近代物理实验4-5电光调制器特性的调试

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1、电光调制器特性的调试方啸（南开大学物理科学学院，天津300071）【摘要】本文介绍了电光效应的基本原理，并阐述了电光调制器的结构、原理和性能。之后作者通过设计实验和分析数据测量了静态法和动态法的消光比，并记录了不同直流偏压下将1/4波片放在不同位置对调制光强的影响。【关键字】电光效应电光调制器消光比光偏压法1.引言在外场的作用下，晶体的光学性质会产生一定的变化，从而出现电光、磁光、热光光折变等效应。外场效应对晶体的宏观性质的影响，主要反映在晶体的折射率的变化上，这种变化虽然小，但足以改变光在晶体中传播的许多

2、特性，因此可以达到用外场来控制光的传播方向、位相、强度、偏振态等，从而是输出光成为可利用的信号光。这个实验——电光调制器特性的调试(TheDebuggingofElectro-opticModulator)的主要目的是熟悉晶体的电光效应和电光调制的基本工作原理，掌握电光调制器主要性能的测试方法，了解电光调制器的应用。通过分析单轴晶体在外场作用下呈现的电光特性、双折射现象产生的原因，利用电光调制晶体在外场作用下是折射率椭球发生变化的现象，推导出晶体的各种特性，测定各种参数。本实验所用的LiNbO3电光调制晶体

3、在不同外场作用下，光强被调制的情况作详细的分析，求出电光调制警惕的重要参数消光比和半波电压，并进一步求出LiNbO3晶体的线性电光系数。本文先介绍电光效应的原理，再详细讲解折射率椭球，第四部分介绍线性电光系数的计算，第五部分介绍电光调制器的结构和原理，最后介绍我们的实验。2.电光效应电光效应的定义：晶体的折射率因外加电场而发生变化的现象称为电光效应。折射率与外电场成比例改变的称为线性电光效应或普克尔效应，与外加电场的二次方成比例改变的称为二次电光效应。电光效应的应用：光雷达、光存储、光通信等激光应用中的关键

4、元件。介电常数各向同性介质满足(1)而各向异性介质满足(2)其中晶体的介电系数为二阶张量。晶体的介电常数ε与折射率n之间满足：(3)双折射一束光射入各向异性的晶体中分成两束光，遵循通常的折射定律的称为寻常光o光，不遵循通常的折射定律，偏离入射光线的路径为异常光e光。当光沿晶体的某一主轴向传播时，不发生双折射现象，这个特定的轴向为光轴。1.折射率椭球折射率椭球是用来描述晶体光学性质常用的示性面，在各向异性介质的主轴坐标系中，光率体用下式描述：(4)式中n1、n2、n3为该光率体在主轴方向上的折射率，称为主折射

5、率，即此折射率椭球的三个半长轴分别为n1、n2、n3。(见图1)(5)高级晶族光率体(6)中级晶族光率体(7)低级晶族光率体(8)使上式中的n1

6、振动方向相互垂直的两个光波，可以合成不同偏振光，利用偏光镜可以产生干涉。1.线性电光系数电场作用于晶体所引起的折射率的变化为：(10)γ为线性电光系数。对各向异性的晶体，电场作用于晶体对其折射率的影响，随入射光的偏振方向的不同而不同，因而必须用线性光电系数张量γijk表示任意方向上外加场Ek对折射率的影响：(11)LiNbO3晶体铌酸锂晶体为3m点群，负光轴晶体。光率体为一旋转椭球，方程为：(12)加上电场后，折射率椭球的形状、大小和方向均发生变化，方程为：(13)电光效应电光效应有两种：纵向电光效应，横向

7、电光效应。纵向电光效应是指光波的法线方向与外加电场方向平行，即电场方向与光束传播方向相同，定义X3为光轴，此时晶体的折射率椭球方程为：(14)横向电光效应横向电光效应，电场垂直于X3轴方向，铌酸锂晶体的折射率椭球方程为(15)坐标变化后，方程为(16)这种折射率椭球的变化必然造成光沿某一方向传播时双折射性能的变化，这种变化与外加电场直接相关，这就是电光调制应用于实现光调制的基础。半波电压当在调制器铌酸锂晶体上加电场E1后，外电场引起折射率变化，两拨通过晶体后产生位相差：(17)在电光效应中，使两个光波产生半

8、个波长的光程差所需要的电压为半波电压：(18)则得到电光系数γ22和位相差φ的表达式为：(19)(20)1.电光调制器起偏镜：产生线偏振光；检偏镜：使两个相干的线偏振光在同一个平面内振动，引起干涉而产生强度的变化。图2是横向电光调制器的实验原理图。图2横向电光调制器的实验原理图被调制光强I与输入光强Io之间为：(21)电光调制晶体上加直流电压与被调制光强的关系曲线见图3。图3调制光强与外电场的关系消光比定义调制器