北航物理实验研究性报告..doc

北航物理实验研究性报告晶体的电光效应实验的误差分析与改进 第一作者:李鑫 第二作者:舒程珣 目录 目录 2 摘要 3 实验原理 3 1.LN晶体的线性电光效应 3 2．电光调制原理 4 数据处理 6 1.研究单轴晶体的干涉： 6 （1）光路的调节 6 2.电光调制器T-V工作曲线的测量： 6 （1）原始数据： 6 3.动态法观察调制器性能： 7 （1）极值法测定晶体的半波电压： 7 （2）调制法测定LN晶体的半波电压： 8 4.测量值与理论值比较： 8 讨论 8 对晶体的电光效应实验结果的误差分析： 8 1.电光调制器T-V工作曲线的测量 8 2.调制测定晶体的半波电压 8 对晶体电光实验的改进： 9 1.电光调制器T-V工作曲线的测量 9 2.调制法测定晶体的半波电压 9 3.1/4波片对工作点影响 9 个人实验的总结： 9  摘要 本文对晶体的电光效应实验的原理、步骤、仪器进行了简要的介绍，并对实验数据进行处理以及误差估算。通过分析实验室条件下误差产生的原因并进行精确计算，对比探究了极值法测半波电压和调制法测半波电压，并做出分析，深入理解实验，通过实验结果与理论值得比较进行深入思考总结。 实验原理 1.LN晶体的线性电光效应 以上讨论的是没有外界影响时的折射率椭球，也就是晶体的自然双折射。当晶体处在一 个外加电场中时。晶体的折射率会发生变化，改变量的表达式为： （3） 其中n是受外场作用时晶体的折射率，n0是自然状态下晶体的折射率，E是外加电场强度，和p是与物质有关的常数。（3）式右边第一项表示的是线性电光效应，又称为普克尔效应，因此叫做线性电光系数；第二项表示的是二次电光效应，又称为克尔效应，因此p也叫做二次电光系数。本实验只涉及到线性电光效应。 LN晶体通常采用横向加压，z向通光的运用方式，即在主轴y方向加电场Ey而Ex = Ez = 0 ，有外电场时折射率椭球的主轴一般不再与原坐标轴重合。将坐标系经过适当的旋转后得到一个新的坐标系（x′，y′，z′），使折射率椭球变为： （4） 这里、、是有电场时的三个主折射率。叫感应主折射率，坐标系（x′，y′，z′）叫感应主轴坐标系。 在（ ）坐标系中，折射率椭球的方程为: （5） 将（5）式同（4）式比较，就可得出： ， 一般情况下有，于是 （6） 上述结果表明，在LN晶体的y轴方向上加电场时，原来的单轴晶体（nx= ny = n0，nz = ne）变成了双轴晶体（nx′≠ ny′≠ nz′），折射率椭球在x′y′平面上的截线由原来的圆变成了椭圆，椭园的短轴x′（或y′）与x轴（或y轴）平行,感应主轴的长短与Ey的大小有关，这就显示了晶体的线性电光效应。 2．电光调制原理 LN晶体横向电光调制器的结构如图2所示。 当光经过起偏器P后变成振动方向为OP的线偏振光，进入晶体 (z = 0) 后被分解为沿x′和y′轴的两个分量，因为OP与x’轴、y’轴的夹角都是45o，所以位相和振幅都相等。即，于是入射光的强度为： 当光经过长为的LN晶体后，x′和y′分量之间就产生位相差，即： （13） 从检偏器A（它只允许OA方向上振动的光通过）出射的光为和在OA轴上的投影之和 （14） 于是对应的输出光强为： （15） 将输出光强与输入光强比较，再考虑（11）式和（12）式，最后得到： （16） 为透射率，它与外加电压V之间的关系曲线就是光强调制特性曲线，见图3。本实验就是通过测量透过光强随加在晶体上电压的变化得到半波电压Vπ。 由图3可知，透过率与V的关系是非线性的，若不选择合适的工作点会使调制光强发生畸变，但在V = Vπ/2附近有一直线部分（即光强与电压成线性关系），这就是线性调制部分。为此，我们在调制光路中插入一个λ/4波片，其光轴与OP成45o角，它可以使x′和y′两个分量间的位相有一个固定的π/2位相延迟，这时若外加电场是一个幅度变化不太大的周期变化电压，则输出光波的光强变化与调制信号成线性关系，即 （17） 其中V是外加电压，可以写成，但是如果Vm太大，就会发生畸变，输出光强中将包含奇次高次谐波成份。当时 数据处理 1.研究单轴晶体的干涉： （1）光路的调节