第33卷第5期2020年10月
Vol.33No.5
Oct.2020大学物理实验
预埋槽道PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE
文章编号：1007-2934(2020)05-0067-04
三七的花怎样制成干茶
吴奕璇，官紫妍，徐飞腾，吕梦悦，曾育锋
(华南师范大学物理与电信工程学院，广东广州510006)
摘要：应用折射率椭球理论分析了线性电光效应，结合横向电光调制的相位延迟，得出铌酸锂晶体相关电光系数的测量方法，并采用直接测量半波电压法中的极值法和调制法分别测得铌酸锂晶体的相关电光系数，进行了测量结果对比分析。
关键词：铌酸锂晶体；电光系数；电光效应；半波电压
中图分类号：O4-34文献标志码：A D0l：10.14139/jki22-1228.2020.05.015
电光调制器是高速光通信中信号调制系统的关键器件之一⑴，而光电材料铌酸锂晶体以独特的优势在电光调制器的应用中发挥着重要作用，其电光器件的设计及应用与电光系数密切相关，因此对铌酸锂晶体相关电光系数的研究非常重要。
大学物理实验中的晶体电光调制实验是基于铌酸锂晶体电光效应的综合性实验［2］，通过该实验可以帮助学生巩固偏振光干涉、晶体电光效应等知识。目前实验对晶体电光系数的理论解释较为简单，学生往往不易理解透彻。本文对铌酸锂晶体的电光系数进行了深入理论研究与分析，并且采用直接测量半波电压法求得相关电光系数。不仅帮助学生掌握相关理论知识，且实验操作简单，测量结果对比明显，学生可以更好地体会到不同测量方法的优缺点。
1理论分析
铌酸锂晶体电光系数大，不易潮解，具有较低的吸收系数和插入损耗［3］。最大的特点就是其折射率随外加电场的变化而变化［4］，即电光效应。
1.1线性电光效应
电光系数习惯上定义为：
n(e)-n y(0)三=Yjk/+s测/d(1)
灯管支架由于二次效应与线性效应相比小，因此常可以忽略⑸。其中E k为外加电场分量，人k是线性电光系数,S测是二次电光系数。n为逆电容张量，主值为满足线性关系：
(2)
41⑴
铌酸锂晶体线性电光效应占优势，铁电相属3m点［6］，故其电光系数可表示为：
未加电场时其折射率椭球方程在主轴坐标系(x，了,z)中表示为:
22
x V
-+—
22
n0 n0
2
+——=(3)
收稿日期：2020-07-31
基金项目：基于晶体电光调制器的实验探究(19WDGB01) *通讯联系人
1
2
68
铌酸锂晶体电光系数的研究与测量
n 0和n e 分别为晶体对寻常光和非常光的折 射率。
在外加电场E 的作用下，铌酸锂晶体折射率 主轴变化进而引起各个方向折射率变化⑺。其 线性电光效应矩阵可以表示为：
f E
f 0
0- Y 22 Y 13
Y 22Y 13
00Y
33
0Y 51
0Y 51
00v
- Y 22
沿x 轴方向施加电场E ，则E y 二E 严0，铌酸锂
晶体的折射率椭球方程变为：
1.2 电光相位延迟
外加电场E 与入射光方向垂直，即横向电光
效应。利用电光效应可控制光的传播，通过相位
延迟实现将入射光偏振态变为所需偏振态。线偏
振光沿长为I ，厚度为d 的铌酸锂晶体的z 轴入射,
由于晶体双折射出现了附加相位差（即相位延
迟） 3：
c e a … 2n 人… 2n 33 — —An l — —An l — —n 0Y 22
c 入 入
2n 1
El —、n 3Y 22 d
U
（5）
入
d手机系统检测
入为入射光波长,U 为外加电场两板间电压
且 U — Ed o
当8 —n 时，所加电压U n 称为半波电压，是表
征电光调制时电压对相差影响大小的重要物 理量。
入 d
2 n
3 Y 22
1
(6)
可通过上式求得铌酸锂晶体的相关电光
系数。
x y z
n
+ -2
+ -2 + 2Y 51 E x zx -2Y 22
E x
x y 二 1 (4)n 0
n 0
—
施加电场后折射率椭球中出现混合项zx 和
2电光系数的测量
xy ，即折射率椭球的主轴不再与x,y,z 轴平行，经
两次坐标转换且略去二阶小量可得新的折射
率为：
心二
-0
+ y n 3 Y 22
E
x
Fy
二
-0
- +n 0
Y 22
E x
、 n 1 二—
可知晶体的折射率椭球主轴x 轴和y 轴绕z 轴
旋转45°,x^轴和吋轴为旋转之后形成的新主轴，折
射率改变量正比于电场强度E ：An'二n 0Y 22E 。
测量电光系数的方法有直接测量半波电压, 直接测光强，最小传输点测量［8］，锥光干涉结合
近光轴调制测量［9］，干涉补偿法［10］等方法。针对
不同的电光晶体，通常根据实际情况选择合适的 测量方法。本实验将采用直接测量半波电压的方 法实现对铌酸锂晶体电光系数的测量。2.1 实验装置
实验所用铌酸锂样品尺寸为2.5x4x60 mm,
入射光为波长632.8 nm 的氮氖激光管，铌酸锂晶
体的横向电光调制实验装置，如图2：
起偏器（//X 轴） 电光晶体 1/4波片 检偏器（〃y 轴）
图2铌酸锂晶体的横向电光调制
由（6）式得铌酸锂相关电光系数Y 22： _ Ad 1
Y f •
兀
铌酸锂晶体电光系数的研究与测量
69
寻常光折射率n 0 = 2.297。2.2
直接测半波电压的两种方法
分别采用极值法和调制法测得U n 进而求相
关电光系数Y 22并对比分析。实验装置中的铌酸 锂晶体电光系数的理论值为Y 22 = 6.4X10-12 m/V [11]o 2.2.1 极值法
不加调制信号，加在晶体上的直流偏压从0
开始逐渐增大，每隔10V 记录电压值U 。与对应的 输出光强/的系列值，绘出I 〜U 0曲线，如图3：
光强/mA
A
600
I
A
n a
\
ri
30p 20b j
1\r
J
\J\
□
J
V
直流偏压/V
图3光强与直流偏压的关系
得到输出光强极大值、极小值与对应的直流 偏压值，如表1所示，两相邻极值对应的电压之差
为半波电压。
表1实验测得的极大值、极小值与对应的直流偏压值
直流 偏压/V
-641481-306-13510170334507
光强/mA 45546
2755514
56812564
2.2.2 调制法
在晶体上同时加调制电压和直流偏压，实验 时使调制电压U m 《久，将直流偏压从0开始逐渐 增大，倍频失真出现在输出光强极大值或极小值
处，半波电压u n 为相邻倍频失真对应的直流电 压之差，如表2所示：
表2输出光强极大值或极小值对应的直流偏压次数123456
7
电压/V
498
325170
-149-316-490
2.3 结果分析
对比两种方法测量结果，如表3所示:
表3
测量结果
测量方法
平均半波 电压/V
电光系数
(m/V)
相对误差
/%
极值法161.14 6.75X10-12 5.46调制法
164.66
6.60X10-12
3.12
对比极值法和调制法可知，调制法测得的半驱动链轮
波电压相对误差小。极值法测半波电压时，得出
的I 〜U 0曲线图虽然能十分直观地反映输出光强 随直流偏压的变化关系，但不能得到精确的输出
光强极大值和极小值，实验中可取更小的测量间
隔减小误差。调制法测半波电压时，不仅测量结
果更准确，还能观察倍频失真现象，线性调制和非
线性调制的波形，实验现象更直观明显。
3结束语
电光系数是电光晶体的重要参数，本文在理
论上分析了铌酸锂晶体相关电光系数及其测量方
法，通过直接测量半波电压法求出铌酸锂晶体的
电光系数，并对比分析得出调制法比极值法更精
确的实验结果。不仅扩展了电光调制实验的内
容，而且测量电光系数的实验操作简单，易于接 受，便于加深学生对电光系数的认识和理解。
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70铌酸锂晶体电光系数的研究与测量
The Research and Measurement of LiNbO3Crystal's
Electro-optic Coefficient
高能镍碳超级电容器
WU Yixuan,GUAN Ziyan,XU Feiteng,LU Mengyue,ZENG Yufeng* (School of Physics and Telecommunications Engineering,South China Normal University,Guangzhou510006,China)
Abstract:The theory of refractive index ellipsoid is used to analyze the linear electro-optic effect,and combined with the phase delay of transverse electro-optic modulation,the measurement method of correlation electro-optic coefficient of LiNbO3crystal is obtained.The related electro-optic coefficients of LiNbO3crystal were measured by the extremum method and modulation method of the direct measurement of half wave voltage,then compare and analyze results.
Key words:LiNbO3crystal;electro-optic coefficient;electro-optic effect;half wave voltage wwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww桂(上接第66页)
Research and Optimization of Traditional Horn Loudspeaker
WANG Xinhua1,ZHAO Ruifeng2,LI Jian2,LIU Dequan2
(1.National Demonstration Center for Experimental Physics Education,Lanzhou University,Lanzhou730000,China;2.Physical Science and Technology College,Lanzhou University,Lanzhou730000,China)
Abstract：In view of the influence of the shape of the horn on the related parameters such as sound intensity and sound field distribution,it uses numerical methods to optimize the different forms,including linear, hyperbolic,parabolic,exponential,inverse proportional and irregular shapes.The calculations and related experiments are designed,and the relevant data of the sound intensity and sound field distribution of the horns with different shapes are obtained to provide guidance for the design of the speakers.
Key words：horn;loudspeaker;shape;optimizing;numerical simulation
豫公网安备41160202000603
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