y 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 π

πω=+