10、晶体的电光调制 河南理工

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1、物理实验3晶体的电光调制一、实验目的1.掌握晶体电光调制的原理和实验方法2.学会利用实验装置测量晶体的半波电压,计算晶体的电光系数3.观察晶体电光效应引起的晶体会聚偏振光的干涉现象（锥光干涉）二、实验仪器铌酸锂晶体（LBO，50mm*6mm*1.7mm）,电光调制电源，半导体激光器,偏振器,四分之一波片，接受放大器,双踪示波器三、实验原理要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光上去的问题。例如激光电话,就需要将语言信息加载到激光上,由激光携带信息通过一定的传输通道送到接收器,再由光接收器鉴别并还原成原来的信息。这种将信息加载到激光的过程称之为调制，到达目的地后，经光电转换从中

2、分离出原信号的过程称之为解调。其中激光称为载波，起控制作用的信号称之为调制信号。与无线电波相似的特性，激光调制按性质分，可以采用连续的调幅、调频、调相以及脉冲调制等形式。但常采用强度调制。强度调制是根据光载波电场振幅的平方比例于调制信号,使输出的激光辐射强度按照调制信号的规律变化。激光之所以常采用强度调制形式,主要是因为光接收器（探测器）一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。某些晶体(固体或液体)在外加电场中，随着电场强度E的改变,晶体的折射率会发生改变,这种现象称为电光效应。通常将电场引起的折射率的变化用下式表示：（1）式中a和b为常数,为=0时的折射率。由一次项引起折射率变化

3、的效应称为一次电光效应，也称线性电光效应或泡克尔电光效应（pokells）；由二次项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效应（Kerr)。由（1）式可知，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。通常用折射率椭球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的关系，在主轴坐标中，折射率椭球方程为电光-9物理实验3（2）椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。从折射率椭球的坐标原点O出发，向任意方向作一直线OP,令其代表光

4、波的传播方向K。然后,通过O垂直OP作椭圆球的中心截面，该截面是一个椭圆，其长短半轴的长度OA和OB分别等于波法线OP,电位移矢量振动方向分别与OA和OB平行的两个线偏振光的折射率和。显然K,OA,OB三者互相垂直，如果光波的传播方向K平行于x轴，则两个线偏光波的折射率等于n2和n3。同样当K平行于y轴和z轴时，相应的光波折射率亦可知。当晶体上加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球的方程变为（3）只考虑一次电光效应，上式与式（2）相应项的系数之差和电场强度的一次方成正比。由于晶体的各向异性，电场在x、y、z各个方向上的分量对椭球方程的各个系数的影响是不同的，我们用下列形

5、式表示：（4）上式是晶体一次电光效应的普遍表达式，式中叫做电光系数（，i=1,2,…6；j=1,2,3）,共有18个，电场E在x,y,z方向上的分量。式（4）可写成矩阵形式：电光-9物理实验3（5）电光效应根据施加的电场方向与通光方向相对关系，可分为纵向电光效应和横向电光效应。把加在晶体上的电场方向与光在晶体中的传播方向平行时产生的电光效应，称为纵向电光效应，通常以KDP类型晶体为代表。加在晶体上的电场方向与光在晶体中的传播方向垂直时产生的电光效应，称为横向电光效应，通常以LiNbO3（LBO）晶体为代表。这次实验中，我们只做LiNbO3晶体的横向电光强度调制实验。LiNbO3晶体属于三

6、角晶系，3m晶类，主轴Z方向有一个三次旋转轴，光轴与Z轴重合，是单轴晶体，折射率椭球是旋转椭球，其表达式为：（6）式中和分别为晶体的寻常光和非寻常光的折射率。加上电场后折射率椭球发生畸变，对于3m类晶体，由于晶体的对称性，电光系数矩阵形式为：（7）当X轴方向加电场，光沿Z轴方向传播时，晶体由单轴晶体变为双轴晶体，垂直于光轴Z方向折射率椭球截面由圆变为椭圆，此椭圆方程为（8）进行主轴变换后得到：电光-9物理实验3（9）考虑到，经化简得到（10）当X轴方向加电场时，新折射率椭球绕Z轴转动45°。下图为典型的利用LiNbO3晶体横向电光效应原理的激光强度调制器。z轴沿光传播方向，其中起偏器的偏

7、振方向平行于电光晶体的X轴，检偏器的偏振方向图一晶体横向电光效应原理图平行于Y轴。因此入射光经起偏器后变为振动方向平行于X轴的线偏振光，它在晶体的感应轴和轴上的投影的振幅和位相均相等，设分别为（11）或用复振幅的表示方法，将位于晶体表面（z=0）的光波表示为（12）所以，入射光的强度是（13）当光通过长为1的电光晶体后，和两分量之间就产生位相差δ，即（14）通过检偏器出射的光，是这两分量在Y轴上的投影之和（15）其对应的输出光强，可