圆偏振光干涉测量晶体电光系数的温度效应
圆偏振光干涉测量晶体电光系数的温度效应[20200406130534]
摘要
激光干涉技术广泛应用于测量两束光的光程差，从而获取与之相关的物理量信息。不同种类的激光干涉技术有其各自的特点。单频激光干涉技术的探测信号与光强度直接相关，很容易受到外界影响，从而使得测量精度降低。双频激光干涉技术的测量精度相对于单频激光干涉有大幅度地提高，然而，这种干涉技术的测量精度取决于双频的稳定性，往往导致其价格昂贵。本文根据圆偏振光干涉的原理构建了圆偏振光干涉系统，测量方法上利用斯托克斯参量法可以使得圆偏振光干涉系统的精度与双频激光干涉技术媲美。
目前，铌酸锂晶体被广泛应用于制作电光材料，其最突出的特点是在外加电场影响下产生的电光效应。外加电场影响铌酸锂晶体时，其折射率椭球主轴会随着电场产生改变，导致各个主轴上折射率发生相应的变化。同时，铌酸锂晶体受外界环境因素如温度变化影响，由晶体制作而成的器件性能也会产生相应改变。如要扩展铌酸锂晶体的应用范围，于是对其电光效应与温度的关系进行研究将变得十分重要。利用自行设计的圆偏振光干涉测量系统，采用斯托克斯参量法分析铌酸锂晶体的电光效应及其电光系数随温度的变化关系。当温度一定时，产生的相位差随着电压线性增大；当外加电场一定时，晶体的电光系数随着温度线性减小。将实验与理论相结合，得到的结论对于铌酸锂晶体器件的应用具有参考价值。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:圆偏振光斯托克斯参量铌酸锂晶体温度系数电光系数
目录
第一章 引言 4
第二章 激光干涉仪的分析 6
2.1 单频激光干涉仪原理及特点 6
2.2 双频激光干涉仪原理及特点 7
第三章 圆偏振光干涉原理 8
3.1 三角函数表示法 8
3.2 琼斯矢量法 10
3.3 线偏振光偏振方向的定量测量 11
第四章 晶体电光效应极其受温度影响的理论分析 13
4.1 晶体的电光效应 13
4.1.1 KDP晶体的线性电光效应 13
4.1.2 铌酸锂晶体的线性电光效应 14
4.2 电光相位延迟 16
4.2.1 横向应用 16
4.2.2 纵向应用 17
4.3 铌酸锂晶体折射率与温度的关系 17
第五章 铌酸锂晶体电光效应与温度关系的实验研究 18
5.1光学器件选择 18
5.1.1偏振分光棱镜的应用 18
5.1.2 直角棱镜的应用 18
5.2 光路设计及分析 19
5.3实验数据测量 20
5.3.1 铌酸锂晶体的电光系数的测量 20
5.3.2 铌酸锂晶体的电光系数随温度变化的关系的测量 22
5.4实验误差分析 23
全文总结 25
参考文献 26
致谢 27
第一章 引言
对系统光路中光程差的测量，是光学测量的一个主要方面。许多物理因素能够引起光程差的变化，例如电场、磁场、声音、应力等等。因此通过光程差的测量可以获取其他相关物理量的信息。近几百年来，人们一直致力于研究探索测量光程差的技术，从而提高其测量精度，获取更加准确的信息。相比于其他各类技术而言，激光干涉技术受到了最广泛的应用[1]。通过对不同种类的激光干涉测量仪测量精度的影响因素分析，能够清晰的了解各种激光干涉技术的特性。
单频激光干涉技术能够通过各种不同的干涉仪来实现，其对激光源以及光学器件的要求不高，然而它的探测信号和光强度直接相关，很容易受到外界的影响，从而使得测量精度降低。
双频激光干涉技术的原理是将高频转化成低频的相位测量，从而使测量的精度能够大幅度地提高。此外，由于该技术对使用的条件和环境要求并不苛刻，抗外界因素干扰能力又强，因此在机械、微电子、科研等相关领域得到了广泛应用。然而，这种干涉技术的测量精度取决于双频的稳定性，于是对激光源和测量技术就提出了较高的要求，往往导致其价格昂贵。通过比较以上两种干涉技术，可以知道要想提高干涉测量仪精度的有效途径，测量的物理量必须与位相差直接相关，与光强度无此必然关系。
根据光不同的偏振态叠加以及光干涉原理，分析了同频率的两束圆偏振光相干叠加，于是将干涉和偏振这两个光学特性统一于一体，分析它们之间的相互关系。同时也从两方面推导出了圆偏振光干涉的原理，两束分别为左、右旋转的圆偏振光干涉合成线偏振光后，其振动的方向由两束光产生的相位差决定。因此，通过测量线偏振光偏振方向的变化就能得到光程差，使干涉信号与光强并无相关。圆偏振光干涉系统的精度取决于偏振方向变化角度的测量方法。为此，引入测定椭圆偏振光偏振态的斯托克斯参量法，确定3个斯托克斯参量[2]，可以得到线偏振光偏振方向转动的角度，由此得到相位差。实验中设计实验光路，构建圆偏振光干涉系统，因为是同频干涉，所以使用单频激光作为光源即可，这比双频干涉测量系统在激光源的难题上具有优越性。
本文利用构建的圆偏振光干涉测量系统，分析并测量铌酸锂晶体在外加电场下的光学特性。随着信息技术的发展趋势的不断发展，铌酸锂晶体广泛应用于现代激光技术。铌酸锂晶体的双折射特性可以被操纵，能够通过改变电场的方向或大小和控制光的传播方向，强度和偏振性质，从而达到实际运用的目的，例如调Q和电光调制偏转等电光效应的应用。铌酸锂晶体不但受外加电场影响，同样深受温度、应力、磁场及其他诸多因素的影响。由于电光晶体对这些外来因素的敏感性[3]，使得这些因素在对晶体施加电场时产生其他种种影响。实验中具体研究了铌酸锂晶体受到外加电场影响时的温度效应[4]。温度对铌酸锂晶体的折射率以及电光系数有重要的影响，通过研究铌酸锂晶体的电光系数，以及其电光系数随温度的变化关系，对铌酸锂晶体器件的理论研究和实际应用有现实意义。
第二章 激光干涉仪的分析
激光干涉仪一般分为单、双频激光干涉仪，通过以下两种激光干涉仪的分析和比较，得到新的干涉侧测量。
2.1 单频激光干涉仪原理及特点
单频激光干涉仪的原理是通过已知长度的激光波长，利用迈克耳逊干涉系统测量位移量[5]。迈克尔逊干涉仪的两个分离的光束的相干光，两个光束之间的光程差可根据不同的需求随之变化，测量结果的准确性是可相比于波长。该种干涉仪的应用范围很广，只要是可以引起光程变化的物理量都能被测量，因此常用来测量位移量和分析光谱线精细结构。
当光路中可动反射镜被沿着相应移动时，所形成干涉条纹的光强变化由光电转换元器件与电子线路转换成电信号，经整形、放大后输入计数器计算出脉冲总数，再由PC机按计算式
(2.1）
式中l为光波波长，N为电脉冲的总数，从而算出可动反射镜的位移量L。在使用单频激光干涉仪时，要求周围环境相对稳定，各种空气湍流均会造成直流电平变化进而影响测量结果。
单频激光干涉仪比较突出的缺点是易受自然环境的影响，在恶劣的测试环境下，进行长距离的测量，它的缺点会很突出，唯有设法用交流测量替代直流测量才能在根本上消除单频激光干涉仪的弱点。
2.2 双频激光干涉仪原理及特点
双频激光干涉仪是由单频激光干涉仪为基础的不断改进而成的外差式干涉仪，采用经典的迈克尔逊干涉仪结构[6]。至今为止，不同类型的激光外差干涉仪被广泛应用在长度和振动的精密测量上，双频He-Ne激光器应用轴向磁场赛曼效应。信号经计算机作相应分析处理后，通过计算两拍之差即可得到频移 。若测量角锥棱镜在t时间内干涉级变化是N，则有
式中 是在时间间隔 t 内测量角锥移动距离L，于是
上述计算由计算机自动完成，最后计算机显示所测长度值。
实验时若采用双频干涉，则相比较单频而言具有信号噪声小、抗环境干扰强、允许光源多通道复用等众多优点[7]。
综上看出，单频激光干涉技术能够通过各种不同的干涉仪来实现，其对激光源以及光学器件的要求不高，然而它的探测信号和光强度直接相关，很容易受到外界的影响，从而使得测量精度降低。双频激光干涉技术的原理是将高频转化成低频的相位测量，从而使测量的精度能够大幅度地提高，此外，由于该技术对使用的条件和环境要求并不苛刻，抗外界因素干扰能力又强，因此在机械、电子、研发等相关领域得到了广泛应用[8]。然而，这种干涉技术的测量精度取决于双频的稳定性，于是对激光源和测量技术就提出了较高的要求，往往导致其价格昂贵。通过比较以上两种干涉技术，可以知道要想实现提高干涉测量仪精度的方法，即是要使测量的物理量必须与位相差直接相关。由单双频干涉技术的原理、特点以及不足，文章采用圆偏振光干涉技术作为实验测量系统，较以上两种干涉技术有独特优点，且测量精度不会较以上两种干涉技术偏低。
第三章 圆偏振光干涉原理
摘要
激光干涉技术广泛应用于测量两束光的光程差，从而获取与之相关的物理量信息。不同种类的激光干涉技术有其各自的特点。单频激光干涉技术的探测信号与光强度直接相关，很容易受到外界影响，从而使得测量精度降低。双频激光干涉技术的测量精度相对于单频激光干涉有大幅度地提高，然而，这种干涉技术的测量精度取决于双频的稳定性，往往导致其价格昂贵。本文根据圆偏振光干涉的原理构建了圆偏振光干涉系统，测量方法上利用斯托克斯参量法可以使得圆偏振光干涉系统的精度与双频激光干涉技术媲美。
目前，铌酸锂晶体被广泛应用于制作电光材料，其最突出的特点是在外加电场影响下产生的电光效应。外加电场影响铌酸锂晶体时，其折射率椭球主轴会随着电场产生改变，导致各个主轴上折射率发生相应的变化。同时，铌酸锂晶体受外界环境因素如温度变化影响，由晶体制作而成的器件性能也会产生相应改变。如要扩展铌酸锂晶体的应用范围，于是对其电光效应与温度的关系进行研究将变得十分重要。利用自行设计的圆偏振光干涉测量系统，采用斯托克斯参量法分析铌酸锂晶体的电光效应及其电光系数随温度的变化关系。当温度一定时，产生的相位差随着电压线性增大；当外加电场一定时，晶体的电光系数随着温度线性减小。将实验与理论相结合，得到的结论对于铌酸锂晶体器件的应用具有参考价值。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:圆偏振光斯托克斯参量铌酸锂晶体温度系数电光系数
目录
第一章 引言 4
第二章 激光干涉仪的分析 6
2.1 单频激光干涉仪原理及特点 6
2.2 双频激光干涉仪原理及特点 7
第三章 圆偏振光干涉原理 8
3.1 三角函数表示法 8
3.2 琼斯矢量法 10
3.3 线偏振光偏振方向的定量测量 11
第四章 晶体电光效应极其受温度影响的理论分析 13
4.1 晶体的电光效应 13
4.1.1 KDP晶体的线性电光效应 13
4.1.2 铌酸锂晶体的线性电光效应 14
4.2 电光相位延迟 16
4.2.1 横向应用 16
4.2.2 纵向应用 17
4.3 铌酸锂晶体折射率与温度的关系 17
第五章 铌酸锂晶体电光效应与温度关系的实验研究 18
5.1光学器件选择 18
5.1.1偏振分光棱镜的应用 18
5.1.2 直角棱镜的应用 18
5.2 光路设计及分析 19
5.3实验数据测量 20
5.3.1 铌酸锂晶体的电光系数的测量 20
5.3.2 铌酸锂晶体的电光系数随温度变化的关系的测量 22
5.4实验误差分析 23
全文总结 25
参考文献 26
致谢 27
第一章 引言
对系统光路中光程差的测量，是光学测量的一个主要方面。许多物理因素能够引起光程差的变化，例如电场、磁场、声音、应力等等。因此通过光程差的测量可以获取其他相关物理量的信息。近几百年来，人们一直致力于研究探索测量光程差的技术，从而提高其测量精度，获取更加准确的信息。相比于其他各类技术而言，激光干涉技术受到了最广泛的应用[1]。通过对不同种类的激光干涉测量仪测量精度的影响因素分析，能够清晰的了解各种激光干涉技术的特性。
单频激光干涉技术能够通过各种不同的干涉仪来实现，其对激光源以及光学器件的要求不高，然而它的探测信号和光强度直接相关，很容易受到外界的影响，从而使得测量精度降低。
双频激光干涉技术的原理是将高频转化成低频的相位测量，从而使测量的精度能够大幅度地提高。此外，由于该技术对使用的条件和环境要求并不苛刻，抗外界因素干扰能力又强，因此在机械、微电子、科研等相关领域得到了广泛应用。然而，这种干涉技术的测量精度取决于双频的稳定性，于是对激光源和测量技术就提出了较高的要求，往往导致其价格昂贵。通过比较以上两种干涉技术，可以知道要想提高干涉测量仪精度的有效途径，测量的物理量必须与位相差直接相关，与光强度无此必然关系。
根据光不同的偏振态叠加以及光干涉原理，分析了同频率的两束圆偏振光相干叠加，于是将干涉和偏振这两个光学特性统一于一体，分析它们之间的相互关系。同时也从两方面推导出了圆偏振光干涉的原理，两束分别为左、右旋转的圆偏振光干涉合成线偏振光后，其振动的方向由两束光产生的相位差决定。因此，通过测量线偏振光偏振方向的变化就能得到光程差，使干涉信号与光强并无相关。圆偏振光干涉系统的精度取决于偏振方向变化角度的测量方法。为此，引入测定椭圆偏振光偏振态的斯托克斯参量法，确定3个斯托克斯参量[2]，可以得到线偏振光偏振方向转动的角度，由此得到相位差。实验中设计实验光路，构建圆偏振光干涉系统，因为是同频干涉，所以使用单频激光作为光源即可，这比双频干涉测量系统在激光源的难题上具有优越性。
本文利用构建的圆偏振光干涉测量系统，分析并测量铌酸锂晶体在外加电场下的光学特性。随着信息技术的发展趋势的不断发展，铌酸锂晶体广泛应用于现代激光技术。铌酸锂晶体的双折射特性可以被操纵，能够通过改变电场的方向或大小和控制光的传播方向，强度和偏振性质，从而达到实际运用的目的，例如调Q和电光调制偏转等电光效应的应用。铌酸锂晶体不但受外加电场影响，同样深受温度、应力、磁场及其他诸多因素的影响。由于电光晶体对这些外来因素的敏感性[3]，使得这些因素在对晶体施加电场时产生其他种种影响。实验中具体研究了铌酸锂晶体受到外加电场影响时的温度效应[4]。温度对铌酸锂晶体的折射率以及电光系数有重要的影响，通过研究铌酸锂晶体的电光系数，以及其电光系数随温度的变化关系，对铌酸锂晶体器件的理论研究和实际应用有现实意义。
第二章 激光干涉仪的分析
激光干涉仪一般分为单、双频激光干涉仪，通过以下两种激光干涉仪的分析和比较，得到新的干涉侧测量。
2.1 单频激光干涉仪原理及特点
单频激光干涉仪的原理是通过已知长度的激光波长，利用迈克耳逊干涉系统测量位移量[5]。迈克尔逊干涉仪的两个分离的光束的相干光，两个光束之间的光程差可根据不同的需求随之变化，测量结果的准确性是可相比于波长。该种干涉仪的应用范围很广，只要是可以引起光程变化的物理量都能被测量，因此常用来测量位移量和分析光谱线精细结构。
当光路中可动反射镜被沿着相应移动时，所形成干涉条纹的光强变化由光电转换元器件与电子线路转换成电信号，经整形、放大后输入计数器计算出脉冲总数，再由PC机按计算式
(2.1）
式中l为光波波长，N为电脉冲的总数，从而算出可动反射镜的位移量L。在使用单频激光干涉仪时，要求周围环境相对稳定，各种空气湍流均会造成直流电平变化进而影响测量结果。
单频激光干涉仪比较突出的缺点是易受自然环境的影响，在恶劣的测试环境下，进行长距离的测量，它的缺点会很突出，唯有设法用交流测量替代直流测量才能在根本上消除单频激光干涉仪的弱点。
2.2 双频激光干涉仪原理及特点
双频激光干涉仪是由单频激光干涉仪为基础的不断改进而成的外差式干涉仪，采用经典的迈克尔逊干涉仪结构[6]。至今为止，不同类型的激光外差干涉仪被广泛应用在长度和振动的精密测量上，双频He-Ne激光器应用轴向磁场赛曼效应。信号经计算机作相应分析处理后，通过计算两拍之差即可得到频移 。若测量角锥棱镜在t时间内干涉级变化是N，则有
式中 是在时间间隔 t 内测量角锥移动距离L，于是
上述计算由计算机自动完成，最后计算机显示所测长度值。
实验时若采用双频干涉，则相比较单频而言具有信号噪声小、抗环境干扰强、允许光源多通道复用等众多优点[7]。
综上看出，单频激光干涉技术能够通过各种不同的干涉仪来实现，其对激光源以及光学器件的要求不高，然而它的探测信号和光强度直接相关，很容易受到外界的影响，从而使得测量精度降低。双频激光干涉技术的原理是将高频转化成低频的相位测量，从而使测量的精度能够大幅度地提高，此外，由于该技术对使用的条件和环境要求并不苛刻，抗外界因素干扰能力又强，因此在机械、电子、研发等相关领域得到了广泛应用[8]。然而，这种干涉技术的测量精度取决于双频的稳定性，于是对激光源和测量技术就提出了较高的要求，往往导致其价格昂贵。通过比较以上两种干涉技术，可以知道要想实现提高干涉测量仪精度的方法，即是要使测量的物理量必须与位相差直接相关。由单双频干涉技术的原理、特点以及不足，文章采用圆偏振光干涉技术作为实验测量系统，较以上两种干涉技术有独特优点，且测量精度不会较以上两种干涉技术偏低。
第三章 圆偏振光干涉原理
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