電光效應(yīng)實驗

1、(2)實驗四電光效應(yīng)實驗【預(yù)習重點】1.晶體的會聚偏振光干涉。2.激光調(diào)制的原理。光效應(yīng)則可能存在于任何物質(zhì)中,一次效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯箸。光在各向異性晶體中傳播時,因光的傳播方向不同或者是電矢量的振動方向不同，光的折射率也不同。如圖1,通常用折射率球來描述折射率與光的傳播方向、振動方向的關(guān)系。在主軸坐標中,折射率橢球及其方程為2式中小、肥、心為橢球三個主軸方向上的折射率，稱為主折射率。當晶體加上電場 后，折射率橢球的形狀、大小、方位都發(fā)生變化，橢球方程變成x2y2z22yz 2xz 2xy+ + + + + = 1 fl22“33n2312晶體的一次電光效應(yīng)分為縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)兩種。

2、縱向電光效應(yīng)是加在 晶體上的電場方向與光在晶體里傳播的方向平行時產(chǎn)生的電光效應(yīng)：橫向電光效應(yīng) 是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播方向垂直時產(chǎn)生的電光效應(yīng)。通常KD*P（磷酸二嵐鉀）類型的晶體用它的縱向電光效應(yīng)，LiNbO3（錠酸鋰）類型的晶體用 它的橫向電光效應(yīng)。本實驗研究錠酸鋰晶體的一次電光效應(yīng)，用規(guī)酸鋰晶體的橫向 調(diào)制裝苣測量錠酸鋰晶體的半波電壓及電光系數(shù)，并用兩種方法改變調(diào)制器的工作 點，觀察相應(yīng)的輸出特性的變化。規(guī)酸鋰晶體屬于三角晶系，3m晶類，主軸z方向有一個三次旋轉(zhuǎn)軸，光軸與z軸重合，是單軸晶體，折射率橢球是旋轉(zhuǎn)橢球，其表達式為式中加和心分別為晶體的尋常光和非常光的折射率。加上

3、電場后折射率橢球發(fā)生畸 變，當X軸方向加電場，光沿Z軸方向傳播時，晶體由單軸晶變?yōu)殡p軸晶，垂直于 光軸Z軸方向的折射率橢球截而由圓變?yōu)闄E圓，此橢圓方程為（4-“&）異 +（亠 +yEJy2-2冷宀=1（5）心其中的乙2稱為電光系數(shù)。上式進行主軸變換后可得到 （丄-占）嚴+（丄+ 了2占）嚴 T （）弘(3)(6)3考慮到nl/22Ex9經(jīng)簡化得到1 3 r：nyln0_2，：O22X折射率橢球截而的橢圓方程化為2.電光調(diào)制原理要用激光作為傳遞信息的工具，首先要解決如何將傳輸信號加到激光鈕射上去 的問題，我們把信息加載于激光輻射的過程稱為激光調(diào)制，把完成這一過程的裝置 稱為激光調(diào)制器由已

4、調(diào)制的激光輻射還原出所加載信息的過程則稱為解調(diào)。因為 激光實際上只起到了 “攜帶”低頻信號的作用，所以稱為載波，而起控制作用的低 頻信號是我們所需要的，稱為調(diào)制信號，被調(diào)制的載波稱為已調(diào)波或調(diào)制光。按調(diào) 制的性質(zhì)而言，激光調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，可以采用連續(xù)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào) 相以及脈沖調(diào)制等形式，但激光調(diào)制多采用強度調(diào)制。強度調(diào)制是根據(jù)光載波電場 振幅的平方比例于調(diào)制信號，使輸出的激光輻射的強度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。激光調(diào)制之所以常采用強度調(diào)制形式，主要是因為光接收器一般都是直接地響應(yīng)其 所接受的光強度變化的緣故。激光調(diào)制的方法很多，如機械調(diào)制、電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和電源調(diào) 制等。

5、其中電光調(diào)制器開關(guān)速度快、結(jié)構(gòu)簡單。因此，在激光調(diào)制技術(shù)及混合型光 學(xué)雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應(yīng)用。電光調(diào)制根據(jù)所施加的電場方向的不同，可分為 縱向電光調(diào)制和橫向電光調(diào)制。利用縱向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做縱向電光調(diào)制，利 用橫向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做橫向電光調(diào)制。這次實驗中，我們只做LiNbCh晶體的 橫向調(diào)制實驗。（1）橫向電光調(diào)制(7)(8)激光4圖2為典型的利用LiNbOs晶體橫向電光效應(yīng)原理的激光振幅調(diào)制器。其中起偏振片 的偏振方向平行于電光晶體的X軸，檢偏振片的偏振方向平行于y軸。因此入射光 經(jīng)起偏振片后變?yōu)檎駝臃较蚱叫杏趚軸的線偏振光，它在晶體的感應(yīng)軸W和）/軸 上的投影的振幅和相位均相等

6、，設(shè)分別為ex1= Aucos at , ey =AoCOS 31或用復(fù)振幅的表示方法，將位于晶體表而（eO）的光波表示為Er（0）=A,（0）=A所以，入射光的強度是由（7）式由此可見，振光經(jīng)過晶體后可產(chǎn)生人/2的光程差，相應(yīng)的相位差由（15）式可知此時 光強透過率7=100%,這時加在晶體上的電壓稱作半波電壓，通常用/丫表示。U”是描述晶體電光效應(yīng)的重要參數(shù)。在實驗中，這個電壓越小越好，如果小，需要的調(diào)制信號電壓也小。 根據(jù)半波電壓值， 我們可以估計岀電光效應(yīng)控制透過強度所需 電壓。 由（16）式可得到(17)(9)(10)y(0)|2=2A2/r.xE.E = |v.（0）|2+|y.當

7、光通過長為/的電光晶體后，疋 和兩分量之間就產(chǎn)生相位差幾E*（?）=A, Ev（/）=Ae通過檢偏振片岀射的光，是該兩分量在y軸上的投影之和）廠臺宀）其對應(yīng)的輸出光強人可寫成(11)(12)(13)由（11）和/, 00 (Ey)0 (Ey)； = y-(e-ig- V)eiS-1) = 2A2sin2(14)式，光強透過率T為TI, 2/ = = sin /. 2(14)(15)5和加在晶體上的電壓有關(guān)，當電壓增加到某一值時X、方向的偏5其中和/分別為晶體的厚度和長度。由此可見，橫向電光效應(yīng)的半波電壓與晶片 的幾何尺寸有關(guān)。由（17）式可知，如果使電極之間的距離盡可能的減少，而增716加通光

8、方向的長度/,則可以使半波電壓減小， 所以晶體通常加工成細長的扁長方體。由(16)、(17)式可得u UO = 7C 因此，可將(15)式改寫成r = sin2t/ =sii?_(/+(/”,sin期)(18)叫叫 “其中&是加在晶體上的宜流電壓，是同時加在晶體上的交流調(diào)制信號，Um是其振幅，g 是凋制頻率。從(18)式可以看岀，改變 S 或U刑,輸出特性將相應(yīng) 的有變化。對單色光和確左的晶體來說，為常數(shù)，因而T將僅隨晶體上所加的電 壓變化。(2)改變直流偏壓對輸岀特性的影響1當匕=土、UmUff時，將工作點選左在線性工作區(qū)的中心處，如圖3(“)2所示，此時，可獲得較髙效率的線性調(diào)制，

9、把5、=吐代入(18)式，得 2T = sin2( +sin cot)4叫m=-I -cos( + sindX)22 U=丄1 + sin(上一匕,sin期)(19)2Jln由于時rlll + ()sin即Tsin(ot(20)這時，調(diào)制器輸出的信號和調(diào)制信號雖然振幅不同，但是兩者的頻率卻是相同的， 輸岀信號不失真，我們稱為線性調(diào)制。2當“0=0、UmU時，如圖3 (/?)所示,把/=0代入(18)式T = sm2(Un. sin cot)叫1zr rx ?a(Umy sirr ca4 U龍1 -cos(U,” sinm)71嘰.U 石（-）-（1一cos Icot）8UR即T8cos2 3f

10、（21）從（21）式可以看岀， 輸出信號的頻率是調(diào)制信號頻率的二倍，即產(chǎn)生“倍頻”失 真。 若把 U=UR代入（18）式，經(jīng)類似的推導(dǎo)，可得輸出波形將失真。當久=牛,UmU時，調(diào)制器的工作點雖然選泄在線性工作區(qū)的中心，但 不滿足小信號調(diào)制的要求，（19）式不能寫成（20）式的形式。因此，工作點雖然選 定在了線性區(qū)，輸岀波形仍然是失真的?！緦嶒瀮x器】電光效應(yīng)實驗儀，電光調(diào)制電源、接收放大器、Hc-Nc激光器、二蹤示波器和 萬用表。（1）晶體電光調(diào)制電源。調(diào)制電源由-200V-+200V之間連續(xù)可調(diào)的直流電源、 單一頻率振蕩器（振蕩頻率約為1kHz）、音樂片和放大器組成，電源而板上有三位 半數(shù)字而

11、板表，可顯示T總1一丄(L)2(i-cos2期)8匕(22)8直流電壓值。晶體上加的直流電壓的極性可以通過而板上的 極性”鍵改變，直流電壓的大小用“偏壓”旋鈕調(diào)節(jié)。調(diào)制信號可由機內(nèi)振蕩器 或音樂片提供，此調(diào)制信號是用裝在而板上的“信號選擇”鍵來選擇三個信號中的 任意一個信號。所有的調(diào)制信號的大小是通過“幅度”旋鈕控制的。通過前而板上 的“輸出”插孔輸出的參考信號，接到二蹤示波器的一個通道與被調(diào)制后的接收信 號比較，觀察調(diào)制器的輸岀特性。（2）調(diào)制器。調(diào)制器由三個可旋轉(zhuǎn)的偏振片、一個可旋轉(zhuǎn)的1/4波片和一塊規(guī) 酸鋰晶體組成，采用橫向調(diào)制方式。晶體放在兩個正交的偏振片之間，起偏振片和 晶體的x軸平

12、行。檢偏振片和晶體之間可插入1/4波片，偏振片和波片均可繞其幾 何軸旋轉(zhuǎn)。晶體放在四維調(diào)節(jié)架上，可精細調(diào)節(jié)，使光束嚴格沿晶體光軸方向通過。（3）接收放大器。接收放大器由3DU光電三極管和功率放大器組成。光電三 極管把被調(diào)制了的氮氛激光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，輸入到功率放大器上，放大后的信號接到 二蹤示波器，同參考信號比較，觀察調(diào)制器的輸出特性。交流信號輸出的大小通過交流輸出”旋鈕調(diào)右。放大器內(nèi)裝有揚聲器，用來再現(xiàn)聲音調(diào)制信號，放大器而 板上還有直流輸出”插孔， 接到萬用表的200mV直流電壓檔， 用于測量光電三極 管接收到的光強信號的大小?！緦嶒瀮?nèi)容】1.觀察晶體的會聚偏振光干涉圖樣和電光效應(yīng)形象（1）調(diào)

13、憐激光管使激光朿與晶體調(diào)肖臺上表而平行，同 時使光朿通過各光學(xué)元件中心（這一步老師已調(diào)好，學(xué)生不 要動）。調(diào)節(jié)起偏振片和檢偏振片正交，且分別平行于x軸，y軸，放上晶體后各器件要細調(diào)，精細調(diào)節(jié)是利用單軸晶體 的錐光干涉圖樣的變化完成的。由于晶體的不均勻性，在檢 偏振片后而的白屏上可看到一弱光點，然后緊靠晶體前放一 張鏡頭紙，這時在白屏上可觀察到單軸晶體的錐光干涉圖樣， 如圖4。一個暗十字圖形貫穿整個圖樣，四周為明暗相間的 同心干涉圓壞，十字形中心同時也是圓環(huán)的中心，它對應(yīng)著晶體的光軸方向，十字 形方向?qū)?yīng)于兩個偏振片的偏振軸方向。在觀察過程中要反復(fù)微調(diào)晶體，使干涉圖 樣中心與光點位置重合，同時盡

14、可能使圖樣對稱、完整，確保光朿既與晶體光軸平 行，又從晶體中心穿過的要求，再調(diào)節(jié)使干涉圖樣出現(xiàn)淸晰的暗十字，且十字的一 條線平行于兀軸。這一步調(diào)節(jié)很重要，調(diào)修的好壞，直接影響下一步的測量，因此, 一立要耐心，仔細調(diào)1仁 注意此時放大器的電源要關(guān)掉，激光光點應(yīng)落在白屏上, 而不能對準光電三極管，以免燒壞。（2）加上直流偏壓時呈現(xiàn)雙軸晶體的錐光干涉圖樣，它說明單軸晶體在電場的作用下變成了雙軸晶體。（3）兩個偏振片正交時和平行時干涉圖樣是互補的。（4）改變直流偏壓的極性時，干涉圖樣旋轉(zhuǎn)90 -（5）只改變直流偏壓的大小時，干涉圖樣不旋轉(zhuǎn)，只是雙曲線分開的距離發(fā)生 變化。這一現(xiàn)象說明，外加電場只改變感

15、應(yīng)主軸方向的主折射率的大小，折射率橢 球旋轉(zhuǎn)的角度與電場大小無關(guān)。92.測左錠酸鋰晶體的透過率曲線（即T/曲線），求出半波電壓再算岀 電光系數(shù)了22。在我們實驗中，用兩種方法測量規(guī)酸鋰晶體的半波電壓，一種方法是極值法，另一種方法是調(diào)制法。（1）極值法晶體上只加直流電壓，不加交流信號，把直流電壓從小到大逐漸改變，輸出的 光強將會出現(xiàn)極小值和極大值，相鄰極小值和極大值對應(yīng)的直流電壓之差即是半波 電壓匕。具體做法是：取出鏡頭紙，光電三極管接收器對準激光光點，放大器的直流輸 出接到萬用表上，萬用表調(diào)到200mV直流檔。為了使光電三極管不致?lián)p壞，在起偏 振片前再加一塊偏振片作為減光片，加在晶體上的電壓從

16、零開始，逐漸增大，注意 萬用表讀數(shù)的變化，當讀數(shù)超過200mV時， 應(yīng)旋轉(zhuǎn)減光片， 使光強減小， 再增大直 流偏壓到最大， 保持萬用表的讀數(shù)始終不超過200mV,再減小直流偏壓到零，若萬 用表的讀數(shù)始終不超過200mV,則可以開始測量數(shù)據(jù)了。加在晶體上的電壓在電源 面板上的數(shù)字表讀出，每隔5V增大一次，再讀出相應(yīng)的萬用表的讀數(shù)作為接收器接收到的光強值，數(shù)據(jù)填入下表。偏壓U (V)0510152025303540光強T(mV)偏壓U (V)455055606570758085光強T(mV)偏壓U (V)909510010511()115120125130光強T(mV)偏壓U (V)1351401

17、4515015516016517()175光強T(mV)偏壓U (V)180185190195200205210215220光強T(mV)以廠為縱坐標，為橫4纟標，畫TU關(guān)系曲線，確左丄三波電壓,丫的數(shù)值，并計算電光系數(shù)/22o晶體厚度d=1.6mm,寬度匸6.0mm,長度/=45.0 mm, no=2.29,激光波長2=632.8nnu（2）調(diào)制法晶體上直流電壓和交流信號同時加上，與直流電壓調(diào)到輸岀光強岀現(xiàn)極小值或 極大值對應(yīng)的電壓值時，輸岀的交流信號出現(xiàn)倍頻失真，出現(xiàn)相鄰倍頻失貞對應(yīng)的 直流電壓之差就是半波電壓（/八具體做法是：按下電源面板上“正弦”鍵，把電源前而板上的調(diào)制信號“輸岀” 接

18、到二蹤示波器的CH?上，把放大器的調(diào)制信號接到示波器的CH】上，把CH】、CH2上的信號做比較，調(diào)肖直流電壓，當晶體上加的直流電壓到某一值 3 時，輸出信號 出現(xiàn)倍頻失真，再調(diào)肖直流電壓，當晶體上加的直流電壓到另一值 6 時，輸出信號 又出現(xiàn)倍頻失真，相繼兩次出現(xiàn)倍頻失真時對應(yīng)10的宜流電壓之差2口就是半波電 壓八這種方法比極值法更精確，因為用極值法測半波電壓時，很難準確的確泄T曲線上的極大值或極小值，因而其誤差也較大。但是這種方法對調(diào)節(jié)的要求很高， 很難調(diào)到最佳狀態(tài)。如果觀察不到兩次倍頻失真，則需要重新調(diào)節(jié)暗十字形干涉圖 樣，調(diào)整好以后再做本內(nèi)容。3.改變直流偏壓，選擇不同的工作點，觀察正弦

19、波電壓的調(diào)制特性電源面板上的信號選擇按鍵開關(guān)可以提供三種不同的調(diào)制信號，按下“正弦” 鍵，機內(nèi)單一頻率的正弦波振蕩器工作，產(chǎn)生正弦信號，此信號經(jīng)放大后，加到晶 體上，同時，通過而板上的“輸岀”孑L,輸出此信號，把它接到二蹤示波器的CH!上，作為參考信號。改變直流偏壓，使調(diào)制器工作在不同的狀態(tài)，把被調(diào)制信號經(jīng) 光電轉(zhuǎn)換、放大后接到二蹤示波器的CH上，和CH】上的參考信號比較。選擇5個 不同的工作點40V. 80V. 120V. 160V、200V,觀察接收信號的波形并畫出圖形。工作點選泄在曲線的宜線部分，即U=UJ2附近時是線性調(diào)制；工作點選泄在 曲線的極小值（或極大值）時，輸出信號岀現(xiàn)倍頻”失

20、真：工作點選定在極小值 （或極大值）附近時輸出信號失真，觀察時調(diào)制信號幅度不能太大，否則調(diào)制信號 本身失真，輸出信號的失真無法判斷由什么原因引起的，把觀察到的波形描下來， 并和前面的理論分析作比較。做這一步實驗時，把電源上的調(diào)制幅度、調(diào)制器上的 輸入光強、放大器的輸出、示波器上的增益（或哀減）這四部分調(diào)好，才能觀察到 很好的輸出波形。4.用1/4波片改變工作點，觀察輸出特性在上述實驗中，去掉晶體上所加的直流偏壓，把1/4波片置入晶體和偏振片之 間，繞光軸緩慢旋轉(zhuǎn)時，可以看到輸岀信號隨著發(fā)生變化。當波片的快慢軸平行于 晶體的感應(yīng)軸方向時，輸出信號線性調(diào)制；當波片的快慢軸分別平行于晶體的x、y軸時

21、，輸出光失真，岀現(xiàn)“倍頻”失真。因此，把波片旋轉(zhuǎn)一周時，出現(xiàn)四次線性11調(diào)制和四次“倍頻”失真。值得注意的是，不僅通過晶體上加直流偏壓可以改變調(diào)制器的工作點，也可以 用1/4波片選擇工作點，其效果是一樣的，但這兩種方法的機理是不同的。5.光通訊的演示按下電源而板的“音樂”鍵，此時，正弦信號被切斷，輸出裝在電源里的“音到音樂。如改變直流偏壓的大小，則會聽到音樂的音質(zhì)有變化，說明音樂也有失真 和不失真。用不透明的物體遮光，則音樂停止，不遮光，則音樂又響起，由此說明 音樂信號的波形，它是由振幅相的不同頻率的正弦波迭加而成的?！咀⒁馐马棥?. He-Ne激光管岀光時，電極上所加的直流電壓高達千伏，要注意人身安全。2.晶體又細又長，容易折斷，電極是真空鍍的鋁膜，操作時要注意，晶體電極 上而的鋁條不能壓的太緊或給晶體施加壓力，以免壓斷晶體。3.光電三極管應(yīng)避免強光照射，以免燒壞。做實驗時，光強應(yīng)從弱到強，緩慢 改變，盡可能在弱光下使用，這樣能保證接收器光電轉(zhuǎn)換時線性性良好。4.電源和放大器上的旋鈕順時針方向為增益加大的方向，因此，電源開關(guān)打開前，所有旋鈕應(yīng)該逆時針方向旋轉(zhuǎn)到頭，關(guān)儀器前，所有旋鈕逆時針方向旋轉(zhuǎn)到 頭后再關(guān)電源?！舅伎碱}】1.本實驗中沒有會聚透鏡， 為什么能夠看到錐光干涉圖？如何根據(jù)錐光干涉圖