实验四 电光效应实验.doc

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近代光学信息处理和光通讯系列实验讲义电光及声光调制实验

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近代光学信息处理和光通讯系列实验讲义电光及声光调制实验

电光、声光调制及磁光效应实验

实验讲义

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晶体的电光效应

【实验目的】

1．掌握晶体电光调制的原理和实验方法。

2．了解一种激光通信的方法。

【学史背景】

当给晶体或液体加上电场后，该晶体或液体的折射率发生变化，这种现象成为电光效应。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（可以跟上频率为1010Hz的电场变化），可以在高速摄影中作快门或在光速测量中作光束斩波器等。在激光出现以后，电光效应的研究和应用得到迅速的发展，电光器件被广泛应用在激光通讯、激光测距、激光显示和光学数据处理等方面。

【实验原理】

1．一次电光效应和晶体的折射率椭球

由电场所引起的晶体折射率的变化，称为电光效应。通常可将电场引起的折射率的变化用下式表示：

n=n0+aE0+bE02+……（1.1）

式中a和b为常数，n0为不加电场时晶体的折射率。由一次项aE0引起折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔（Pokells）效应；由二次项bE02引起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也称平方电光效应或克尔（Kerr）效应。一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应则可能存在于任何物质中，一次效应要比二次效应显著。

光在各向异性晶体中传播时，因光的传播方向不同或者是电矢量的振动方向不同，光的折射率也不同。如图1，通常用折射率球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的关系。在主轴坐标中，折射率椭球及其方程为

（1.2）

图1

式中n1、n2、n3为椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。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

（1.3）

晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应两种。纵向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播的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传播方向垂直时产生的电光效应。通常KD*P（磷酸二氘钾）类型的晶体用它的纵向电光效应，LiNbO3（铌酸锂）类型的晶体用它的横向电光效应。本实验研究铌酸锂晶体的一次电光效应，用铌酸锂晶体的横向调制装置测量铌酸锂晶体的半波电压及电光系数，并用两种方法改变调制器的工作点，观察相应的输出特性的变化。

表1电光晶体(electro-opticcrystals)的特性参数

点群

对称性

晶体材料

折射率

波长

()

非零电光系数

()

3

LiNbO3

2.297

2.208

0.633

32

Quartz

(SiO2)

1.544

1.553

0.589

KH2PO4

(KDP)

1.5115

1.4698

0.546

1.5074

1.4669

0.633

NH4H2PO4(ADP)

1.5266

1.4808

0.546

1.5220

1.4773

0.633

KD2PO4(KD*P)

1.5079

1.4683

0.546

GaAs

3.60

0.9

3.34

1.0

3.20

10.6

InP

3.42

1.06

3.29

1.35

ZnSe

2.60

0.633

?-ZnS

2.36

0.6

2．电光调制原理

要用激光作为传递信息的工具，首先要解决如何将传输信号加到激光辐射上去的问题，我们把信息加载于激光辐射的过程称为激光调制，把完成这一过程的装置称为激光调制器。由已调制的激光辐射还原出所加载信息的过程则称为解调。因为激光实际上只起到了“携带”低频信号的作用，所以称为载波，而起控制作用的低频信号是我们所需要的，称为调制信号，被调制的载波称为已调波或调制光。按调制的性质而言，激光调制与无线电波调制相