2晶体地电光效应与电光调制试验报告材料

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：实验题目：晶体的电光效应与光电调制晶体的电光效应与光电调制 实验目的：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：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：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 n 1 n 2 n 3 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 2n 11 n 22 n 33 n 23 n 13 n 12 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  r 11Ex  r 12 E y  r 13 E z 2n 11 n 1 2 11  r 21Ex  r 22 E y  r 23 E z 22n 22 n 2 11  r 31Ex  r 32 E y  r 33 E z 22n 33 n 3 1  r 41Ex  r 42 E y  r 43 E z 2n 23 1  r 51Ex  r 52 E y  r 53 E z 2n 13 1  r 61Ex  r 62 E y  r 63 E z 2n 12 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   0 r ij   0  r 51  r 22  带入基本式，得到铌酸锂晶体加电场后的椭球方程 r 22 r 22 0 r 61 0 0 r 13  r 13   r 33   0  0   0    1  2  1  2  1  r E  r Ex  r E  r Ey  r E  n2 22y13z  n2 22y13z  n2 33Z  z2  2r 51Ey yz  2r 51Ex xz  2r 22 E x xy 1  0  0  e  变化后得n x  n 0  1 3n 0 r 22 E 2 晶体的电光效应与光电调制 3 1 3n y  n 0 n 0 r 22 E 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 e x  A 0 coswte y  A 0 cos wt 用复振幅表示，将位于晶体表面（z=0）的光波表示为E x (0)  AE y (0)  A 所以入射光的强度为 I i  E • E  E x (0) E y (0) 2 2  2A2 E x (l)  AE y (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 (E y ) 0  E y (l)e 其对应的输出光强 It可写为I t  E y 由以上可知光强透过率为T  cos45  A 2  ei1    •E  * 2A 0y 0 2sin2  2 I t   sin2 I i 2  n y  l  2 相位差的表达式  2   n x  3n 0 r 22V l d 当相位差为π时 V n   d   32n 0 r 22 l  晶体的电光效应与光电调制 4 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 V 2V   sin2  2V   V 0 V m sin wt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  V 0 V m sin wt 1sin V m sin wt  sin  2V  2V  2  V    2 V 2  做近似计算得T   1 1V sin wt    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 V m  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 V m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’