晶體的電光效應

1、晶體的電光效應介質因電場作用而引起折射率變化的現(xiàn)象稱為電光效應，介質折射率和電場的關系可表不為:2 n = n0 aE bE (1)式中no是沒有外加電場(E=0)時的折射率，a和b是常數(shù)，其中電場一次項引起的變化 稱為線性電光效應，由 Pokels于1893年發(fā)現(xiàn)，故也稱為 Pokels效應；由電場的二次項引 起的變化稱為二次電光效應，由Kerr在1875年發(fā)現(xiàn)，也稱Kerr效應，在無對稱中心晶體中，一次效應比二次效應顯著得多，所以通常討論線性效應。盡管電場引起折射率的變化 很小，但可用干涉等方法精確地顯示和測定，而且它有很短的響應時間，所以利用電光效 應制成的電光器件在激光通信、激光測距、

2、激光顯示、高速攝影、信息處理等許多方面具 有廣泛的應用。實驗目的研究鋸酸鋰晶體的橫向電光效應，觀察錐光干涉圖樣，測量半波電壓； 學習電光調制的原理和實驗方法，掌握調試技能；了解利用電光調制模擬音頻光通信的一種實驗方法；實驗原理.晶體的電光效應按光的電磁理論，光在介質中傳播的速度為C = 0/ = ( ) ,名為介電系數(shù)，是對稱的二階張量，即 , =無，由此建立的 D和E的關系為： TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document Di =%Ej (i,j =1,2,3)(2)Di = ；iiEi . ；12E2 . ；13E3即：D2

3、，23日. ；22E2 . ；23E3D3 = ；31巳.Ez；33E3在各向同性的介質中，11 = %2 = %3 = E，D和E成簡單的線性關系，光在這類介質中2233以某一確定速度傳播；但在各向異性的介質中，一般情況下各方向的折射率卻不再相同，所以各偏振態(tài)的光傳播速度也不同，將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。如果光在晶體中沿某方向傳播時，各個方向的偏振光折射率都相等，則該方向稱為晶體的光軸。若晶體只含有一個這樣的方 向，則稱為單軸晶體。通常用折射率橢球來描述折射率與光的傳播方向、振動方向的關系。在主軸坐標系中,222折射率橢球方程為：與 4 J =1(3)nin2 %式中x, y,z的方向是介質的主軸，

4、沿這些方向的 D、E是相互平行的?？跒闄E球三個主軸 方向的折射率，稱為主折射率。折射率橢球的取向和形狀將受到晶體對稱性的制約，如單 軸晶體n1 =n2 =no, n3=ne為旋轉橢球。以op為光的波法圖i .晶體的折射率橢球(4)線，過原點O作一個和op垂直的平面，和橢球相截得一橢圓, 其長短軸方向分別為沿 op傳播的光的兩個偏振方向，長短軸的大小代表沿這兩個方向振動的線偏振光的折射率1和n2(圖1),它們的傳播速度分別為 曳和%。對晶體加電場后，折射ni n2率橢球的形狀，大小，方位等均發(fā)生變化，橢球方程變?yōu)椋?TOC o 1-5 h z 222二1(感應主軸)和原先的主軸不重合。X2y2z

5、222222 ry z x z x yniin22%3n2iR3R2式中交叉項由電場引起， 表示變形后形成的新橢球主軸 折射率和電場的關系可表示為： HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 11-2 =Ex .12Ey -13EZ1%；一=21Ex 22Ey 23Ezr)22r)22n22=2E .22Ey 23Ez= 41Ex . 32 Ey - 33Ez1 _ 12 一 2n33n31F = 4lEx 42Ey 43Ez n23-2- = 51 Ex 52 Ey 53Ezni31=6lEx 62Ey63Ezni2式中yij （i=1,2,3,6

6、j=1,2,3）稱為晶體的電光系數(shù)，它是三階張量，有18個分量，但受晶體對稱性的影響，分量個數(shù)將減少，如 42m晶類（ADP , KDP等），741 = 丫52 = 0 ,”3 #0,其余都為0,通?？捎桑?）式算出晶體在電場作用下折射率的變化值。下面以鋸酸鋰（LiNbO3,簡記作LN）晶體為例討論電光效應，實驗中使用鑄酸鈉（Bi4Ge3O12,簡記作BGO）電光效應原理相同。2. LN晶體的電光效應LN為三角晶系3m點群，負單軸晶體，n1 = n2 = no, n3 = ne，折射率橢球為以Z為對稱軸的旋轉橢球，垂直于Z軸的截面為園。它的電光系數(shù)工,3 = v23, Y22 =尸12 = ?

7、61,L =。，733 ,其余為零，代入式得：112n112no- 22Ey . 13Ez,=-2 .22Ey 23Ezn22no12n33F 4 I 51Ey TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 11丁 二，5丘,-=-Mx(6)n13n12將它們代入（4）式，可得LN晶體加電場后的橢球方程:1_21_B_21_2(2 - 22 Ey13EZ)X2( 222 Ey熊7川2(233EZ)Z2nonne2 51Eyy z 2 51ExX z-2 22ExX y =1卜面討論鋸酸鋰晶體的橫向電光效應，如果光束平行于晶體Z軸

8、方向傳播，外加電場沿 X 軸方向(則Ex=0, Ey=Ez=0)。設晶體在Z方向上長度為l, x方向上長度為d, x方向上所加電場的電壓為 U。則(7)式轉化為:22x y2n。2Z22 51ExX z- 2 22ExXney =1(8)因為。Ex 1,所以可忽略2y51ExX，z項，即22x y2no2+ J 2?22ExX y = 1 ; ne將xyz坐標系沿z軸旋轉450進行坐標變換(主軸變換)，得到x y z坐標系，坐標變換 關系為：x = sin 450 x - cos450 y x = sin 450 x + cos450 y7 = sin 450 x + cos450 y 或 o

9、o1 HYPERLINK l bookmark35 o Current Document 當 PA正父時，u +F =90 ,且 口 =45 時，I =Ii（1cos）；（15）2（1）直流電壓調制取P的偏振軸與LN晶體的x軸平行，加直流電壓U =UD后P與新的感應主軸x即成45,則經(jīng)過A之后的輸出光強為：.1二、(17)I =；Ii(1 -cos ) = ji(1-cos Ud)2 U 二輸出光強I隨Ud而變化，即可達到光調制的目的。5-(2)正弦信號調制如果在LN晶體上除了加一直流電壓Ud產(chǎn)生位相差D之外，同時加上一個幅值不大的正弦調制信號Umsincot ,即：U =Ud Um sin

10、t代入(17)式，并利用貝賽耳函數(shù)展開后可得到 下面幾種情況：,. 二 3 二 5 二.， a：當包=一, 時,2 221UeI - -Ii(1 sinot),光強調制曲線(輸出光 2U JL強與調制電壓的關系曲線 IU)包含與正弦信 號同步的頻率信號，輸出光強與調制信號有近似 的線性關系，即線性調制。電光調制器件一般都 工作在這個狀態(tài)。b & c：當*d =鞏3鞏5n和% =0,2n,4n,時，I -h(1士Umcos陵t), 2 U二 ，光強調制曲線包含正弦信號的二倍頻信號。如果在LN晶體上加上音頻調制信號，根據(jù)傅立葉分析方法，音頻信號可看成眾多正 弦信號的合成，上述原理和規(guī)律仍完全適用，

11、這就是一種簡便的激光音頻通訊設計原理。(3)用1/4波片進行光學調制由以上原理可知，電光調制器中直流電壓Ud的作用是使晶體中 X、y兩個偏振方向的光之間產(chǎn)生固定的位相差，從而使正弦調制工作在光強調制曲線上不同的工作點。這個作用可以用1/4波片來實現(xiàn)。在 PA間加上1/4波片，并調整其快慢軸方向使之與LN晶體的X和y軸平行，即可保證電光調制器工作在D =一的線性調制狀態(tài)下。轉動波片可使2電光晶體處于不同的工作點上。“快”軸慢”軸起偏器四分之一檢偏器(平行于#軸)波片(平行于y軸)四分之一波片電光調制示意圖實驗內容本實驗采用半導體激光器 650nm的連續(xù)激光作為載波，采用 BGO晶體作為調制器,

12、以1/4波片進行預偏置處理，選擇調制工作點，實現(xiàn)強度調制實驗。實驗裝置圖5,橫向電光調卸裝置示意圖功能說明：(1)半導體激光器輸出為偏振光，需確定偏振方向。(3)調制信號為交流高壓，由 AC220V市電經(jīng)調壓器，然后再經(jīng)升壓變壓器輸出50Hz交流高壓，調節(jié)調壓器改變升壓輸入電壓可以改變輸出高壓電壓。電壓表顯示升壓前的電壓，根據(jù)升壓變壓器匝數(shù)比及調壓電壓(電壓表讀數(shù))可以計算出輸出高壓值。為了操作安全，設有手持高壓開關，當按下按鈕時，有高壓輸出?！案邏夯鹁€”端和晶體上部接線柱連接，“高壓零線”端和晶體下部接線柱連接，如連接相反有可能導致觸電。(4)接收信號部分：光電探頭連接示波器，為示波器提供由

13、光電探頭所接收的光強轉換為電壓后的信號調制信號的輸出端，是為晶體提供調制電壓的，因輸出電壓的峰一峰值很大，所以， 嚴禁和示波器的輸入端相連接，否則會導致示波器的y軸輸入通道損壞！主要技術參數(shù)：. 電光晶體：鋸酸鋰5mmM5mmM5mmno=2.15.半導體激光器 LD :波長650nm ,功率3mW4.交流電壓輸出：02270V連續(xù)可調，50Hz,升壓匝數(shù)比11:100.光功率測量范圍 ：020mW.偏振片，1/4波片角度調節(jié) ：360刻度，分度值為 2.導軌：優(yōu)質鋁型材，長度 1000mm操作步驟.光路調節(jié)(1)調整激光器使光束與光具座導軌基本平行，注意光束空間位置應使光具座上其它部件有調節(jié)

14、余地。(2)調整起偏器和檢偏器，使其表面與光束垂直，并使它們的偏振軸正交(P_A),此時透過A的光強最小，記錄下此時 P和A刻度盤上的角度值。(3)將裝有晶體的支架放在P、A之間，調節(jié)支架，使晶體的光軸( z軸)與激光束平行，并使激光束從晶體的幾何中心通過。(5)調整偏振器 P、A,使它們的偏振方向分別與電光晶體的x、y軸平行，即與晶體的感應主軸x、y成45夾角。(4)在P和A之間加入1/4波片，當晶體上不加電壓時，旋轉 1/4波片，透過A的光 強最大時波片的光軸與 P成45夾角，光強最小時波片的光軸與P平行或垂直，分別記錄下1/4波片刻度盤上的角度值。(6)旋轉1/4波片使其快、慢軸與 P和

15、A的偏振方向成45呻J夾角。將光電探測器置于A后的光路中，連線示波器。給晶體施加交流高壓，調壓器從0到250V改變電壓，每步25V,由升壓匝數(shù)比計算出給晶體施加的電壓，記錄示波器相應的出射光光功率峰峰值，作相應的電壓光強調制曲線。(7)在交流電壓不變的情況下，在示波器上觀察被交流電壓調制的光強波形。旋轉1/4波片，觀察特征角度與調制的光強波形，并與上一步驟的結果比較。(由于隔離變壓器的磁飽和作用，會引起 50Hz的正弦電壓波形的峰值被削平，波形失真較大)。【注意事項】.開機、關機前及更換晶體所加電壓時，均應將電壓調節(jié)旋鈕逆時針旋到底指示為零, 避免觸電。.連接晶體的電纜線頭不允許短接，避免造成儀器短路。.