电光效应实验报告
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1、晶体的电光效应实验报告现代测控系统集成设计报告晶体的电光效应泡克尔斯效应实验姓名：赵明学号：3112079008班级：硕2022专业：测试计量技术与仪器报告日期：2013年1月3日目录一、实验原理1二、仪器介绍7三、实验内容9四、数据处理11五、注意事项12一、实验原理某些晶体在外加电场中，随着电场强度E的改变，晶体的折射率会发生改变，这种现象称为电光效应。通常将电场引起的折射率的变化用下式表示:式中a和b为常数，n0为E0=0时的折射率。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电光效应（pokells）；由二次项引起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也
2、称平方电光效应或克尔效应（kerr）。由（1）式可知，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。通常用折射率椭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，折射率椭球方程为：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。如图一所示，当晶体上加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球的方程变为 图一 晶体折射率椭球只考虑一次电光效应，上式与式（2）相应项的系数之差和电场强度的一次方成正比。由于晶体
3、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，我们用下列形式表示：上式是晶体一次电光效应的普遍表达式，式中ij叫做电光系数 (i=1,2,6;j=1,2,3)，共有18个，EX、EY、EZ是电场E在x、y、z方向上的分量。式（4）可写成矩阵形式：电光效应根据施加的电场方向与通光方向相对关系，可分为纵向电光效应和横向电光效应。利用纵向电光效应的调制，叫做纵向电光调制；利用横向电光效应的调制，叫做横向电光调制。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。把加在晶体上的电场方向与光在晶体中的传播方向平行时产生的电光效应，称为纵向电光效应，通常以KDP类型晶
4、体为代表。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，称为横向电光效应 ，以晶体为代表。LiNbo3这次实验中，我们只做晶体的横向电光强度调制实验。我们采用对LN晶体横向施加电场的方式来研究LiNbO3晶体的电光效应。其中，晶体被加工成5530mm3的长条，光轴沿长轴通光方向，在两侧镀有导电电极，以便施加均匀的电场。铌酸锂晶体是负单轴晶体，即nx=ny=n0、nzne 。式中和分别为晶体的寻常光和非寻常光的折射率。加上电场后折射率椭球发生畸变，对于3m类晶体，由于晶体的对称性，电光系数矩阵形式为当X轴方向加电场，光沿Z轴方向传播时，晶体由单轴晶体变为双轴晶体，垂直于光轴Z方向
5、折射率椭球截面由圆变为椭圆，此椭圆方程为：进行主轴变换后得到：考虑到n2022Ex1，经化简得到当 X 轴方向加电场时，新折射率椭球绕 Z 轴转动45o图三为典型的利用LiNbo3晶体横向电光效应原理的激光强度调制器。图三 晶体横向电光效应原理图其中起偏器的偏振方向平行于电光晶体的X轴，检偏器的偏振方向平行于Y轴。因此入射光经起偏器后变为振动方向平行于X轴的线偏振光，它在晶体的感应轴X和轴Y上的投影的振幅和位相均相等，设分别为或用复振幅的表示方法，将位于晶体表面（z=0）的光波表示为所以,入射光的强度是当光通过长为l的电光晶体后， X和Y两分量之间就产生位相差，即通过检偏器出射的光，是这两分量
6、在Y轴上的投影之和其对应的输出光强I1，可写成由（13）、（16）式，光强透过率T由此可见，和V有关，当电压增加到某一值时，X、Y方向的偏振光经过晶体后产生/2的光程差，位相差=，T=100%，这一电压叫半波电压，通常用V或V/2表示。 V是描述晶体电光效应的重要参数，在实验中，这个电压越小越好，如果V小，需要的调制信号电压也小，根据半波电压值，我们可以估计出电光效应控制透过强度所需电压。由（17）式由（17）、（18）式因此，将（16）式改写成其中V0是直流偏压，Vmsint是交流调制信号，Vm是其振幅，是调制频率，从（20）式可以看出，改变V0或Vm输出特性，透过率将相应的发生变化。由于对
7、单色光，n0322/为常数，因而T将仅随晶体上所加电压变化，如图四所示，T与V的关系是非线性的，若工作点选择不适合，会使输出信号发生畸变。但在V/2附近有一近似直线部分，这一直线部分称作线性工作区，由上式可以看出：当V=V/2时，=/2，T=50%。图三 T与V的关系曲线图1 改变直流偏压选择工作点对输出特性的影响将工作点选定在线性工作区的中心处,此时,可获得较高频率的线性调制，把02mV0=Vm/2代入（14）式，得即TsinVmt。这时，调制器输出的波形和调制信号波形的频率相同，即线性调制。调制器的工作点虽然选定在线性工作区的中心，但不满足小信号调制的要求，（21）式不能写成公式（22）的
8、形式，此时的透射率函数（21）应展开成贝赛尔函数，即由（21）式由（23）式可以看出，输出的光束除包含交流的基波外，还含有奇次谐波。此时，调制信号的幅度较大，奇次谐波不能忽略。因此，这时虽然工作点选定在线性区，输出波形仍然失真。即Tcos 2t。从（24）式可以看出，输出光是调制信号频率的二倍，即产生“倍频”失真。若把V0=V代入（20）式，经类似的推导，可得即Tcost“倍频”失真。这时看到的仍是“倍频”失真的波形。 （4）直流偏压V0在零伏附近或在V附近变化时，由于工作点不在线性工作区，输出波形将分别出现上下失真。综上所述，电光调制是利用晶体的双折射现象，将入射的线偏振光分解成o光和e光，
9、利用晶体的电光效应由电信号改变晶体的折射率，从而控制两个振动分量形成的像差，在利用光的相干原理两束光叠加，从而实现光强度的调制。二、仪器介绍实验设备：1光学实验导轨 800mm 1 根 2导轨滑块 6 个 3二维可调半导体激光器 650nm 4mW 1 套 4激光功率指示计 1 套 5偏振片 2 套 61/4波片 1 套 7三维可调电光晶体附件+驱动电源（0-1500V） 1 套 8二维可调扩束镜 1 套 9二维可调光电二极管探头 1 套 10白屏 1 个功能介绍主机箱“JTDG1110晶体驱动电源”主要功能为晶体驱动电压的输出与输出电压的指示、状态的切换、被调制信号的接受与放大和还原。各面板
