22．晶体的电光效应

一．实验目的

1． 晶体的会聚偏振光干涉条纹的变化研究电光效应

2． 用电光效应研究交流调制输出特性

3． 光通讯的模拟研究

二．实验原理

电场施加在晶体上，会使晶体的折射率发生变化，这种现象称之为电光效应。下图为晶体电光调制原理示意图。

图中起偏器偏振化方向平行于晶体的x轴，且与检偏器正交，波长为λ的光束沿z轴(光轴)入射，电场方向平行于x轴，x'、y'为晶体的感应轴，与x 、y轴成π/ 4角。当光束通过长为l的晶体后，偏振光x'、y'两分量间产生δ的位相差，

δ = 2πl V n₀³r₂₂ / dλ (1)

式中n₀，r₂₂和d分别为晶体的O光折射率，电光系数及厚度，V为施加的直流电压。当δ=π时，施加的电压称为半波电压V_π，因此时偏振光x'.y'两分量间产生的光程差为λ/2。由式(1)

V_π = dλ/ 2l n₀³r₂₂ (2)

则位相差δ可表为

δ = πV / V_π (3)

偏振光x'.y'两分量复振幅可分别写为

E_x'(l) = A ，E_y (l) = A e ^-iδ (4)

通过检偏器的出射光，是此两分量在y轴上投影之和

E_y = A (e ^-iδ-1) / (5)

相应的输出光强I可写成

I ∝ E_y E_y * = A²(e ^-iδ-1)( e ^iδ-1)/2 = 2A²sin²(δ/2) (6)

光强透过率

T = I / I₀ = sin²(δ/2)= sin²(πV / 2V_π)= sin²[π(V₀+V_m sinωt) /2 V_π] (7)

式中为V₀直流偏压，V_m sinωt为交流调制信号。从上式可知，改变V₀或V_m ，输出特性将随之变化。当V₀= V_π/2，且V_m《V_π时，式(7)可近似为

T ≈［1+(πV_m sinωt / V_π)］/2 (8)

即T∝V_m sinωt，此时调制器输出波形频率和调制频率相同，即线性调制。

三．实验操作

1．从晶体的出射光强变化研究电光效应

检偏器后放置白屏，晶体上不加电压时，屏上可见晶体的出射光；加直流电压时，屏上出现晶体出射光强的变化，此即电光效应。

2．利用电光效应研究交流调制输出特性

调制电源面板上的输出接到双踪示波器的Y₁上，接收放大器的交流输出接到示波器的Y₂上，将此信号与Y₁上的参考信号作比较，可研究电光晶体调制器的交流调制输出特性。晶体上同时施加交、直流信号，适当改变其大小，可显示线性调制及失真的非线性调制波形。

当晶体上施加V_π/2（90V左右）直流电压时，电光晶体调制器对输入信号进行线性调制。当晶体上施加V_π（180V左右）直流电压时，可通过电光晶体调制器得到倍频输出信号。

3．激光通讯的模拟研究

（1）旋转减光片（注意：起偏器不动，始终要与检偏器保持正交），减弱输入光强，接收器对准暗十字线的中心。

（2）打开电源，按下面板上的音乐键，直流电压加至80V左右，适当调节调制幅度.放大器的输出大小，到听见不失真的音乐为止。或把调制信号改用正弦信号，放大器的输出接到示波器上，重复上述操作，直至示波器上出现不失真的波形。

（3）将收器逐渐移远，晶体前分别放置和取去镜头纸，通过遮光和照光，模拟激光通讯。

四．思考题

1．从加直流电压前后屏上显现的晶体出射光强的变化，可判定晶体产生电光效应，其理由何在。

2． 光晶体调制器应满足什么条件方能使输出波形不失真。

葛自良编