晶体电光效应孙秋梅说课讲解.ppt

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1、晶体电光效应孙秋梅实验原理：一、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创博时，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

2、也不同。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。在主轴坐标中，折射率椭球及其方程为：式中n1,n2,n3为椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。当晶体加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球方程变为：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的方向垂直时产生的电光效应。二、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

3、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者调制光。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半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

4、制、声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。KDP晶体纵调制设电光晶体是与xy平行的晶片，沿z方向的厚度为L，在z方向加电压（纵调制），在输入端放一个与x方向平行的起偏振器，入射光波沿z方向传播，且沿x方向偏振，射入晶体后，它分解成方向的偏振光（如图下图所示），射出晶体后的偏振态由式表示：首先进行坐标变换，得到xy坐标系内琼斯矩阵的表达式：如果在输出端放一个与y平行的检偏振器，就构成泡克耳斯盒。由检偏器输出的光波琼斯矩阵为：其中为两个

5、本征态通过厚度为L的电光介质获得的相位差由上式表示输出光波是沿y方向的线偏振光，其光强为上式说明光强受到外加电压的调制，称振幅调制，为光强的幅值，当·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。铌酸锂晶体横调制纵调制器件的调制度近似为，与外加电压振幅成正比，而与光波在晶体中传播的距离（即晶体沿光轴z的厚度L，又称作用距离）无关。这是纵调制的重要特性。纵调制器也有一些缺点。首先，大部分重要的电光晶体的半波电压都很高。由于与成正比，当光源波长较长时（例如10.6μm），更高

6、，使控制电路的成本大大增加，电路体积和重量都很大。其次，为了沿光轴加电场，必须使用透明电极，或带中心孔的环形金属电极。前者制作困难，插入损耗较大；后者引起晶体中电场不均匀。解决上述问题的方案之一，是采用横调制。电极D1、D2与光波传播方向平行。外加电场则与光波传播方向垂直。电光效应引起的相位差正比于电场强度E和作用距离L（即晶体沿光轴z的厚度）的乘积EL、E正比于电压V，反比于电极间距离d，因此对一定的，外加电压V与晶体长宽比L/d成反比，加大L/d可使得V下降。电压V下降不仅使控制电路成本下降、而且有利于提高开关速度。铌酸锂晶体具有优良的加工性能及很高的电光系数，r33=30.

7、8*10-12m/V,常常用来做成横制器。铌酸锂为单轴负晶体，有nx=ny=n0=2.297,nz=ne2.208令电场强度为E=Ez，得到电场感生的法线椭球方程式：其中应注意在这一情况下电场感生坐标系和主轴坐标系一致，仍然为单轴晶体，但寻常光和非常光的折射率都受到外电场的调制。设入射线偏振光沿xz的角平分线方向振动，两个本征态x和z分量的折射率差为当晶体的厚度为L，则射出晶体后光波的两个本征态的相位差为上式说明在横调制情况下，相位差由两部分构成：晶体的自然双折射部分(式中第一项