電光效應(yīng)和電光調(diào)制.doc

1、電光效應(yīng)和電光調(diào)制當(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，這種現(xiàn)象成為 電光效應(yīng)。1875年克爾（Kerr ）發(fā)現(xiàn)了第一個電光效應(yīng)。即某些各向同性的透明介質(zhì)在 外電場作用下變?yōu)楦飨虍愋?，表現(xiàn)出雙折射現(xiàn)象，介質(zhì)具有單軸晶體的特性，并且其光軸在 電場的方向上，人們稱這種光電效應(yīng)為克爾效應(yīng)。1893年普克爾斯（Pokells ）發(fā)現(xiàn)，有些晶體，特別是壓電晶體，在加了外電場后，也能改變它們的各向異性性質(zhì)，人們稱此種電光效應(yīng)為普克爾斯效應(yīng)。電光效應(yīng)在工程技術(shù)和科學(xué)研究中有許多重要應(yīng)用，它有很短的響應(yīng)時間（可以跟上頻率為 1010 Hz的電場變化），因此被廣泛用于高速攝影中的快門，光速 測

2、量中的光束斬波器等。由于激光的出現(xiàn)，電光效應(yīng)的應(yīng)用和研究得到了迅速發(fā)展，如激光通信、激光測量、激光數(shù)據(jù)處理等。一. 實驗?zāi)康?.掌握晶體電光效應(yīng)和電光調(diào)制的原理和實驗方法。2 觀察電光效應(yīng)所引起的晶體光性的變化和會聚偏振光的干涉現(xiàn)象。3 .學(xué)會用簡單的實驗裝置測量LN （ LiNbO3鈮酸鋰）晶體半波電壓。觀察電光調(diào)制的工作性質(zhì)。二. 儀器用具電光效應(yīng)實驗儀，電光調(diào)制電源 ，LN晶體橫向電光調(diào)制器，接收放大器，He-Ne激光器，二蹤示波器和萬用表。三實驗裝置與原理（一）實驗裝置（1）電光效應(yīng)實驗儀面板如圖所示。門門rui11ijij舸匸（rtfr 樓哦13葦ririnri n ririij 更

3、淤電屈示示出 開電電??；魯 UN 電立交緒円電外41卡濤嚴(yán)提歯吉調(diào)齒些妥犬通氏茅吩創(chuàng) 芒妥趕扎矗習(xí)車電尤效應(yīng)儀面板冬“（2）晶體電光調(diào)制電源：調(diào)制電源由-200V +200V之間連續(xù)可調(diào)的直流電源、單一頻率振蕩器（振蕩頻率約為1kHz ）、音樂片和放大器組成，電源面板上有三位半數(shù)字面板表，可顯示直流電壓值。晶體上加的直流電壓的極性可以通過面板上的極性”鍵改變，直流電壓的大小用偏壓”旋鈕調(diào)節(jié)。調(diào)制信號可由機內(nèi)振蕩器或音樂片提供，此調(diào)制信號是用裝在面板上的信號選擇”鍵來選擇三個信號中的任意一個信號。所有的調(diào)制信號的大小是通過幅度”旋鈕控制的。通過前面板上的輸出”插孔輸出的參考信號，接到二蹤示波器的

4、一個通道與被調(diào)制后的接收信號比較，觀察調(diào) 制器的輸出特性。（3） 調(diào)制器：調(diào)制器由三個可旋轉(zhuǎn)的偏振片、一個可旋轉(zhuǎn)的1/4波片和一塊鈮酸鋰 晶體組成，采用橫向調(diào)制方式。晶體放在兩個正交的偏振片之間，起偏振片和晶體的x軸平行。檢偏振片和晶體之間可插入1/4波片，偏振片和波片均可繞其幾何軸旋轉(zhuǎn)。晶體放在四維調(diào)節(jié)架上，可精細(xì)調(diào)節(jié)，使光束嚴(yán)格沿晶體光軸方向通過。（4） 接收放大器：接收放大器由3DU光電三極管和功率放大器組成。光電三極管把被調(diào)制了的氦氖激光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，輸入到功率放大器上， 放大后的信號接到二蹤示波器，同參考信號比較，觀察調(diào)制器的輸出特性。交流信號輸出的大小通過交流輸出”旋鈕調(diào)節(jié)。放大器內(nèi)

5、裝有揚聲器，用來再現(xiàn)聲音調(diào)制信號，放大器面板上還有直流輸出”插孔，接到萬用表的200mV直流電壓檔，用于測量光電三極管接收到的光強信號的大小。（二）實驗原理i .一次電光效應(yīng)和晶體的折射率橢球由電場所引起的晶體折射率的變化，稱為電光效應(yīng)。通?？蓪㈦妶鲆鸬恼凵?率的變化用下式表示：(1)次項 aEo(Pokells )(2)2n = n 0 + aE 0 +bE 0 +式中a和b為常數(shù)，n0為不加電場時晶體的折射率。由一 引起折射率變化的效應(yīng)，稱為一次電光效應(yīng)，也稱線性電光效應(yīng)或普克爾斯效應(yīng)；由二次項bE02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)或克爾（Kerr）效應(yīng)。一次電

6、光效應(yīng)只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。光在各向異性晶體中傳播時，因光的傳播方向不同或者是電矢量的振動方向不同，光的折射率也不同。如圖1，通常用折射率球來描述折射率與光的傳播方向、振動方向的關(guān)系。在主軸坐標(biāo)中，折射率橢球及其方程為2 2 2x y z式中n1、n2、n3為橢球三個主軸方向上的折射率，稱為主折射率。當(dāng)晶體加上電場 后，折射率橢球的形狀、大小、2X2nnn2、橢球方程變成方位都發(fā)生變化，2 2y z2 yz 2xz 2xy-n2322n22n3322n13n12(3)12221通常KD P晶體的一次電光效應(yīng)分為縱向電光效

7、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方向垂直時產(chǎn)生的電光效應(yīng)。（磷酸二氘鉀）類型的晶體用它的縱向電光效應(yīng)，LiNbO 3 （鈮酸鋰）類型的晶體用它的橫向電光效應(yīng)。本實驗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，觀察相應(yīng)的輸出特性的變化。鈮酸鋰晶體屬于三角晶系，3m晶類，主軸 z方向有一個三次旋轉(zhuǎn)軸，光軸與z軸重合，是單軸晶體，折射率橢球是旋轉(zhuǎn)橢球，其表達(dá)式為2 2x y2n02ne(4)式中no

8、和ne分別為晶體的尋常光和非常光的折射率。加上電場后折射率橢球發(fā)生畸變，當(dāng)x軸方向加電場，光沿z軸方向傳播時，晶體由單軸晶變?yōu)殡p軸晶，垂直于光軸z軸方向的折射率橢球截面由圓變?yōu)闄E圓，此橢圓方程為1 2 1 2(_2 22Ex)X ( 22Ex)y 2 22ExXy 1( 5)nn其中的22稱為電光系數(shù)。上式進行主軸變換后可得到(g22Ex)X2n。(12022Ex)y21(6)考慮到n； 22Ex1，經(jīng)簡化得到nxn。1 32n。22 Exnyn。1 3評22 Ex(7)折射率橢球截面的橢圓方程化為2 x2 nx2 y2 ny1(8)2 電光調(diào)制原理要用激光作為傳遞信息的工具，首先要解決如何將

9、傳輸信號加到激光輻射上去 的問題，我們把信息加載于激光輻射的過程稱為激光調(diào)制，把完成這一過程的裝置 稱為激光調(diào)制器。由已調(diào)制的激光輻射還原出所加載信息的過程則稱為解調(diào)。因為 激光實際上只起到了“攜帶”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。按調(diào) 制的性質(zhì)而言，激光調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，可以采用連續(xù)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào) 相以及脈沖調(diào)制等形式，但激光調(diào)制多采用強度調(diào)制。強度調(diào)制是根據(jù)光載波電場 振幅的平方比例于調(diào)制信號，使輸出的激光輻射的強度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。 激光調(diào)制之所以常采用強度調(diào)制形式，主要是因為光接收器一般

10、都是直接地響應(yīng)其 所接受的光強度變化的緣故。激光調(diào)制的方法很多，如機械調(diào)制、電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和電源調(diào) 制等。其中電光調(diào)制器開關(guān)速度快、結(jié)構(gòu)簡單。因此，在激光調(diào)制技術(shù)及混合型光 學(xué)雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應(yīng)用。電光調(diào)制根據(jù)所施加的電場方向的不同，可分為 縱向電光調(diào)制和橫向電光調(diào)制。禾U用縱向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做縱向電光調(diào)制，禾U 用橫向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做橫向電光調(diào)制。本實驗中，我們只做LiNbO3晶體的橫向調(diào)制實驗。(1) 橫向電光調(diào)制晶體檢備振片光電三俺魁大器4-Ik-110)圖2為典型的利用LiNbO 3晶體橫向電光效應(yīng)原理的激光振幅調(diào)制器。的偏振方向平行于電光晶體的x軸，檢偏振

11、片的偏振方向平行于y軸。經(jīng)起偏振片后變?yōu)檎駝臃较蚱叫杏趚軸的線偏振光，它在晶體的感應(yīng)軸的投影的振幅和相位均相等，設(shè)分別為ex =Acos 3 t , e或用復(fù)振幅的表示方法，將位于晶體表面（Ex （0） =A , E所以，入射光的強度是y =A0COs 3 tz=0)的光波表示為y (0) =AEx(0)x和Ii E E當(dāng)光通過長為I的電光晶體后，Ex、|）=A 通過檢偏振片出射的光，是該兩分量在(Ey)o2 2A2Ey （0）y兩分量之間就產(chǎn)生相位差Ey（l）=A e iy軸上的投影之和J,21)其中起偏振片因此入射光x和y軸上(9)(10)(11)(12)(13)其對應(yīng)的輸出光強 It可寫

12、成It (Ey)o (Ey)oA2(由（11 ）和（14 ）式，光強透過率e i 1)(ei 1) 2A2sin 2八T為I t .2sinIi2(14)(15)由（7 ）式l 23 lny）ln0 22Ud由此可見，s和加在晶體上的電壓有關(guān)，當(dāng)電壓增加到某一值時 經(jīng)過晶體后可產(chǎn)生2的光程差，相應(yīng)的相位差s =n由過率 T=100%，這時加在晶體上的電壓稱作半波電壓，通常用 晶體電光效應(yīng)的重要參數(shù)。在實驗中，這個電壓越小越好，如果jx(16)x、y方向的偏振光15）式可知此時光強透U表示。U是描述U小，需要的調(diào)制信號電壓也小。根據(jù)半波電壓值，我們可以估計出電光效應(yīng)控制透過強度所需電壓。(17)

13、由（16 ）式可得到U3（y）2n0 22 l其中d和I分別為晶體的厚度和長度。由此可見，橫向電光效應(yīng)的半波電壓與晶片 的幾何尺寸有關(guān)。由（17）式可知，如果使電極之間的距離d盡可能的減少，而增加通光方向的長度I,則可以使半波電壓減小，所以晶體通常加工成細(xì)長的扁長方體。由（16 ）、（ 17）式可得因此，可將（15 ）式改寫成2 2(18)T sin2U sin2 （U0 U m sin t）2U2U 0 mUm其中U 0是加在晶體上的直流電壓，Umsin 3t是同時加在晶體上的交流調(diào)制信號，是其振幅， 3是調(diào)制頻率。從（18 ）式可以看出，改變U0或Um，輸出特性將相應(yīng)的有變化。對單色光和確

14、定的晶體來說，U為常數(shù)，因而 T將僅隨晶體上所加的電壓變化。（2）改變直流偏壓對輸出特性的影響 當(dāng)U0+、UmU 時，將工作點選定在線性工作區(qū)的中心處，如圖所示,此時，可獲得較高效率的線性調(diào)制，把U0 代入(18 )式，得2T sin (Um sin t)4 2U1-1 cos(U msin t)22 U m1 U由于 UmU 時T 1 (-)sin t2 U即T x sin 31(20)這時，調(diào)制器輸出的信號和調(diào)制信號雖然振幅不同，但是兩者的頻率卻是相同的，輸出信號不失真，我們稱為線性調(diào)制。 當(dāng)U00、U-U時，調(diào)制器的工作點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，(19)式

15、不能寫成(20 )式的形式。因此，工作點雖然選定在了線性區(qū)，輸出波形仍然是失真的。四實驗內(nèi)容及步驟1 觀察晶體的會聚偏振光干涉圖樣和電光效應(yīng)現(xiàn)象(1)光路的調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)激光管使激光束與晶體調(diào)節(jié)臺上表 面平行，同時使光束通過各光學(xué)元件中心。調(diào)節(jié)起偏振片 和檢偏振片正交，且分別平行于x軸，y軸，放上晶體后各器件要細(xì)調(diào)，精細(xì)調(diào)節(jié)是利用單軸晶體的錐光干涉圖樣的變化完成的。由于晶體的不均勻性，在檢偏振片后面圖4這時在白屏上可觀察到單軸晶體的錐光干涉圖樣，如圖4。在觀察過程中要反復(fù)微的白屏上可看到一弱光點然后緊靠晶體前放一張鏡頭紙，調(diào)晶體，使干涉圖樣中心與光點位置重合，同時盡可能使圖樣對稱、完整，確保光 束

16、既與晶體光軸平行，又從晶體中心穿過的要求，再調(diào)節(jié)使干涉圖樣出現(xiàn)清晰的暗十字，且十字的一條線平行于x軸。(2) 加上直流偏壓時呈現(xiàn)雙軸晶體的錐光干涉圖樣，它說明單軸晶體在電場的作用 下變成了雙軸晶體。(3) 兩個偏振片正交時和平行時干涉圖樣是互補的。(4) 改變直流偏壓的極性時，干涉圖樣旋轉(zhuǎn)90。(5) 只改變直流偏壓的大小時，干涉圖樣不旋轉(zhuǎn)，只是雙曲線分開的距離發(fā)生變化。 這一現(xiàn)象說明，外加電場只改變感應(yīng)主軸方向的主折射率的大小，折射率橢球旋轉(zhuǎn)的角度與電場大小無關(guān)。2 測定鈮酸鋰晶體的透過率曲線(即TU曲線)，求出半波電壓 U ，再算出電光系數(shù)22。本實驗采用兩種方法測量鈮酸鋰晶體的半波電壓，

17、一種是極值法，另一種是調(diào) 制法。(1)極值法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u 。具體做法是：取出鏡頭紙，光電三極管接收器對準(zhǔn)激光光點，放大器的直流輸出接到萬用表上，萬用表調(diào)到 200mV直流檔。為了使光電三極管不致?lián)p壞，在起偏 振片前再加一塊偏振片作為減光片，加在晶體上的電壓從零開始，逐漸增大，注意 萬用表讀數(shù)的變化，當(dāng)讀數(shù)超過200mV時，應(yīng)旋轉(zhuǎn)減光片，使光強減小，再增大直流偏壓到最大，保持萬用表的讀數(shù)始終不超過200mV，再減小直流偏壓到零，若萬用表的讀數(shù)始終不超過200m

18、V，則可以開始測量數(shù)據(jù)。加在晶體上的電壓由電源面板上的數(shù)字表讀出，每隔10V增大一次，再讀出相應(yīng)的萬用表的讀數(shù)作為接收器接收到的光強值。(2)調(diào)制法晶體上直流電壓和交流信號同時加上，與直流電壓調(diào)到輸出光強出現(xiàn)極小值或極大值對應(yīng)的電壓值時，輸出的交流信號出現(xiàn)倍頻失真，出現(xiàn)相鄰倍頻失真對應(yīng)的 直流電壓之差就是半波電壓U 。具體做法是：按下電源面板上正弦”鍵，把電源前面板上的調(diào)制信號輸出”接到二蹤示波器的 CH2上，把放大器的調(diào)制信號接到示波器的CH1上，把 CH1、CH2上的信號做比較，調(diào)節(jié)直流電壓，當(dāng)晶體上加的直流電壓到某一值U1時，輸出信號出現(xiàn)倍頻失真，再調(diào)節(jié)直流電壓，當(dāng)晶體上加的直流電壓到另

19、一值U2時，輸出信號又出現(xiàn)倍頻失真， 相繼兩次出現(xiàn)倍頻失真時對應(yīng)的直流電壓之差U2 U 1就是半波電壓U。這種方法比極值法更精確，因為用極值法測半波電壓時，很難準(zhǔn)確的確定TU曲線上的極大值或極小值，因而其誤差也較大。但是這種方法對調(diào)節(jié)的要求很高， 很難調(diào)到最佳狀態(tài)。如果觀察不到兩次倍頻失真，則需要重新調(diào)節(jié)暗十字形干涉圖 樣，調(diào)整好以后再做本內(nèi)容。3 改變直流偏壓，選擇不同的工作點，觀察正弦波電壓的調(diào)制特性電源面板上的信號選擇按鍵開關(guān)可以提供三種不同的調(diào)制信號，按下正弦”鍵，機內(nèi)單一頻率的正弦波振蕩器工作，產(chǎn)生正弦信號，此信號經(jīng)放大后，加到晶體上， 同時，通過面板上的輸出”孔，輸出此信號，把它接

20、到二蹤示波器的CHi上，作為參考信號。改變直流偏壓，使調(diào)制器工作在不同的狀態(tài)，把被調(diào)制信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、 放大后接到二蹤示波器的CH2上，和CHi上的參考信號比較。工作點選定在曲線的直線部分，即Uo=U /2附近時是線性調(diào)制；工作點選定在曲線的極小值（或極大值）時，輸出信號出現(xiàn)倍頻失真；工作點選定在極小值（或極大值）附近時輸出信號失真，觀察時調(diào)制信號幅度不能太大，否則調(diào)制信號本身 失真，輸出信號的失真無法判斷由什么原因引起的，把觀察到的波形描繪下來，并 和前面的理論分析作比較。做這一步實驗時，把電源上的調(diào)制幅度、調(diào)制器上的輸 入光強、放大器的輸出、示波器上的增益（或哀減）這四部分調(diào)好，才能觀察到

21、很 好的輸出波形。4.用1/4波片改變工作點，觀察輸出特性在上述實驗中，去掉晶體上所加的直流偏壓，把1/4波片置入晶體和偏振片之間，繞光軸緩慢旋轉(zhuǎn)時，可以看到輸出信號隨著發(fā)生變化。當(dāng)波片的快慢軸平行于 晶體的感應(yīng)軸方向時，輸出信號線性調(diào)制；當(dāng)波片的快慢軸分別平行于晶體的x、y軸時，輸出光失真，出現(xiàn)涪頻”失真。因此，把波片旋轉(zhuǎn)一周時，出現(xiàn)四次線性調(diào)制和四次倍頻失真。值得注意的是，不僅通過晶體上加直流偏壓可以改變調(diào)制器的工作點，也可以 用1/4波片選擇工作點，其效果是一樣的，但這兩種方法的機理是不同的。5 .光通訊的演示按下電源面板的音樂”鍵，此時，正弦信號被切斷，輸出裝在電源里的音樂”片信號。拔掉交流輸出插頭，輸出信號通過接收放大器上的揚聲器播放，可聽到音 樂。如改變直流偏壓的大小，則會聽到音樂的音質(zhì)有變化，說明音樂也有失真和不 失真。用不透明的物體遮光，則音樂停止，不遮光，則音樂又響起，由此