物理光学实验指导书

目录 ?

钠黄灯含两种波长相近的单色光，所以在干涉仪动镜移动过程中，两种黄光产生的干涉条纹叠加的干涉图样会出现清晰与模糊的周期性变化（光拍现象）。根据推导，钠黄双线的波长差????/2h。式中?为两种波长的平均值，可取上一个实验的测量结果；?h是干涉图样出现一个清晰-模糊-清晰的变化周期，平面镜和另一个平面镜的虚象之间空气膜厚度的改变量。实验对光拍周期须多次测量。

?2?4．测量钠光的相干长度，观察氦氖激光的相干情况（不必测出相干长度）。 思考题

1. 测He—Ne激光器波长时，要求n尽可能大，这是为什么？对测得

的数据应采用什么方法进行处理？

2. 从图2中看，如果把干涉仪中的补偿板去掉，回影响到哪些测量？哪些测量不受影响？

实验2铌酸锂晶体横向电光调制实验

实验目的

1.了解电光调制的基本原理及铌酸锂晶体横向调制的基本机构。 2.掌握铌酸锂电光调制器的调试方法并测量和计算晶体的特性参数。

实验原理

1.铌酸锂晶体的一次电光效应

给晶体外加电场时，晶体的折射率将发生变化，这种现象成为电光效应。外电场E引起的折射率变化关系式为：

······· （1） n?n0?aE?bE2?·

7

目录 ?

其中a、b为常数，n0是E=0时的折射率。由一次项aE引起的折射率变化的效应，称为一次电光效应或电光效应，也称普朗克（Pokell）效应。一次电光效应只存在于二十类无对称中心的晶体中。由二次项bE2引起的折射率变化的效应，称为二次电光效应也称平方电光效应或克尔（Kerr）效应，二次电光效应则可能存在于任何物质中。一般一次电光效应要比二次电光效应显著的多。

电光效应在工程技术中有着广泛的应用。通常用折射率椭球的变化来分析。晶体在未加电场时的折射率椭球方程为：

x2y2z2?2?2?1 （2） n2nynzx式中nx、ny、nz分别为三个主轴x、y、z上的主折射率。晶体在外加电

场作用下折射率椭球发生变化，即椭球的三个主轴位置和长度都发生变化，变化的大小与外加电场E的大小和方向及晶体的性质又关。 铌酸锂晶体是负单轴晶体，即nx=ny=n0、nz＝ne 。它所属的三方晶系3m点群电光系数有四个，即γ22、γ13、γ33、γ51。由此可得铌酸锂晶体在外加电场后的折射率椭球方程为：

(1122 ??E??E)x?(??E??E)y22y15z22y13z22n0n01??33Ez)z2?2?51(Ezyz?Exxz)?2?22Exxy?1 （3） 1ne?(通常情况下，铌酸锂晶体采用450－z切割，沿x轴或y轴加压，z轴方向通光的运用方式，当主轴x轴方向上外加电场时，有Ez=Ey=0, 晶体主轴

x2y2z2x,y要发生旋转，（3）式变为：2?2?2?2?51Exxz?2?22Exxy?1。因

nxnynz?51Ex??1，故对应项可以忽略，经坐标变换，可求出三个感应主轴x’、y’、

z’（仍在z方向上）上的主折射率变成（4）式所示。其中铌酸锂晶体变为双轴晶体，其折射率椭球z轴的方向和长度基本保持不变，而x,y截面由半径为n0变为椭圆，椭圆的长短轴方向x’ y’相对原来的x y轴旋转了450，转角的大小与外加电场的大小无关，而椭圆的长度nx，ny的大小与外加电场Ex成线性关系。

8

目录 ?

13n0?22Ex 213ny'?n0?n0?22Ex

2nx'?n0?nz'?ne （4）

当光沿铌酸锂晶体光轴z方向传播时，经过长度为l的晶体后，由于晶体的横向电光效应（x-z），两个正交的偏振分量将产生位相差：

??2??(nx'?ny')l?2??3n0?22Vxl （5） d其中 d为晶体在x方向的横向尺寸，Vx＝Ex×d为加在晶体x方向两端面间的电压。通过晶体使光波两分量产生相位差?（光程差?/2）所需的电压Vx，称为“半波电压”，以V?表示。由上式可得出铌酸锂晶体在以（x-z）方式运用时的半波电压表示式：

V???a （6） 32n0?22l还可以利用V?求一外加电压Vx下所产生的相位差：

???V?Vx (7)

由（5）式可以看出，铌酸锂晶体横向电光效应产生的位相差不仅与外加电压称正比，还与晶体长度比l/d有关系。因此，实际运用中，为了减小外加电压，通常使l/d有较大值，即晶体通常被加工成细长的扁长方体。 铌酸锂晶体的电光系数?22＝6.8×10－12m/V, 此处采用?＝632.8nm光波，n0≈2.2956，ne≈2.2044。

2. 电光调制原理

激光调制的方法很多，如机械调制，电光调制，声光调制，磁光调制和电源调制等。其中电光调制开关速度快，机构简单，因为，在激光调Q技术，混合型光学双稳器等方面运用广泛。

电光调制根据所使加的电场方向不同，可分为纵向调制和横向调制。利

9

目录 ?

用纵向电光效应的调制，叫做纵向电光调制，利用横向电光调制效应的调制，叫做横向电光调制。本次实验中，我们只做铌酸锂晶体的横向调制实验。

1.横向电光调制：

图1晶体电光调制器结构示意图

图1为典型的利用硫酸钠晶体横向电光效应原理的激光振幅调制器。其中起偏器的偏震方向平行于电光晶体x轴，检偏器的偏振方向平行于y轴。因此入射光经起偏器后偏振方向变为振荡方向平行于x轴的线偏振光，它在晶体的感应轴x’ y’轴上的投影和位相都相等，设分 ex’=A0cosωt

ey’=A0cosωt (8)

或用复振幅的表示方法，将位于晶体表面（z=0）的光波表示为

Ex’(0)=A Ey’(0)=A

所以 入射光的强度是

??Ii?EE=| Ex’(0)|2+| Ey’(0)|2=2A2 (9) 当光通过长为l的电光晶体后，x’ 和y’两分量之间就产生位相差即： Ex’(0)=A (10)

通过检偏器出射的光，是该两分量在y轴上的投影之和

(Ey)=

A2(e?i??1) (11)

其对应的输出光强It可写为

?A2?i?22i?[(e?1)(e?1)]=2Asin2 (12) It?[(Ey)0·（Ey）0]=2*

由（9）、（12）式，光强透过率T为：

10