电光效应和电光调制..docVIP

电光效应和电光调制 　 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，这种现象成为电光效应。年克尔（Kerr）发现了第一个电光效应。即某些各向同性的透明介质在外电场作用下变为各向异性，表现出双折射现象，介质具有单轴晶体的特性，并且其光轴在电场的方向上，人们称这种光电效应为克尔效应。年普克尔斯（Pokells）发现，有些晶体，特别是压电晶体，在加了外电场后，也能改变它们的各向异性性质，人们称此种电光效应为普克尔斯效应。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（可以跟上频率为1010Ｈｚ的电场变化），因此被广泛用于高速摄影中的快门，光速测量中的光束斩波器等。由于激光的出现，电光效应的应用和研究得到了迅速发展，如激光通信、激光测量、激光数据处理等。 1．2．3．学会用简单的实验装置测量LN（LiNbO3铌酸锂）晶体半波电压。观察电光调制的工e-Ne激光器,二踪示波器和万用表。 三．实验装置与原理 （一）实验装置 （1）（）晶体电光调制电源调制电源由-200V—+200V之间连续可调的直流电源、单一频率振荡器（振荡频率约为1kHz）、音乐片和放大器组成，电源面板上有三位半数字面板表，可显示直流电压值。晶体上加的直流电压的极性可以通过面板上的“极性”键改变，直流电压的大小用“偏压”旋钮调节。调制信号可由机内振荡器或音乐片提供，此调制信号是用装在面板上的“信号选择”键来选择三个信号中的任意一个信号。所有的调制信号的大小是通过“幅度”旋钮控制的。通过前面板上的“输出”插孔输出的参考信号，接到二踪示波器的一个通道与被调制后的接收信号比较，观察调制器的输出特性。 （）调制器调制器由三个可旋转的偏振片、一个可旋转的1/4波片和一块铌酸锂晶体组成，采用横向调制方式。晶体放在两个正交的偏振片之间，起偏振片和晶体的x轴平行。检偏振片和晶体之间可插入1/4波片，偏振片和波片均可绕其几何轴旋转。晶体放在四维调节架上，可精细调节，使光束严格沿晶体光轴方向通过。 （）接收放大器接收放大器由3DU光电三极管和功率放大器组成。光电三极管把被调制了的氦氖激光经光电转换，输入到功率放大器上，放大后的信号接到二踪示波器，同参考信号比较，观察调制器的输出特性。交流信号输出的大小通过“交流输出”旋钮调节。放大器内装有扬声器，用来再现声音调制信号，放大器面板上还有“直流输出”插孔，接到万用表的200mV直流电压档，用于测量光电三极管接收到的光强信号的大小。1．n = n0 + aE0 +bE02+…… （1）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，也称线性电光效应或普克尔斯（Pokells）效应；由二次项bE02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尔（Kerr）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，一次效应要比二次效应显著。 光在各向异性晶体中传播时，因光的传播方向不同或者是电矢量的振动方向不同，光的折射率也不同。如图1，通常用折射率球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的关系。在主轴坐标中，折射率椭球及其方程为 图 1 式中n1、n2、n3为椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。当晶体加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球方程变成 （3）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方向垂直时产生的电光效应。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）类型的晶体用它的横向电光效应。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。 铌酸锂晶体属于三角晶系，3m晶类，主轴z方向有一个三次旋转轴，光轴与z轴重合，是单轴晶体，折射率椭球是旋转椭球，其表达式为 （4） 式中n0和ne分别为晶体的寻常光和非常光的折射率。加上电场后折射率椭球发生畸变，当x轴方向加电场，光沿z轴方向传播时，晶体由单轴晶变为双轴晶，垂直于光轴z轴方向的折射率椭球截面由圆变为椭圆，此椭圆方程为 （5）称为电光系数。上式进行主轴变换后可得到 （6） 1，经简化得到 （7）