KDP晶体电光效应.doc

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1、KDP型晶体的线性电光效应原理及应用王聪1.线性电光效应光波在介质中的传播规律受到介质折射率分布的制约。对于一些晶体材料，当施加电场之后，将引起束缚电荷的重新分布，并可能导致离子晶格的微小形变，其结果将引起介电系数的变化，最终导致晶体折射率的变化，折射率成为外加电场E的函数，即:(1)式中n0是E＝0时折射率,第一项称为线性电光效应或泡克耳（Pockels）效应；第二项称为二次电光效应或克尔（Kerr）效应。对于大多数电光晶体材料，一次效应要比二次效应显著。对于线性电光效应的晶体，折射率变化与电场强度成正比(2)电位移矢量与电场强度的关系：(3)如果令：,则

2、(4)称为逆介电张量，且为对称张量。展开写为以下的形式：(5)在主轴坐标系下：(6)KDP晶体加电场前:;加电场后:。介质在外加电场作用下逆介电张量的变化为:(7)(8)为线性电光系数，为二次电光系数。线性电光方程：(9)因此在外场作用下，折射率椭球方程为：(10)由（9）求出后，代入（10）中就可以获得在外场作用下折射率椭球方程的变化,从而求出折射率的变化。因为为对称张量，所以介质在外加电场作用下的变化也为对称张量，即(11)所以：(12)具有交换对称性，可压缩下脚标线性电光效应则可以用矩阵表示：(13)如果知道外加电场的方向，可求出，再由（10）式可写出

3、折射率椭球方程，进而计算出相应的折射率变化。对晶体加电场后，折射率椭球的形状、大小、方位等均发生变化，椭球方程变为：(14)假设变化后的主轴坐标系为，折射率方程变为：(15)2.KDP晶体的线性电光效应KDP晶体未加电场：(16)对常用的KDP（KH2PO4）晶体有nx1=nx2=no，nx3=ne，no＞ne，只有，而且。加电场E后：(17)折射率方程变为：(18)为电场E在上的分量；描写垂直于光轴方向的电场所产生的电光效应；描写平行于方向的电场所产生的电光效应。考虑，则折射率方程变为：(19)将坐标和坐标绕轴旋转a角得到感应主轴坐标系，当a=45°，感应

4、主轴坐标系中椭球方程为：(20)主折射率变为：(21)可见，KDP晶体沿轴加电场时，由单轴晶体变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕轴旋转了45°角。如下图所示：此转角与外加电场的大小无关，其折射率变化与电场成正比，这是利用电光效应实现光调制、调Q、锁模等技术的物理基础。3.KDP晶体的应用实际应用中，电光晶体总是沿着相对光轴的某些特殊方向切割而成的，而且外电场也是沿着某一主轴方向加到晶体上，常用的有两种方式：一种是电场方向与光束在晶体中的传播方向一致，称为纵向电光效应；另一种是电场与光束在晶体中的传播方向垂直，称为横向电光效应。㈠.KDP晶体的纵向应用当入射沿

5、方向偏振，进入晶体后即分解为沿和方向的两个垂直偏振分量。它们在晶体内传播L光程分别为和，两偏振分量的相位延迟分别为(22)(23)当这两个光波穿过晶体后将产生一个相位差：(24)这个相位延迟完全是由电光效应造成的双折射引起的，所以称为电光相位延迟。当电光晶体和传播的光波长确定后，相位差的变化仅取决于外加电压，即只要改变电压，就能使相位成比例地变化。当光波的两个垂直分量的光程差为半个波长（相应的相位差为p）时所需要加的电压，称为“半波电压”，通常以Vp或Vl/2表示。由（24）得到：(25)半波电压是表征电光晶体性能的一个重要参数，这个电压越小越好，特别是在宽

6、频带高频率情况下，半波电压越小，需要的调制功率就越小。㈡.KDP晶体的横向应用入射光进入晶体后即分解为沿和方向的两个垂直偏振分量。相应的折射率分别为:和。两偏振分量的相位延迟分别为：(26)当这两个光波穿过晶体后将产生一个相位差:(27)下面举一个KDP晶体纵向应用重要应用的例子，即电光调Q晶体：如图所示，第一阶段是在晶体上加，因为P1//P2，所以从晶体出来的光不能通过P2，被P2反射掉。所以光不能在腔内来回传播形成振荡，这就相当于腔内光子的损耗很大，Q值很低，称为“关门”状态。在第一阶段工作物质的反转粒子数达到最大值时，突然退去晶体上的电压，这时晶体又恢

7、复了原来的状态，光在腔内形成振荡，产生激光。