Algunos materiales transparentes isotrópicos muestran anisotropía óptica bajo la acción de un campo eléctrico. El fenómeno de que el índice de refracción del material cambia debido a un campo eléctrico externo es el efecto electroóptico. , incluido el efecto Pockels y el efecto Kerr. El efecto electroóptico se refiere al efecto que ciertas sustancias transparentes isotrópicas exhiben anisotropía óptica bajo la acción de un campo eléctrico. El efecto electroóptico incluye el efecto Kerr y el efecto Pockels [1]. El cambio en el índice de refracción es proporcional a la potencia del campo eléctrico aplicado. Se trata del efecto Pockels o efecto electroóptico lineal, propuesto por el físico alemán Friedrich Karl Alvin Pockels en 1893. 1865-1913) descubrió que el cambio en el índice de refracción proporcional al cuadrado de la intensidad del campo eléctrico aplicado es el efecto Kerr o efecto electroóptico secundario, que fue descubierto por el físico británico John Kerr (1824-1907) en 1875.
El efecto electroóptico se puede utilizar para fabricar moduladores electroópticos, interruptores electroópticos, deflectores electroópticos, etc., que se pueden utilizar para contraventanas, interruptores láser Q y modulación de ondas de luz. en fotografía de alta velocidad, medición de la velocidad de la luz, comunicación óptica y alcance láser. Se ha utilizado ampliamente en tecnología láser. Cuando el campo eléctrico aplicado al cristal es paralelo a la dirección de la luz, se denomina modulación electroóptica longitudinal (también llamada aplicación longitudinal). Cuando la dirección de la luz es perpendicular al campo eléctrico aplicado, se denomina modulación electroóptica lateral (también llamada aplicación lateral). El efecto electroóptico se puede utilizar para lograr modulación de amplitud y modulación de fase de ondas de luz.
[Editar este párrafo] Efecto Kerr
En 1875, el físico británico J. Kerr descubrió que la placa de vidrio presenta birrefringencia bajo la acción de un fuerte campo eléctrico llamado efecto Kerr. . Posteriormente se descubrió que muchos líquidos y gases pueden producir el efecto Kerr. Una configuración experimental para observar el efecto Kerr. Una caja de vidrio que contiene un determinado líquido (como el nitrobenceno) se llama caja de Kerr. La caja alberga condensadores de placas paralelas que generan un campo eléctrico transversal cuando se aplica un voltaje. La celda de Kerr se coloca entre dos polarizadores cruzados. Cuando no hay campo eléctrico, el líquido es isotrópico y la luz no puede pasar a través de P2. En presencia de un campo eléctrico, el líquido tiene las propiedades de un cristal uniaxial, con el eje óptico a lo largo de la dirección del campo eléctrico. En este momento, la luz pasa por P2 (ver interferencia de luz polarizada). Los experimentos muestran que bajo la acción de un campo eléctrico, la diferencia en el índice de refracción principal es proporcional al cuadrado de la intensidad del campo eléctrico. Cuando cambia el campo eléctrico, la intensidad de la luz que pasa a través de P2 también cambia, por lo que se puede utilizar el efecto Kerr para modular la onda de luz. El líquido se polariza bajo la influencia de un campo eléctrico, lo que es la causa de la birrefringencia. La polarización del campo eléctrico es muy rápida. El proceso de polarización se puede completar en menos de 10 a 9 segundos después de que se aplica el campo eléctrico, y se vuelve isotrópico en el mismo corto tiempo después de que se elimina el campo eléctrico. Las características de acción rápida del efecto Kerr se pueden utilizar para crear interruptores ópticos casi sin inercia: obturadores ópticos, que han encontrado importantes aplicaciones en fotografía de alta velocidad, medición de la velocidad de la luz y tecnología láser.
[Editar este párrafo] Efecto Pockels
Fue descubierto en 1893 por el físico alemán F.C.A. Algunos cristales cambiarán su anisotropía bajo la acción de un campo eléctrico longitudinal (la dirección del campo eléctrico es consistente con la dirección de propagación de la luz), lo que resultará en efectos de birrefringencia adicionales. Por ejemplo, colocar un cristal de dihidrógeno fosfato de potasio entre dos piezas paralelas de vidrio conductor crea un condensador que puede generar un campo eléctrico. El eje óptico del cristal es consistente con la línea normal de la placa del capacitor y la luz incidente incide a lo largo del eje óptico del cristal. Al observar el efecto Kerr, utilice un sistema polarizador cruzado. Cuando no se aplica ningún campo eléctrico, la luz incidente no tiene birrefringencia en el cristal y la luz no puede pasar a través de P2. Cuando se aplica un campo eléctrico, el cristal provoca birrefringencia y la luz pasa a través de P2. El efecto Pockels es proporcional a la potencia del campo eléctrico aplicado. La mayoría de los cristales piezoeléctricos pueden producir el efecto Pockels. El efecto Pockels, al igual que el efecto Kerr, se utiliza comúnmente en obturadores ópticos, conmutación Q de láseres y modulación de ondas de luz.
[Editar este párrafo] Experimento de efectos electroópticos
Propósito experimental
1. Dominar los principios y métodos experimentales de la modulación electroóptica del cristal.
2.Aprende el método experimental de medir el voltaje de media onda y la constante electroóptica de un cristal utilizando un sencillo dispositivo experimental.
Observa los cambios en las propiedades ópticas del cristal provocados por el efecto electroóptico y el fenómeno de interferencia de la luz polarizada convergente.
Antecedentes históricos
Cuando se aplica un campo eléctrico a un cristal o líquido, el índice de refracción del cristal o líquido cambia, un fenómeno llamado efecto electroóptico. El efecto electroóptico tiene muchas aplicaciones importantes en la tecnología de la ingeniería y la investigación científica. Tiene un tiempo de respuesta corto (puede mantenerse al día con los cambios del campo eléctrico a una frecuencia de 1010 Hz) y puede usarse como obturador en fotografía de alta velocidad o como cortador de haz en medición de la velocidad de la luz. Después de la aparición del láser, la investigación y aplicación de los efectos electroópticos se desarrollaron rápidamente. Los dispositivos electroópticos se utilizan ampliamente en campos como las comunicaciones láser, la telemetría láser, la visualización láser y el procesamiento de datos ópticos.
Principios experimentales
1. Efecto electroóptico primario de los cristales y elipsoide de índice de refracción
El cambio en el índice de refracción del cristal causado por el campo eléctrico. se llama efecto electroóptico. Generalmente, el cambio en el índice de refracción causado por un campo eléctrico se puede expresar mediante la siguiente fórmula:
n = n0 aE0 bE02……
Donde a y b son constantes, n0 es cuando no se aplica ningún campo eléctrico El índice de refracción del cristal. El efecto del término primario aE0 que causa un cambio en el índice de refracción se denomina efecto electroóptico primario, también conocido como efecto electroóptico lineal o efecto Pushet. El efecto del cambio en el índice de refracción causado por el término cuadrático bE02 se llama efecto electroóptico cuadrático, también llamado efecto electroóptico cuadrado o efecto Kerr. El efecto electroóptico primario sólo existe en cristales sin centro de simetría, mientras que el efecto electroóptico secundario puede existir en cualquier sustancia y el efecto primario es más significativo que el efecto secundario. Cuando la luz se propaga en cristales anisotrópicos, el índice de refracción de la luz también es diferente debido a diferentes direcciones de propagación de la luz o diferentes direcciones de vibración de los vectores eléctricos. Como se muestra en la Figura 1, la esfera del índice de refracción se usa generalmente para describir la relación entre el índice de refracción y la dirección de propagación y vibración de la luz.
El efecto electroóptico primario de los cristales se puede dividir en dos tipos: efecto electroóptico longitudinal y efecto electroóptico transversal. El efecto electroóptico lateral es un efecto electroóptico que se produce cuando el campo eléctrico aplicado al cristal es perpendicular a la dirección de propagación de la luz en el cristal. Por lo general, el cristal KD*P utiliza su efecto electroóptico longitudinal y el cristal LiNbO3 utiliza su efecto electroóptico transversal. Este experimento estudia el efecto electroóptico primario del cristal de niobato de litio. Se utiliza un dispositivo de modulación transversal de cristal de niobato de litio para medir el voltaje de media onda y el coeficiente electroóptico del cristal de niobato de litio, y se utilizan dos métodos para cambiar el funcionamiento del modulador.
2. Principio de modulación electroóptica
Para utilizar el láser como herramienta para transmitir información, primero debemos resolver el problema de cómo sumar la señal de transmisión a la radiación láser. Al proceso de carga de información sobre radiación láser lo llamamos modulación láser, y al dispositivo que completa este proceso se le llama modulador láser. El proceso de recuperar información cargada de la radiación láser modulada se llama demodulación. Debido a que el láser en realidad sólo desempeña la función de "transportar" señales de baja frecuencia, se le llama onda portadora. La señal de baja frecuencia que desempeña un papel de control es lo que necesitamos. Esta señal se llama señal modulada y la onda portadora modulada se llama onda modulada o luz modulada. Según las propiedades de modulación, la modulación láser es similar a la modulación de ondas de radio y puede tomar la forma de modulación de amplitud continua, modulación de frecuencia, modulación de fase, modulación de pulso, etc., pero la modulación láser utiliza principalmente modulación de intensidad. La modulación de intensidad se basa en la relación cuadrada entre la amplitud del campo eléctrico de la portadora óptica y la señal moduladora. La intensidad de la radiación láser de salida cambia según el patrón de la señal de modulación. La razón principal por la que la modulación láser a menudo toma la forma de modulación de intensidad es que el receptor óptico generalmente responde directamente a los cambios en la intensidad de la luz que recibe.
Existen muchos métodos de modulación láser, incluida la modulación mecánica, la modulación electroóptica, la modulación electroóptica, la modulación magnetoóptica, la modulación de la fuente de alimentación, etc. Entre ellos, los moduladores electroópticos tienen una velocidad de conmutación rápida y una estructura simple, y se usan ampliamente en tecnología de modulación láser y dispositivos ópticos híbridos biestables. La modulación electroóptica se puede dividir en modulación electroóptica longitudinal y modulación electroóptica transversal según la dirección del campo eléctrico aplicado. La modulación que utiliza el efecto electroóptico longitudinal se denomina modulación electroóptica longitudinal y la modulación que utiliza el efecto electroóptico transversal se denomina modulación electroóptica transversal.
Instrumentos de Laboratorio
Instrumento experimental de efectos electroópticos, fuente de alimentación de modulación electroóptica, amplificador receptor, láser de helio-neón, osciloscopio de doble traza, multímetro.
(1) Fuente de alimentación con modulación electroóptica de cristal. La fuente de alimentación modulada consta de una fuente de alimentación de CC continuamente ajustable entre -200 V y 200 V, un oscilador de frecuencia única (la frecuencia de oscilación es de aproximadamente 1 kHz), una pieza musical y un amplificador. Hay un medidor de panel de tres dígitos y medio en el panel de fuente de alimentación que puede mostrar el valor del voltaje de CC.
La polaridad del voltaje CC aplicado al cristal se puede cambiar mediante la tecla "Polar" en el panel. El voltaje de CC se ajusta mediante la perilla de "bias". La señal de modulación puede ser proporcionada por el oscilador incorporado o la película musical. La señal modulada se selecciona mediante el botón "Signal Select" montado en el panel. El tamaño de todas las señales de modulación se controla mediante el mando Amplitude. La señal de referencia emitida a través del conector "output" en el panel frontal se conecta al canal de un segundo osciloscopio de seguimiento y se compara con la señal recibida modulada. Mira el modulador.
(2) Modulador. El modulador consta de tres polarizadores giratorios, una placa giratoria de 1/4 de onda y un cristal de niobato de litio, y adopta modulación transversal. El cristal se coloca entre dos polarizadores ortogonales paralelos al eje X del cristal. La placa de 1/4 de onda se puede insertar entre el analizador y el cristal, y tanto el polarizador como la placa de onda se pueden girar alrededor de sus ejes geométricos. El cristal se coloca sobre un marco de ajuste de cuatro dimensiones.
(3) Amplificador receptor. El amplificador receptor consta de un fototransistor 3DU y un amplificador de potencia. El fototransistor realiza la conversión fotoeléctrica del láser de helio-neón modulado y lo introduce en el amplificador de potencia. Conecte la señal amplificada a un osciloscopio de dos exploraciones, compárela con la señal de referencia y observe las características de salida del modulador. La salida de la señal de CA se ajusta mediante la perilla "Salida de CA". El amplificador está equipado con un altavoz para reproducir la señal sonora modulada. También hay un conector de "salida CC" en el panel del amplificador, al que está conectado.
Contenido experimental
1. Observe el patrón de interferencia de la luz polarizada concentrada y la imagen del efecto electroóptico del cristal.
(1) Ajuste el tubo láser de modo que el rayo láser quede paralelo a la superficie superior de la mesa de ajuste de cristal y, al mismo tiempo, el rayo láser pase por el centro de cada elemento óptico (el El maestro ya ha ajustado este paso, los estudiantes no necesitan moverse). Ajuste el polarizador y el analizador para que sean perpendiculares y paralelos al eje X y al eje Y respectivamente. Después de colocar el cristal, es necesario ajustar cada dispositivo. El ajuste se logra utilizando cambios en el patrón de interferencia conoscópica del cristal uniaxial. Debido a la falta de homogeneidad del cristal, se ve un punto de luz tenue en la pantalla blanca detrás del analizador y se coloca un trozo de papel para lentes frente al cristal. En este momento, se puede observar el patrón de interferencia conoscópica del cristal uniaxial en la pantalla blanca, como se muestra en la Figura 4. Un patrón de cruz oscura recorre todo el patrón, Figura 4 rodeado de luz y oscuridad.
En los anillos de interferencia concéntricos, el centro de la cruz es también el centro del anillo, que corresponde a la dirección del eje óptico del cristal, y la dirección de la cruz corresponde a la dirección del ejes de polarización de los dos polarizadores. Durante el proceso de observación, el cristal debe ajustarse repetidamente para que el centro del patrón de interferencia coincida con la posición del punto de luz. Al mismo tiempo, el patrón debe ser lo más simétrico y completo posible para garantizar que la luz. El haz es paralelo al eje óptico del cristal y pasa por el centro del cristal. Luego ajústelo para que aparezca el patrón de interferencia claro y oscuro. Una línea de la cruz es paralela al eje X. El ajuste en este paso es muy importante y la calidad del ajuste afecta directamente el siguiente paso de medición. Así que tenga paciencia y ajuste con cuidado. Tenga en cuenta que la potencia del amplificador debe apagarse en este momento y el punto láser debe caer sobre la pantalla blanca en lugar de apuntar al fototransistor para evitar que se queme.
(2) Aparece un patrón de interferencia de luz en forma de cono cuando se aplica una polarización de CC a un cristal biaxial, lo que indica que un cristal uniaxial se convierte en un cristal biaxial bajo la acción de un campo eléctrico.
(3) Los patrones de interferencia de los polarizadores ortogonales y paralelos son complementarios.
(4) Cuando la polaridad de la polarización de CC cambia, el patrón de interferencia gira 90°.
(5) Cuando solo se cambia el desplazamiento de CC, el patrón de interferencia no gira, pero la distancia entre las hipérbolas cambia. Este fenómeno muestra que el campo eléctrico externo solo cambia el índice de refracción principal en la dirección del eje principal de inducción, y el ángulo de rotación del elipsoide del índice de refracción no tiene nada que ver con el campo eléctrico.
2. Mida la curva de transmitancia (curva T ~ U) del cristal de niobato de litio, calcule el voltaje de media onda y luego calcule el coeficiente electroóptico.
En nuestro experimento, se utilizaron dos métodos para medir el voltaje de media onda del cristal de niobato de litio, uno es el método de valor extremo y el otro es el método de modulación.
(1) Método de valor extremo
Solo se agrega voltaje de CC al cristal y no se agrega ninguna señal de CA. Si el voltaje de CC cambia gradualmente de pequeño a grande, la intensidad de la luz de salida tendrá un valor mínimo y un valor máximo, y la diferencia entre los voltajes de CC correspondientes a los valores mínimo y máximo adyacentes es el voltaje de media onda.
Saca el papel de la lente, alinea el receptor del fototransistor con el punto láser y conecta la salida CC del amplificador al multímetro. El multímetro lo ajustará al nivel de 200 mV CC. Para evitar que se dañe el fototransistor, se agrega un polarizador delante del polarizador como atenuador y el voltaje aplicado al cristal aumentará gradualmente desde cero. Observe el cambio en la lectura del multímetro. Cuando la lectura supere los 200 milivoltios, gire el atenuador para reducir la intensidad de la luz. Luego aumente la compensación de CC al máximo, manteniendo la lectura del multímetro a no más de 200 milivoltios, y luego reduzca la compensación de CC a cero. Si el multímetro nunca marca más de 200 milivoltios, puede comenzar a medir datos. El voltaje aplicado al cristal es leído por el medidor digital en la placa de alimentación, aumenta cada 5 V y luego la lectura correspondiente del multímetro se lee como el valor de intensidad de la luz recibido por el receptor.
(2) Método de modulación
El voltaje CC y la señal CA en el cristal se añaden simultáneamente. Cuando el voltaje de CC se ajusta al valor de voltaje correspondiente a la intensidad de luz de salida mínima o máxima, la señal de CA de salida se distorsionará debido a la duplicación de frecuencia. La diferencia entre los voltajes de CC correspondientes a distorsiones de duplicación de frecuencia adyacentes es el voltaje de media onda. .
Específicamente, presione la tecla "Sine" en el panel de la fuente de alimentación, conecte la "salida" de la señal de modulación en el panel frontal de la fuente de alimentación al CH2 del segundo osciloscopio de rastreo y conecte la señal de modulación de el amplificador Conéctelo al CH1 del osciloscopio, compare las señales en CH1 y CH2 y ajuste el voltaje de CC. Cuando el voltaje CC aplicado al cristal alcanza un cierto valor U1, la frecuencia de la señal de salida se multiplicará. Cuando el voltaje de CC aplicado al cristal alcanza otro valor U2, la distorsión de duplicación de frecuencia aparece nuevamente en la señal de salida. Cuando la distorsión de duplicación de frecuencia ocurre dos veces seguidas, la diferencia de voltaje de CC correspondiente U2-U1 es un voltaje de media onda. Este método es más preciso que el método del valor extremo, porque cuando se utiliza el método del valor extremo para medir el voltaje de media onda, es difícil determinar con precisión el valor máximo o mínimo en la curva T ~ U, por lo que el error también es grande. . Sin embargo, este enfoque requiere un alto grado de ajuste.
3. Cambie la polarización de CC, seleccione diferentes puntos de funcionamiento y observe las características de modulación del voltaje de onda sinusoidal.
El interruptor de llave de selección de señal en la placa de alimentación puede proporcionar tres señales de modulación diferentes. Presione la tecla "Sine" y el oscilador de onda sinusoidal de frecuencia única de la máquina funcionará para generar una señal sinusoidal, que se amplifica y se agrega al cristal. Al mismo tiempo, la señal saldrá a través del orificio de "salida" en el panel y se conectará al CH1 de los dos osciloscopios de seguimiento como señal de referencia. La compensación de CC se cambiará para que el modulador funcione. Después de ser amplificada mediante conversión fotoeléctrica, la señal modulada se conecta al CH2 de dos osciloscopios de rastreo y se compara con la señal de referencia en el CH1. Seleccione cinco puntos de funcionamiento diferentes de 40 V, 80 V, 120 V, 160 V y 200 V, observe la forma de onda de la señal recibida y dibuje un gráfico de curva.
Cuando el punto de trabajo se selecciona en la parte recta de la curva, es decir, cerca de U0=/2, es modulación lineal cuando el punto de trabajo se selecciona en el valor mínimo (o valor máximo); ) de la curva, la señal de salida tendrá una distorsión de "Duplicación de frecuencia"; cuando el punto de operación se selecciona cerca del valor mínimo (o valor máximo), la señal de salida se distorsionará. La amplitud de la señal de modulación durante la observación no debe ser demasiado grande, de lo contrario la señal de modulación en sí se distorsionará y no se podrá determinar la causa de la distorsión de la señal de salida. Anote las formas de onda observadas y compárelas con el análisis teórico anterior. Al realizar este experimento, ajuste la amplitud de modulación en la fuente de alimentación, la intensidad de la luz de entrada en el modulador, la salida del amplificador y la ganancia (o pérdida) en el osciloscopio.
4. Utilice una placa de 1/4 de onda para cambiar el punto de funcionamiento y observar las características de salida.
En el experimento anterior, se eliminó la polarización de CC en el cristal y se colocó una placa de cuarto de onda entre el cristal y el polarizador. A medida que la placa ondulada gira lentamente alrededor del eje óptico, la señal de salida cambia. Cuando los ejes rápido y lento de la placa de ondas son paralelos a la dirección del eje de detección del cristal, la señal de salida se modula linealmente. Cuando el eje rápido y el eje lento de la placa de ondas son paralelos al eje X y al eje Y del cristal respectivamente, la luz de salida se distorsiona, lo que resulta en una distorsión de "duplicación de frecuencia". Por lo tanto, cuando la placa de ondas gira una vez, hay cuatro modulaciones lineales y cuatro distorsiones de "octava".
Vale la pena señalar que no solo se puede cambiar el punto de funcionamiento del modulador aplicando una polarización de CC al cristal, sino que también se puede utilizar una placa de 1/4 de onda para seleccionar el punto de funcionamiento. El efecto es el mismo, pero hay dos métodos. El mecanismo es diferente.
5. Demostración de comunicación óptica
Presione el botón "Música" en el panel de alimentación. En este momento, la señal sinusoidal se corta y la señal "Música" se instala en el. sale la fuente de alimentación. Desenchufe el enchufe de salida de CA, la señal de salida se reproducirá a través de los altavoces del amplificador receptor y podrá escuchar la música. Si se cambia el desplazamiento de CC, la calidad del sonido de la música también cambiará, lo que indica si la música está distorsionada o no. Si utilizas un objeto opaco para colorear, la música se detendrá; si no, la música comenzará de nuevo. Esto muestra que el láser puede transportar señales y realizar comunicaciones ópticas. Cuando la señal musical se conecta a un osciloscopio, podemos ver la forma de onda de la señal musical, que se compone de ondas sinusoidales de diferentes frecuencias y amplitudes.
Cosas a tener en cuenta
Cuándo 1. El tubo láser de helio-neón emite luz y el voltaje de CC aplicado al electrodo es de hasta kilovoltios. Preste atención a la seguridad personal.
2. Los cristales son finos y largos y pueden romperse fácilmente. El electrodo es una película de aluminio revestida al vacío. Al operar, tenga cuidado de no presionar demasiado la tira de aluminio sobre el electrodo de cristal, ni ejercer presión sobre el cristal para evitar romperlo.
3. El fototransistor debe mantenerse alejado de la luz intensa para evitar que se queme. Al realizar experimentos, la intensidad de la luz debe cambiar de débil a fuerte e intentar utilizarla con luz débil para garantizar una buena linealidad en la conversión fotoeléctrica del receptor.
4. La dirección en el sentido de las agujas del reloj de las perillas de la fuente de alimentación y del amplificador es la dirección para aumentar la ganancia. Por lo tanto, antes de encender el interruptor de encendido, todas las perillas deben girarse completamente en el sentido contrario a las agujas del reloj, y antes de apagar el instrumento, todas las perillas deben girarse completamente en el sentido contrario a las agujas del reloj y luego apagar el instrumento.