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1、晶体的电光效应本讲稿第一页，共二十三页一、实验及应用背景介绍 晶体在外电场的作用下折射率会发生变化，这种现象称为电光效应。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（足够跟上十亿赫兹的电场 变化),可以制成快速控制光强的光开关；利用电场引起折射率的改变可以控制光波的位相、偏振态等特性，从而实现对光束的调制、制成快速传递信息的电光调制器。电光器件被广泛应用在激光通信、激光测距和光学信息处理等方面。本讲稿第二页，共二十三页二、实验目的和教学要求l掌握晶体电光调制的原理和实验方法 l学习测量晶体半波电压和电光常数的实验方法 l观察电光效应引起的晶体光学性质的变化和会聚偏振光的干
2、涉现象本讲稿第三页，共二十三页1.1.电光效应电光效应 晶体在外电场的作用下折射率的变化可表示为：n=n0+aE0+bE02+式中a和b为常数，n0为E0=0时的折射率。由一次项引起的折射率变化称为一次电光效应，也称线性电光效应或泡克耳斯效应；由二次项引起的折射率变化称为二次电光效应或克尔效应。三、实验原理本讲稿第四页，共二十三页 晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应。纵向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里的传播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的传播方向垂直时产生的电光效应；观察纵向电光效应常用磷酸二氢钾（KDP）类晶体进行，而铌酸锂
3、（LiNbO3）晶体则被用于产生横向电光效应。本实验主要是研究铌酸锂晶体产生的一次横向电光效应。本实验主要是研究铌酸锂晶体产生的一次横向电光效应。本讲稿第五页，共二十三页 在晶体的X方向施加电场后，当平面偏振光沿Z轴方向传播时，晶体将产生双折射。本讲稿第六页，共二十三页 这时沿Z轴传播的偏振光应当按特定的晶体感应轴（X，Y）进行分解，光沿这两个方向偏振的折射率不同（传播速度不同）从而产生相位差,使出射光成为椭圆偏振光。由晶体光学可以证明，这两个方向的折射率如下所示:式中n0和r22是晶体的o光折射率和电光系数，Ex=V/d是X方向所加的外电场。本讲稿第七页，共二十三页2.横向电光调制原理横向电
4、光调制原理 信息加载于激光辐射的过程称为激光调制，完成这一过程的装置称为激光调制器，由已调制的激光束还原出所加载信息的过程称为解调。因为激光所起的作用是“携带”信息，所以称为载波，而起控制作用的信号称为调制信号。电光调制实验光路图1.入射激光束；2.起偏器，偏振方向平行于电光晶体的X轴；3.LiNbO3电光晶体，4.检偏器，偏振方向平行于Y轴；5.代表出射光束。本讲稿第八页，共二十三页可以证明光通过检偏器的光强的透过率为为二束偏振光之间 的相位差，当=,T=100%此时 其中V称为半波电压，它与晶体的几何尺寸有关。本讲稿第九页，共二十三页 3.电光调制工作曲线电光调制工作曲线 由 可以得到电光
5、调制工作曲线如下图所示，可见T与V是非线性关系。本讲稿第十页，共二十三页4.4.直流偏压对输出特性的影响直流偏压对输出特性的影响设（1），此为线性调制本讲稿第十一页，共二十三页（2），产生倍频失真。本讲稿第十二页，共二十三页（3）.，产生倍频失真本讲稿第十三页，共二十三页4.当 时，由上面的式子可以看出，输出的光束包括交流的基波，还有奇次谐波。由于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形区，输出波形仍然失真。本讲稿第十四页，共二十三页四、实验仪器和装置1.激光束，2.偏振片，3.铌酸锂电光晶体，4.光电三极管5.放大器，6.直流电源，7.音乐片，8.正弦波振荡器9.
6、扬声器，10.双踪示波器。本讲稿第十五页，共二十三页五、实验内容1.光路的调节光路的调节 将有关光学器件固定在光路上，在晶体前放一张镜头纸，在调制器外靠近出口处放置白屏，调节起偏器和检偏器正交，且分别平行x，y轴。这时可以在白屏上观察到偏振光的干涉图样（如图所示）本讲稿第十六页，共二十三页2.电光调制器电光调制器TV工作曲线的测量工作曲线的测量 （1）晶体上只加直流偏压，电压从小到大逐 渐改变，同时读出直流偏压和光电三极 管的电压输出。测完一组数后，改变电 压极性，再测一组数据。（2）极值法测定铌酸锂晶体的半波电压。在 所测得数据中，出现两组极大值，极大 值的电压之差就是半波电压的两倍。本讲稿
7、第十七页，共二十三页3.动态法观测调制器性能动态法观测调制器性能 在电光调制器上同时加上直流电压和交流正弦信号，适当增加光强，观察不同直流偏压下调制器的性能。记录在不同工作偏压下所得到的线性调制和各种失真的输出波形。本讲稿第十八页，共二十三页 4.调制法测定铌酸锂晶体的半波电压调制法测定铌酸锂晶体的半波电压 当直流电压使输出光强出现极小值时，交流调制就出现倍频失真；增加直流偏压使输出光强出现极大值 时，交流调制再次出现倍频失真；两次相邻失真对应得直流电压之差就是半波电压。用这种方法测得的半波电压将更加精确。本讲稿第十九页，共二十三页5.光通信的演示光通信的演示 按下电源面板上的信号选择开关的“
8、音乐”键，此时正弦信号被切断，调制电源输出“音乐”信号。输出的信号可以通过放大器上的扬声器播放。改变工作点，所听到的音质不同，通过遮光和照光，可生动地演示光通信原理。本讲稿第二十页，共二十三页六、注意事项lHe-Ne激光管出光时,电极上所加的直流电压高达几千伏,要注意安全。刚启动时，输出不稳定，测定数据前要充分预热。l光电三极管应避免强光照射,以免烧坏。做实验时,光强应从弱到强,缓慢改变,尽可能在弱光下使用，这样能保证接收器光电转换有较好的线性响应。本讲稿第二十一页，共二十三页七、课堂思考l光路调整时为什么要紧靠晶体前放一张镜头纸？锥光干涉图的同心干涉圆环和暗十字图形是怎样形成的？l光路调整如何进行？如何根据晶体的锥光干涉图调整光路？l铌酸锂晶体在施加电场前后有什么不同？是否都存在双折射现象？本讲稿第二十二页，共二十三页八、选做实验八、选做实验 如何利用本实验系统测量光通过双折射晶体（例如云母片）时，快慢轴的位相差?请设计实验，并简述主要实验步骤。本讲稿第二十三页，共二十三页