1、個人收集整理僅供參考學習實驗七晶體地電光效應及其應用用相位補償法測量雙折射晶體地微小相位差物理學院物理系00004037賈宏博1 實驗目地1.1研究KD*P晶體地一次電光效應，用光強極小、光強極大和調制法三種方法測定一組KD*P 晶體地半波電壓.b5E2RGbCAP1.2用相位補償法測量雙折射云母樣品地相位差和折射率差.2實驗原理2.1磷酸二氘鉀（ KD*P ）類型晶體地縱向電光效應 .KD*P 晶體為負單軸晶體，如圖7-1. 它地折射率橢球為旋轉橢球，如（7-1）式圖 7-1圖 7-2x 2y2z21（ 7-1）n2n2oe在 KD*P晶體地光軸 z 方向加上電場后， （ 7-1）式變為x2

2、y 2z22r63 Ez xy 1（7-2）no2ne2經過坐標變換xxcos45ysin 45yxsin 45ycos45z z（ 7-2）式轉化為1/10個人收集整理僅供參考學習x2y2z2nxno (1 no2 r63 Ez ) 1 / 21 ，其中n y21 / 2nx2ny2nz2no (1 no r63 Ez )nzne通常 no2 r63 Ez1，則（ 7-3）式化為nxnono3r63 Ez2ny nono3r63 Ez2nzne（ 7-3）（ 7-4）從圖 7-2 中可以看出在加了電場后折射率橢球地變化.折射率橢球地x-y 截面變成了橢圓，且長、短軸變成了x 、 y 軸，并且

3、與 x 、 y 軸夾角 45 . x 、 y 軸稱為感應軸 .p1EanqFDPw當線偏光在 KD*P晶體中沿著 z 軸方向傳播時， x 、 y 方向地偏振光地折射率不一樣，經過長度為 L 地晶體后，產生地相位差為DXDiTa9E3d2 (ny nx ) L2no3r63E z L2no3 r63VD（ 7-5）其中 VDEz L ，即加在晶體兩端地電壓. 將時對應地VD 稱為半波電壓，記為V .V2no3r63（ 7-6）這樣（ 7-5）式又可寫成VD（7-7）V本實驗中，電光調制器由四塊KD*P串聯而成，經過分壓校正后地VD 與實測電壓 VD 地關系為VD4VD 1.68（7-8）2.2相

4、位補償法測量微小相位差2.2.1 基本原理如圖 7-3 所示， P、A 為偏振片， C 為 KD*P晶體，其 z 軸沿圖中軸線方向 .在 C 兩側加上電壓后，線偏光經過C 后引起相位差為.如圖 7-4，P、A 為偏振片地透振方向， x 、 y為感應軸 .P、 A 軸與 x 地夾角分別為、光束經過 P 后成為強度為 I 1 地線偏振光，再經過 C、A 后，強度變為RTCrpUDGiT2/10個人收集整理僅供參考學習I 2 I 1cos 2 ()1(1 cos ) sin 2 sin 2 （ 7-9）2圖 7-3圖 7-4圖 7-5令 P 與 KD*P 晶體 x 軸或 y 軸地方向平行，則45 .

5、當 P 和 A 正交，即/ 2 ，（7-9）式變為I 2I 1 (1 cos )（ 7-10 ）2當 P和 A 平行，即0 ，（ 7-9）式變為I 2I 1 (1 cos )（ 7-11）2在這兩種情況下，通過A 后地光強 I 2 與加在 KD*P 晶體上地電壓地關系如下圖7-5 所示 .在 P A 時，在 KD*P 晶體與偏振片 A 之間放入待測樣品 S，如圖 7-3，使樣品地長、短軸與 KD*P 晶體地兩個感應軸平行， 則光束在通過 KD*P 晶體和樣品后地相位差為 5PCzVD7HxADs調整電壓 VD 使 I 20 ，這時0 ，這樣，樣品產生地相位差為sDVD （ 7-12）V3/10

6、個人收集整理僅供參考學習2.2.2 用調制法測量半波電壓和樣品地相位差設加在 KD*P晶體上地電壓為 VD V0cost ，則光束在通過KD*P 晶體和樣品后產生相位差為 DsV0costV0cos t ，代入（ 7-10）式得VVI2I 11 cos(V0)（ 7-13 ）2Vcost將（ 7-13）式展開，得I11J0 (V0)2J2(V0) cos2t ,02VVI 2（7-14）I1 1V0 )V0 ) cos2J 0 (2J2(t ,2VV這時，輸出光強地變化頻率為交流電壓信號地2 倍 .用示波器同時檢測電壓信號和光功率計接收地輸出光強信號， 若光強信號為整齊地2 倍頻信號則表明0

7、或 .如圖 7-6.jLBHrnAILg圖 7-6調制法光強與電壓地關系3 實驗器材圖 7-7實驗裝置圖4/10個人收集整理僅供參考學習如圖 7-7， L 為 He-Ne 激光器（已調節好共軸）、 P 為起偏器， A 為檢偏器， S 為待測樣品.EO 為電光調制器， 由 4 塊串聯地KD*P 晶體裝在四度精密調節架上，通過高壓直流電源、交流信號源和電壓調節器來獲得所需加在電光晶體上地直流和交流電壓.D1 為光功率計， 用于測定直流光強和判斷其極大極小.D2 為帶放大器地硅光電二極管接收器，用于測量交流光強信號，輸出電信號到示波器Y2通道 .交流信號源地輸出信號送到示波器地Y1通道.xHAQX7

8、4J0X4實驗內容和方法4.1調節儀器光學性質4.1.1調節激光束與光學導軌平行由于實驗室已經調整好激光器地位置和角度并要求不必改動，故此步驟可略.4.1.2使偏振器 P 地偏振軸與激光器輸出光束地偏振方向基本平行.再使偏振器A 與 P地偏振軸互相垂直 .因為光強極小比極大易于確定，故用一白紙放在P 后面，首先旋轉P 到光強極小，再將 P旋轉 90度，此時 P 地偏振軸與激光器輸出光束地偏振方向平行.然后把偏振片A 放到電光晶體與P 之間，旋轉A 到出射光強極小，記下二偏振片地角度值P0120 ，A080 .LDAYtRyKfE4.1.3利用錐光干涉法使電光晶體地光軸與激光束平行.把一片鏡頭紙

9、放在電光晶體前面（與 P 之間），A 仍放回電光晶體后面.用一張白紙做接受屏放在 A 后面，則屏上出現黑十字陰影.調節承載電光晶體地四度精密調節架，先調俯仰角和水平旋轉角， 使激光束斑出現在黑十字正中，再調節水平和垂直平移，使周圍亮斑區域Zzz6ZB2Ltk最均勻對稱，這樣使電光晶體地光軸與激光束平行.4.1.4調節起偏器 P 地偏振軸，使其與電光晶體地x 軸或 y 軸平行 .如右圖 7-8，設 P0 與 x 軸地初始夾角為，在電光晶體加上電壓D 650VV （電壓表讀數，本實驗中，電壓調節器地輸出電壓極性放在“負”擋上，如未說明，所有電壓都應理解為正地數值），光束在經過電光晶體后地偏振方向為

10、 P .旋轉 A 使出射光最弱，這時即使所加電壓不是嚴格地半波電壓，A 地偏振軸與 x 軸地夾角也是.記下 A 地位置 A12，記 A所轉過地角度為 2A0A 92，由圖 7-8關系可得 22902 .然后把 P 沿逆時針 （逆著光束看， 下同），旋轉1 到位置P1121 ，再把 A沿順時針旋轉1到A179 .這樣 P 地偏振軸與電光晶體x 軸或 y軸重合，而且 A 與 P 地偏振軸平行，在4.2.2 部分需要 AP 時將 A 沿逆時針旋轉90 度到5/10個人收集整理僅供參考學習A1 11 即可 .可以開始進行半波電壓地測量.dvzfvkwMI14.2用三種方法測量 KD*P晶體地半波電壓

11、.4.2.1P / A 光強極小法如前所述，已經將P 地偏振軸與電光晶體地x 軸或 y 軸平行，而且P 與 A 地偏振軸也平行，則根據圖7-5（ b），當加在電光晶體上地電壓VD 為半波電壓時，輸出光強為極小值 .實際上在前面調整過程中已經使其比較接近于半波電壓，經微調后測得VD (6865)V ，所示之不確定度為電壓表地讀數地上下波動，而目測光強極小地誤差未計算在內.換算成半VV(4.610.04)KV23.波電壓為4 D 1.68，此時室溫為rqyn14ZNXIC4.2.2PA 光強極大法將 A 沿逆時針旋轉90 度到 A111 ，使得 P 和 A 地偏振軸互相垂直.加在電光晶體上地電壓

12、VD 從 0V 逐漸增大，用 D1測量出射光強I，用數字萬用表記錄電壓V ，在合適地測量點測得一組IV 數據如下表 7-1.EmxvxOtOcoVD / Volt0100200250300350400450I / mW00.050.100.320.400.550.700.85VD / Volt500550600650660670680690I / mW1.001.151.251.381.401.421.421.44VD / Volt700710720730740750760I / mW1.441.421.421.401.381.381.36表 7-1PA ，出射光強I 與 KD*P 晶體電壓

13、V 地關系按VD41.68 計算加在整個晶體上地實際VD，并作 IV D 圖如圖 7-9 所示 .VD6/10個人收集整理僅供參考學習圖7-9P A 光強極大法， IV D 圖取極大值對應地電壓為半波電壓V.實際上由于 D1 地靈敏度所限，在 VD 從 690V 到 700V一個很寬地范圍內都可認為光強是極大，從而合理地結論是V(4.67 0.04) KV .考慮到4.2.1 部分中地測量值也有一定地不確定度，這兩種直接測量方法得到地結論是較一致地.SixE2yXPq54.2.3調制法電光晶體加上頻率為1KHz ，幅度 10V22 28V 地交流電壓 .在 PA 狀態下，當直流電壓為 VD 時

14、，出現整齊地倍頻信號.一般 VD 不為 0，這是因為所用地電光晶體在長時間高強度電場作用下產生地殘余效應，即使在 0V電壓下也會對光束有附加相位差.則半波電壓地定義應當修正為：使電光晶體地相位差由0 變化到所需外加地電場地增加量.這樣，若在 P / A 狀態下，當直流電壓為 VD 時再次出現整齊地倍頻信號， 則半波電壓為6ewMyirQFLV(VD VD )4 1.68（ 7-8）測量共進行三次，VD 與 VD 交替測量，并取相鄰地VD 與 VD 計算 V ，如下表 7-2：次序123平均VD / Volt203229-VD / Volt700707705-V/ KV4.5694.5364.5

15、424.55表 7-2調制法測量 KD*P晶體地半波電壓7/10個人收集整理僅供參考學習結論為： V(4.55 0.02) KV ，室溫 22 C4.3 相位補償法測量云母薄片樣品地折射率差在 4.2.3部分中，注意到電光晶體地相位零點漂移，為了正確地利用（7-12）式，還需要重新做零點校正.先不放樣品，使 PA ，加上交流電壓，當直流電壓為VD 時，出現倍頻信號，然后放入樣品，旋轉樣品使得倍頻信號再次出現，樣品角度為S037 然后再將樣品順時針旋轉45到S1374582 ，這樣樣品地長短軸與電光晶體地感應軸重合.在三次測量中保持這個位置不變.增加直流電壓到 VD 時倍頻信號再次出現.則電光晶

16、體上所加電壓起到相位補償作用地VD 為VD(VD VD )4 1.68 .如下表 7-3.kavU42VRUs次序123平均VD / Volt272829-VD / Volt226224222-VD/KV1.3371.3171.2971.32表 7-3相位補償法測量云母薄片樣品地折射率差VD (1.320.02)KV .由（ 7-12）式得（電壓實際上是負值，加上符號得正確結果）sDVD1.320.29V4.552dn ，d 為樣品厚度， d20 m ，6328A 為光波長 .sns6328 0.2910 44.6 10 32 d2205 實驗結果與討論5.1用三種方法測定一組KD*P 晶體地

17、半波電壓值和相應地環境溫度分別為：P / A 光強極小法， V(4.61 0.04)KV ， 23 CP A 光強極大法， V(4.670.04) KV ， 23 C調制法， V ( 4.550.02) KV ， 22 C排除室溫變化引起地半波電壓漂移（約10V / C ），可以看出調制法地結果比前面兩種方法地結果明顯偏小.事實上，是因為前面兩種方法都沒有考慮零點修正地問題而導致偏大.y6v3ALoS895.2用調制法和相位補償法測定云母薄片樣品地相位差和折射率差為8/10個人收集整理僅供參考學習s 0.29 ， n 4.610 3測量誤差地主要來源為補償零點地漲落和漂移，另外還包括直流電源地

18、不穩定、電光晶體半波電壓地漂移和光路不準直、樣品長短軸未與電光晶體感應軸重合等因素.使用調制法，每次都做零點校正測量，可以減小零點漂移地影響，多次測量可以減小零點漲落地影響.后四中儀器因素和調節因素帶來地影響在通過仔細操作后一般很小.M2ub6vSTnP6思考題（略）7實驗體會通過本實驗，初步了解和掌握了一種重要地光學測量方法電光晶體相位補償法.該方法地重要意義在于可以通過電信號直接控制光信號進行測量，除了在雙折射晶體檢定等純光學元件應用外，還在光學信息處理等方面有重要地實際意義.0YujCfmUCw版權申明本文部分內容，包括文字、圖片、以及設計等在網上搜集整理.版權為個人所有This art

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