天津港东科技发展股份有限公司1 / 12实验二LiNbO3 晶体的偏振光干涉及电光效应的调节和参数测量1实验仪器1晶体电光调制电源输出正弦波调制幅度： 0300V连续可调，频率1K 输出直流偏置电压： 0600V ,连续可调2铌酸锂 (LiNbO3)电光晶体尺寸5 1.7 50mm 镀银电极3He-Ne激光器及可调电源波长632.8nm，1.5mW，电流连续可调4可旋转偏振片最小刻度值 15光电接收器PIN光电池6有源音响漫步者2实验目的1掌握晶体电光调制的原理和实验方法。2学会用简单的实验装置测量晶体半波电压、电光常数的实验方法。3观察电光效应所引起的晶体光学特性的变化和会聚偏振光的干涉现象。3实验原理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。3.1 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）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，图 1 天津港东科技发展股份有限公司2 / 12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12 322 222 12nznynx（2）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12222 122 132 232 3322 2222 112nxynxznyznznynx（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。铌酸锂晶体属于三角晶系，3m 晶类，主轴 z 方向有一个三次旋转轴，光轴与z 轴重合，是单轴晶体，折射率椭球是旋转椭球，其表达式为1222 022enznyx（4）式中 n0和 ne分别为晶体的寻常光和非常光的折射率。加上电场后折射率椭球发生畸变，当 x 轴方向加电场，光沿z 轴方向传播时，晶体由单轴晶变为双轴晶，垂直于光轴 z 轴方向的折射率椭球截面由圆变为椭圆，此椭圆方程为12)1()1(222 222 02 222 0xyEyE nxE nxxx （5）其中的22称为电光系数。上式进行主轴变换后可得到1)1()1(2 222 02 222 0yE nxE nxx （6）考虑到xEn22201，经简化得到天津港东科技发展股份有限公司3 / 12xxEnnn223 0021xyEnnn223 0021（7）折射率椭球截面的椭圆方程化为12222yxnynx（8）3.2 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类似，可以采用连续的调幅、调频、调相以及脉冲调制等形式，但激光调制多采用强度调制。强度调制是根据光载波电场振幅的平方比例于调制信号，使输出的激光辐射的强度按照调制信号的规律变化。激光调制之所以常采用强度调制形式，主要是因为光接收器一般都是直接地响应其所接受的光强度变化的缘故。激光调制的方法很多， 如机械调制、电光调制、 声光调制、磁光调制和电源调制等。其中电光调制器开关速度快、结构简单。因此，在激光调制技术及混合型光学双稳器件等方面有广泛的应用。电光调制根据所施加的电场方向的不同，可分为纵向电光调制和横向电光调制。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。实验只做LiNbO3晶体的横向电光调制实验。3.2.1 横向电光调制图 2 图 2 为典型的利用 LiNbO3晶体横向电光效应原理的激光振幅调制器。其中起偏振片的偏振方向平行于电光晶体的x 轴，检偏振片的偏振方向平行于y 轴。因此入射光经起偏振片后变为振动方向平行于x 轴的线偏振光， 它在晶体的感应轴x 和 y 轴上的投影的振幅和相位均相等，设分别为天津港东科技发展股份有限公司4 / 12ex=A0cost , ey=A0cost （9）或用复振幅的表示方法，将位于晶体表面（z=0）的光波表示为Ex(0)=A , Ey(0)=A （10）所以，入射光的强度是2222)0()0(AEEEEIyxi（11）当光通过长为 l 的电光晶体后， x 和 y 两分量之间就产生相位差 ，即Ex(l)=A , Ey(l)=Aie（12）通过检偏振片出射的光，是该两分量在y 轴上的投影之和)1( 2)(0i yeAE （13）其对应的输出光强It 可写成2s i n2)1)(1(2)()(22200AeeAEEIii yyt（14）由（11）和（ 14）式，光强透过率T 为2s i n2it IIT （15）由（7）式dlUnlnnyx223 02)(2（16）由此可见， 和加在晶体上的电压有关，当电压增加到某一值时x 、y 方向的偏振光经过晶体后可产生/2的光程差，相应的相位差=，由（ 15）式可知此时光强透过率 T=100%，这时加在晶体上的电压称作半波电压，通常用U表示。 U是描述晶体电光效应的重要参数。在实验中，这个电压越小越好，如果U小，需要的调制信号电压也小。根据半波电压值，我们可以估计出电光效应控制透过强度所需电压。由（16）式可得到)( 2223 0ldnU （17）其中 d 和 l 分别为晶体的厚度和长度。由此可见，横向电光效应的半波电压与晶片的几何尺寸有关。由（ 17）式可知，如果使电极之间的距离d 尽可能的减少，而增加通光方向的长度 l， 则可以使半波电压减小， 所以晶体通常加工成细长的扁长方体。 由 （16） 、（17）式可得天津港东科技发展股份有限公司5 / 12UU因此，可将（ 15）式改写成)s i n(2s i n2si n022tUUUUUTm （18）其中 U0是加在晶体上的直流电压， Umsin t是同时加在晶体上的交流调制信号，Um是其振幅， 是调制频率。从（ 18）式可以看出，改变U0或 Um，输出特性将相应的有变化。对单色光和确定的晶体来说，U为常数，因而 T 将仅随晶体上所加的电压变化。3.2.2 改变直流偏压对输出特性的影响当20UU 、UmU时，将工作点选定在线性工作区的中心处，如图3（a）所示，此时，可获得较高效率的线性调制，把代入（ 18）式，得)sin24(sin2tUUTm)sin2cos(121tUUm)sinsin(121tUUm (19) 由于 UmU时s i n)(121tUUTm即Tsin t (20) 这时，调制器输出的信号和调制信号虽然振幅不同，但是两者的频率却是相同的，输出信号不失真，我们称为线性调制。当00U、UmU时，如图 3（b）所示，把00U代入（ 18）式)sin2(sin2tUUTm)sincos(121tUUmtUUm22sin)(41)2cos1()(812tUUm即Tcos2t （21）从（21）式可以看出， 输出信号的频率是调制信号频率的二倍，即产生 “ 倍频” 失真。天津港东科技发展股份有限公司6 / 12若把UU0代入（ 18）式，经类似的推导，可得)2cos1()(8112tUUTm（22）即 Tcos2t，输出信号仍是 “ 倍频” 失真的信号。(a) (b) 图 3 直流偏压 U0在 0 伏附近或在U附近变化时，由于工作点不在线性工作区，输出波形将失真。当20UU ，mUU 时，调制器的工作点虽然选定在线性工作区的中心，但不满足小信号调制的要求，（19）式不能写成（ 20）式的形式。因此，工作点虽然选定在了线性区，输出波形仍然是失真的。天津港东科技发展股份有限公司7 / 124实验仪器晶体电光调制实验装置图实验仪器由晶体电光调制电源、光电接收器、He-Ne 激光器、调制器等组成。4.1 晶体电光调制电源。调制电源由0V +600V 之间连续可调的直流电源、单一频率振荡器（振荡频率约为1kHz） 、音频信号和放大器组成，电源面板上有三位半数字面板表，可显示直流电压值。直流电压的大小用“ 直流偏压 ” 旋钮调节。调制信号可由机内音乐片提供，此调制信号是用装在面板上的“ 音频” 键来选择三个信号中的任意一个信号。所有的调制信号的大小是通过“ 调制幅度 ” 旋钮控制的。通过前面板上的 “ 调制信号 ” 高频插孔输出的参考信号，接到双踪示波器的一个通道与被调制后的接收的光强信号比较，观察调制器的输出特性。4.2 调制器。调制器由一个可旋转的偏振片、一个格兰棱镜、一个可旋转的1/4 波片和一块铌酸锂晶体组成，采用横向调制方式。晶体放在两个正交的偏振片之间，起偏振片和晶体的x 轴平行。检偏振片和晶体之间可插入1/4 波片，偏振片和波片均可绕其几何轴旋转。晶体放在四维调节架上，可精细调节，使光束严格沿晶体光轴方向通过。4.3 光电接收器。光电接收器由PIN 光电二极管和功率放大器组成。PIN 光电二极管把被调制了的氦氖激光经光电转换，输入到电光调制电箱上，放大后的信号接到双踪示波器，同参考信号比较，观察调制器的输出特性。电箱内装有音箱插孔，用来再现声音调制信号，面板上还有“ 调制信号 ” 高频插孔，用示波器测量显示PIN光电二极管接收到的光强信号的大小。He-Ne 激光器偏振片1/4波片电光晶体格兰棱镜光 电 接 收 器 器准直孔激光器电源电光调制电源音箱天津港东科技发展股份有限公司8 / 125实验内容5.1 观察晶体的会聚偏振光干涉图样和电光效应5.1.1 调节激光管使激光束与晶体调节台上表面平行，同时使光束通过各光学元件中心。调节起偏格兰棱镜和检偏振片正交，且分别平行于x 轴，y 轴，放上电光晶体后各器件要细调，精细调节是利用单轴晶体的锥光干涉图样的变化完成的。由于晶体的不均匀性，在检偏振片后面的白屏上可看到一弱光点。然后紧靠晶体前放一张镜头纸， 这时在白屏上可观察到单轴晶体的锥光干涉图样，如图 4。一个暗十字图形贯穿整个图样，四周为明暗相间的同心干涉圆环，十字形中心同时也是圆环的中心，它对应着晶体的光轴方向，十字形方向对应于两个偏振片的偏振轴方向。在观察过程中要反复微调晶体，使干涉图样中心与光点位置重合，同时尽可能使图样对称、完整，确保光束既与晶体光轴平行，