电致旋光效应实验设计

李长胜, 张　晞

(北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京　100191)



电致旋光效应实验设计

李长胜, 张晞

(北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京100191)

利用钼酸铅(PbMoO4)晶体样品,设计实现了线性电致旋光效应实验,介绍了实验原理、实验装置、实验内容和实验方法等。该文为开设电致旋光效应实验课程提供了理论与实验基础。

电致旋光效应； 物理实验; 钼酸铅晶体

电致旋光效应是指某些光学介质在外加电场(或电压)作用下,在介质中传播的线偏振光波的偏振面产生旋转的现象。若光波偏振面的旋转角与外加电场幅值成正比,则称为线性电致旋光效应[1-3]。具有电致旋光效应的典型晶体包括钼酸铅晶体、石英晶体等。电致旋光效应可应用于光学电压传感器和电光调制器[1-6]。基于电致旋光效应的光学电压传感器一般只由2个偏振器和1块晶体组成,不需要附加四分之一波片,结构简单。此外,电致旋光效应的温度稳定性一般优于Pockels电光效应,而且与法拉第磁光调制器相比,电致旋光效应的电光调制器不需要产生磁场的线圈,因而具有响应频带宽、电功率损耗低等优点。

现有大学物理实验课一般已经开设了法拉第磁光效应、Pockels线性电光效应等实验[7-8],但一般尚未开设电致旋光效应相关的实验,因而有必要开设该实验,以使学生通过实验现象学习和掌握电致旋光效应,同时丰富大学物理实验课程的内容。本文利用钼酸铅晶体(PbMoO4,PMO)实验验证晶体线性电致旋光效应的实验方法,为将来在大学物理实验课中开设电致旋光效应实验奠定理论与实验基础。

1　实验原理

本实验所用PMO晶体为4/m点群的单轴晶体,当外加电压u(t)和光传播方向均沿晶体z轴方向时,电致旋光角度可表示为[1-3]

(1)

式中λ为光波长,no为PMO晶体的寻常光折射率,ν33为晶体的电致旋光系数,当λ=633 nm时,no=2.385,ν33=1.23 pm/V[2]。

实验原理见图1,利用晶体前后的2个偏振器即可实现晶体电致旋光角度的测量。在实验室坐标系o-xyz中,外加交流电压u(t)和通光方向均沿着z轴方向,PMO晶体主光轴与z轴平行。假设PMO晶体的入射光强度为I1,当起偏器(P1)主透光轴方位角为0°(x轴方向),检偏器(P2)主透光轴方位角为45°时,根据琼斯矩阵分析法可得检偏器出射光强度I2为

图1　电致旋光效应实验原理示意图

(2)

式中近似条件为θ≪1,例如θ<0.12 rad。(2)式表明,通过测量I2可以获知角度θ。

上述光强度信号经过光电检测和信号放大电路后得到的输出电压可表示为

(3)

式中Sd为光电探测器的响应度,A1为放大电路的放大倍数,Uodc、uoac(t)分别为输出电压的直流和交流分量。

为了去除光强度波动以及光电检测与放大电路的噪声、温度漂移等对输出信号的影响,利用一个除法器对(3)式中的交流和直流分量进行除法运算,并考虑(1)式,可得除法器的输出信号电压为

(4)

式中A2为除法电路的放大倍数。根据(4)式,可以首先测量上述信号处理电路输出电压有效值Uo2随PMO晶体外加电压有效值U变化的数据,如果Uo2随U线性变化,则表明PMO晶体具有线性电致旋光效应。

根据(4)式,如果已经测量出Uo2随U线性变化关

系的斜率k=Uo2/U,则可由下式计算PMO晶体的电致旋光系数:

(5)

2　实验设计与实现

2.1实验装置与器材

实验装置示意图见图2,其中LD为半导体准直激光光源,中心光波长为λ=635 nm,通过小孔光阑后光束直径约为1 mm,光功率约为1～2 mW；P1和P2为棱镜偏振器,其静态消光比大于105∶1,偏振器主透光轴的旋转角度可调节；在P1和P2之间放置被测PMO晶体样品,垂直于晶体z轴的2个晶面抛光并粘贴铜箔电极,晶面尺寸为10 mm×10 mm,在每个电极平面的中心点处有一个通光小孔,其直径约为1 mm,晶体通光方向(z轴)上的长度为5 mm,晶体的方位角可通过夹具和调节平台来调节,实验所用PMO晶体样品(2007年委托四川压电与声光技术研究所加工)的照片如图3所示；调制电压源采用工频交流电压,由220 V、50 Hz的城市用电经过自耦调压器(调压范围0～250 V,用数字万用表测量)和升压变压器(升压比为1∶22.5)后,能够获得约0～5 000 V的可调电压；但考虑到学生实验的安全性,建议实际采用的晶体外加电压范围为0～2 000 V或0～3 000 V。受调制光信号由一段塑料光纤(POF)传输至Si-PIN型光电探测器,信号处理电路主要包括光电流-电压变换与放大器、低通和高通滤波器、除法器等,其电路组成框图见图4；示波器采用一般双通道示波器即可,例如Tektronix TBS-1062型数字存储示波器。

图2　实验装置示意图

图3　实验用钼酸铅晶体样品照片

图4　信号处理电路组成框图

2.2实验内容与方法

实验内容主要是利用PMO晶体验证线性电致旋光效应。实验过程中应首先调节PMO晶体的主光轴与通光方向(即z轴)平行,具体调节方法是,调节起偏器(P1)、检偏器(P2)的方位角分别为0°、90°,同时调节晶体的方位角,直至观测到检偏器P2的输出光强为零(即消光)时为止。之后,调节P2的方位角为45°,即可开始对PMO晶体施加调制电压u(t)。

实验过程中的信号观测方法:将示波器的CH1通道与电路中低通滤波器的输出直流电压信号Uodc相连接,示波器的CH2通道与电路中除法器的输出交流电压相连接；调节PMO晶体的外加电压u(t),可以观测到CH2通道的输出电压uo2(t)及其有效值Uo2随外加电压之变化,其输出信号波形与文献[3]相似,CH1通道输出直流电压Uodc保持不变,此时,可以记录有效值Uo2随U变化的实验数据。

2.3实验数据处理要求及讨论

调节自耦调压器的输出电压范围约为0～133 V,

使得PMO晶体的外加电压U=0～3 000 V范围内变化,记录U从0上升到3 000 V、再由3 000 V下降到0的过程中对应的输出电压Uo2,相邻数据点的输入电压间隔可取为约200 V。一种简单的实验数据记录表如表1所示。但学生实验过程中应首先直接记录自耦调压器的输出电压,再乘以变压器的变比22.5得到PMO晶体的外加电压有效值U,之后填入表1中。要求学生能够根据上述实验数据,利用相关数学工具软件(例如OriginLab)画出Uo2-U的实验数据关系曲线,利用软件中提供的最小二乘法对实验数据作线性拟合,得出Uo2与U之间线性关系的斜率k,并由此得出基本实验结论。

一组典型的实验数据见表1,表中调制电压U是万用表(胜利VC97型)读数乘以22.5以后换算得到的数值,输出电压Uo2为示波器CH2通道的读数。利用OriginLab数学工具软件画出的Uo2与U实验数据关系曲线及其线性拟合直线见图5。由图5可知,线性拟合公式为Uo2/mV≈0.18+0.3U,k≈0.3 mV/V。可以要求学生根据表1的实验数据和图5中数据线性拟合的结果计算上述测量结果的不确定度。

表1　实验数据记录表

图5　输出电压Uo2随调制电压U变化的实验数据及其线性拟合直线

重复上述测量过程多次(例如不少于3次),可以得到多个k值,计算其平均值,然后根据(5)式计算PMO晶体的电致旋光系数。考虑到PMO晶体电极为粘贴的铜箔电极,且电极中心存在一个直径约为1 mm的通光小孔,这将导致施加于晶体内通光区域的有效电压小于晶体的外加电压U,故应对上述测量得到的k值进行修正。但由于目前难以确定粘贴的铜箔电极与晶面之间黏胶的厚度及其介电常数,且电极上小孔不是理想的圆形,难以从理论上估算k值的修正系数。如果实验采用PMO晶体电极为ITO(铟锡氧化物)薄膜电极,则不需要估算k值的修正系数,但此时需要注意避免PMO晶体内光束多重反射对电致旋光调制信号的影响。

可以考虑将32点群的石英晶体用于本实验[11],但需考虑其自然旋光性和自然双折射,其实验原理将与本文不同。PMO晶体具有相对较大的电致旋光系数(约1.23pm/V)[2-3],且国内有关单位能够生长该晶体[12],故本文选用PMO晶体作为电致旋光效应的实验样品。

3　结语

电致旋光效应是一种典型的物理光学效应。本文实验设计和实验结果表明,可以利用国内生长加工的钼酸铅晶体,并利用2 000 V或3 000 V以内的工频调制电压源和普通的光电检测电路,在大学物理实验课中开设电致旋光效应实验。

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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

北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院教学改革项目

李长胜(1967—),男,河北青龙,博士,副教授,主要研究方向为物理光学与光学传感技术.

E-mail:cli@buaa.edu.cn

G642.3;O436.4

A

1002-4956(2016)3- 0048- 03