晶体的电光效应概念.docxVIP

基础物理实验研究性报告晶体的电光效应第一作者：周坤学号：141511442016年5月12日摘要本文以“晶体电光效应”实验为研究内容，先介绍了实验目的，实验仪器，实验的基本原理与实验步骤，进行了数据处理与结果分析，并做了相对误差分析，最后得出几点自己对实验的感想。关键词：晶体的电光效应 激光调制 半波电压一 实验目的1.掌握晶体电光调制的原理和实验方法； 2.了解电光效应引起的晶体光学性质的变化，观察汇聚偏振光的干涉现象； 3.学习晶体半波电压和光电常数的实验方法。二 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玻片、双踪示波器三 实验原理LN晶体的线性电光效应当晶体处在一个外加电场中时。晶体的折射率会发生变化，改变量的表达式为： （1）其中n是受外场作用时晶体的折射率，n0是自然状态下晶体的折射率，E是外加电场强度，和p是与物质有关的常数。（1）式右边第一项表示的是线性电光效应，又称为普克尔效应，因此叫做线性电光系数；第二项表示的是二次电光效应，又称为克尔效应，因此p也叫做二次电光系数。本实验只涉及到线性电光效应。LN晶体通常采用横向加压，z向通光的运用方式，即在主轴y方向加电场Ey而Ex = Ez = 0 ，有外电场时折射率椭球的主轴一般不再与原坐标轴重合。将坐标系经过适当的旋转后得到一个新的坐标系（x′，y′，z′），使折射率椭球变为： （2）这里、、是有电场时的三个主折射率。叫感应主折射率，坐标系（x′，y′，z′）叫感应主轴坐标系。在（）坐标系中，折射率椭球的方程为:（3）将（3）式同（2）式比较，就可得出：， 一般情况下有，于是 （4）上述结果表明，在LN晶体的y轴方向上加电场时，原来的单轴晶体（nx= ny = n0，nz = ne）变成了双轴晶体（nx′≠ ny′≠ nz′），折射率椭球在x′y′平面上的截线由原来的圆变成了椭圆，椭园的短轴x′（或y′）与x轴（或y轴）平行,感应主轴的长短与Ey的大小有关，这就显示了晶体的线性电光效应。2．电光调制原理LN晶体横向电光调制器的结构如图所示。当光经过起偏器P后变成振动方向为OP的线偏振光，进入晶体 (z = 0) 后被分解为沿x′和y′轴的两个分量，因为OP与x’轴、y’轴的夹角都是45o，所以位相和振幅都相等。即，于是入射光的强度为：当光经过长为的LN晶体后，x′和y′分量之间就产生位相差，即： （5）从检偏器A（它只允许OA方向上振动的光通过）出射的光为和在OA轴上的投影之和 （6）于是对应的输出光强为： （7）将输出光强与输入光强比较，再考虑（11）式和（12）式，最后得到： （8）为透射率，它与外加电压V之间的关系曲线就是光强调制特性曲线。本实验就是通过测量透过光强随加在晶体上电压的变化得到半波电压Vπ。由图3可知，透过率与V的关系是非线性的，若不选择合适的工作点会使调制光强发生畸变，但在V = Vπ/2附近有一直线部分（即光强与电压成线性关系），这就是线性调制部分。为此，我们在调制光路中插入一个λ/4波片，其光轴与OP成45o角，它可以使x′和y′两个分量间的位相有一个固定的π/2位相延迟，这时若外加电场是一个幅度变化不太大的周期变化电压，则输出光波的光强变化与调制信号成线性关系，即 （9）其中V是外加电压，可以写成，但是如果Vm太大，就会发生畸变，输出光强中将包含奇次高次谐波成份。当时四 实验步骤1.调整光路系统1. 调节三角导轨底角螺丝，使其稳定于调节台上。在导轨上放置好半导体光源部分滑块，将小孔光栏置于导轨上，在整个导轨上拉动滑块，近场远场都保证整个光路基本处于一条直线，即使光束通过小孔。放上起偏振器，使其表面与激光束垂直，且使光束在元件中心穿过。再放上检偏器，使其表面也与激光束垂直，转动检偏器，使其与起偏器正交，即，使检偏器的主截面与起偏器的主截面垂直，这时光点消失，即所谓的消光状态。2. 将铌酸锂晶体置于导轨上，调节晶体使其x轴在铅直方向，使其通光表面垂直于激光束（这时晶体的光轴与入射方向平行，呈正入射），这时观察晶体前后表面查看光束是否在晶体中心，若没有，则精细调节晶体的二维调整架，保证使光束都通过晶体，且从晶体出来的反射像与半导体的出射光束重合。3. 拿掉四分之一波片，在晶体盒前端插入毛玻璃片，检偏器后放上像屏。光强调到最大，此时晶体偏压为零。这时可观察到晶体的单轴锥光干涉图，