实验七晶体的电光效应及其应用.doc

实验七 晶体的电光效应及其应用——用相位补偿法测量双折射晶体的微小相位差
物理学院 物理系 00004037 贾宏博
1 实验目的
1.1 研究KD*P晶体的一次电光效应，用光强极小、光强极大和调制法三种方法测定一组KD*P晶体的半波电压。
1.2 用相位补偿法测量双折射云母样品的相位差和折射率差。
2 实验原理
2.1 磷酸二氘钾（KD*P）类型晶体的纵向电光效应。
KD*P晶体为负单轴晶体，如图7-1。它的折射率椭球为旋转椭球，如（7-1）式
图7-1 图7-2
（7-1）
在KD*P晶体的光轴z方向加上电场后，（7-1）式变为
（7-2）
经过坐标变换

（7-2）式转化为
，其中 （7-3）
通常，则（7-3）式化为
（7-4）
从图7-2中可以看出在加了电场后折射率椭球的变化。折射率椭球的x-y截面变成了椭圆，且长、短轴变成了、轴，并且与、轴夹角。、轴称为感应轴。
当线偏光在KD*P晶体中沿着z轴方向传播时，、方向的偏振光的折射率不一样，经过长度为L的晶体后，产生的相位差为
（7-5）
其中，即加在晶体两端的电压。将时对应的称为半波电压，记为。 （7-6）
这样（7-5）式又可写成
（7-7）
本实验中，电光调制器由四块KD*P串联而成，经过分压校正后的与实测电压的关系为
（7-8）
相位补偿法测量微小相位差
2.2.1基本原理

如图7-3所示，P、A为偏振片，C为KD*P晶体，其z轴沿图中轴线方向。在C两侧加上电压后，线偏光经过C后引起相位差为。如图7-4，P、A为偏振片的透振方向，、为感应轴。P、A轴与的夹角分别为、光束经过P后成为强度为的线偏振光，再经过C、A后，强度变为
（7-9）
图7-3 图7-4

图7-5
令P与KD*P晶体x轴或y轴的方向平行，则。当P和A正交，即，（7-9）式变为
（7-10）
当P和A平行，即，（7-9）式变为
（7-11）
在这两种情况下，通过A后的光强与加在KD*P晶体上的电压的关系如下图7-5所示。
在时，在KD*P晶体与偏振片A之间放入待测样品S，如图7-3，使样品的长、短轴与KD*P晶体的两个感应轴平行，则光束在通过KD*P晶体和样品后的相位差为

调整电压使，这时，这样，样品产生的相位差为
（7-12）
2.2.2用调制法测量半波电压和样品的相位差
设加在KD*P晶体上的电压为，则光束在通过KD*P晶体和样品后产生相位差为，代入（7-10）式得
（7-13）
将（7-13）式展开，得
（7-14）
这时，输出光强的变化频率为交流电压信号的2倍。用示波器同时检测电压信号和光功率计接收的输出光强信号，若光强信号为整齐的2倍频信号则表明或。如图7-6。

图7-6 调制法光强与电压的关系
实验器材

图7-7 实验装置图
如图7-7，L为He-Ne激光器（已调节好共轴）、P为起偏器，A为检偏器，S为待测样品。EO为电光调制器，由4块串联的KD*P晶体装在四度精密调节架上，通过高压直流电源、交流信号源和电压调节器来获得所需加在电光晶体上的直流和交流电压。D1为光功率计，用于测定直流光强和判断其极大极小。D2为带放大器的硅光电二极管接收器，用于测量交流光强信号，输出电信号到示波器Y2通道。交流信号源的输出信号送到示波器的Y1通道。
实验内容和方法
调节仪器光学性质
调节激光束与光学导轨平行
由于实验室已经调整好激光器的位置和角度并要求不必改动，故此步骤可略。
使偏振器P的偏振轴与激光器输出光束的偏振方向基本平行。再使偏振器A与P的偏振轴互相垂直。
因为光强极小比极大易于确定，故用一白纸放在P后面，首先旋转P到光强极小，再将P旋转90度，此时P的偏振轴与激光器输出光束的偏振方向平行。然后把偏振片A放到电光晶体与P之间，旋转A到出射光强极小，记下二偏振片的角度值，。
利用锥光干涉法使电光晶体的光轴与激光束平行。
把一片镜头纸放在电光晶体前面（与P之间），A仍放回电光晶体后面。用一张白纸做接受屏放在A后面，则屏上出现黑十字阴影。调节承载电光晶体的四度精密调节架，先调俯仰角和水平旋转角，使激光束斑出现在黑十字正中，再调节水平和垂直平移，使周围亮斑区域最均匀对称，这样使电光晶体的光轴与激光束平行。
调节起偏器P的偏振轴，使其与电光晶体的x轴或y轴平行。

如右图7-8，设P0与x轴的初始夹角为，在电光晶体加上电压（电压表