1、I研究性物理实验报告对于晶体的电光效应的探讨院系:材料科学与工程学号:13005050第一作者:李雪韬目录一，摘要部分 .3摘要： .3关键词： .3Abstract .3Keywords.3二、实验原理 .42.1电光晶体和泡克耳斯效应 42.2 电光调制原理 5三、仪器介绍 .8四、实验内容 .94.1 调节光路 94.2 电光调制器 T-V 工作曲线的测量 .104.3 动态法观察调制性能 10五、数据处理 .115.1 研究 LN 单轴晶体的干涉 115.2 极值法测半波电压 125.4 波片对调制性能的影响 .14六、实验思考题 .15七.晶体的电光效应的应用 16八、感想与总结 .
2、18九, 实验数据 193一，摘要部分摘要： 本研究性实验报告以“晶体的电光效应”为研究对象，针对实验的原理、仪器、步骤进行了简要地介绍，对实验的数据进行了适当的处理,针对实验中的一些问题提出建议.关键词： 电光效应、电光调制、半波电压、倍频失真Abstract: This research lab report by “crystal electro-optic effect“ as the research object, according to the experiment, the principle of the instrument, the steps are briefly
3、introduced, and experimental data for the proper handling, aiming at some problems in the experiment are also proposed.Keywords: crystal electro-optic effect experiment instrument4二、实验原理2.1 电光晶体和泡克耳斯效应 晶体在外电场作用下折射率会发生变化，这种现象称为电光效应1。通常将电场引起的折射率的变化用下式表示，即： 2ooobEan（1） 上式中 a 和 b 为与 无关的常数， 为 时的折射率。由 一次O
4、0nE0aE引起的折射率变化效应称为一次电光效应，也称线性电光效应或泡克耳斯效应；由二次项 引起的折射率变化效应称为二次电光效应，也称为平方电光效应0E或克尔效应。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。通常，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。纵向电光效应是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；横向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体中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磷酸二氢钾(KDP)，而观察横向电光效应则常用铌酸锂类型的晶体。晶体的坐标轴如图(1)
5、所示。本实验主要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：5图 1. 晶体的坐标轴示意图在未加电场前，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 和 进XY行分解，因为光沿着这两个方向偏振的折射率不同（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 和 的偏振分量存在相位Y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
6、个方向的折射率： 2/23 xoxErnn2/230 xoYErnn(2)上式中 o和 2是晶体的 o 光折射率和电光系数， dVX/ 是 X 方向所加的外电场。2.2 电光调制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。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，可以采用连续的调幅、调频、调相以及脉冲调制等形式。本实6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
7、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 Q 技术、混合型光学双稳器件等方面有广泛的应用。（1）横向电光调制为方便计算，用复振幅的表述方法 Z=0 的光波, （3）AEX)0(AEY)0(所以入射光的强度：222i )0()(AEIYX（4）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 )()(;)( oiYix AelEAelE（5）通过检偏器出射的光： iir eE)1(2)(0（6）输出的光
8、强： 2sin)1)(2)( 2AeAEI iiorrt （7）7由（4）和（7），可求出光强的透过率： 2sinitIT（8）由(2),并注意到 dVEX/（d 是晶体的厚度），有：（9）lnlnoXY232）（由此可见， 与 V 有关。当电压增加到某一值时， X,Y方向的偏振光经过晶体后产生 2的光程差，相位差 =，T=100%，这一电压叫半波电压，通常用 或 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v小，表示较小的调制信号就会有较大的响应；用做快速电光开关时， 小意 v味着用比较小的电压就可以实现光开关的动作。根据半波电压值，可以估计出控制电光效应所需的电压
9、。由式（10）得： (11) )(2230ldnV上式中，d 和 t 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。如果减少电极之间的距离 d，而增加通光方向的长度 l，则同样的晶体横向电光效应的半波电压 将会减少，而纵向电光效v应的半波电压为 ，不能靠尺寸调整，这是横向电光调制器的优点之一。32on因此，横向效应的电光晶体都加工成细长的扁长方体。结合式（10）、式（11),取 ,取 （ 是直流偏压,vwtVmOsinO8是交流调制信号， 是调制信号的振幅， 是调制的角频率)，wtVmsinmV由式（9）可得 (12) )sin(2sin2sinwtVTmo由此
10、可以看出，改变 或 ，输出特性将相应发生变化。oVm对单色光来说， 为常数，因而 T 将随晶体上所加的电压变化，23on如图 3 所示，T 与 V 的关系是非线性的。如果工作点 选择不当，则会使输出oV信号发生畸变；但在则会使输出信号发生畸变；但在 附近有一近似直线的2部分，这一直线部分称为线性工作区。不难看出，当 时，=/2，T=50%。图 3（2）直流偏压对输出特性的影响当 2/Vo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:9 )sini(12)sin2cos(1sin)2(4sin2 wtVwtVwtVT mmm 当 Vm时， (13)tvTmsin表明 ，这时，调
11、制器输出的波形与调制信号的频率相同，即wtvTmsin线性调制。(当 或0ovvm )2cos1(8sin)(41sinco12)sin2(si 22 wtvwtvwtvwtvT mmm 即 ，这时输出光的频率是调制信号的 2 倍，即产生“倍频失真”tco三、仪器介绍实验仪器： 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 波片、双踪示波器 四、实验内容4.1 调节光路本实验成功与否，很大程度上取决于光路的调整是否符合要求，为此可按10下述方案进行调节：1. 将半导体激光器、起偏器、扩束镜、LN 晶体、检偏器、白屏依次摆放。2. 打开激光功率指示计电源，激
12、光器亮。调整激光器的方向和各附件的高低，使各光学元件尽量同轴且光束垂直。取下扩束镜，旋转起偏器，使透过起偏器的光最强；旋转检偏器，使白屏上的光点最弱。这时起偏器与检偏器互相垂直，系统进入消光状态。3. 用白屏记下激光点的位置。紧靠晶体放上扩束镜，观察白屏上的图案，可观察到如图 4 形成的图案，这种图案是典型的会聚偏振光穿过单轴晶体后形成的干涉图案。中心是一个暗十字图形，四周为明暗相间的同心干涉圆环，十字中心同时也是圆环的中心，它对应着晶体的光轴方向，十字方向对应于两个偏振片的偏振轴方向。仔细调整晶体的两个方位螺钉，使图案中心与原激光点的位置重合（此时激光束与晶体光轴平行），并根据暗十字细调起偏
13、器和检偏器正交。4. 打开晶体驱动电源，将状态开关打在直流状态，顺时针旋转电压调整旋钮，调高驱动电压，观察白屏上图案的变化。这时将会观察到图案由一个中心分裂为两个中心，这是典型的会聚偏振光经过双轴晶体时的干涉图案。5. 将扩束镜取下，用光电池换下白屏，取驱动电压为某一固定值（如将扩束镜取下，用光电池换下白屏，取驱动电压为某一固定值（如 V=300V），仔细旋转晶体，使出射光强最大（此时晶体感应轴 和 起偏器、检偏器的偏振化XY方向 X,Y 成 45夹角）。4.2 电光调制器 T-V 工作曲线的测量1. 缓慢调高直流驱动电压，并记录下电压值和输出功率值，可每 50V 记录一次，在最大功率和最小功
14、率附近可把驱动电压间隔减小。2. 画出驱动电压与输出光功率的对应曲线，读出输出光功率出现极大和极11小对应的驱动电压，相邻极大和极小光功率所对应的驱动电压之差是半波电压。由半波电压 计算晶体的电光系数V24.3 动态法观察调制性能1. 将驱动信号波形插座和接收信号插座分别于双踪示波器 CH1 和 CH2 通道连接，光电二极管换下光电池，光电二极管探头与信号输入插座连接。2. 将状态开关置于正弦波位置，幅度调节旋钮调至最大。示波器置于双踪同时显示，以驱动信号波形为触发信号，正弦波频率约为 1kHz。3. 旋转驱动电压调节旋钮，改变静态工作点，观察示波器上的波形变化。特别注意，记录接收信号波形失真
15、最小、接收信号幅度最大以及出现倍频失真时的静态工作点电压，对照 T-V 曲线，理解静态工作点对调制性能的影响。4. 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（参照步骤 3 的参数），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，分别记录出现倍频失真时对应 1/4 波片上的转角，并总结规律。5. 在步骤 4 的基础上，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。12五、数据处理 5.1 研究LN单轴晶体的干涉单轴锥光干涉图样调节好实验设备，当
16、 LN 晶体不加横向电压时，可以观察到如图现象，这是典型的汇聚偏振光穿过单轴晶体后形成的干涉图样。图 1. 单轴锥光干涉图样晶体双轴干涉图样： 打开晶体驱动电压，将状态开关打在直流状 态，顺时针旋转电压调整旋钮，调整驱动电压， 将会观察到图案由一个中心分裂为两个，这是 典型的汇聚偏振光穿过双轴晶体后形成的干涉 图样，它说明单轴晶体在电场的作用下变成了双轴晶体。13图 2. 晶体双轴干涉图样5.2 极值法测半波电压实验原始数据列表如下：极大值/v 857极小值/v 1593vvvv 7368571593minax ）（14光电系数: vmvmldvnro /10976.5/1035768.210
17、63)( 23923 相对误差： %9.410703612 ）（ rE.5）（ v5.3 动态法观察调制器性能信号调幅最大时，驱动电压为 1247v信号频率失真时，驱动电压为 837v 155.4 波片对调制性能的影响驱动电压/V1/4 波片角度837（倍频失真）10 105 195 2801247（幅度最大）50 139 225 31316规律总结：旋转 1/4 波片一周，两次均出现 4 个倍频失真转角。在倍频失真电压下，4 个角度均匀分布，差值为 45 度。在振幅最大电压下。4 个角度分布不均匀，第一个与第三个相差约 180 度，第二个与第四个同样相差约 180 度。2.求半波电压数据记录
18、半波电压： VivV7165372187105 电光系数： vmvmldvnr /1065./10*357628.10*63)(2 233930 不确定度的计算半波电压：倍频失真电压 V1107 260 396 499 526倍频失真电压 V2817 978 1114 1220 1239v/V 710 718 718 721 71317VvvUVia 974.145)()()( 电光系数： vmvuldnr /107.)(12)( 4230 最终表述半波电压： VVU)0.2716()(电光系数： vmr /10)2.016.()( 222 相对误差 %3.21076)(vE2.1076)(2
19、r六、实验思考题1.铌酸锂在施加电场前后有什么不同？是否都存在双折射现象？答：铌酸锂在未施加电场时是单轴晶体，不存在双折射，施加电场后18铌酸锂为双轴晶体，存在双折射。2.为什么 1/4 波片也可以改变电光晶体的工作点？答：1/4 波片是一块具有特定厚度的双轴晶体，光线透过 1/4 波片后会分解为 o 光和 e 光，两者的相位差为 。将 1/4 波片引起的相位差考虑之2后可得光强透过率： 22sin(sin)i(sin)mmVVTt t当起始光偏振方向垂直于 1/4 波片的光轴时，透射光全为 o 光，此时=0，代入上式可得：1(sin)si2mmVTtt此时调制器输出的波形和调制信号的频率相同
20、，即线性调制。旋转 1/4 波片，当起始光偏振方向平行于 1/4 波片的光轴时，透射光全为e 光，此时 ，代入上式可得：221()cos)s28mVTtt这时输出光的频率是调制信号的两倍，即产生“倍频”失真。因此，旋转1/4 波片可以改变电光晶体的工作点。3.半波电压如何测量？本试验有几种测量的方法？操作有什么特点？答：本实验有两种方法测量半波电压，一种是调制法测定半波电压，一种是极值法测定半波电压。其特点为：前者是通过示波器观察输入输出波形特点来测定半波电压，后者是通过检测透射光强的极大值和极小值来测定半波电19压。其中，调制法的测量精度更高。七.晶体的电光效应的应用钽铌酸钾晶体（ ）是已知
21、的具有最大二次电光效应的晶体，其二次电光系数可达 量级，通过引入偏压与 晶体进行比较，214-0VmLN 晶体的电光效应是 LN 晶体的 70 倍以上 ，因此基于 晶体二次电光效应的光学器件在降低驱动电压、减小器件尺寸方面更具优势，更能满足未来电光器件小型化、集成化发展的需要。钽铌酸钾晶体( )是钽酸钾31ObKTax和铌酸钾的固熔体混晶，随温度的降低， 晶体可以立方、四方、正交或N三方相存在，相变温度随 ， 组分不同而变化， 含量越高，相变温度Tab越高。立方相 晶体具有显著的二次电光效应，该晶体属 M3M 点群，其二KN次电光系数 , 三个独立分量。沿晶体 X 轴方向传播的光线，若其电矢1
22、S24量振动方向和外加电场的方向均平行于 Y 轴，则在外加电场的作用下，其折射率变化可表示为 (1)213ESno式中： 为未加电场 E 时的折射率； 可表示为0n1(2)(201gS式中： , 分别为真空介电常数和晶体相对介电常数； 为晶体极化光0 1g学系数，仅与入射光波长有关，不随温度和介电常数变化。由于 晶体的介电常数远大于 1，所以可近似认为 与介电常数的平方成正比。立方顺电1S20相 晶体的介电常数遵从 定律(3)CPT1式中： , 分别为晶体的绝对温度和晶体居里温度。可见， TCP晶体的温度在居里点 附近时，介电常数最大。相应地，温度越靠近由铁电四方相向顺电立方相转变的居里点，二
23、次电光系数越大，因此，电光器件中通常使用居里点在室温附近的立方相 晶体。晶体二次电光系数的大小除了受晶体组分和温度的影响，还与晶体的光学质量有关。目前，国际上通常采用顶部籽晶高温溶液法（ ）生长 晶体 ，这种方法以过量的 为熔剂，在生长过程中，过冷度过大或者生长速度过快均容易32COK使过量的钾进入晶体产生包藏，这种缺陷对光的散射作用会使附近的折射率发生波动，从而影响二次电光效应。 另一方面，由于晶体中 离子和 离子可TaNb以任意比例混熔形成连续固熔体，该体系没有固液同成分点，熔体的组分和晶体的组分不同，随着晶体的生长，熔体组分的变化会导致晶体组分的波动，这使得晶体在生长方向上产生折射率梯度
24、，称之为生长条纹。对于像 晶体这种连续固熔体而言，条纹缺陷是不可能绝对避免的，但可通过优化生长工艺控制组分波动。通常认为，用于电光调制的 晶体，其组分波动应小于 5-10八、感想与总结在做实验前我预约了一次实验,基本掌握操作步骤.但在正式做实验时发现老师把步骤顺序改了一下,变得更加快捷简单. 让我受益匪浅.我们做实验就应该不断去创新进步, 用简单的实验步骤做出更精确的结果 .在第一步调节光路中,让我了解了实验的严谨性,必须认真仔细的调节旋钮使得光路平行光轴出射 .才能使得后面的实验现象更好的呈现.21本次实验的每一步都需要我们耐心认真的调节才能出现现象,一旦慌张粗心可能就不会得到实验现象. 老
25、师耐心的讲解让我们对实验原理更加了解, 做起实验来也更加得心应手.通过本次实验 ,我收获了很多 ,不仅是懂得在实验前反复理解实验原理,并且自己应根据实验原理和步骤去了解实验应该去怎么做, 在实验过程中要认真仔细, 实验后更应该认真处理数据,反省自己在实验中是否有值得吸取教训, 是否有应该改进的.并且需要上网查询资料 ,了解该实验的应用方面.本学期我们做实验更加有经验了,但还是会措手不及 ,不过我们从中学到很多, 实践是检验真理的唯一途径. 但我想提一些建议 ,因为这个实验室有两个实验,老师需要讲解来个实验,所以这个实验通常是在后面讲 ,而老师在讲另一个实验时花费了很长时间, 我们只能看实验报告,不能先调节光路,老师再来讲我们的实验时又花了很长时间,使得我们本次实验操作时间所剩无几 ,使得我们后面的实验来不及做,并且实验过程中因为时间问题而特别慌张.希望老师们能合理安排讲解时间, 让同学们能多一点时间做实验!=sin 22九,实验数据参考文献:23李朝荣等编著-基础物理实验(修订版)刘冰-
