晶体电光效应实验第1页共9页晶体电光效应实验指导书一、实验目的1.学习并掌握晶体电光调制的实验原理与实验方法：2.观察晶体加电压前后锥光干涉图像，理解偏光干涉：3.学会使用极值法和调制法测量半波电压：4.加载音频信号，进行光通信演示。二、实验仪器ZKY-CDG晶体电光效应测试仪主机、双声道音箱、半导体激光器、偏光镜、锯酸锂（LiNbO3)晶体调节架、光功率接收组件、准直屏、导轨装置三、实验原理电光效应，是指介质在外加电场的作用下，折射率发生变化的现象。本实验即是折射率变化从而导致激光幅度的变化。虽然电场引起的折射率变化很小，但可用干涉等方法精确地显示或测量。根据电光效应制成的光学器件，对于电场变化的响应速度很快，因此可以用来制作电控光开关，在高速摄影、激光通讯方面很有用处。由电光效应制成的电光调制器是自前高速光通信中应用十分广泛的一类器件，能够制成尺寸很小、调制电压几伏的调制器。根据施加电场方向，电光调制方法分为两种：一种是纵向调制，所加电场和通光方向平行；-种是横向调制，所加电场和通光方向垂直。本实验进行的是锯酸锂（LiNbO3）晶体的一次电光横向强度调制实验。通过实验可以加深对偏振光干涉、电场光场相互作用等物理知识的了解，也能加深对激光通信中的调制与解调等内容的认识。1.锯酸锂（LiNbO3）晶体的一次电光效应当外加电场足够强时，将改变物质的介电常数ε，由于折射率n和介电常数是相关的，因此外加电场也就引起了折射率的变化。另由于外加电场远小于原子内部电场，因此可以将折射率按照外电场E展开，即n=n+aE+bE2+..其中n。是无电场存在时的折射率，a、b为常数。由一次项aE引起的变化称为一次电光效应（线性电光效应）。本实验旨在研究一次电光效应。图1为横向电光效应原理示意图。入射光方向沿晶体光轴方向（z轴），电场E与x轴方向平行。光功率探头635nm激光器起偏器锯酸锂（LiNb03）品体检偏器A图1横向电光效应原理示意图
晶体电光效应实验 第 1 页 共 9 页 晶体电光效应实验指导书 一、实验目的 1.学习并掌握晶体电光调制的实验原理与实验方法； 2.观察晶体加电压前后锥光干涉图像，理解偏光干涉； 3.学会使用极值法和调制法测量半波电压； 4.加载音频信号，进行光通信演示。 二、实验仪器 ZKY-CDG 晶体电光效应测试仪主机、双声道音箱、半导体激光器、偏光镜、铌酸锂(LiNbO3)晶体 调节架、光功率接收组件、准直屏、导轨装置 三、实验原理 电光效应，是指介质在外加电场的作用下，折射率发生变化的现象。本实验即是折射率变化从 而导致激光幅度的变化。虽然电场引起的折射率变化很小，但可用干涉等方法精确地显示或测量。 根据电光效应制成的光学器件，对于电场变化的响应速度很快，因此可以用来制作电控光开关，在 高速摄影、激光通讯方面很有用处。由电光效应制成的电光调制器是目前高速光通信中应用十分广 泛的一类器件，能够制成尺寸很小、调制电压几伏的调制器。 根据施加电场方向，电光调制方法分为两种：一种是纵向调制，所加电场和通光方向平行；一 种是横向调制，所加电场和通光方向垂直。本实验进行的是铌酸锂(LiNbO3)晶体的一次电光横向强 度调制实验。通过实验可以加深对偏振光干涉、电场光场相互作用等物理知识的了解，也能加深对 激光通信中的调制与解调等内容的认识。 1. 铌酸锂（LiNbO3）晶体的一次电光效应 当外加电场足够强时，将改变物质的介电常数 ε，由于折射率 n 和介电常数是相关的，因此外加 电场也就引起了折射率的变化。另由于外加电场远小于原子内部电场，因此可以将折射率按照外电 场 E 展开，即 其中 n0 是无电场存在时的折射率，a、b 为常数。由一次项 aE 引起的变化称为一次电光效应（线性 电光效应）。本实验旨在研究一次电光效应。 图 1 为横向电光效应原理示意图。入射光方向沿晶体光轴方向(z 轴)，电场 E 与 x 轴方向平行。 图 1 横向电光效应原理示意图
晶体电光效应实验第2页共9页由于晶体一次电光效应，加电场后，LiNbO3晶体变为双轴晶体，在z=0的平面内，原折射率槛球的截面由半径为no的圆变为长短半轴为nx和n的椭圆，椭圆长短轴方向x、y相对于原x、y轴旋转了45°。可以证明，在长短轴x、y方向的折射率分别为1nY22ENx= no+1nY22Eny = n.-式中22为电光系数。当激光沿z轴入射后，会在晶体中分为沿x和y方向的分振动，由于二者折射率不同，这将导致光束通过晶体后产生一定的相位差Φ。当晶体长为L，厚为d，所加电压为U时，相位差Φ为2元2元L中="(n-ny)L=naYau入入当相位差Φ=元时，相应的电压值称为半波电压U元，它是电光调制的重要参数。由此可得LiNbO3晶体的半波电压为入dUn= 2nY2L(1)由上式可以看出，通过调节晶体尺寸的比值d/L可以实现对半波电压的调节。相应的相位差表示为：0(U)=U.(2)令0=元U/U，则上式变为中(U)=(U-U)(3)式中加入Φ或Uo主要是考虑晶体生长的不均匀性以及切割的精度等问题，对于加工良好的纯净晶体，且光路正确时Φo=0（或Uo=0）。2.电光强度调制根据图1，当激光经过起偏器（偏振方向P）后成为线偏振光，其在晶体中被分解为沿x和y方向图2。存在相位差为Φ的两束偏振光，最终在检偏器（偏振方向A）上发生偏光干涉，具体可见P?RN0AprAApcA图2电光调制下的偏振光的合成和分解
晶体电光效应实验 第 2 页 共 9 页 由于晶体一次电光效应，加电场后，LiNbO3 晶体变为双轴晶体，在 z=0 的平面内，原折射率椭 球的截面由半径为 n0 的圆变为长短半轴为 nx’和 ny’的椭圆，椭圆长短轴方向 x’、y’相对于原 x、y 轴旋转了 45°。可以证明，在长短轴 x’、y’方向的折射率分别为 式中γ22 为电光系数。 当激光沿 z 轴入射后，会在晶体中分为沿 x’和 y’方向的分振动，由于二者折射率不同，这将导 致光束通过晶体后产生一定的相位差Φ。当晶体长为 L，厚为 d，所加电压为 U 时，相位差Φ为 当相位差Φ=π 时，相应的电压值称为半波电压 Uπ，它是电光调制的重要参数。由此可得 LiNbO3 晶体的半波电压为 (1) 由上式可以看出，通过调节晶体尺寸的比值 d/L 可以实现对半波电压的调节。相应的相位差表 示为： (2) 令 Φ0=πU0/Uπ，则上式变为 (3) 式中加入 Φ0 或 U0 主要是考虑晶体生长的不均匀性以及切割的精度等问题，对于加工良好的纯净晶 体，且光路正确时 Φ0=0（或 U0=0）。 2. 电光强度调制 根据图1，当激光经过起偏器（偏振方向P）后成为线偏振光，其在晶体中被分解为沿x’和y’方向 存在相位差为Φ的两束偏振光，最终在检偏器（偏振方向A）上发生偏光干涉，具体可见 图2。 图 2 电光调制下的偏振光的合成和分解
晶体电光效应实验第3页共9页根据偏光干涉的原理可得，经过检偏器A后的光强I为：s*(α +B)+sin2α sin2B(1-cosΦ)A=A式中A，为光束经起偏器P后的振幅，a为x与起偏器P偏振轴夹角，β为x与检偏器A偏振轴夹角。当PA正交（α+β=90°）时，上式变为IA=,sin2α [1- cosΦ(U)]式中I.为光束经起偏器P后的光强。当α=45°时（即两偏振片P、A分别平行于晶体x、y轴时），IA幅度最大，即电压U对光强IA的调制作用最大，此时IA=(1-cOs(U-U)(4)(1）直流偏置的电光调制实验中，光束平行于z轴，α=β=45°，根据式（4)，晶体两个x面上施加直流偏置电压U时，我们可以得到图3所示的Is~U曲线，也就是说可以通过式（4)实现强度调制：调节直流偏置电压U的大小，可改变输出光强Is；U=U时，输出光强最小（即Ix=0)：U=Us+U时，输出光强I最大。4LAUo2U+UUU+UoU.+U。Un+ U。+U。221图3直流偏置下的IAU曲线从式（4)或图3可见，当U在U+(2k+1)U元/2（k=±0,12,3)附近时，光强Is与电压U近似有线性关系，这也是电光调制器的通常意义上的线性工作点。(2)交流信号的电光调制当在LiNbO,晶体上除去加一直流偏置电压U，产生Φ，的相差外，同时加上一个正弦调制信号时U=U,+Umsinot(Um《U,)①线性调制当U=U+(2k+1)U/2（k=±0,1,2,3)时，将上式代入式（4)后，有-+(-1)sn sinob),A=2=)1p(1+(-1)kU元 sinot)k=0, 1,2,3..(5)这时输出信号和输入的调制信号频率一致，输出信号不存在失真，输出光强与调制信号有近似的线性关系，即线性调制，电光调制器一般工作在这个状态，如图4（a)，其中（-1）*代表的是相位
晶体电光效应实验 第 3 页 共 9 页 根据偏光干涉的原理可得，经过检偏器A后的光强IA为： 式中 Ap 为光束经起偏器 P 后的振幅，α为 x’与起偏器 P 偏振轴夹角，β为 x’与检偏器 A 偏振轴夹 角。当 PA 正交(α+β=90°)时，上式变为 式中 Ip 为光束经起偏器 P 后的光强。 当α=45°时(即两偏振片 P、A 分别平行于晶体 x、y 轴时)，IA幅度最大，即电压 U 对光强 IA 的调制作用最大，此时 (4) (1)直流偏置的电光调制 实验中，光束平行于 z 轴，α=β=45°,根据式(4)，晶体两个 x 面上施加直流偏置电压 U 时， 我们可以得到图 3 所示的 IA~U 曲线，也就是说可以通过式(4)实现强度调制：调节直流偏置电压 U 的大小，可改变输出光强 IA；U=U0 时，输出光强最小（即 IA=0）；U=U0+Uπ 时，输出光强 IA 最大。 图 3 直流偏置下的 IA~U 曲线 从式(4)或图 3 可见，当 U 在 U0+(2k+1)Uπ/2 (k=±0,1,2,3)附近时，光强 IA 与电压 U 近似有线 性关系，这也是电光调制器的通常意义上的线性工作点。 (2)交流信号的电光调制 当在 LiNbO3 晶体上除去加一直流偏置电压 UD 产生ΦD 的相差外，同时加上一个正弦调制信号时 ① 线性调制 当 UD=U0+(2k+1)Uπ/2 (k=±0,1,2,3)时，将上式代入式(4)后，有 k=0,1,2,3. (5) 这时输出信号和输入的调制信号频率一致，输出信号不存在失真，输出光强与调制信号有近似 的线性关系，即线性调制，电光调制器一般工作在这个状态，如图 4(a)，其中（-1） k 代表的是相位
晶体电光效应实验第4页共9页即相邻线性电压间波形反相。IA-U曲线个IAUn+U.UoJU.+UoU+U,2U#+UA(调制信号图4正弦信号调制示意图②倍频失真当U=U+kU元（k=±01,2,3)时，代入式（4)后，有I=(1+(-1)k++cos( sinot)=(1+,(-1)k+[1-("元)’sin2t) k=0, 1,2, 3. (6)由于sinのt频率是sint的两倍，也就是输出频率是调制信号频率的两倍，产生了“倍频”失真，如图4（b），其中（-1）代表的是相位，即相邻倍频电压间波形反相。③音频信号的光通信当在晶体上加任意的音频信号时，音频信号可以看成多个正弦信号的叠加，因此上述原理与规律仍然成立，这也就是使用电光效应的激光音频通信的原理。四、仪器介绍1.实验装置实验装置示意图如图5所示。2包含器件数5备‘67CDG晶体电光效应3_试仪主411包含器件包含器件包含包含器注数包含器件包含器代DC晶体电光数减倡警卷添制效导轨装招打测试仪主装置（宽）CDG_晶体电玩G效品轨装置导轨装置轨装置装置轨装装置（调节块调节置（剪摄调费装置（E块调节量快调光功率接组件置（滑块调款装置快节赁调着装置（快调节快活偏光镜组组葬接收组件半导体激光器组筛光镜组件磨砂镜组导体激光器组件半导体激光纽体激光器激光器组品体四维调节架半导体激光有激普莎镜维件1磨砂镜组件磨小镜组砂镜组件Q磨矿磨砂镜组花晶体四维调节架LN晶体四维N零護耀催隔维调节波片镜组件9N晶体四维N周镜维件准直屏组件波片镜织片镜维器镜组件数量泡包含器件波片镜组女应测双产岩馨幕件信单体教基用得代各注准直屏择程直成雪屏维件双声道音箱又声道誉霜道音箱道音箱线材发纤通体电光数凝性管技产装量备产滑调节装量（宽）11备注等装置滑块调节装置（线材及其他6窄）电源线材及裁油线材及其俄材数5V电源燃器英装置线材烫其德材顶其材及相电源 数量电源线套电源美各准发维裤睿琪调书装置动续接收原线音频15V电源适配器电造镜5V电源适配器配器
晶体电光效应实验 第 4 页 共 9 页 即相邻线性电压间波形反相。 图 4 正弦信号调制示意图 ② 倍频失真 当 UD=U0+kUπ (k=±0,1,2,3)时，代入式(4)后，有 k=0,1,2,3. (6) 由于 sin2ωt 频率是 sinωt 的两倍，也就是输出频率是调制信号频率的两倍，产生了“倍频”失真， 如图 4(b)，其中（-1） k+1 代表的是相位，即相邻倍频电压间波形反相。 ③ 音频信号的光通信 当在晶体上加任意的音频信号时，音频信号可以看成多个正弦信号的叠加，因此上述原理与规 律仍然成立，这也就是使用电光效应的激光音频通信的原理。 四、仪器介绍 1.实验装置 实验装置示意图如图 5 所示。 1 包含器件 数量 备注 CDG_晶体电光效应测试仪主机 1 导轨装置 1 滑块调节装置（宽） 6 滑块调节装置（窄） 2 光功率接收组件 1 2 包含器件 数量 备注 CDG_晶体电光效应测试仪主机 1 导轨装置 1 滑块调节装置（宽） 6 滑块调节装置（窄） 2 光功率接收组件 1 偏光镜组件 2 半导体激光器组件 1 磨砂镜组件 1 LN 晶体四维调节架 1 波片镜组件 1 准直屏组件 1 双声道音箱 1 线材及其他 数量 备注 电源线 1 5V 电源适配器 1 音箱电源 音频线 1 Q9 信号线 2 3 包含器件 数量 备注 CDG_晶体电光效应测试仪主机 1 导轨装置 1 滑块调节装置（宽） 6 滑块调节装置（窄） 2 光功率接收组件 1 偏光镜组件 2 半导体激光器组件 1 磨砂镜组件 1 LN 晶体四维调节架 1 波片镜组件 1 准直屏组件 1 双声道音箱 1 线材及其他 数量 备注 电源线 1 5V 电源适配器 1 音箱电源 4 包含器件 数量 备注 CDG_晶体电光效应测试仪主机 1 导轨装置 1 滑块调节装置（宽） 6 滑块调节装置（窄） 2 光功率接收组件 1 偏光镜组件 2 半导体激光器组件 1 磨砂镜组件 1 LN 晶体四维调节架 1 波片镜组件 1 准直屏组件 1 双声道音箱 1 线材及其他 数量 备注 电源线 1 5V 电源适配器 1 音箱电源 5 包含器件 数量 备注 CDG_晶体电光效应测试仪主机 1 导轨装置 1 滑块调节装置（宽） 6 滑块调节装置（窄） 2 光功率接收组件 1 偏光镜组件 2 半导体激光器组件 1 磨砂镜组件 1 LN 晶体四维调节架 1 波片镜组件 1 准直屏组件 1 双声道音箱 1 线材及其他 数量 备注 电源线 1 5V 电源适配器 1 音箱电源 音频线 1 6 包含器件 CDG_晶体电光效应测试仪主机 导轨装置 滑块调节装置（宽） 滑块调节装置（窄） 光功率接收组件 偏光镜组件 半导体激光器组件 磨砂镜组件 LN 晶体四维调节架 波片镜组件 准直屏组件 双声道音箱 线材及其他 电源线 5V 电源适配器 音频线 7 包含器件 CDG_晶体电光效应测试仪主机 导轨装置 滑块调节装置（宽） 滑块调节装置（窄） 光功率接收组件 偏光镜组件 半导体激光器组件 磨砂镜组件 LN 晶体四维调节架 波片镜组件 准直屏组件 双声道音箱 线材及其他 电源线 5V 电源适配器 音频线 8 包含器件 CDG_晶体电光效应测试仪主机 导轨装置 滑块调节装置（宽） 滑块调节装置（窄） 光功率接收组件 偏光镜组件 半导体激光器组件 9 包含器件 数量 备注 CDG_晶体电光效应测试仪主机 1 导轨装置 1 滑块调节装置（宽） 6 滑块调节装置（窄） 2 光功率接收组件 1 偏光镜组件 2 4 包含器件 数量 CDG_晶体电光效应测试仪主机 1 导轨装置 1 滑块调节装置（宽） 6 滑块调节装置（窄） 2 光功率接收组件 1 偏光镜组件 2 半导体激光器组件 1 磨砂镜组件 1 LN 晶体四维调节架 1 波片镜组件 1 准直屏组件 1 双声道音箱 1 线材及其他 数量 电源线 1 5V 电源适配器 1 音频线 1
晶体电光效应实验第5页共9页图5实验装置示意图编号1：CDG晶体电光效应测试仪主机。编号2：双声道音箱。该音箱需外接5V电源适配器，使用其自带的3.5mm音频插头连接测试仪主机，另外自带功放，可调节音量大小，编号3：半导体激光器。波长635nm，可调焦。编号4：偏光镜。作为起偏器/检偏器使用，主要分为动环和定环两部分。动环上充满表示角度的刻线，分辨率为2°，其中Φ35mm的玻璃线偏振片安装在动环上，偏振方向已经对齐“0刻度”；定环上存在两根白色刻线，用于确定偏振片的偏振方向。编号5：LiNbO晶体盒组件。LiNbOs晶体尺寸为4×2.5×30（mm）（长度L=30mm，厚度d=2.5mm，宽度W=4.0mm），切割方式为z切，镀金电极面为4×30（mm），折射率no=2.286。该晶体安装在一个二维调节架上，其内有一“毛玻璃”，用于进行锥光干涉图的测试，可通过“3.毛玻璃位置调节旋钮”选择是否使用毛玻璃进行实验。另可通过“1.晶体俯仰调节旋钮”、“2.晶体水平调节旋钮”以及通过调节升降杆的高度和角度对晶体进行多维调节。具体见下错误！未找到引用源。。该组件自带耐高压线用于连接测试仪主机，操做实验时务必注意用电安全，不要随意去触碰连接线。3.毛玻璃位置调节旋钮毛玻璃2.晶体水平调节旋钮1.品体储仰升降杆调节旋钮LN晶体盒组件结构与调节编号6：光功率接收组件。该组件使用硅光电池作为传感器，使用三芯航空插头线连接测试仪主机，另外该传感器前有一片中性减光片，因此测试的功率值是衰减后的数值。编号7：准直屏组件。为带网格白屏，用于光路调节以及作为实验中锥光干涉图的观察。编号8：导轨装置。编号9：滑块调节装置
晶体电光效应实验 第 5 页 共 9 页 图 5 实验装置示意图 编号 1：CDG 晶体电光效应测试仪主机。 编号 2：双声道音箱。该音箱需外接 5V 电源适配器，使用其自带的 3.5mm 音频插头连接测试仪 主机，另外自带功放，可调节音量大小。 编号 3：半导体激光器。波长 635nm，可调焦。 编号 4：偏光镜。作为起偏器/检偏器使用，主要分为动环和定环两部分。动环上充满表示角度 的刻线，分辨率为 2°，其中Φ35mm 的玻璃线偏振片安装在动环上，偏振方向已经对齐“0 刻度”； 定环上存在两根白色刻线，用于确定偏振片的偏振方向。 编号 5：LiNbO3 晶体盒组件。LiNbO3 晶体尺寸为 4×2.5×30(mm)（长度 L=30mm，厚度 d=2.5mm， 宽度 W=4.0mm），切割方式为 z 切，镀金电极面为 4×30(mm)，折射率 n0=2.286。该晶体安装在一个 二维调节架上，其内有一“毛玻璃”，用于进行锥光干涉图的测试，可通过“3.毛玻璃位置调节旋钮” 选择是否使用毛玻璃进行实验。另可通过“1.晶体俯仰调节旋钮”、“2.晶体水平调节旋钮”以及通过 调节升降杆的高度和角度对晶体进行多维调节。具体见下错误!未找到引用源。该组件自带耐高压 线用于连接测试仪主机，操做实验时务必注意用电安全，不要随意去触碰连接线。 LN 晶体盒组件结构与调节 编号 6：光功率接收组件。该组件使用硅光电池作为传感器，使用三芯航空插头线连接测试仪主 机，另外该传感器前有一片中性减光片，因此测试的功率值是衰减后的数值。 编号 7：准直屏组件。为带网格白屏，用于光路调节以及作为实验中锥光干涉图的观察。 编号 8：导轨装置。 编号 9：滑块调节装置