測量KDP(LN)晶體的半波電壓和動態(tài)消光比

1、實驗三 測量KDP（LN）晶體的半波電壓和動態(tài)消光比一、實驗?zāi)康?1.學(xué)會測量KDP（LN）晶體的半波電壓和動態(tài)消光比的方法；2.學(xué)會調(diào)整光路；3.鞏固關(guān)于電光效應(yīng)和偏光干涉的理論知識。二、實驗原理1.一般情況下，平面單色光波一但射入各向異性晶體，沿其波法線方向上允許兩個平面光波傳播。這兩個波有著不同的折射率（因此相速度不同）和互相垂直的偏振態(tài)都垂直于。這兩個偏振方向及其對應(yīng)的折射率可借助折射率橢球（或稱光率體）決定。選擇直角坐標(biāo)軸x、y、z與晶體的三個主軸重合，則折射率橢球方程為：式中x、y、z是晶體的主折射率。KDP和LN晶體在自然狀態(tài)下是負(fù)單軸晶體,在軸座標(biāo)系中x=y=0，z=e其橢球方

2、程為：這是一個以z軸（即光軸方向）為轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)橢球體，該橢球的xy截面是一個半徑為0的園截面；yz截面是兩半軸分別為0和e的橢球園；當(dāng)波法線方向與Z軸方向成任意角時，通過折射率橢球中心O點作垂直于波法線平面與橢球相截,得一橢園截面，此截面的兩個半軸的方向即為波法線相應(yīng)的兩個許可的偏振方向，兩個半軸的長度為相應(yīng)的折射率0和e如圖31。對于主折射率x、y、z互不相等的晶體，其折射率橢球是一個任意橢球，其xy截面不是一個園，而是一個兩半軸長分別為x、y的橢園,既沿z軸方向傳播的光束在晶體內(nèi)的兩個許可的偏振分量具有不同的折射率和傳播速度。所以z軸方向不是光軸方向，但總可以找到兩個方向,在這兩個方向上傳

3、播的光束與折射率橢球的正交截面的園，這兩個方向就是光軸方向，所以這樣的晶體是雙軸晶體（圖32）。2. KDP、LN這類非中心對稱晶體具有線性電光效應(yīng)，當(dāng)沿KDP晶體z方向、LN晶體x方向加上外電場時，晶體的折射率橢球的主軸x、y、z方向發(fā)生了旋轉(zhuǎn)：感應(yīng)主軸x、y相對原主軸旋轉(zhuǎn)45，Z軸與Z軸重合，橢球方程從（2）式變成： （3）（KDP晶體E=-63Ex，LN晶體E=22Ex），從上式可求出折射率橢球的三個互不相等的主軸長度（即感應(yīng)主折射率）LN晶體 KDP晶體 晶體成為雙軸晶體，折射率橢球的xy截面從不加外電場時的園截面變成了xy橢園截面（圖33），如果沿晶體z方向通光，則晶體內(nèi)許可的兩束線

4、偏振光的偏振方向分別為x、y方向。在x、y方向，它們具有不同的折射率，也就具有不同的相速度，當(dāng)各兩束光通過長度為L、厚度為d的晶體后產(chǎn)生總的位相差（即電光延遲）。 (KDP晶體) (LN晶體)式子說明總的位相差與外加電壓有關(guān)，我們可以通過調(diào)節(jié)uz（或ux）調(diào)節(jié)。若入射光為一線偏振光，則調(diào)節(jié)uz或ux使總位相差=時。出射光的偏振方向較入射時轉(zhuǎn)過90，這時的外加電壓稱為半波電壓： (KDP晶體) （LN晶體）3把晶體置于一對偏振軸互相垂直的偏振片之間，用平行光照射，由雙光束干涉可知:式中I為透過檢偏器的光強，I0為入射光強，為晶體內(nèi)許可的偏振方向之一與起偏器軸之間的夾角，當(dāng)=45（），=（2m+1

5、），m=1、2、3 干涉光強有極大值I=Imax；當(dāng)=2m時，干涉光強有極小值I=Imin，當(dāng)晶體置于一對偏振軸互相平行的偏振片之間時:恰好和I時互補。調(diào)整晶體的主軸x、y與偏振片P1、P2平行（設(shè)P1P2）則晶體加電壓后，感應(yīng)主軸x、y相對x、y軸旋轉(zhuǎn)了45（圖33），亦既此時=45時，那么當(dāng)u=u時=，干光涉強就從u=0時的I=IMIN，變到u=u時的I=Imax，通過觀察I從IminImax就可以測量出半波電壓和消光比。三、實驗裝置實驗儀器：1.裝在晶體盒內(nèi)的待測晶體KDP或LN；2.可調(diào)節(jié)直流高壓電源；3.偏振片；4.氦氖激光器和電源；5.光具座及調(diào)整架；6.硅光電池；7.檢流計；8.

6、毛玻璃片；9.小孔光欄；10.白色接收屏。直流電壓 光欄檢流計 硅光電池氦氖激光器 起偏振片 晶體盒 檢偏振片 圖34 實驗裝置示意圖四、實驗步驟用會聚偏振光干涉圖確定KDP晶體的x、y軸和加電壓后的x、y軸的方向，方法是：1.將氦氖激光器電源接通，發(fā)射激光。2.將起偏、檢偏的偏振片的高度調(diào)整到和晶體盒中心高度一致，使氦氖激光束能順利通過中心。3.調(diào)整偏振片的方向，使起偏振片和檢偏振片互相垂直正交，讓由起偏振片透射的氦氖激光不能通過檢偏振片，在檢偏振片后面的白色接收屏上可看到消光現(xiàn)象。4.把晶體盒放在起偏片和檢偏片之間，調(diào)整激光束與晶體光軸平行，并使激光束從晶體截面中心通過。調(diào)整方法是使激光束

7、通過小孔光欄，由晶體表面反射回來的光也投射到小孔處，調(diào)整時可暫時將起偏振片拿走，調(diào)整后再放回。5.在起偏振片與晶體盒之間放置一塊毛玻璃片，使入射到晶體的光為發(fā)散的偏振光束，此光束在晶體內(nèi)被分解為兩個許可的偏振分量，傾角不同的光線的兩個偏振分量通過晶體后產(chǎn)生不同的位相差，在檢偏振片后面的紙屏上可觀察到會聚偏振光的干涉圖。這是如圖35（a）所示的中心有正交的黑十字線（消光線）和一組亮、暗相間的同心圓環(huán)（等色線或等光程線），如果干涉環(huán)中心不在光場中央，可稍調(diào)節(jié)晶體位置，使移至中央。6.將晶體的高壓電源接通，加電壓至1000伏左右，觀察會聚偏振光干涉圖的變化，可看到等色線和消光線變成圖35（b）所示的

8、圖樣，這表明晶體加電壓后變成雙軸晶體。7.在晶體加壓情況下，旋轉(zhuǎn)晶體盒，可看到干涉圖在變化，當(dāng)晶體盒轉(zhuǎn)到某一位置時，干涉圖變成如圖35（c），消光線又成為黑十字，兩個互相垂直的消光方向就是晶體的x、y軸方向，這時將晶體再旋轉(zhuǎn)45，就得到晶體的x、y軸方向、如圖36，這時晶體的x軸與入射光的偏振方向平行，調(diào)整光路全部結(jié)束。 x x x y xy y 0 O y （a） （b）x軸垂直紙面向上 圖36（a）由會聚偏振光干涉圖中消光線方向決定晶體的x、y（b）將晶體盒旋轉(zhuǎn)45，決定了x、y軸方向測定半波電壓u和消光比1.去掉白色接收屏，將毛玻璃移到硅光電池前，把硅光電池的輸出端接在檢流計上，用手檔住硅光電池的入光孔，并將檢流計調(diào)整到基準(zhǔn)位置。2.記下晶體上電壓為零時檢流計的讀數(shù)（這時應(yīng)是最弱的光強）慢慢增大晶體上所加的電壓，當(dāng)電壓趨近半波電壓時，檢流計的讀數(shù)應(yīng)有一個極大值，記下檢流計隨高壓電源上電壓值的變化情況及相對應(yīng)的檢流計數(shù)值。增加電壓時要緩慢進行，必須注意高壓操作的安全。如發(fā)生漏電或打火放電等不正?，F(xiàn)象，應(yīng)立即減小電壓并斷開電源，電壓不要超過6000伏，重復(fù)測量3次。消光比是當(dāng)晶體電壓趨近半波電壓時檢流計測得最大值和晶體電壓為零時測得最小值之比。這個值越大則說明這塊晶體在同樣的測試條件下性能越好，這個值從理論上講是無窮大值。五、實驗報告1.整理實驗