1 图1. 晶体折射率椭球 实验十二 晶体电光效应与电光调制实验
一、实验目的
1. 掌握晶体电光调制的原理和实验方法；
2. 测量晶体的半波电压以及电光系数；
3. 利用电光调制实现模拟光通讯。
二、实验原理
1. 晶体的电光效应
某些介质的折射率在外加电场E的作用下发生改变，这种现象称为电光效应。实验表明电场引起的折射率 n 的变化用下式表示:
22bEaE)n1( (1)
式中a 和 b为常数。由一次项 aE 引起折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或称泡克尔斯效应（Pokells Effect ）；由二次项bE2 引起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也称非线性电光效应或称克尔效应（Kerr Effect ）。线性电光效应只存在于各向异性晶体中。
光在各向异性晶体中传播时，在晶体的一个给定方向上，一般存在着两个可能的线偏振模式，每个模式具有唯一的偏振方向和相应的折射率，而描述这两个相互正交的偏振光在晶体中传播的行为通常用折射率椭球的方法，即
1nznynx2z22y22x2 （2）
式中，x，y，z为晶体的介电主轴方向，即晶体在这些方向上的电位移矢量D与电场矢量E是平行的，其对应的折射率为nx，ny和nz。
当晶体上加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球的方程变为
1xyn2xzn2yzn2nznynx2xy2xz2yz2z22y22x2 （3）
式中交叉项由电场引起，表示变形后形成的新椭球主轴（感应主轴）和原先的主轴不重合。
另一方面，对线性电光效应，考虑到电场分量方向后，式（1）表示为，
zxkkijkij2E)n1( （ 3.1）
其中Ek为外电场分量，系数γijk为三阶张量，称为晶体的电光张量系数，有27个元素。三 2 个角标i，j，k分别取 x，y，z，而习惯上更为普遍地用1，2，3表示。利用晶体的对称性，并将角标ij作如下替换：11→1， 22→2， 33→3，23→4，13→5，12→6，式（3）改写为
晶体的电光效应实验报告
晶体的电光效应实验报告
引言：
晶体是一种具有有序排列的原子、离子或分子的固体物质。它们在光学、电子学和通信等领域中具有重要的应用。本实验旨在探究晶体的电光效应，通过实验观察和数据分析，深入了解晶体在电场作用下的光学行为。
实验装置和步骤：
实验装置包括：晶体样品、光源、电源、电极、偏振片等。实验步骤如下：首先，将晶体样品放置在实验台上，并连接电源和电极；然后，使用光源照射晶体样品，并通过偏振片调节光的偏振方向；最后，记录观察到的光学现象，并根据实验数据进行分析和解释。
实验结果：
在实验过程中，我们观察到了晶体的电光效应。当电场施加到晶体上时，晶体的折射率发生了变化，导致光线的传播速度发生改变。这种现象称为克尔效应。通过调节电场的强度，我们发现晶体的折射率随电场的变化而变化，进一步验证了克尔效应。
此外，我们还观察到了晶体的双折射现象。在无电场作用下，晶体的折射率相同，光线以相同的速度传播。然而，在电场的作用下，晶体的折射率变化，光线被分成了两束，分别沿着不同的方向传播。这种现象称为晶体的双折射现象，也是晶体的电光效应的重要表现形式之一。
数据分析：
通过实验测量和数据分析，我们可以得出晶体的电光效应与电场强度之间存在一定的关系。随着电场强度的增加，晶体的折射率也随之增加。这种关系可以通过线性拟合得到一条直线，从而可以预测在不同电场强度下晶体的折射率。
此外，我们还可以通过实验数据计算晶体的电光系数。电光系数是衡量晶体电光效应强弱的指标，它描述了晶体折射率随电场变化的程度。通过实验测量晶体在不同电场下的折射率，并将其与电场强度进行对比，我们可以计算出晶体的电光系数。
讨论和结论：
通过本实验，我们深入了解了晶体的电光效应。晶体在电场作用下表现出的克尔效应和双折射现象，为我们理解晶体在光学领域的应用提供了重要的实验基础。
此外，我们还发现晶体的电光效应与电场强度之间存在一定的关系，并通过实验数据计算出晶体的电光系数。这为我们预测和控制晶体的光学性质提供了一定的依据。
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基础物理实验研究性报告
晶体的电光效应
院系 仪器科学与光电工程学院
作者 张海霞 10171124
胡笛 10171147 . . 目录
摘要 .................................................................... - 3 -
关键字 .................................................................. - 3 -
实验要求................................................................. - 4 -
实验原理................................................................. - 4 -
1.电光晶体和泡克尔斯效应 ............................................. - 4 -
2 电光调制原理 ....................................................... - 5 -
(1) 横向调制实验 ................................................. - 6 -
(2) 直流偏压对输出特性的影响 .................................... - 8 -
实验仪器................................................................ - 10 -
实验步骤................................................................ - 10 -
光电效应的概况和应用
光电效应原理
1905年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应。光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。 赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应（金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子）。光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。 光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关 ,光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响。
光电效应说明了光具有粒子性。相对应的，光具有波动性最典型的例子就是光的干涉和衍射。
只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电子，发生光电效应。当在金属外面加一个闭合电路，加上正向电源，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流。 在入射光一定时，增大光电管两极的正向电压，提高光电子的动能，光电流会随之增大。但光电流不会无限增大，要受到光电子数量的约束，有一个最大值，这个值就是饱和电流。 所以，当入射光强度增大时，根据光子假设，入射光的强度（即单位时间内通过单位垂直面积的光能）决定于单位时间里通过单位垂直面积的光子数，单位时间里通过金属表面的光子数也就增多，于是，光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，饱和电流也随之增大。
