电光效应的研究论文

电光效应 历史版本某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象为电光效应.电光效应包括泡克耳斯(Pockels)效应和克尔(Kerr)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显示出光学各向异性的效应。电光效应包括克尔效应和泡克耳斯效应[1]。折射率与所加电场强度的一次方成正比改变的为Pockels效应或线性电光效应，1893年由德国物理学家泡克耳斯(Friedrich Carl Alwin Pockels ,1865 - 1913)发现.折射率与所加电场强度的二次方成正比改变的为Kerr效应或二次电光效应，1875年由英国物理学家克尔(John kerr,1824-1907)发现。利用电光效应可以制作电光调制器,电光开关,电光光偏转器等,可用于光闸,激光器的Q开关和光波调制,并在高速摄影,光速测量,光通信和激光测距等激光技术中获得了重要应用.当加在晶体上的电场方向与通光方向平行,称为纵向电光调制(也称为纵向运用);当通光方向与所加电场方向相垂直,称为横向电光调制(也称为横向运用).利用电光效应可以实现对光波的振幅调制和位相调制.[编辑本段]克尔效应1875年英国物理学家J.克尔发现，玻璃板在强电场作用下具有双折射性质，称克尔效应(Kerr effect)。后来发现多种液体和气体都能产生克尔效应。观察克尔效应的实验装置。内盛某种液体（如硝基苯）的玻璃盒子称为克尔盒，盒内装有平行板电容器，加电压后产生横向电场。克尔盒放置在两正交偏振片之间。无电场时液体为各向同性，光不能通过P2。存在电场时液体具有了单轴晶体的性质，光轴沿电场方向，此时有光通过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。电场改变时，通过P2的光强跟着变化，故克尔效应可用来对光波进行调制。液体在电场作用下产生极化，这是产生双折射性的原因。电场的极化作用非常迅速，在加电场后不到10-9秒内就可完成极化过程，撤去电场后在同样短的时间内重新变为各向同性。克尔效应的这种迅速动作的性质可用来制造几乎无惯性的光的开关——光闸，在高速摄影、光速测量和激光技术中获得了重要应用。[编辑本段]泡克耳斯效应1893年由德国物理学家.泡克耳斯发现。一些晶体在纵向电场（电场方向与光的传播方向一致）作用下会改变其各向异性性质，产生附加的双折射效应。例如把磷酸二氢钾晶体放置在两块平行的导电玻璃之间，导电玻璃板构成能产生电场的电容器，晶体的光轴与电容器极板的法线一致，入射光沿晶体光轴入射。与观察克尔效应一样，用正交偏振片系统观察。不加电场时，入射光在晶体内不发生双折射，光不能通过P2。加电场后，晶体感生双折射，就有光通过P2。泡克耳斯效应与所加电场强度的一次方成正比。大多数压电晶体都能产生泡克耳斯效应。泡克耳斯效应与克尔效应一样常用于光闸、激光器的Q开关和光波调制等。[编辑本段]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.学会用简单的实验装置测量晶体半波电压，电光常数的实验方法。观察电光效应所引起的晶体光性的变化和会聚偏振光的干涉现象。【学史背景】当给晶体或液体加上电场后,该晶体或液体的折射率发生变化，这种现象成为电光效应.电光效应在工程技术和科学研究中有许多重要应用，它有很短的响应时间(可以跟上频率为1010Hz的电场变化)，可以在高速摄影中作快门或在光速测量中作光束斩波器等。在激光出现以后,电光效应的研究和应用得到迅速的发展，电光器件被广泛应用在激光通讯，激光测距，激光显示和光学数据处理等方面。【实验原理】1.一次电光效应和晶体的折射率椭球由电场所引起的晶体折射率的变化，称为电光效应.通常可将电场引起的折射率的变化用下式表示：n = n0 + aE0 +bE02+……式中a和b为常数,n0为不加电场时晶体的折射率。由一次项aE0 引起折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔(Pokells)效应；由二次项bE02引起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也称平方电光效应或克尔(Kerr)效应。一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应则可能存在于任何物质中，一次效应要比二次效应显著。 光在各向异性晶体中传播时,因光的传播方向不同或者是电矢量的振动方向不同，光的折射率也不同。如图1，通常用折射率球来描述折射率与光的传播方向,振动方向的关系。晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应两种.纵向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播的方向平行时产生的电光效应;横向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播方向垂直时产生的电光效应.通常KD*P(磷酸二氘钾)类型的晶体用它的纵向电光效应,LiNbO3(铌酸锂)类型的晶体用它的横向电光效应.本实验研究铌酸锂晶体的一次电光效应,用铌酸锂晶体的横向调制装置测量铌酸锂晶体的半波电压及电光系数,并用两种方法改变调制器的工作点,观察相应的输出特性的变化.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上去的问题,我们把信息加载于激光辐射的过程称为激光调制,把完成这一过程的装置称为激光调制器.由已调制的激光辐射还原出所加载信息的过程则称为解调.因为激光实际上只起到了"携带"低频信号的作用,所以称为载波,而起控制作用的低频信号是我们所需要的,称为调制信号,被调制的载波称为已调波或调制光.按调制的性质而言,激光调制与无线电波调制相类似,可以采用连续的调幅,调频,调相以及脉冲调制等形式,但激光调制多采用强度调制.强度调制是根据光载波电场振幅的平方比例于调制信号,使输出的激光辐射的强度按照调制信号的规律变化.激光调制之所以常采用强度调制形式,主要是因为光接收器一般都是直接地响应其所接受的光强度变化的缘故.激光调制的方法很多,如机械调制,电光调制,声光调制,磁光调制和电源调制等.其中电光调制器开关速度快,结构简单.因此,在激光调制技术及混合型光学双稳器件等方面有广泛的应用.电光调制根据所施加的电场方向的不同,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,叫做纵向电光调制,利用横向电光效应的调制,叫做横向电光调制.这次实验中,我们只做LiNbO3晶体的横向调制实验.【实验仪器】电光效应实验仪,电光调制电源,接收放大器,He-Ne激光器,二踪示波器和万用表.(1)晶体电光调制电源.调制电源由-200V—+200V之间连续可调的直流电源,单一频率振荡器(振荡频率约为1kHz),音乐片和放大器组成,电源面板上有三位半数字面板表,可显示直流电压值.晶体上加的直流电压的极性可以通过面板上的"极性"键改变,直流电压的大小用"偏压"旋钮调节.调制信号可由机内振荡器或音乐片提供,此调制信号是用装在面板上的"信号选择"键来选择三个信号中的任意一个信号.所有的调制信号的大小是通过"幅度"旋钮控制的.通过前面板上的"输出"插孔输出的参考信号,接到二踪示波器的一个通道与被调制后的接收信号比较,观察调制器的输出特性.(2)调制器.调制器由三个可旋转的偏振片,一个可旋转的1/4波片和一块铌酸锂晶体组成,采用横向调制方式.晶体放在两个正交的偏振片之间,起偏振片和晶体的x轴平行.检偏振片和晶体之间可插入1/4波片,偏振片和波片均可绕其几何轴旋转.晶体放在四维调节架上,可精细调节,使光束严格沿晶体光轴方向通过.(3)接收放大器.接收放大器由3DU光电三极管和功率放大器组成.光电三极管把被调制了的氦氖激光经光电转换,输入到功率放大器上,放大后的信号接到二踪示波器,同参考信号比较,观察调制器的输出特性.交流信号输出的大小通过"交流输出"旋钮调节.放大器内装有扬声器,用来再现声音调制信号,放大器面板上还有"直流输出"插孔,接到万用表的200mV直流电压档,用于测量光电三极管接收到的光强信号的大小.【实验内容】1.观察晶体的会聚偏振光干涉图样和电光效应形象(1)调节激光管使激光束与晶体调节台上表面平行,同时使光束通过各光学元件中心(这一步老师已调好,学生不要动).调节起偏振片和检偏振片正交,且分别平行于x轴,y轴,放上晶体后各器件要细调,精细调节是利用单轴晶体的锥光干涉图样的变化完成的.由于晶体的不均匀性,在检偏振片后面的白屏上可看到一弱光点,然后紧靠晶体前放一张镜头纸,这时在白屏上可观察到单轴晶体的锥光干涉图样,如图4.一个暗十字图形贯穿整个图样,四周为明暗相间的 图 4同心干涉圆环,十字形中心同时也是圆环的中心,它对应着晶体的光轴方向,十字形方向对应于两个偏振片的偏振轴方向.在观察过程中要反复微调晶体,使干涉图样中心与光点位置重合,同时尽可能使图样对称,完整,确保光束既与晶体光轴平行,又从晶体中心穿过的要求,再调节使干涉图样出现清晰的暗十字,且十字的一条线平行于x轴.这一步调节很重要,调节的好坏,直接影响下一步的测量,因此,一定要耐心,仔细调节.注意此时放大器的电源要关掉,激光光点应落在白屏上,而不能对准光电三极管,以免烧坏.(2)加上直流偏压时呈现双轴晶体的锥光干涉图样,它说明单轴晶体在电场的作用下变成了双轴晶体.(3)两个偏振片正交时和平行时干涉图样是互补的.(4)改变直流偏压的极性时,干涉图样旋转90°.(5)只改变直流偏压的大小时,干涉图样不旋转,只是双曲线分开的距离发生变化.这一现象说明,外加电场只改变感应主轴方向的主折射率的大小,折射率椭球旋转的角度与电场大小无关.2.测定铌酸锂晶体的透过率曲线(即T～U曲线),求出半波电压,再算出电光系数.在我们实验中,用两种方法测量铌酸锂晶体的半波电压,一种方法是极值法,另一种方法是调制法.(1)极值法晶体上只加直流电压,不加交流信号,把直流电压从小到大逐渐改变,输出的光强将会出现极小值和极大值,相邻极小值和极大值对应的直流电压之差即是半波电压.具体做法是:取出镜头纸,光电三极管接收器对准激光光点,放大器的直流输出接到万用表上,万用表调到200mV直流档.为了使光电三极管不致损坏,在起偏振片前再加一块偏振片作为减光片,加在晶体上的电压从零开始,逐渐增大,注意万用表读数的变化,当读数超过200mV时,应旋转减光片,使光强减小,再增大直流偏压到最大,保持万用表的读数始终不超过200mV,再减小直流偏压到零,若万用表的读数始终不超过200mV,则可以开始测量数据了.加在晶体上的电压在电源面板上的数字表读出,每隔5V增大一次,再读出相应的万用表的读数作为接收器接收到的光强值.(2)调制法晶体上直流电压和交流信号同时加上,与直流电压调到输出光强出现极小值或极大值对应的电压值时,输出的交流信号出现倍频失真,出现相邻倍频失真对应的直流电压之差就是半波电压.具体做法是:按下电源面板上"正弦"键,把电源前面板上的调制信号"输出"接到二踪示波器的CH2上,把放大器的调制信号接到示波器的CH1上,把CH1,CH2上的信号做比较,调节直流电压,当晶体上加的直流电压到某一值U1时,输出信号出现倍频失真,再调节直流电压,当晶体上加的直流电压到另一值U2时,输出信号又出现倍频失真,相继两次出现倍频失真时对应的直流电压之差U2-U1就是半波电压.这种方法比极值法更精确,因为用极值法测半波电压时,很难准确的确定T～U曲线上的极大值或极小值,因而其误差也较大.但是这种方法对调节的要求很高,很难调到最佳状态.如果观察不到两次倍频失真,则需要重新调节暗十字形干涉图样,调整好以后再做本内容.3.改变直流偏压,选择不同的工作点,观察正弦波电压的调制特性电源面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,机内单一频率的正弦波振荡器工作,产生正弦信号,此信号经放大后,加到晶体上,同时,通过面板上的"输出"孔,输出此信号,把它接到二踪示波器的CH1上,作为参考信号.改变直流偏压,使调制器工作在不同的状态,把被调制信号经光电转换,放大后接到二踪示波器的CH2上,和CH1上的参考信号比较.选择5个不同的工作点40V,80V,120V,160V,200V,观察接收信号的波形并画出图形.工作点选定在曲线的直线部分,即U0=/2附近时是线性调制;工作点选定在曲线的极小值(或极大值)时,输出信号出现"倍频"失真;工作点选定在极小值(或极大值)附近时输出信号失真,观察时调制信号幅度不能太大,否则调制信号本身失真,输出信号的失真无法判断由什么原因引起的,把观察到的波形描下来,并和前面的理论分析作比较.做这一步实验时,把电源上的调制幅度,调制器上的输入光强,放大器的输出,示波器上的增益(或哀减)这四部分调好,才能观察到很好的输出波形.4.用1/4波片改变工作点,观察输出特性在上述实验中,去掉晶体上所加的直流偏压,把1/4波片置入晶体和偏振片之间,绕光轴缓慢旋转时,可以看到输出信号随着发生变化.当波片的快慢轴平行于晶体的感应轴方向时,输出信号线性调制;当波片的快慢轴分别平行于晶体的x,y轴时,输出光失真,出现"倍频"失真.因此,把波片旋转一周时,出现四次线性调制和四次"倍频"失真.值得注意的是,不仅通过晶体上加直流偏压可以改变调制器的工作点,也可以用1/4波片选择工作点,其效果是一样的,但这两种方法的机理是不同的.5.光通讯的演示按下电源面板的"音乐"键,此时,正弦信号被切断,输出装在电源里的"音乐"片信号.拔掉交流输出插头,输出信号通过接收放大器上的扬声器播放,可听到音乐.如改变直流偏压的大小,则会听到音乐的音质有变化,说明音乐也有失真和不失真.用不透明的物体遮光,则音乐停止,不遮光,则音乐又响起,由此说明激光可以携带信号,实现光通讯.把音乐信号接到示波器上,可以看到我们听到的音乐信号的波形,它是由振幅相的不同频率的正弦波迭加而成的.【注意事项】激光管出光时,电极上所加的直流电压高达千伏,要注意人身安全.2.晶体又细又长,容易折断,电极是真空镀的铝膜,操作时要注意,晶体电极上面的铝条不能压的太紧或给晶体施加压力,以免压断晶体.3.光电三极管应避免强光照射,以免烧坏.做实验时,光强应从弱到强,缓慢改变,尽可能在弱光下使用,这样能保证接收器光电转换时线性性良好.4.电源和放大器上的旋钮顺时针方向为增益加大的方向,因此,电源开关打开前,所有旋钮应该逆时针方向旋转到头,关仪器前,所有旋钮逆时针方向旋转到头后再关电源.

光电效应首先由德国物理学家海因里希·赫兹于1887年发现，对发展量子理论及提出波粒二象性的设想起到了根本性的作用。

菲利普·莱纳德用实验发现了光电效应的重要规律。

阿尔伯特·爱因斯坦则提出了正确的理论机制。

1839年，年仅十九岁的亚历山大·贝克勒尔（Alexandre Becquerel），在协助父亲研究将光波照射到电解池（electrolytic cell）所产生的效应时，发现了光生伏打效应。

虽然这不是光学效应，但对于揭示物质的电性质与光波之间的密切关系有很大的作用。

威勒毕·史密斯（Willoughby Smith）于1873年在进行与水下电缆相关的一项任务，测试硒圆柱高电阻性质时，发现其具有光电导性，即照射光束于硒圆柱会促使其电导增加。

海因里希·赫兹

1887年，德国物理学者海因里希·赫兹做实验观察到光电效应、电磁波的发射与接收。

在赫兹的发射器里有一个火花间隙（spark gap），可以借着制造火花来生成与发射电磁波。

在接收器里有一个线圈与一个火花间隙，每当线圈侦测到电磁波，火花间隙就会出现火花。

由于火花不很明亮，为了更容易观察到火花，他将整个接收器置入一个不透明的盒子内。

他注意到最大火花长度因此减小。

为了理清原因，他将盒子一部分一部分拆掉，发现位于接收器火花与发射器火花之间的不透明板造成了这屏蔽现象。

假若改用玻璃来分隔，也会造成这屏蔽现象，而石英则不会。

经过用石英棱镜按照波长将光波分解，仔细分析每个波长的光波所表现出的屏蔽行为，他发现是紫外线造成了光电效应。

赫兹将这些实验结果发表于《物理年鉴》，他没有对该效应做进一步的研究。

紫外线入射于火花间隙会帮助产生火花，这个发现立刻引起了物理学者们的好奇心，其中包括威廉·霍尔伐克士（Wilhelm Hallwachs）、奥古斯图·里吉（Augusto Righi）、亚历山大·史托勒托夫（Aleksandr Stoletov）等等。

他们进行了一系列关于光波对于带电物体所产生效应的研究调查，特别是紫外线。

这些研究调查证实，刚刚清洁干净的锌金属表面，假若带有负电荷，不论数量有多少，当被紫外线照射时，会快速地失去这负电荷；假若电中性的锌金属被紫外线照射，则会很快地变为带有正电荷，而电子会逃逸到金属周围的气体中，假若吹拂强风于金属，则可以大幅度增加带有的正电荷数量。

约翰·艾斯特（Johann elster）和汉斯·盖特尔（Hans Geitel），首先发展出第一个实用的光电真空管，能够用来量度辐照度。

艾斯特和盖特尔将其用于研究光波照射到带电物体产生的效应，获得了巨大成果。

他们将各种金属依光电效应放电能力从大到小顺序排列：铷、钾、钠钾合金、钠、锂、镁、铊、锌。

对于铜、铂、铅、铁、镉、碳、汞，普通光波造成的光电效应很小，无法测量到任何效应。

上述金属排列顺序与亚历山德罗·伏打的电化学排列相同，越具正电性的金属给出的光电效应越大。

汤姆孙量度粒子荷质比的光电效应实验装置。

当时研究“赫兹效应”的各种实验还伴随着“光电疲劳”的现象，让研究变得更加复杂。

光电疲劳指的是从干净金属表面观察到的光电效应逐渐衰微的现象。

根据霍尔伐克士的研究结果，在这现象里，臭氧扮演了很重要的角色。

可是，其它因素，例如氧化、湿度、抛光模式等等，都必须纳入考量。

1888至1891年间，史托勒托夫完成了很多关于光电效应的实验与分析。

他设计出一套实验装置，特别适合于定量分析光电效应。

借助此实验装置，他发现了辐照度与感应光电流的直接比例。

另外，史托勒托夫和里吉还共同研究了光电流与气压之间的关系，他们发现气压越低，光电流变越大，直到最优气压为止；低于这最优气压，则气压越低，光电流变越小。

约瑟夫·汤姆孙于1897年4月30日在大不列颠皇家研究院（Royal Institution of Great Britain）的演讲中表示，通过观察在克鲁克斯管里的阴极射线所造成的萤光辐照度，他发现阴极射线在空气中透射的能力远超一般原子尺寸的粒子。

因此，他主张阴极射线是由带负电荷的粒子组成，后来称为电子。

此后不久，通过观察阴极射线因电场与磁场作用而产生的偏转，他测得了阴极射线粒子的荷质比。

1899年，他用紫外线照射锌金属，又测得发射粒子的荷质比为×10emu/g，与先前实验中测得的阴极射线粒子的数值×10emu/g大致符合。

他因此正确推断这两种粒子是同一种粒子，即电子。

他还测出这粒子所载有的负电荷 。

从这两个数据，他成功计算出了电子的质量：大约是氢离子质量的千分之一。

电子是当时所知质量最小的粒子。

匈牙利物理学家菲利普·莱纳德

菲利普·莱纳德于1900年发现紫外线会促使气体发生电离作用。

由于这效应广泛发生于好几厘米宽区域的空气，并且制造出很多大颗的正离子与小颗的负离子，这现象很自然地被诠释为光电效应发生于在气体中的固体粒子或液体粒子，汤姆孙就是如此诠释这现象。

1902年，莱纳德又发布了几个关于光电效应的重要实验结果。

第一，借着变化紫外光源与阴极之间的距离，他发现，从阴极发射的光电子数量每单位时间与入射的辐照度成正比。

第二，使用不同的物质为阴极材料，可以显示出，每一种物质所发射出的光电子都有其特定的最大动能（最大速度），换句话说，光电子的最大动能于光波的光谱组成有关。

第三，借着调整阴极与阳极之间的电压差，他观察到，光电子的最大动能与截止电压成正比，与辐照度无关。

由于光电子的最大速度与辐照度无关，莱纳德认为，光波并没有给予这些电子任何能量，这些电子本来就已拥有这能量，光波扮演的角色好似触发器，一触即发地选择与释出束缚于原子里的电子，这就是莱纳德著名的“触发假说”（triggering hypothesis）。

在那时期，学术界广泛接受触发假说为光电效应的机制。

可是，这假说遭遇到一些严峻问题，例如，假若电子本来在原子里就已拥有了逃逸束缚与发射之后的动能，那么，将阴极加热应该会给予更大的动能，但是物理学者做实验并没有测量到任何不同结果。

英姿焕发的爱因斯坦在1905年（爱因斯坦奇迹年）发表了六篇划时代的论文。

1905年，爱因斯坦发表论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》，对于光电效应给出另外一种解释。

他将光束描述为一群离散的量子，现称为光子，而不是连续性波动。

对于马克斯·普朗克先前在研究黑体辐射中所发现的普朗克关系式，爱因斯坦给出另一种诠释：频率为 的光子拥有的能量为 ；其中， 因子是普朗克常数。

爱因斯坦认为，组成光束的每一个量子所拥有的能量等于频率乘以普朗克常数。

假若光子的频率大于某极限频率，则这光子拥有足够能量来使得一个电子逃逸，造成光电效应。

爱因斯坦的论述解释了为什么光电子的能量只与频率有关，而与辐照度无关。

虽然光束的辐照度很微弱，只要频率足够高，必会产生一些高能量光子来促使束缚电子逃逸。

尽管光束的辐照度很强劲，假若频率低于极限频率，则仍旧无法给出任何高能量光子来促使束缚电子逃逸。

爱因斯坦的论述极具想像力与说服力，但却遭遇到学术界强烈的抗拒，这是因为它与詹姆斯·麦克斯韦所表述，而且经过严格理论检验、通过精密实验证明的光的波动理论相互矛盾，它无法解释光波的折射性与相干性，更一般而言，它与物理系统的能量“无穷可分性假说”相互矛盾。

甚至在实验证实爱因斯坦的光电效应方程正确无误之后，强烈抗拒仍旧延续多年。

爱因斯坦的发现开启了的量子物理的大门，爱因斯坦因为“对理论物理学的成就，特别是光电效应定律的发现”荣获1921年诺贝尔物理学奖。

图为密立根做光电效应实验得到的最大能量与频率关系线。

竖轴是能够阻止最大能量光电子抵达阳极的截止电压，P是逸出功，PD是电势差（potential difference)。

爱因斯坦的论文很快地引起美国物理学者罗伯特·密立根的注意，但他也不赞同爱因斯坦的理论。

之后十年，他花费很多时间做实验研究光电效应。

他发现，增加阴极的温度，光电子最大能量不会跟着增加。

他又证实光电疲劳现象是因氧化作用所产生的杂质造成，假若能够将清洁干净的阴极保存于高真空内，就不会出现这种现象了。

1916年，他证实了爱因斯坦的理论正确无误，并且应用光电效应直接计算出普朗克常数。

密立根因为“关于基本电荷以及光电效应的工作”获颁1923年诺贝尔物理学奖。

根据波粒二象性，光电效应也可以用波动概念来分析，完全不需用到光子概念。

威利斯·兰姆与马兰·斯考立（Marlan Scully）于1969年证明这理论。