晶体的电光效应实验报告

晶体的电光效应

五、数据处理

1.研究LN单轴晶体的干涉：

（1）单轴锥光干涉图样：

调节好实验设备，当LN晶体不加横向

电压时，可以观察到如图现象，这是典型的

汇聚偏振光穿过单轴晶体后形成的干涉图

样。

（2）晶体双轴干涉图样：

打开晶体驱动电压，将状态开关打在直

流状态，顺时针旋转电压调整旋钮，调整驱

动电压，将会观察到图案由一个中心分裂为

两个，这是典型的汇聚偏振光穿过双轴晶体

后形成的干涉图样，它说明单轴晶体在电

场的作用下变成了双轴晶体

2.动态法观察调制器性能：

（1）实验现象：

当V1=143V时，出现第一次倍频失真：

当V2=486V时，信号波形失真最小，振幅最大（线性调制）：

当V 3=832V 时，出现第二次倍频失真：

（2）调制法测定LN 晶体的半波电压：

晶体基本物理量

d

l

λ

22γ

0n

5mm

30mm

632.8nm

-126.810/m V ⨯

2.286

第一次倍频失真对应的电压V 1=143V ，第二次倍频失真对应的电压V 3=832V 。故31832143689V V V V V V π=-=-=。

由3022()2d V n l

πλγ=

得：12223

0() 6.41102d

n V l πλγ-==⨯

3.电光调制器T-V 工作曲线的测量： （1）原始数据：

依据数据作出电光调制器P-V工作曲线：

（2）极值法测定LN晶体的半波电压：

从图中可以看到，V在100~150V时取最小值，在800~850V时取最大

值。分别在这两个区域内每隔5V 测量一次，原始数据如下：

比较数据可以得出，极小值大致出现在1110V V ≈，极大值大致出现

在3805V V ≈，由此可得31805110695V V V V V V π=-=-=

由3022()2d V n l

πλγ=

得：12223

0() 6.35102d

n V l πλγ-==⨯ 4.测量值与理论值比较：

算出理论值3022()649.22d

V V n l

πλγ=

=。与理论值相比，调制法测量

结果相对误差约6.1%，极值法测量结果误差约7.1%，实验值与理论值符合较好。其中，动态法比极值法更精确。

5.讨论实验中观察到的输出波形和畸变产生的原因： 根据理论计算，当V=0时，T 应当为极小值（T=0），然而从实验测量出的T-V 图中可以发现，当V=0时，T 不为零，且极小值也不出现在V=0处，对此我们可以归纳出以下几种可能原因：

（1）由于在调试前后两个偏振片过程中，难以保证其起偏方向完全垂直，这就导致了极小值点偏离V=0点。

（2）由于工艺上的原因，前后两个偏振片即使在完全垂直的情况下，也不可能完全消光，总会有光线透过，因此，极小值点之值大于零。

输出波形畸变产生的原因：

根据数学推导可得，光强透过率：2

0sin

(sin )2m T V V t V π

π

ω=+

（1）当0/2V V π=时，工作点落在线性工作区的中部，将0/2V V π=代入得：

1

(1sin )sin 2m m V T t V t V π

πωω≈

+∝ 这时，调制器输出的波形和调制信号的频率相同，即线性调制。

（2）当00V =或V π，m

V V π时，同理可得cos2T t ω∝，这时输

出光的频率是调制信号的两倍，即产生“倍频”失真。

六、选作实验：

测量1/4波片的δ： 在实验中，去掉晶体上所加的直流偏压，把1/4波片置入晶体和偏振片之间，绕光轴缓慢旋转时，可以看到输出信号随着发生变化，其现象与改变直流偏压效果相同：

根据数学推导，光强透过率为：

22sin (sin )sin (sin )222m m V V T t V t V V π

πππδπωδωπ

=+=+

与前面的公式类比，可发现式中的

V π

δπ

即相当于原先公式中的

“0V ”。在从倍频失真到线性调制的过程中，由于1/4波片旋转了90°，透射光相位改变了δ（o 光转化为e 光或相反），而相应的“0V ”改变了m V /2，故有：

/2V V π

πδπ

= ⇒ 2

πδ=

即1/4波片的2

πδ=

。

七、实验后思考题：

1.铌酸锂在施加电场前后有什么不同？是否都存在双折射现象？ 答：铌酸锂在未施加电场时是单轴晶体，不存在双折射，施加电场后铌酸锂为双轴晶体，存在双折射。

2.为什么1/4波片也可以改变电光晶体的工作点？ 答：1/4波片是一块具有特定厚度的双轴晶体，光线透过1/4波片后会分解为o 光和e 光，两者的相位差为2

πδ=。将1/4波片引起的相位差考

虑之后可得光强透过率：

22sin (sin )sin (sin )222m m V V T t V t V V π

πππδπωδωπ

=+=+

当起始光偏振方向垂直于1/4波片的光轴时，透射光全为o 光，此时

δ

=0，代入上式可得：

1

(1sin )sin 2m m V T t V t V π

πωω≈

+∝ 此时调制器输出的波形和调制信号的频率相同，即线性调制。

旋转1/4波片，当起始光偏振方向平行于1/4波片的光轴时，透射光全为e 光，此时2

πδ=

，代入上式可得：

211()(1cos 2)cos 28m V

T t t V π

πωω=--∝

这时输出光的频率是调制信号的两倍，即产生“倍频”失真。 因此，旋转1/4波片可以改变电光晶体的工作点。

3.半波电压如何测量？本试验有几种测量的方法？操作有什么特点？ 答：本实验有两种方法测量半波电压，一种是调制法测定半波电压，一种是极值法测定半波电压。其特点为：前者是通过示波器观察输入输出波形特点来测定半波电压，后者是通过检测透射光强的极大值和极小值来测定半波电压。其中，调制法的测量精度更高。