晶体的光电效应 北京航空航天大学基础物理实验讲义

（3）.V0 V ， Vm V
T 1 1 (Vm )2 (1 2 cos 2t)
8 V
产生倍频失真
4. 当 V0 V / 2且Vm V / 2 时，
T
2[
J1
(
Vm
V
)sint
J
3
(
Vm
V
) s in 3t
J
5
(
Vm
V
) s in 5t ]
由上面的式子可以看出，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 然工作点选定在线形区，输出波形仍然失真 。
2.电光调制器T—V工作曲线的测量
（1）晶体上只加直流偏压，电压从小到大逐 渐改变，同时读出直流偏压和光电三极 管的电压输出。测完一组数后，改变电 压极性，再测一组数据。
（2）极值法测定铌酸锂晶体的半波电压。在 所测得数据中，出现两组极大值，极大 值的电压之差就是半波电压的两倍。
3. 动态法观测调制器性能
铌酸锂晶体在施加电场前后有什么不同？是 否都存在双折射现象？
八、选做实验
如何利用本实验系统测量光通过双 折射晶体（例如云母片）时，快慢轴的 位相差?
请设计实验，并简述主要实验步骤。
晶体的电光效应
• 实验及应用背景介绍 • 实验目的和教学要求
• 实验原理
• 实验仪器和装置 • 实验内容 • 注意事项 • 课堂思考 • 选做实验
一、实验及应用背景介绍
晶体在外电场的作用下折射率会发生变 化，这种现象称为电光效应。电光效应在工 程技术和科学研究中有许多重要应用.
它有很短的响应时间（足够跟上十亿赫兹的电场
光电三极管应避免强光照射,以免烧坏。做 实验时,光强应从弱到强,缓慢改变,尽可能在 弱光下使用，这样能保证接收器光电转换 有较好的线性响应。
七、课堂思考
光路调整时为什么要紧靠晶体前放一张镜头 纸？锥光干涉图的同心干涉圆环和暗十字图 形是怎样形成的？
光路调整如何进行？如何根据晶体的锥光干 涉图调整光路 ？
d
V
()
2n03 22 l
其中Vπ称为半波电压，它与晶体的几何尺寸有关。
3. 电光调制工作曲线
由
T sin 2 V
2V
可以得到电光调制工作曲线如下图所示，可见T与V 是非线性关系。
4.直流偏压对输出特性的影响
设 V V0 Vm sin t
T
sin 2
2V
源自文库
V
sin 2
2V
(V0
Vm
sin t)
变化),可以制成快速控制光强的光开关； 利用电场引起折射率的改变可以控制光波的位相、
偏振态等特性，从而实现对光束的调制、制成快速 传递信息的电光调制器。电光器件被广泛应用在激 光通信、激光测距和光学信息处理等方面。
二、实验目的和教学要求
掌握晶体电光调制的原理和实验方法
学习测量晶体半波电压和电光常数的 实验方法
在电光调制器上同时加上直流电压和交流 正弦信号，适当增加光强，观察不同直流 偏压下调制器的性能。
记录在不同工作偏压下所得到的线性调制 和各种失真的输出波形。
4. 调制法测定铌酸锂晶体的半波电压
当直流电压使输出光强出现极小值时，交 流调制就出现倍频失真；增加直流偏压使输 出光强出现极大值 时，交流调制再次出现倍 频失真；两次相邻失真对应得直流电压之差 就是半波电压。用这种方法测得的半波电压 将更加精确。
电光调制实验光路图
1.入射激光束；2.起偏器，偏振方向平行于电光晶体的X轴； 3.LiNbO3电光晶体，4.检偏器，偏振方向平行于Y轴； 5.代表出射光束。
可以证明光通过检偏器的光强的透过率为
T I t sin2
Ii
2
2
(nY
nX )l
2
n03 22V
l d
δ为二束偏振光之间 的相位差，当δ=π,T=100%此时
四、实验仪器和装置
1.激光束，2.偏振片，3.铌酸锂电光晶体，4.光电三极管 5.放大器，6.直流电源，7.音乐片，8.正弦波振荡器 9.扬声器，10.双踪示波器。
五、实验内容
1. 光路的调节
将有关光学器件固定在光路上，在晶体 前放一张镜头纸，在调制器外靠近出口处放 置白屏，调节起偏器和检偏器正交，且分别 平行x，y轴。这时可以在白屏上观察到偏振 光的干涉图样（如图所示）
n X ' n0 n03 22 E x / 2 nY ' n0 n03 22 E x / 2
式中n0和r22是晶体的o光折射率和电光系数， Ex =V/d是X方向所加的外电场。
2.横向电光调制原理
信息加载于激光辐射的过程称为激光调制， 完成这一过程的装置称为激光调制器，由已调制 的激光束还原出所加载信息的过程称为解调。因 为激光所起的作用是“携带” 信息，所以称为载 波，而起控制作用的信号称为调制信号。
本实验主要是研究铌酸锂晶体产生的一次横向电光 效应。
在晶体的X方向施加电场后，当平面偏 振光沿Z轴方向传播时，晶体将产生双折射。
这时沿Z轴传播的偏振光应当按特定的晶体感
应轴（X′，Y′）进行分解，光沿这两个方向偏振
的折射率不同（传播速度不同）从而产生相位差, 使出射光成为椭圆偏振光。由晶体光学可以证明， 这两个方向的折射率如下所示:
（1） V0 V / 2 ，Vm V
T 1 (1 Vm sin t)
2
V
此为线性调制
（2） V0 0 ， Vm V
T
sin 2 (
2V
Vm
sin t)
1 [1 cos(Vm
2
V
sin t)]
1 (Vm )2 sin 2 t 1 (Vm )2 (1 cos2t)
4 V
8 V
产生倍频失真。
5.光通信的演示
按下电源面板上的信号选择开关的 “音乐”键，此时正弦信号被切断，调制 电源输出“音乐”信号。输出的信号可以 通过放大器上的扬声器播放。改变工作点， 所听到的音质不同，通过遮光和照光，可 生动地演示光通信原理。
六、注意事项
He-Ne激光管出光时,电极上所加的直流电 压高达几千伏,要注意安全。刚启动时，输 出不稳定，测定数据前要充分预热。
观察电光效应引起的晶体光学性质的 变化和会聚偏振光的干涉现象
三、实验原理
1.电光效应
晶体在外电场的作用下折射率的变化可 表示为：
n= n0 +aE0+bE02 + ┅
式中a和b为常数，n0为E0=0时的折射率。由
一次项引起的折射率变化称为一次电光效 应，也称线性电光效应或泡克耳斯效应； 由二次项引起的折射率变化称为二次电光 效应或克尔效应。
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 体里的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；观察纵向电光效应常用磷酸二氢钾 （KDP）类晶体进行，而铌酸锂（LiNbO3）晶体则被 用于产生横向电光效应。