晶體的電光效應(yīng)

晶體的電光效應(yīng)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆站w電光調(diào)制的原理和實(shí)驗(yàn)方法學(xué)會測量晶體半波電壓、電光系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法了解一種激光通信方法實(shí)驗(yàn)原理電光效應(yīng)：當(dāng)給晶體或液體加上電場后，該晶體或液體的折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象。一、一次電光效應(yīng)通?？蓪㈦妶鲆鸬恼凵渎实淖兓孟率奖硎荆?/p>

式中a和b為常數(shù)，n0為不加電場時晶體的折射率。由一次項(xiàng)aE0引起折射率變化的效應(yīng)，稱為一次電光效應(yīng)，也稱為線性電光效應(yīng)或普克爾(Pokells)實(shí)驗(yàn)原理效應(yīng)；由二次項(xiàng)引起折射率變化的效應(yīng)稱為二次電光效應(yīng)，也稱平方電光效應(yīng)或克(Kerr)效應(yīng)。一次電光效應(yīng)存在于不具有對稱中心的晶體中，二次電光效應(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)顯著。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?？v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的方向垂直時產(chǎn)實(shí)驗(yàn)原理生的電光效應(yīng)。通常KD*P(磷酸二氘鉀)類型的晶體用它的縱向電光效應(yīng)，LiNbO3(鈮酸鋰)類型的晶體用橫向電光效應(yīng)，晶體的坐標(biāo)軸如圖所示。xyzx′y′實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應(yīng)，用鈮酸鋰晶體的橫向調(diào)制裝置測量鈮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(diǎn)，觀察相應(yīng)的輸出特性的變化。在未加電場前，鈮酸鋰是單晶體。當(dāng)線性偏振光沿光軸（Z軸）方向通過晶體時，不會產(chǎn)生雙折射。但如在鈮酸鋰晶體的X軸施加電場，晶體將由單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體。這時沿Z軸傳播的偏振光應(yīng)按特定的晶體感應(yīng)軸x′和y′進(jìn)行分解，因?yàn)楣庋刂@兩個方向偏振的實(shí)驗(yàn)原理折射率不同（傳播速度不同）。類似于雙折射中關(guān)于o光和e光的偏振態(tài)的討論，因?yàn)檠豿′和y′的偏振分量存在相位差，出射光一般將成為橢圓偏振光。由晶體光學(xué)可以證明，這兩個方向的折射率：{{{{{實(shí)驗(yàn)原理在無線電通信中，為了把語言、音樂或圖像等信息發(fā)出去，總是通過表征電磁波特性的振幅、頻率或相位受被傳遞信號的控制來實(shí)現(xiàn)的。這種控制過程稱為調(diào)制；而接受時，則需把所要的信息從調(diào)制信號中還原出來，這個過程稱為解調(diào)。因?yàn)榧す庵黄鸬健皵y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。在現(xiàn)代社會中，激光也常被用作傳遞信號的工具，它的調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，可以采用連實(shí)驗(yàn)原理續(xù)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及脈沖調(diào)制等形式。本實(shí)驗(yàn)采用強(qiáng)度調(diào)制，即輸出的激光輻射強(qiáng)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(qiáng)度調(diào)制形式，主要是因?yàn)楣饨邮掌鳎ㄌ綔y器）一般都是直接地響應(yīng)其所接受的光強(qiáng)度變化的緣故。激光調(diào)制的方法很多，如機(jī)械調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和電源調(diào)制等。而電光調(diào)制開關(guān)速度快，結(jié)構(gòu)簡單，因此在激光調(diào)制技術(shù)、混合型光學(xué)雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)原理橫向電光調(diào)制鈮酸鋰晶體的橫向電光調(diào)制過程如圖所示。實(shí)驗(yàn)原理入射光經(jīng)起偏器后變成振動方向平行于X軸的線性偏振光，晶體的電光效應(yīng)可按光矢量的分解與合成來處理。進(jìn)入晶體后，X偏振的線性偏振光按感應(yīng)軸x′和y′分解，它們的振幅和相位相等，電矢量可以分別記為：{

為方便計(jì)算，用復(fù)振幅的表示方法，省去時間的簡諧因子ejwt，這時位于晶體表面（Z=0）的實(shí)驗(yàn)原理光波表示為：{所以入射光的強(qiáng)度：??實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)光通過長為的電光晶體后，因折射率不同，x′和y′兩分量之間將產(chǎn)生相位差，于是{通過檢偏器出射的光，是該兩分量在Y軸上的投影之和實(shí)驗(yàn)原理輸出光強(qiáng)：因此光強(qiáng)的透過率T為：由感應(yīng)軸的折射率，并注意到有：實(shí)驗(yàn)原理由此可見，與V有關(guān)。當(dāng)電壓增加某一值時，x′和y′方向的偏振光經(jīng)過晶體后產(chǎn)生λ/2的光程差，相位差=π，T=100%,這一電壓叫半波電壓，通常用或表示。是描述晶體電光效應(yīng)的重要參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，這個電壓越小越好。因?yàn)樾。硎据^小的調(diào)制信號就會有較大的響應(yīng)；用做快速電光開關(guān)時，小意味著用比較小的電壓就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)原理光開關(guān)的動作。根據(jù)半波電壓值，可以估計(jì)出控制電光效應(yīng)所需的電壓。根據(jù)上述討論得式中，

和

分別為晶體的厚度和長度。由此可見，橫向電光效應(yīng)的半波電壓與晶體的幾何尺寸有關(guān),而縱向電光效應(yīng)的半波電壓為不能靠尺寸調(diào)整，這是橫向電光調(diào)制器的優(yōu)點(diǎn)之一。因此，橫向效應(yīng)的電光晶體都加工成細(xì)長的扁長方體。實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)上述討論,取(是直流偏壓，是交流調(diào)制號)，因此可以得到：由此可以看出，改變或，輸出特性將相應(yīng)發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)原理對單色光來說，為常數(shù)，因而T將隨晶體上所加的電壓變化，如圖所示，T與V的關(guān)系是非線性的。如果工作點(diǎn)選擇不當(dāng)，則會使輸出信號發(fā)生畸變；但在附近有一近似直線的部分，這一直線部分稱為線性工作區(qū)。不難看出，當(dāng)時，=π/2,T=50%。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理（2）直流偏壓對輸出特性的影響1.當(dāng)時，工作點(diǎn)落在線性工作區(qū)的中部，此時，可獲得較高效率的線性調(diào)制，把代入前式得實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)時，它表明。這時，調(diào)制器輸出的波形和調(diào)制信號的頻率相同，即線性調(diào)制。2.當(dāng)或，時，把代入前式，則實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理即。這時，輸出光的頻率是調(diào)制信號的2倍，即產(chǎn)生“倍頻”失真。類似地，對，可得這是仍將看到“倍頻”失真的波形。3.直流偏壓在0V附近或變化時，由于工作點(diǎn)不在線性工作區(qū)，故輸出波形將失真。實(shí)驗(yàn)原理4.當(dāng)且時，調(diào)制器的工作點(diǎn)雖然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足小信號調(diào)制的要求，此時的透射率函數(shù)式應(yīng)展開成貝賽爾函數(shù)，即：實(shí)驗(yàn)原理由式可以看出，輸出的光束包括交流的基波，還有奇次諧波。由于調(diào)制信號的幅度較大，奇次諧波不能忽略，因此，這時雖然工作點(diǎn)選在線性區(qū)，輸出波形仍失真。實(shí)驗(yàn)器材電光調(diào)制電源組件光接收放大器組件He-Ne激光器組件電光調(diào)制晶體組件起偏器組件檢偏器組件實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.測定鈮酸鋰晶體的透過率曲線(即T~V曲線)，計(jì)算半波電壓。

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(qiáng)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。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，在讀出相應(yīng)的光強(qiáng)值。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以T為縱坐標(biāo)，V為橫坐標(biāo)，畫出T~V關(guān)系曲線，確定半波電壓的數(shù)值，進(jìn)而求晶體電光系數(shù)。2.用1/4波片改變工作點(diǎn)，觀察輸出特性。分別將靜態(tài)工作電壓固定于倍頻失真點(diǎn)、接收信號波形失真最小、接收信號波形幅度最大點(diǎn)，在起偏器與LN晶體間放入1/4波片。旋轉(zhuǎn)1/4波片，觀察接收信號波形的變化情況。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改變工作電壓，記錄相鄰兩次出現(xiàn)倍頻失真時對應(yīng)的工作電壓之差即為半波電壓。3.觀察電光調(diào)制箱內(nèi)置波形信號，以及解調(diào)信號4.光迅通訊的演示注意事項(xiàng)