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晶体的电光效应 实验及应用背景介绍 实验目的和教学要求 实验原理 实验仪器和装置 实验内容 注意事项 课堂思考 选做实验 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。 二、实验目的和教学要求 掌握晶体电光调制的原理和实验方法 学习测量晶体半波电压和电光常数的实验方法 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涉现象 三、实验原理 1.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。 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（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。 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。 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: 2.横向电光调制原理 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。 可以证明光通过检偏器的光强的透过率为 δ为二束偏振光之间 的相位差，当δ=π,T=100%此时 其中Vπ称为半波电压，它与晶体的几何尺寸有关。 3. 电光调制工作曲线 由 可以得到电光调制工作曲线如下图所示，可见T与V是非线性关系。 4.直流偏压对输出特性的影响 设 （1） ， 此为线性调制 （2） ， 产生倍频失真。 （3）. ， 产生倍频失真 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 。 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.扬声器，10.双踪示波器。 五、实验内容 1. 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） 2.电光调制器T—V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