晶体的电光效应

2 0
实验原理
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) 类型的晶体用横向电光效应，晶体的坐标轴 如图所示。
x x′ y′ z y
实验原理 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。 在未加电场前，铌酸锂是单晶体。当线性 偏振光沿光轴（Z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，因为光沿着这两个方向偏振的
2[ J 1 (
Vm
V
sin t J 3 (
Vm
V
) sin 3t J 5 (
Vm
V
) sin 5t ]
实验原理 由式可以看出，输出的光束包括交流的基波，还有 奇次谐波。由于调制信号的幅度较大，奇次谐波不 能忽略，因此，这时虽然工作点选在线性区，输出 波形仍失真。
实验器材 电光调制电源组件 光接收放大器组件 He-Ne激光器组件 电光调制晶体组件 起偏器组件 检偏器组件
* x 0
因此光强的透过率T为：
It 2 T sin Ii 2
由感应轴的折射率，并注意到 E x V / d 有：
实验原理

2
由此可见，与V有关。当电压增加某一值时， x′和y′方向的偏振光经过晶体后产生λ/2的光 程差，相位差 =π，T=100% ,这一电压叫半波电 V / 2 压，通常用 或 V表示。 V是描述晶体电光效应的重要参数。在实验中， 这个电压越小越好。因为 小，表示较小的调 V 制信号就会有较大的响应；用做快速电光开关时， V 小意味着用比较小的电压就可以实现
实验原理 当 Vm V 时，
Vm 1 T (1 sin t ) 2 V
它表明T Vm sin t 。这时，调制器输出的波形和 调制信号的频率相同，即线性调制。 2. 当 V0 0或 V ， Vm V 时，把 则
V0 0 代入前式，
实验原理
T sin (
为方便计算，用复振幅的表示方法，省去时 间的简谐因子ejwt，这时位于晶体表面（Z=0）的
实验原理 光波表示为：
{
E x (0) A E y (0) A
所以入射光的强度：������
I i | Ex (0) | | E y (0) | 2 A
2 2
2
实验原理
当光通过长为 l 的电光晶体后，因折射率不同， x′和y′两分量之间将产生相位差 ，于是
3. 直流偏压 V0 在0V 附近或变化时，由于工作 点不在线性工作区，故输出波形将失真。
实验原理
4. 当V0 V / 2且 Vm V / 2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，此时的透射率函数式应展开成贝 赛尔函数，即：
Vm 1 T [1 sin( sin t )] 2 V
实验原理 续的调幅、调频、调相以及脉冲调制等形式。 本实验采用强度调制，即输出的激光辐射 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 （探测器）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、声光 调制、磁光调制和电源调制等。而电光调制开 关速度快，结构简单，因此在激光调制技术、 混合型光学双稳器件等方面有广泛的应用。
实验原理
实验原理
（2） 直流偏压对输出特性的影响 1.当V0 V / 2 时，工作点落在线性工作区的中 部，此时，可获得较高效率的线性调制，把 V0 V / 2 代入前式得
T sin [
2

4
(

2V
)Vm sin t ]
1 [1 cos( Vm sin t )] 2 2 V 1 [1 sin( Vm sin t )] 2 V

(n y '
l n x ' )l n rV d
3 0
2
实验原理 光开关的动作。根据半波电压值，可以估计出控 制电光效应所需的电压。根据上述讨论得 d
V ( ) 2n r l
3 0
式中，d 和 l 分别为晶体的厚度和长度。由此可 见，横向电光效应的半波电压与晶体的几何尺 寸有关,而纵向电光效应的半波电压为 2n r 不能靠Leabharlann Baidu寸调整，这是横向电光调制器的优点 之一。因此，横向效应的电光晶体都加工成细 长的扁长方体。
实验原理
3 n 0 r 对单色光来说， 为常数，因而T将随晶 体上所加的电压变化，如图所示，T与V的关系 是非线性的。如果工作点V0 选择不当，则会使 输出信号发生畸变；但在V / 2附近有一近似直 线的部分，这一直线部分称为线性工作区。不 难看出，当 V V / 2时， =π/2,T=50%。
{
E x ' (l ) Ae
i 0
E y ' (l ) Aei (0 )
1)e
通过检偏器出射的光，是该两分量在Y轴上的投影 之和 A i i
(E y )0
2
(e
0
实验原理 输出光强：
A 2 i i 2 2 I t [(E y ) 0 ( E ) ] [(e 1)(e 1)] 2 A sin 2 2
2

2V V
Vm sin t ) sin t )
[1 cos(
Vm
1 Vm 2 2 ( ) sin t 4 V 1 Vm 2 ( ) (1 cos 2t ) 8 V
实验原理
即 T cos 2t 。这时，输出光的频率是调制 信号的2倍，即产生“倍频”失真。类似地， V0 ，可得 V 对 1 Vm 2 T 1 ( ) (1 cos 2t ) 8 V 这是仍将看到“倍频”失真的波形。
实验内容
改变工作电压，记录相邻两次出现倍频失真时 对应的工作电压之差即为半波电压。
3.观察电光调制箱内置波形信号，以及解调信号 4.光迅通讯的演示
注意事项
1.He-Ne激光管出光时，电极上所加的直流 高压，要注意人身安全。 2.晶体又细又长，容易折断，晶体电极上面 的铝条不能压的太紧或给晶体施加压力， 以免压断晶体。 3.电源的旋钮顺时值方向为增益加大的方向， 因此，电源开关打开前，所有旋钮应该逆 时针方向旋转到头，关仪器前，所有旋钮 逆时针方向旋转到头后再关电源。
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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，也称为线性电光效应或普克尔(Pokells)
实验原理
效应；由二次项 aE 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(Kerr) 效应。一次电光效应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。 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的方向垂直时产
实验原理
折射率不同（传播速度不同）。类似于双折射 中关于o光和e光的偏振态的讨论，因为沿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：
{
nx' n0 n rE x / 2
3 0
n y ' n0 n rE x / 2
3 0
实验原理 在无线电通信中，为了把语言、音乐或图像等 信息发出去，总是通过表征电磁波特性的振幅、频 率或相位受被传递信号的控制来实现的。这种控制 过程称为调制；而接受时，则需把所要的信息从调 制信号中还原出来，这个过程称为解调。因为激光 只起到“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。 在现代社会中，激光也常被用作传递信号的工 具，它的调制与无线电波调制相类似，可以采用连
实验内容 1.测定铌酸锂晶体的透过率曲线(即T~V曲线)， 计算半波电压 V。 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 V 。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，在读出相应的光强值。
晶体的电光效应
实验目的
掌握晶体电光调制的原理和实验方法
学会测量晶体半波电压、电光系数的实验 方法 了解一种激光通信方法
实验原理 电光效应：当给晶体或液体加上电场后，该晶 体或液体的折射率发生变化的现象。 一、一次电光效应 通常可将电场引起的折射率的变化用下式表示：
n n0 aE0 bE
实验内容
以T为纵坐标，V为横坐标，画出T~V关系曲 线，确定半波电压V的数值，进而求晶体电 光系数。
2.用1/4波片改变工作点，观察输出特性。 分别将静态工作电压固定于倍频失真点、接 收信号波形失真最小、接收信号波形幅度最 大点，在起偏器与LN晶体间放入1/4波片。 旋转1/4波片，观察接收信号波形的变化情 况。
实验原理 横向电光调制 铌酸锂晶体的横向电光调制过程如图所示。
实验原理 入射光经起偏器后变成振动方向平行于X轴 的线性偏振光，晶体的电光效应可按光矢量的分 解与合成来处理。进入晶体后，X偏振的线性偏 振光按感应轴x′和y′分解，它们的振幅和相位相 等，电矢量可以分别记为：
{
E x cost E y sin t
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实验原理
根据上述讨论,
取 V V0 Vm sin t ( V0 是直流偏压， Vm sin t 是交流调制号)，因 此可以得到： 2 2 T sin sin (V0 Vm sin t )
2V 2V
V V
由此可以看出，改变 V0 或 Vm，输出特性将相应 发生变化。