收稿日期:2002-06-05
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张国林，邵长金，孙 为
(石油大学数理系，北京昌平 102200)
摘 要：介绍了晶体电光调制实验中两种测量半波电压的方法，并对它们进行了比较和分析，在此基础上提出了对实验装置的改进意见。
关键词：电光效应；半波电压；极值法；倍频法
中图分类号:O73411 文献标识码:B 文章编号:1002-4956(2003)02-0102-04
晶体电光调制实验是集光、机、电于一体的一个综合性实验；通过这个实验，不仅可以学会用简单的实验装置测量晶体半波电压的方法，还可以观察和了解电光效应所引起的晶体光性的变化，加深对双折射、偏振光干涉等知识的理解。半波电压是描述晶体电光效应的重要参数，根据半波电压值，可以估计出利用电光效应控制透光强度所需的电压值；对于电光晶体而言，半波电压越小越好。
1 实验原理
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某些晶体或流体加上电场后，其折射率发生变化，这种现象称为电光效应。若折射率的变化正比于电场强度，称为一次电光效应。铌酸锂晶体是单轴晶体,x 、y 、z 轴为晶体的主轴，且z 轴为光轴，如图1所示。当光沿z 轴方向传播时，在x 方向加上电场(电压V =V 0+V m sin X t )后，晶体由单轴变为双轴，新的主轴x c 、y c 、z c 轴又称为感应轴，其中x c 和y c 绕z 轴转45b ，而z c 轴与z 轴重合。
图1 晶体横向电光调制器结构示意图
振动方向平行于x 轴的线偏振光通过长为l 的电光晶体后,x c 和y c 两分量之间因折射率不同而产生相位差D [1]
；则输出光强I 经推导可写成:
102中国科技论文统计源期刊
实 验 技 术 与 管 理 Vol.20 No.2 2003
I =I 0sin 2D 2(2)
当电压(V =V 0+V m sin X t )增加到某一值时,x c 、y c 方向的偏振光经过晶体后产生K P 2的光程差，其位相差D =P ，此时透光率T =100%，这一电压叫半波电压，记为V P 。则(2)式可改写[2]:
I =I 0sin 2P 2V P (V 0+V m sin X t )(3)
其中V 0称为直流偏压(决定电光调制器的工作点),V m sin X t 为调制信号。可以看出，改变V 0或V m ，输出光强将相应地有所变化，如图2
所示。
图2 I 与V 的关系曲线
2 测定半波电压的方法
实验装置如图3所示。
211 倍频法
当V 0=0或V P ，且V m n V P 时，把V 0
=0代入(3)式，经推导[3]可得:
I =12
I 01-cos P V m V P sin X t U 14I 0P V m V P 2sin 2X t U 18I 0P V m V P 2(1-cos 2X t )
可以看出，输出光强的变化频率是调制信号频率的二倍(2X )，即产生了/倍频失真0。把V 0=V P 代入(3)式，经类似的推导，亦可得:
I =I 0-18I 0P V m V P 2(1-cos2X t )
这时也是/倍频失真0。可以证明,V 0取其它值时，将发生线性调制或非线性调制(失真)，但不会产生倍频失真；由双综示波器可观察到各种调制情况。
实验时，取V m n V 0；从0开始逐渐增大加在晶体上的直流偏压V 0，到半波电压V P 时，出现倍频失真；改变电压极性，反向电压加到半波电压时，又出现倍频失真。正、负方向出现的相邻的倍频失真所对应的直流偏压(一正、一负)之差，就是二倍的半波电压2V P 。
103晶体电光调制实验中半波电压的测定
图3 实验装置方框图
212 极值法
由(3)式可知，透射光强度由偏压V 决定，当V =?2kV P (0,1,2,,)时,I =0；当V =?(2k +1)V P (0,1,2,,)时,I =I 0；当V 取其它值时,I 介于0和I 0之间。然而，由于晶体材料不可避免的不均匀性和加工工艺的不完美，光在晶体中传播时会发生吸收和散射，从晶体中射出的光束也不可能完全重叠，因此，当V =0时,I X 0，只是一个极小值I min ，接收放大器直流输出电压也是极小值V min ；当V =V P 时,I X I 0，而是一个极大值I max ，直流输出电压也为V max 。但是，相邻极大、极小值间对应的直流偏压之差仍是半波电压。
实验时，不加调制信号(V m =0)，从0开始增加直流偏压V 0，从接收放大器的直流输出端可得到一系列直流输出电压值；因该电压与透射光强I 成正比，依据已测得的一系列直流输出电压和直流偏压值，便可做出I~V 0曲线。曲线上相邻光强的极大、极小值所对应的直流偏压值之差就是半波电压V P 。
3 对测量半波电压两种方法的比较
极值法所需测量时间较长，而He-Ne 激光器的输出功率易随环境温度的变化而改变，从而引起入射光
强的变化，使得同一直流偏压V 0对应的直流输出电压值改变。另外，测量时对实验桌施压而导致桌面变形，使得从晶体射出的光线打到光靶上的位置发生微小的偏移，也会引起直流输出电压发生改变。两种情况都会导致极值点难以确定，而极值法需要做出I~V 0曲线，再从曲线上求出V P ，因此很难准确测得半波电压。重复测量时，其实验结果相差较大。倍频法是通过观察波形测定半波电压，只要直流偏压V 0不变，调制器的工作点就不会改变，交流输出信号的波形也就不会变化；因此，倍频法测量V P 不易受环境变化的影响，其精度较高；重复测量时，实验结果相差较小，见表1。
104实 验 技 术 与 管 理
表1 两种方法重复测量同一电光晶体的半波电压值次数led天花灯说明书
方法
12345平均值极值法V P (v)
15915616316815215916倍频法V P (v)15815715815815715717在倍频法测量V P 的过程中，还可以从示波器上观察到线性调制、非线性调制、倍频失真等波形，而极值法测量不能观察到这些现象。与倍频法相比，用极值法测量半波电压虽然有一些不足之处，但可以测得透射光强随直流偏压变化曲线，增加学生对电光晶体输出特性的感性认识，这是倍频法不能做到的。
4 对实验装置的改进建议
用极值法测量半波电压存在不足之处，除了测量方法本身的原因外，还与实验装置不尽完美有关。对实验装置，可做如下改进:(1)把光电三极管(光靶)与调制器固定在同一底坐上，就可消除测量过程中实验装置间的相对位置的变化；若在光靶支架上加装横向微调，调节起来会更方便。(2)用输出性能更稳定的半导体激光器取代He-Ne 激光器。由于半导体激光器体积较小，还可以省出空间，以便将光靶固定在调制器底座上。
结束语 晶体电光调制实验不仅可以测量半波电压、观察各种电光调制现象，还能进行光通讯的演示。在1998年为硕士生开设该实验的基础上，我们近两年又为工科本科生开设了这个实验;3个学时内，绝大多数学生都能完成规定的内容，且实验结果与硕士生的基本一致，实验效果很好。由于该实验内容丰富、现象直观，容易激发学生的学习兴趣，是一个难得的适合工科本科生的综合性实验，也是最受学生欢迎的一个实验。
[参考文献]
[1]蒋民华1晶体物理[M]1山东科技出版社,19801
[2]金光旭，等1电光振幅调制实验[J]1物理实验,1990,5:193-1951
TJA1100
[3]张国林，等1对晶体电光调制实验中两种选择工作点方法的理论解释[J]1物理实验,2002,10:6-81(上接第96页)工程仿真
宏观测试方法，事实上，测量薄膜弹性模量还有一些微观方法，但各自都有其局限性。对不同的薄膜材料，如何选择合适的方法准确测量其弹性常数，正确评估其与块体材料之间的关系仍然是一个值得研究的问题。
[参考文献]
[1]金原粲，藤原英夫著1王力衡，郑海涛泽1薄膜[M]1电子工业出版社,19881
[2]田民波、刘德令1薄膜科学与技术手册[M]1机械工业出版社,19911
[3]蔡四维1复事材料结构力学[M]1人民交通出版社,19871
[4]黄 莉，沈 为，宋显辉1薄膜弹性模量的估算[J]1武汉工业大学学报,1997,19(3):135-1381105晶体电光调制实验中半波电压的测定
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