電致旋光效應(yīng)實驗設(shè)計

李長勝, 張　晞

(北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院, 北京　100191)

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電致旋光效應(yīng)實驗設(shè)計

李長勝, 張晞

(北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院, 北京100191)

利用鉬酸鉛(PbMoO4)晶體樣品,設(shè)計實現(xiàn)了線性電致旋光效應(yīng)實驗,介紹了實驗原理、實驗裝置、實驗內(nèi)容和實驗方法等。該文為開設(shè)電致旋光效應(yīng)實驗課程提供了理論與實驗基礎(chǔ)。

電致旋光效應(yīng)； 物理實驗; 鉬酸鉛晶體

電致旋光效應(yīng)是指某些光學介質(zhì)在外加電場(或電壓)作用下,在介質(zhì)中傳播的線偏振光波的偏振面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。若光波偏振面的旋轉(zhuǎn)角與外加電場幅值成正比,則稱為線性電致旋光效應(yīng)[1-3]。具有電致旋光效應(yīng)的典型晶體包括鉬酸鉛晶體、石英晶體等。電致旋光效應(yīng)可應(yīng)用于光學電壓傳感器和電光調(diào)制器[1-6]?；陔娭滦庑?yīng)的光學電壓傳感器一般只由2個偏振器和1塊晶體組成,不需要附加四分之一波片,結(jié)構(gòu)簡單。此外,電致旋光效應(yīng)的溫度穩(wěn)定性一般優(yōu)于Pockels電光效應(yīng),而且與法拉第磁光調(diào)制器相比,電致旋光效應(yīng)的電光調(diào)制器不需要產(chǎn)生磁場的線圈,因而具有響應(yīng)頻帶寬、電功率損耗低等優(yōu)點。

現(xiàn)有大學物理實驗課一般已經(jīng)開設(shè)了法拉第磁光效應(yīng)、Pockels線性電光效應(yīng)等實驗[7-8],但一般尚未開設(shè)電致旋光效應(yīng)相關(guān)的實驗,因而有必要開設(shè)該實驗,以使學生通過實驗現(xiàn)象學習和掌握電致旋光效應(yīng),同時豐富大學物理實驗課程的內(nèi)容。本文利用鉬酸鉛晶體(PbMoO4,PMO)實驗驗證晶體線性電致旋光效應(yīng)的實驗方法,為將來在大學物理實驗課中開設(shè)電致旋光效應(yīng)實驗奠定理論與實驗基礎(chǔ)。

1　實驗原理

本實驗所用PMO晶體為4/m點群的單軸晶體,當外加電壓u(t)和光傳播方向均沿晶體z軸方向時,電致旋光角度可表示為[1-3]

(1)

式中λ為光波長,no為PMO晶體的尋常光折射率,ν33為晶體的電致旋光系數(shù),當λ=633 nm時,no=2.385,ν33=1.23 pm/V[2]。

實驗原理見圖1,利用晶體前后的2個偏振器即可實現(xiàn)晶體電致旋光角度的測量。在實驗室坐標系o-xyz中,外加交流電壓u(t)和通光方向均沿著z軸方向,PMO晶體主光軸與z軸平行。假設(shè)PMO晶體的入射光強度為I1,當起偏器(P1)主透光軸方位角為0°(x軸方向),檢偏器(P2)主透光軸方位角為45°時,根據(jù)瓊斯矩陣分析法可得檢偏器出射光強度I2為

圖1　電致旋光效應(yīng)實驗原理示意圖

(2)

式中近似條件為θ?1,例如θ<0.12 rad。(2)式表明,通過測量I2可以獲知角度θ。

上述光強度信號經(jīng)過光電檢測和信號放大電路后得到的輸出電壓可表示為

(3)

式中Sd為光電探測器的響應(yīng)度,A1為放大電路的放大倍數(shù),Uodc、uoac(t)分別為輸出電壓的直流和交流分量。

為了去除光強度波動以及光電檢測與放大電路的噪聲、溫度漂移等對輸出信號的影響,利用一個除法器對(3)式中的交流和直流分量進行除法運算,并考慮(1)式,可得除法器的輸出信號電壓為

(4)

式中A2為除法電路的放大倍數(shù)。根據(jù)(4)式,可以首先測量上述信號處理電路輸出電壓有效值Uo2隨PMO晶體外加電壓有效值U變化的數(shù)據(jù),如果Uo2隨U線性變化,則表明PMO晶體具有線性電致旋光效應(yīng)。

根據(jù)(4)式,如果已經(jīng)測量出Uo2隨U線性變化關(guān)

系的斜率k=Uo2/U,則可由下式計算PMO晶體的電致旋光系數(shù):

(5)

2　實驗設(shè)計與實現(xiàn)

2.1實驗裝置與器材

實驗裝置示意圖見圖2,其中LD為半導(dǎo)體準直激光光源,中心光波長為λ=635 nm,通過小孔光闌后光束直徑約為1 mm,光功率約為1～2 mW；P1和P2為棱鏡偏振器,其靜態(tài)消光比大于105∶1,偏振器主透光軸的旋轉(zhuǎn)角度可調(diào)節(jié)；在P1和P2之間放置被測PMO晶體樣品,垂直于晶體z軸的2個晶面拋光并粘貼銅箔電極,晶面尺寸為10 mm×10 mm,在每個電極平面的中心點處有一個通光小孔,其直徑約為1 mm,晶體通光方向(z軸)上的長度為5 mm,晶體的方位角可通過夾具和調(diào)節(jié)平臺來調(diào)節(jié),實驗所用PMO晶體樣品(2007年委托四川壓電與聲光技術(shù)研究所加工)的照片如圖3所示；調(diào)制電壓源采用工頻交流電壓,由220 V、50 Hz的城市用電經(jīng)過自耦調(diào)壓器(調(diào)壓范圍0～250 V,用數(shù)字萬用表測量)和升壓變壓器(升壓比為1∶22.5)后,能夠獲得約0～5 000 V的可調(diào)電壓；但考慮到學生實驗的安全性,建議實際采用的晶體外加電壓范圍為0～2 000 V或0～3 000 V。受調(diào)制光信號由一段塑料光纖(POF)傳輸至Si-PIN型光電探測器,信號處理電路主要包括光電流-電壓變換與放大器、低通和高通濾波器、除法器等,其電路組成框圖見圖4；示波器采用一般雙通道示波器即可,例如Tektronix TBS-1062型數(shù)字存儲示波器。

圖2　實驗裝置示意圖

圖3　實驗用鉬酸鉛晶體樣品照片

圖4　信號處理電路組成框圖

2.2實驗內(nèi)容與方法

實驗內(nèi)容主要是利用PMO晶體驗證線性電致旋光效應(yīng)。實驗過程中應(yīng)首先調(diào)節(jié)PMO晶體的主光軸與通光方向(即z軸)平行,具體調(diào)節(jié)方法是,調(diào)節(jié)起偏器(P1)、檢偏器(P2)的方位角分別為0°、90°,同時調(diào)節(jié)晶體的方位角,直至觀測到檢偏器P2的輸出光強為零(即消光)時為止。之后,調(diào)節(jié)P2的方位角為45°,即可開始對PMO晶體施加調(diào)制電壓u(t)。

實驗過程中的信號觀測方法:將示波器的CH1通道與電路中低通濾波器的輸出直流電壓信號Uodc相連接,示波器的CH2通道與電路中除法器的輸出交流電壓相連接；調(diào)節(jié)PMO晶體的外加電壓u(t),可以觀測到CH2通道的輸出電壓uo2(t)及其有效值Uo2隨外加電壓之變化,其輸出信號波形與文獻[3]相似,CH1通道輸出直流電壓Uodc保持不變,此時,可以記錄有效值Uo2隨U變化的實驗數(shù)據(jù)。

2.3實驗數(shù)據(jù)處理要求及討論

調(diào)節(jié)自耦調(diào)壓器的輸出電壓范圍約為0～133 V,

使得PMO晶體的外加電壓U=0～3 000 V范圍內(nèi)變化,記錄U從0上升到3 000 V、再由3 000 V下降到0的過程中對應(yīng)的輸出電壓Uo2,相鄰數(shù)據(jù)點的輸入電壓間隔可取為約200 V。一種簡單的實驗數(shù)據(jù)記錄表如表1所示。但學生實驗過程中應(yīng)首先直接記錄自耦調(diào)壓器的輸出電壓,再乘以變壓器的變比22.5得到PMO晶體的外加電壓有效值U,之后填入表1中。要求學生能夠根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù),利用相關(guān)數(shù)學工具軟件(例如OriginLab)畫出Uo2-U的實驗數(shù)據(jù)關(guān)系曲線,利用軟件中提供的最小二乘法對實驗數(shù)據(jù)作線性擬合,得出Uo2與U之間線性關(guān)系的斜率k,并由此得出基本實驗結(jié)論。

一組典型的實驗數(shù)據(jù)見表1,表中調(diào)制電壓U是萬用表(勝利VC97型)讀數(shù)乘以22.5以后換算得到的數(shù)值,輸出電壓Uo2為示波器CH2通道的讀數(shù)。利用OriginLab數(shù)學工具軟件畫出的Uo2與U實驗數(shù)據(jù)關(guān)系曲線及其線性擬合直線見圖5。由圖5可知,線性擬合公式為Uo2/mV≈0.18+0.3U,k≈0.3 mV/V?？梢砸髮W生根據(jù)表1的實驗數(shù)據(jù)和圖5中數(shù)據(jù)線性擬合的結(jié)果計算上述測量結(jié)果的不確定度。

表1　實驗數(shù)據(jù)記錄表

圖5　輸出電壓Uo2隨調(diào)制電壓U變化的實驗數(shù)據(jù)及其線性擬合直線

重復(fù)上述測量過程多次(例如不少于3次),可以得到多個k值,計算其平均值,然后根據(jù)(5)式計算PMO晶體的電致旋光系數(shù)。考慮到PMO晶體電極為粘貼的銅箔電極,且電極中心存在一個直徑約為1 mm的通光小孔,這將導(dǎo)致施加于晶體內(nèi)通光區(qū)域的有效電壓小于晶體的外加電壓U,故應(yīng)對上述測量得到的k值進行修正。但由于目前難以確定粘貼的銅箔電極與晶面之間黏膠的厚度及其介電常數(shù),且電極上小孔不是理想的圓形,難以從理論上估算k值的修正系數(shù)。如果實驗采用PMO晶體電極為ITO(銦錫氧化物)薄膜電極,則不需要估算k值的修正系數(shù),但此時需要注意避免PMO晶體內(nèi)光束多重反射對電致旋光調(diào)制信號的影響。

可以考慮將32點群的石英晶體用于本實驗[11],但需考慮其自然旋光性和自然雙折射,其實驗原理將與本文不同。PMO晶體具有相對較大的電致旋光系數(shù)(約1.23pm/V)[2-3],且國內(nèi)有關(guān)單位能夠生長該晶體[12],故本文選用PMO晶體作為電致旋光效應(yīng)的實驗樣品。

3　結(jié)語

電致旋光效應(yīng)是一種典型的物理光學效應(yīng)。本文實驗設(shè)計和實驗結(jié)果表明,可以利用國內(nèi)生長加工的鉬酸鉛晶體,并利用2 000 V或3 000 V以內(nèi)的工頻調(diào)制電壓源和普通的光電檢測電路,在大學物理實驗課中開設(shè)電致旋光效應(yīng)實驗。

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Design of experiment on electrogyration effect

Li Changsheng, Zhang Xi

(School of Instrumentation Science and Optoelectronics Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

The conceptual experiment on linear electrogyration effect has been designed and performed by using a block of lead molybdate (PbMoO4) crystal sample. Main contents of the course include the basic principle of experiment, experimental setups, devices, and methods. The above experiments and related results provide us theoretical and experimental bases of the course of experiment on electrogyration effect.

electrogyration effect; physical experiment; lead molybdate crystal

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.013

2015- 09- 28修改日期:2015- 11- 06

北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院教學改革項目

李長勝(1967—),男,河北青龍,博士,副教授,主要研究方向為物理光學與光學傳感技術(shù).

E-mail:cli@buaa.edu.cn

G642.3;O436.4

A

1002-4956(2016)3- 0048- 03