晶体的电光效应与光电调制
1 近代物理实验报告
指导教师： 得分：
实验时间： 2010 年 03 月 24 日， 第 四 周， 周 三 ， 第 5-8 节
实验者： 班级 材料0705 学号 200767025 姓名 童凌炜
同组者： 班级 材料0705 学号 200767007 姓名 车宏龙
实验地点： 综合楼501
实验条件： 室内温度 ℃， 相对湿度 %， 室内气压
实验题目： 晶体的电光效应与光电调制
实验目的：
1. 掌握电光调制的原理和实验方法
2. 学习测量电光晶体半波电压和光电常数的试验方法 3. 观察电光晶体的锥光干涉
实验仪器：
1. 晶体电光调制电源 2. 调制器 3. 接收放大器
实验原理简述：
某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将随着外加电场的变化而变化，这种现象称为光电效应。晶体外加电场后，如果折射率变化与外加电场的一次方成正比，则称为一次电光效应，如果折射率变化与外加电场的二次方成正比，则称为二次电光效应。晶体的一次光电效应分为纵向电光效应和横向电光效应
1. 一次电光效应和晶体的折射率椭球
对于电光晶体，晶体在某一方向上的折射率为n0，外加电场后折射率为n，实验表明 n=n0+aE0+bE02+…
其中：a,b为常数；n0为E0=0使的折射率。由一次项引起的折射率变化的效应称为一次电光效应，也叫线性电光效应；由二次项引起的折射率变化的效应称为二次电光效应，也叫平方电光效应。
x2y2z2未加电场时晶体的折射率椭球方程为2?2?2?1
n1n2n3晶体的电光效应与光电调制
2 晶体的三个主晶轴为x,y,z坐标轴，椭球的主轴与晶体主轴重合。式中n1,n2,n3分别为晶体三个主轴方向上的主折射率。如图5-2-1所示。
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
x2y2z22yz2xz2xy?2?2?2?2?2?1 2n11n22n33n23n13n12此时，椭球主轴不在与x,y,z轴重合。由于晶体的各向异性，电场在x,y,z各个方向上的分量对椭球方程的各个系数的影响是不同的，用以下形式表示
11??r11Ex?r12Ey?r13Ez 2n11n1211??r21Ex?r22Ey?r23Ez 22n22n211??r31Ex?r32Ey?r33Ez 22n33n31?r41Ex?r42Ey?r43Ez 2n231?r51Ex?r52Ey?r53Ez 2n131?r61Ex?r62Ey?r63Ez 2n12晶体的一次电光效应的普遍表达式，其中，γij叫做电光系数，共有18个，Ex,Ey,Ez是电场在x,y,z方向上的分量。 本实验用的铌酸锂晶体外加电场后，晶体的一次电光系数矩阵为
?0?0??0rij???0?r51???r22?带入基本式，得到铌酸锂晶体加电场后的椭球方程
?r22r220r6100r13?r13??r33?? 0?0??0???1?2?1?2?1???????rE?rEx??rE?rEy??rE?n222y13z??n222y13z??n233Z??z2?2r51Eyyz?2r51Exxz?2r22Exxy?1?0??0??e?
变化后得 nx'?n0?13n0r22E 2晶体的电光效应与光电调制
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13ny'?n0?n0r22E
2即外加电压后， 铌酸锂晶体变为双轴晶体，其折射率椭球z轴的方向和长度基本保持不变，而x,y界面由半径为n0的圆变为椭圆。 2. 电光调制原理 1) 横向光电调制 如图5-2-3
入射光经过起偏器后变为振动方向平行于x轴的线偏振光，他在晶体感应轴x’,y’上的投影的振幅和相位均相等，分别设为
ex'?A0coswt ey'?A0coswt
用复振幅表示，将位于晶体表面（z=0）的光波表示为Ex'(0)?A Ey'(0)?A 所以入射光的强度为 Ii?E?E?Ex'(0)?Ey'(0)22?2A2
Ex'(l)?A Ey'(l)?Ae?i?
?i?当光通过长为l的电光晶体后，x’,y’两分量之间产生相位差
通过检偏器出射的光，是这两个分量在y轴上的投影之和 (Ey)0?Ey'(l)e其对应的输出光强It可写为 It?Ey由以上可知光强透过率为T?cos45??A2?ei??1
??????E?*??2A0y02sin2?2
It??sin2 Ii2?ny'?l?2?相位差的表达式 ??2???nx'?3n0r22Vl d当相位差为π时 Vn??d??? 32n0r22?l??晶体的电光效应与光电调制
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由以上各式可将透过率改写为 T?sin性将相应变化。
2) 改变直流电压对输出特性的影响
2?V2V??sin2?2V??V0?Vmsinwt?可以看出改变V0或Vm，输出特
????1??把V0=Vπ/2带入上式可得T?sin?V0?Vmsinwt???1?sin?Vmsinwt??sin?? 2V?2V?2?V????2?V2?做近似计算得T???1?????1?Vsinwt??? m?2??V???即T∝Vmsinwt时，调制器的输出波形和调制信号的波形频率相同，即线性调制
如果Vm＞Vπ，不满足小信号调制的要求，所以不能近似计算，此时展开为贝塞尔函数，即输出的光束中除了包含交流信号的基波外，还有含有奇次谐波。由于调制信号幅度比较大，奇次波不能忽略，这时，虽然工作点在线性区域，但输出波形依然会失真。图5-2-5
2?1??Vm???1?cos2wt当V0=0或π；Vm《Vπ时，将V0=0带入到上式得T?? 即T∝cos2wt，可以看出输??8?V??光是调制信号的二倍，即产生倍频失真。
2?1??Vm??1?cos2wt? 即依然看到的是倍频失真的当V0=Vπ，Vm《Vπ时。经过类似推到，可得T?1????8?V??波形。
3) 用λ/4波片来进行光学调制
由上面的分析可知，在电光调制中，直流电压V0的作用是使晶体在x’,y’两偏振方向的光之间产生固定
晶体的电光效应与光电调制
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的相位差，从而使正弦调制工作在光强调制曲线图上的不同点。在实验中V0的作用可以用λ/4波片来实现，实验中在晶体与检偏器之间加入λ/4波片，调整λ/4波片的快慢轴方向使之与晶体的x’,y’轴平行，转动波片，可以使电光晶体工作在不同的工作点上。
实验步骤简述： 1. 实验内容
i. 观察晶体的锥光干涉图 ii. 分别用极值法和调制法测定铌酸锂晶体的透过率曲线，求出半波电压 iii. 改变直流电压，选择不同工作点，观察正弦波电压的调制特性 iv. 用λ/4波片改变工作点，观察输出特性 v. 光通信演示 2. 实验步骤
i. 打开电源开关，将直流电压调到0，打开激光器 ii. 调节起偏器和检偏器正交，此时在晶体后的白屏上可以观察到一个暗‘十’字，光点在十字
中间。
iii. 紧靠晶体前端放一毛玻璃片，观察单轴晶体的锥光干涉图，如图5-2-8，记录干涉图样特点 iv. 调节‘偏压’旋钮，加上偏压，观察锥光干涉图样的变化情况，记下变化情况，想一想说明
什么问题 v. 改变偏压的极性，记下观察到的现象 vi. 改变偏压的大小，记下观察到的现象，并解释为什么出现这样的现象 vii. 将两个偏振片由正交改变平行，记下观察到的现象 viii. 用极值法测T-V曲线，具体步骤如下
1. 将电压调到最小，两偏振片正交，使锥光符合（3）中的要求 2. 取出毛玻璃，接收器瞄准广电，在晶体上加直流电压
3. 逐渐增大直流电压，用万用表测量直流输出，适当旋转起偏器前的检光片，保证
最大不超过量程
4. 每隔20V测一次输出光强，在接近极大极小值时，每隔10V测一次，记录数据 5. 改变偏压极性，重复上述操作，再测一组数据，利用两组数据做图表，曲线上两
极大值之间的电压为半波电压的2倍
ix. 用调制法重新测量半波电压，具体操作如下
1. 将电源前面板的调制信号输出接到示波器的CH1，经放大后 的调制器输出信号借
到CH2
2. 选择调制信号为正弦信号
3. 将检偏器旋转90°，缓慢增加晶体上的直流电压，同时观察示波器，当输出信号
出现倍频失真时，记下此时直流电压 4. 改变直流电压极性，重复上述操作
5. 两点呀绝对值的平均值即为晶体的半波电压 6. 重复五次取平均值
7. 实验中主义观察随着工作点的改变，正线电压的调制特性
x. 根据测得的半波电压的大小，分别画出半波电压为0，Vπ/2，Vπ时的输入波形和调制后的
波形
xi. 用λ/4波片改变工作点，观察输出特性，操作如下
1. 将直流电压关闭，将λ/4波片放在晶体和偏振片之间 2. 绕光轴缓慢旋转波片，观察示波器中输出波形的变化
3. 记下输出光的线性调制和倍频失真时波片快慢轴与晶体x,y轴及感应轴x’,y’
的关系
5-2晶体地电光效应与电光调制实验报告材料
