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1、广东第二师范学院实验预习报告院（系）名称物理系班别11物理本四B姓名专业名称物理学（师范）学号实验课程名称近代物理实验（2）实验项目名称电光调制实验内容包含：实验目的、实验原理简述、实验中注意事项、实验预习中的问题探讨【实验目的】1. 掌握晶体电光调制的原理和实验方法2. 学会利用实验装置测量晶体的半波电压，计算晶体的电光系数3. 观察晶体电光效应引起的晶体会聚偏振光的干涉现象【实验原理】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，为E0=0时的折射率。由一次项aE0引起
2、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（pokells）；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。通常用折射率椭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，折射率椭球方程为图一 晶体折射率椭球 （2）式中，, 为椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。如图一所示，从折射率椭球的坐标原点出发，
3、向任意方向作一直线，令其代表光波的传播方向。然后，通过垂直作椭圆球的中心截面，该截面是一个椭圆，其长短半轴的长度和分别等于波法线沿，电位移矢量振动方向分别与和平行的两个线偏振光的折射率和。显然, ，三者互相垂直，如果光波的传播方向平行于轴，则两个线偏光波的折射率等于和。 同样当平行于轴和轴时，相应的光波折射率亦可知。当晶体上加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球的方程变为 (3)只考虑一次电光效应，上式与式（2）相应项的系数之差和电场强度的一次方成正比。由于晶体的各向异性，电场在、z各个方向上的分量对椭球方程的各个系数的影响是不同的，我们用下列形式表示： (4) 上式是晶体一
4、次电光效应的普遍表达式，式中叫做电光系数 (i=1,2,6;j=1,2,3)，共有18个，EX、EY、EZ是电场E在、z方向上的分量。式（4）可写成矩阵形式： （5） 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 ，以晶体为代表。这次实验中，
5、我们只做晶体的横向电光强度调制实验。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: (6)式中和分别为晶体的寻常光和非寻常光的折射率。加上电场后折射率椭球发生畸变，对于3m类晶体，由于晶体的对称性，电光系数矩阵形式为 (7) 当X轴方向加电场，光沿Z轴方向传播时，晶体由单轴晶体变为双轴晶体，垂直于光轴Z方向折射率椭球截面由圆变为椭圆，此椭圆方程为 (8)进行主轴变换后得到： (9) 考虑到1，经化简得到 (10)当 X 轴方向加电场时，新折射率椭球绕 Z 轴转动。图三为典型的利用晶体横向电光效应原理的激光强度调制器。图二
6、晶体横向电光效应原理图其中起偏器的偏振方向平行于电光晶体的X轴，检偏器的偏振方向平行于Y轴。因此入射光经起偏器后变为振动方向平行于X轴的线偏振光，它在晶体的感应轴和轴上的投影的振幅和位相均相等，设分别为 (11)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 (12)所以,入射光的强度是 (13)当光通过长为l的电光晶体后， X和Y两分量之间就产生位相差，即 (14) 通过检偏器出射的光，是这两分量在Y轴上的投影之和 (15)其对应的输出光强，可写成 (16)由（13）、（16）式，光强透过率T为 (17) (18)由此可见，和V有关，当电压增加到某一值时，X、Y方向的偏振光经过晶
7、体后产生的光程差，位相差，这一电压叫半波电压，通常用或表示。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（18)式 (19)其中和分别为晶体的厚度和长度。由（18）、（19）式 (20) 因此，将（17）式改写成 (21)其中是直流偏压，是交流调制信号，是其振幅，是调制频率，从（21）式可以看出，改变或输出特性，透过率将相应的发生变化。由于对单色光，为常数，因而T将仅随晶体上所加电压变化，如图四所示，T与V的关系是非线性的，若工作点选择不适合，会使输出信号发生畸变。但在附近有一近似直线部
8、分，这一直线部分称作线性工作区，由上式可以看出：当时，。图三 T与V的关系曲线图1 改变直流偏压选择工作点对输出特性的影响（1）当，时,将工作点选定在线性工作区的中心处,此时,可获得较高频率的线性调制,把代入（16）式，得 (22) 当时 (23) 即。这时，调制器输出的波形和调制信号波形的频率相同，即线性调制。（2）当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，（22）式不能写成公式（23）的形式，此时的透射率函数（22）应展开成贝赛尔函数，即由（22）式 (24)由（24）式可以看出，输出的光束除包含交流的基波外，还含有奇次谐波。此时，调制信号的幅度较大，奇次谐波
9、不能忽略。因此，这时虽然工作点选定在线性区，输出波形仍然失真。（3）当,时，把代入（16）式 (25)即。从（25）式可以看出，输出光是调制信号频率的二倍，即产生“倍频”失真。若把代入（21）式，经类似的推导，可得 （26） 即 “倍频”失真。这时看到的仍是“倍频”失真的波形。（4）直流偏压V0在零伏附近或在附近变化时，由于工作点不在线性工作区，输出波形将分别出现上下失真。综上所述，电光调制是利用晶体的双折射现象，将入射的线偏振光分解成o光和e光，利用晶体的电光效应有电信号改变晶体的折射率，从而控制两个振动分量形成的像差，在利用光的相干原理两束光叠加，从而实现光强度的调制。晶体的电光效应灵明度极高，调制信号频率最高可达Hz，因此在激光通信、激光显示等领域内，电光调制得到非常广泛的应用。【注意事项】1.保护光学表面。2.本实验使用的晶体根据其绝缘性能最大安全电压约为500V,超值易损坏晶体。 3.在实验过程中，应避免激光直射到人眼，以免对眼睛造成伤害。 4.本实验仪所用光学器件均为精密仪器，在使用时应十分小心。【思考题】1.如何保证光束正入射于晶体的端面，怎样判断？不是正入射时有何影响？2.起偏器和检偏器既不正交又不平行时，会出现何种情况？3.1/4波片改变工作点，观察调制现象时为何只出现线性调制和倍频失真，而没有其它失真？
电光调制实验预习报告
