电光效应的发展历史和现状
一些各向同性的透明材料在电场作用下表现出光学各向异性，材料的折射率因外电场而发生变化的现象就是电光效应，包括普克尔斯效应和克尔效应。电光效应是指某些各向同性的透明物质在电场作用下表现出光学各向异性的效应。电光效应包括克尔效应和普克尔斯效应[1]。折射率的变化与外加电场强度的一次方成正比，这就是普克尔斯效应或线性电光效应，是德国物理学家弗里德里希·卡尔·阿尔文·普克尔斯在1893中提出的。1865-1913)发现折射率与外加电场强度的二次方成正比的变化是克尔效应或二次电光效应，这是英国物理学家约翰·克尔(1824-1907)在1875年发现的。
利用电光效应可以制成电光调制器、电光开关、电光偏转器等，可用于快门、激光器的Q开关和光波调制，在高速摄影、光速测量、光通信和激光测距等激光技术中得到了重要应用。当施加在晶体上的电场平行于光的方向时，称为纵向电光调制(也称纵向施加)。当通光方向垂直于外加电场时，称为横向电光调制(也称横向施加)。利用电光效应可以实现光波的幅度调制和相位调制。
[编辑本段]克尔效应
1875年，英国物理学家j·克尔(J. Kerr)发现玻璃板在强电场作用下具有双折射，称为克尔效应。后来发现很多液体和气体都能产生克尔效应。一种观察克尔效应的实验装置。装有某种液体(如硝基苯)的玻璃盒子叫克尔盒。盒子装有平行板电容器，在施加电压后产生横向电场。克尔盒放置在两个正交偏振器之间。当没有电场时，液体是各向同性的，光不能穿过P2。在存在电场的情况下，液体具有单轴晶体的性质，并且光轴沿着电场的方向。这时，光穿过P2(见偏振光的干涉)。实验表明，在电场作用下，主折射率之差与电场强度的平方成正比。当电场变化时，通过P2的光强也随之变化，因此可以利用克尔效应来调制光波。液体在电场的作用下发生极化，这就是双折射的原因。电场的极化非常迅速，施加电场后不到10-9秒就能完成极化过程，撤除电场后在同样短的时间内又变成各向同性。克尔效应的快速作用特性可以用来制作几乎没有惯性的光开关——光学快门，它在高速摄影、光速测量和激光技术中得到了重要的应用。
[编辑此段]普克尔斯效应
1893是由德国物理学家F.C.A .普克尔斯发现的。有些晶体在纵向电场(电场方向与光传播方向一致)的作用下会改变其各向异性，产生附加双折射效应。例如，将磷酸二氢钾晶体放在两个平行的导电玻璃之间，这就形成了一个可以产生电场的电容器。晶体的光轴与电容极板的法线一致，入射光沿着晶体的光轴入射。当观察克尔效应时，使用正交偏振器系统进行观察。当没有施加电场时，入射光在晶体中不具有双折射，并且光不能穿过P2。当施加电场时，晶体引起双折射，光通过P2。普克尔斯效应与外加电场强度的一次方成正比。大多数压电晶体都能产生普克尔斯效应。普克尔斯效应和克尔效应一样，常用于光学快门、激光器的Q开关和光波调制。
[编辑此段]电光效应实验
实验目的
1.掌握晶体电光调制的原理和实验方法。
2.学习用简单的实验装置测量晶体半波电压和电光常数的实验方法。
观察电光效应引起的晶体光学性质的变化和会聚偏振光的干涉现象。
历史背景
当对晶体或液体施加电场时，晶体或液体的折射率发生变化，这种现象称为电光效应。电光效应在工程技术和科学研究中有许多重要的应用。响应时间短(能跟上频率为1010Hz的电场变化)，可用作高速摄影中的快门或光速测量中的光束斩波器。激光出现后，电光效应的研究和应用发展迅速，电光器件广泛应用于激光通信、激光测距、激光显示和光学数据处理等领域。
实验原理
1.晶体的初级电光效应和折射率椭球
电场引起的晶体折射率的变化称为电光效应。通常，由电场引起的折射率变化可以用下面的公式表示:
n = n0 + aE0 +bE02+……
其中a和b是常数，n0是没有施加电场时晶体的折射率。初级项aE0引起折射率变化的效应称为初级电光效应，也称为线性电光效应或普歇效应。二次项bE02引起的折射率变化的效应称为二次电光效应，也叫平方电光效应或克尔效应。一次电光效应只存在于没有对称中心的晶体中，而二次电光效应可能存在于任何物质中，一次效应比二次效应更显著。光在各向异性晶体中传播时，由于光的传播方向不同或电矢量的振动方向不同，光的折射率也不同。如图1所示，折射率球通常用来描述折射率与光传播方向和振动方向的关系。
晶体的初级电光效应可分为纵向电光效应和横向电光效应两种。横向电光效应是施加在晶体上的电场垂直于光在晶体中的传播方向时产生的电光效应。通常KD*P晶体利用其纵向电光效应，LiNbO3晶体利用其横向电光效应。本实验研究了铌酸锂晶体的初级电光效应。用铌酸锂晶体横向调制装置测量铌酸锂晶体的半波电压和电光系数，用两种方法改变调制器的工作。
2.电光调制原理
要用激光作为传递信息的工具，首先要解决如何将传输信号加到激光辐射中的问题。我们把在激光辐射上加载信息的过程称为激光调制，而完成这一过程的器件称为激光调制器。从调制的激光辐射中恢复加载信息的过程称为解调。因为激光实际上只起到“承载”低频信号的作用，所以称为载波。起控制作用的低频信号就是我们所需要的，这种信号叫做调制信号，被调制的载波叫做调制波或者调制光。按照调制性质，激光调制类似于无线电波调制，可以采取连续调幅、调频、调相、脉冲调制等形式，但激光调制多采用强度调制。强度调制基于光载波的电场幅度与调制信号的平方比。输出激光辐射的强度根据调制信号的规律而变化。激光调制经常以强度调制的形式出现的主要原因是光接收器通常直接响应其接收的光强度的变化。
激光调制的方法很多，有机械调制、电光调制、电光调制、磁光调制、电源调制等。其中，电光调制器开关速度快，结构简单，在激光调制技术和混合光学双稳态器件中应用广泛。电光调制根据施加电场的方向可分为纵向电光调制和横向电光调制。利用纵向电光效应的调制称为纵向电光调制，利用横向电光效应的调制称为横向电光调制。
实验室仪器
电光效应实验仪、电光调制电源、接收放大器、氦氖激光器、双踪示波器、万用表。
(1)晶体电光调制电源。调制电源由-200 V至+200 V之间连续可调的DC电源、单频振荡器(振荡频率约为1kHz)、音乐片和放大器组成。电源面板上有一个三位半数字面板表，可以显示DC电压值。施加在晶体上的DC电压的极性可以通过面板上的“极性”键来改变。DC电压由“偏置”旋钮调节。调制信号可以由内置振荡器或音乐胶片提供。该调制信号由安装在面板上的“信号选择”按钮选择。所有调制信号的大小由“振幅”旋钮控制。通过前面板上的“输出”插孔输出的参考信号连接到第二个跟踪示波器的通道，并与调制的接收信号进行比较。观察调制器。
(2)调制器。该调制器由三个可旋转的起偏器、一个可旋转的1/4波片和一个铌酸锂晶体组成，采用横向调制方式。晶体放置在两个正交的偏振片之间，偏振片平行于晶体的X轴。1/4波片可以插在检偏器和晶体之间，起偏器和波片都可以绕其几何轴旋转。晶体放在四维调节架上。
(3)接收放大器。接收放大器由3DU光电晶体管和功率放大器组成。光电晶体管对调制的氦氖激光进行光电转换，并将其输入到功率放大器。将放大后的信号连接到二描示波器，与参考信号进行比较，观察调制器的输出特性。交流信号的输出由“交流输出”旋钮调节。放大器配有扬声器，用于再现声音调制信号。放大器面板上还有一个“DC输出”插孔，连接到。
实验内容
1.观察会聚偏振光的干涉图样和晶体的电光效应图像。
(1)调整激光管，使激光束平行于晶体调整台的上表面，同时使激光束穿过每个光学元件的中心(这一步老师已经调好了，同学们不要动)。将偏光板和检偏器分别调整为与X轴和Y轴垂直和平行。放置晶体后，要对各个器件进行微调，微调是利用单轴晶体的锥光干涉图样的变化来完成的。由于晶体的不均匀性，在分析器后面的白色屏幕上可以看到一个微弱的光点，然后在晶体前面放一张透镜纸。此时在白屏上可以观察到单轴晶体的锥光干涉图样，如图4所示。一个暗十字图案贯穿整个图案，图4被明暗包围。
同心干涉环，十字形中心也是环的中心，对应晶体的光轴方向，十字形方向对应两个偏振片的偏振轴方向。在观察过程中，要反复微调晶体，使干涉图样的中心与光斑的位置重合，同时图样要尽可能对称完整，以保证光束与晶体光轴平行并通过晶体中心，然后进行调整，使干涉图样出现清晰的暗十字。十字的一条线平行于X轴。这一步的调整非常重要，调整的质量直接影响到下一步的测量。所以一定要耐心，小心调整。注意，此时应关闭放大器电源，激光光斑应落在白屏上，而不是对准光电晶体管，以免烧坏。
(2)双轴晶体在施加DC偏压时出现锥形光干涉图样，说明单轴晶体在电场作用下变成了双轴晶体。
(3)正交和平行偏振器的干涉图案是互补的。
(4)当DC偏压的极性改变时，干涉图样旋转90°。
(5)当仅改变DC偏置时，干涉图样不旋转，但是双曲线之间的距离改变。这一现象说明，外加电场只改变感应主轴方向的主折射率，折射率椭球的旋转角度与电场无关。
2.测量铌酸锂晶体的透过率曲线(T ~ U曲线)，计算半波电压，进而计算电光系数。
在我们的实验中，用两种方法测量铌酸锂晶体的半波电压，一种是极值法，另一种是调制法。
(1)极值法
只有DC电压加到晶体上，没有交流信号加进去。如果DC电压从小到大逐渐变化，则输出光强度将具有最小值和最大值，并且对应于相邻最小值和最大值的DC电压之间的差是半波电压。
取出镜头纸，将光电晶体管的接收器对准激光光斑，将放大器的DC输出接到万用表上，万用表会将其调到200mV DC档。为了防止光电晶体管损坏，在起偏器前加一个起偏器作为调光器，加在晶体上的电压会从零开始逐渐增加。注意万用表读数的变化。当读数超过200毫伏时，旋转调光器降低光强度。然后将DC偏置增加到最大，保持万用表的读数不超过200毫伏，然后将DC偏置减小到零。如果万用表的读数从未超过200毫伏，就可以开始测量数据。施加在晶体上的电压由电源板上的数字表读取，每隔5V递增一次，然后读取万用表相应的读数作为接收器接收到的光强值。
(2)调制方法
晶体上的DC电压和交流信号同时相加。当DC电压调整到最小或最大输出光强对应的电压值时，输出的交流信号会因倍频而失真，相邻倍频失真对应的DC电压之差即为半波电压。
具体来说，按下电源面板上的“正弦”键，将电源前面板上的调制信号“输出”接到第二台描迹示波器的CH2上，将放大器的调制信号接到示波器的CH1上，比较CH1和CH2上的信号，调整DC电压。当施加到晶体上的DC电压达到某个值U1时，输出信号将被倍频。当施加在晶体上的DC电压达到另一个值U2时，输出信号再次出现倍频失真，连续两次出现倍频失真时对应的DC电压差U2-U1为半波电压。这种方法比极值法更准确，因为用极值法测量半波电压时，很难准确确定T ~ U曲线上的最大值或最小值，所以误差也大。但是，这种方法需要很高的调整。
3.改变DC偏置，选择不同的工作点，观察正弦波电压的调制特性。
电源板上的信号选择按键开关可以提供三种不同的调制信号。按下“正弦”键，机器中的单频正弦波振荡器工作，产生一个正弦信号，经放大后加到晶体上。同时，信号将通过面板上的“输出”孔输出，并作为参考信号连接到二台痕迹示波器的CH1。DC偏置将被改变以使调制器工作。经光电转换放大后，调制信号接二台描迹示波器的CH2，与CH1上的参考信号进行比较。选取40V、80V、120V、160V、200V五个不同的工作点，观察接收信号的波形并绘制曲线图。
当工作点选在曲线的直线部分，即U0=/2附近时，为线性调制；当工作点选在曲线的最小值(或最大值)时，输出信号会发生“倍频”失真；当工作点选在最小值(或最大值)附近时，输出信号失真，观察时调制信号的幅度不宜过大，否则调制信号本身失真，无法判断输出信号失真的原因。记下观察到的波形，并与之前的理论分析进行比较。做这个实验的时候，调整电源上的调制幅度，调制器上的输入光强，放大器的输出和示波器上的增益(或损耗)。
4.用1/4波片改变工作点，观察输出特性。
在上面的实验中，晶体上的DC偏置被去除，1/4波片被放置在晶体和偏振器之间。当波片绕光轴缓慢旋转时，输出信号发生变化。当波片的快慢轴平行于晶体感应轴的方向时，输出信号被线性调制。当波片的快轴和慢轴分别平行于晶体的X轴和Y轴时，输出光发生畸变，产生“倍频”畸变。因此，当波片旋转一次时，有四个线性调制和四个“倍频”失真。
值得注意的是，不仅可以通过在晶体上施加DC偏压来改变调制器的工作点，还可以利用1/4波片来选择工作点，效果相同，只是两种方法的机理不同。
5.光通信演示
按下电源面板上的“音乐”按钮，此时正弦信号被切断，输出安装在电源中的“音乐”信号。拔下交流输出插头，输出信号会通过接收放大器上的扬声器播放出来，可以听到音乐。如果改变了DC偏置，音乐的音质也会改变，说明音乐是失真的，不失真的。如果使用不透明的物体进行着色，音乐将停止，如果不着色，音乐将重新开始。这说明激光可以承载信号，实现光通信。当音乐信号连接到示波器上，我们可以看到音乐信号的波形，它是由不同频率和幅度的正弦波组成的。
需要注意的事项
当1。氦氖激光管发光，施加在电极上的DC电压高达千伏，要注意人身安全。
2.水晶又细又长，很容易碎。电极是真空镀铝薄膜。操作时要注意，晶体电极上的铝条不能压得太紧，也不能给晶体施加压力，以免弄断晶体。
3.光电晶体管应避免强光照射，以免烧毁。做实验时，光强要由弱变强，尽量在弱光下使用，以保证接收器光电转换时有良好的线性度。
4.电源和放大器上旋钮的顺时针方向是增加增益的方向。因此，在打开电源开关之前，应将所有旋钮逆时针旋转到底，在关闭仪器之前，应先将所有旋钮逆时针旋转到底，然后再关闭电源。