研究性实验——晶体的电光效应要点分析.doc

基础物理实验研究性报告 晶体的电光效应 院系 仪器科学与光电工程学院 作者 张海霞 胡笛 目录 摘要 - 3 - 关键字 - 3 - 实验要求 - 4 - 实验原理 - 4 - 1.电光晶体和泡克尔斯效应 - 4 - 2 电光调制原理 - 5 - (1) 横向调制实验 - 6 - (2) 直流偏压对输出特性的影响 - 8 - 实验仪器 - 10 - 实验步骤 - 10 - 1 调节光路 - 10 - 2 电光调制器T—V工作曲线的测量 - 11 - 3 动态法观察调制器性能 - 11 - 数据记录与处理 - 12 - 原始数据表格 - 12 - T—V工作曲线数据表 - 12 - T—V工作曲线 - 13 - 数据处理 - 14 - 误差分析及改进方法 - 14 - 实验思考题 - 15 - 实验总结 - 16 - 摘要 激光是一种光频电磁波，具有良好的相干性，与无线电波相似，可用来作为传递信息的载波。激光具有很高的频率（约1013~1015Hz），可供利用的频带很宽，故传递信息的容量很大。可见光具有极短的波长和极快的传递速度，加上光波的独立传播特性，可以借助光学系统把一个面上的二维信息以很高的分辨率瞬间传递到另一个面上，为二位并行光信息处理提供条件。所以激光是传递信息的一种很理想的光源。 某些晶体在外电场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（可以跟上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。 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，并做出比较分析。此外，针对实验中误差产生的原因提出了自己的建议和改进措施。 关键字 电光效应，激光，双折射，半波电压，电光系数 实验要求 掌握晶体电光调制的原理和实验方法； 了解电光效应引起的晶体光学性质的变化，观察会聚偏振光的干涉现象； 学习测量晶体半波电压和电光常数的实验方法。 实验原理 1.电光晶体和泡克尔斯效应 某些晶体（固体或液体）在外加电场中，随着电场强度的改变，晶体的折射率会发生改变，这种现象称为电光效应。通常将电场引起的折射率的变化用下式表示： （1） 式中a和b为常数，n0为E0=0时的折射率。由一次项aE0引起的折射率变化的效应，称为一次电光效应。也称线性电光效应或普克尔电光效应；由二次项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效应（Kerr）。由（1）式可知，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。 本实验主要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。 电光效应在工程技术和科学研究上有许多重要的应用，它又很短的响应时间（可以跟上1010Hz的电场变化），可以在高速摄影中做快门或在光速测量中做光束斩波器等。在激光出现后，电光效应的研究和应用得到迅速发展，电光器件被广泛应用在激光通信，激光测距，激光显示和光学数据处理等方面。 电光效应根据施加的电场方向与通光方向相对关系，可分为纵向电光效应和横向电光效应。利用纵向电光效应的调制，叫做纵向电光调制；利用横向电光效应的调制，叫做横向电光调制。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。把加在晶体上的电场方向与光在晶体中的传播方向平行时产生的电光效应，称为纵向电光效应，通常以KD*P?类型晶体为代表。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，称为横向电光效应 ，以晶体LiNbo3为代表。本实验观察横向电光效应常用铌酸锂类型的晶体。晶体的坐标轴如图 本实验主要研究铌酸锂晶体的一次电光效应，用铌酸锂的横向调制装置测量警惕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。 在未加电场之前，铌酸锂晶体是单轴晶体。当线偏振光沿光轴（Z轴）方向通过晶体时，不会产生双折射。但如在铌酸锂晶体的X轴施加电场，晶体将由单轴晶体变为双轴晶体。这时沿Z轴传播的偏振光应按特定的晶体感应轴X和Y进行分解，因为光沿这两个方向偏振的折射率不同（传播速率不同）。类似于双折射