晶體的電光效應(yīng)

1、晶體的電光效應(yīng)介質(zhì)因電場(chǎng)作用而引起折射率變化的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)，介質(zhì)折射率和電場(chǎng)的關(guān)系可表不為:2 n = n0 aE bE (1)式中no是沒有外加電場(chǎng)(E=0)時(shí)的折射率，a和b是常數(shù)，其中電場(chǎng)一次項(xiàng)引起的變化 稱為線性電光效應(yīng)，由 Pokels于1893年發(fā)現(xiàn)，故也稱為 Pokels效應(yīng)；由電場(chǎng)的二次項(xiàng)引 起的變化稱為二次電光效應(yīng)，由Kerr在1875年發(fā)現(xiàn)，也稱Kerr效應(yīng)，在無對(duì)稱中心晶體中，一次效應(yīng)比二次效應(yīng)顯著得多，所以通常討論線性效應(yīng)。盡管電場(chǎng)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(cè)定，而且它有很短的響應(yīng)時(shí)間，所以利用電光效 應(yīng)制成的電光器件在激光通信、激光測(cè)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(yīng)用。實(shí)驗(yàn)?zāi)康难芯夸徦徜嚲w的橫向電光效應(yīng)，觀察錐光干涉圖樣，測(cè)量半波電壓； 學(xué)習(xí)電光調(diào)制的原理和實(shí)驗(yàn)方法，掌握調(diào)試技能；了解利用電光調(diào)制模擬音頻光通信的一種實(shí)驗(yàn)方法；實(shí)驗(yàn)原理.晶體的電光效應(yīng)按光的電磁理論，光在介質(zhì)中傳播的速度為C = 0/ = ( ) ,名為介電系數(shù)，是對(duì)稱的二階張量，即 , =無，由此建立的 D和E的關(guān)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(zhì)中，11 = %2 = %3 = E，D和E成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，光在這類介質(zhì)中2233以某一確定速度傳播；但在各向異性的介質(zhì)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(shí)，各個(gè)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(gè)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(dòng)方向的關(guān)系。在主軸坐標(biāo)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(zhì)的主軸，

4、沿這些方向的 D、E是相互平行的?？跒闄E球三個(gè)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(duì)稱性的制約，如單 軸晶體n1 =n2 =no, n3=ne為旋轉(zhuǎn)橢球。以op為光的波法圖i .晶體的折射率橢球(4)線，過原點(diǎn)O作一個(gè)和op垂直的平面，和橢球相截得一橢圓, 其長(zhǎng)短軸方向分別為沿 op傳播的光的兩個(gè)偏振方向，長(zhǎng)短軸的大小代表沿這兩個(gè)方向振動(dòng)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(duì)晶體加電場(chǎng)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(yīng)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(xiàng)由電場(chǎng)引起， 表示變形后形成的新橢球主軸 折射率和電場(chǎng)的關(guān)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(gè)分量，但受晶體對(duì)稱性的影響，分量個(gè)數(shù)將減少，如 42m晶類（ADP , KDP等），741 = 丫52 = 0 ,”3 #0,其余都為0,通常可由（5）式算出晶體在電場(chǎng)作用下折射率的變化值。下面以鋸酸鋰（LiNbO3,簡(jiǎn)記作LN）晶體為例討論電光效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)中使用鑄酸鈉（Bi4Ge3O12,簡(jiǎn)記作BGO）電光效應(yīng)原理相同。2. LN晶體的電光效應(yīng)LN為三角晶系3m點(diǎn)群，負(fù)單軸晶體，n1 = n2 = no, n3 = ne，折射率橢球?yàn)橐訸為對(duì)稱軸的旋轉(zhuǎn)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(chǎng)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(yīng)，如果光束平行于晶體Z軸

8、方向傳播，外加電場(chǎng)沿 X 軸方向(則Ex=0, Ey=Ez=0)。設(shè)晶體在Z方向上長(zhǎng)度為l, x方向上長(zhǎng)度為d, x方向上所加電場(chǎng)的電壓為 U。則(7)式轉(zhuǎn)化為:22x y2n。2Z22 51ExX z- 2 22ExXney =1(8)因?yàn)?。Ex 1,所以可忽略2y51ExX，z項(xiàng)，即22x y2no2+ J 2?22ExX y = 1 ; ne將xyz坐標(biāo)系沿z軸旋轉(zhuǎn)450進(jìn)行坐標(biāo)變換(主軸變換)，得到x y z坐標(biāo)系，坐標(biāo)變換 關(guān)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(dāng) PA正父時(shí)，u +F =90 ,且 口 =45 時(shí)，I =Ii（1cos）；（15）2（1）直流電壓調(diào)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(yīng)主軸x即成45,則經(jīng)過A之后的輸出光強(qiáng)為：.1二、(17)I =；Ii(1 -cos ) = ji(1-cos Ud)2 U 二輸出光強(qiáng)I隨Ud而變化，即可達(dá)到光調(diào)制的目的。5-(2)正弦信號(hào)調(diào)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(shí)加上一個(gè)幅值不大的正弦調(diào)制信號(hào)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(dāng)包=一, 時(shí),2 221UeI - -Ii(1 sinot),光強(qiáng)調(diào)制曲線(輸出光 2U JL強(qiáng)與調(diào)制電壓的關(guān)系曲線 IU)包含與正弦信 號(hào)同步的頻率信號(hào)，輸出光強(qiáng)與調(diào)制信號(hào)有近似 的線性關(guān)系，即線性調(diào)制。電光調(diào)制器件一般都 工作在這個(gè)狀態(tài)。b & c：當(dāng)*d =鞏3鞏5n和% =0,2n,4n,時(shí)，I -h(1士Umcos陵t), 2 U二 ，光強(qiáng)調(diào)制曲線包含正弦信號(hào)的二倍頻信號(hào)。如果在LN晶體上加上音頻調(diào)制信號(hào)，根據(jù)傅立葉分析方法，音頻信號(hào)可看成眾多正 弦信號(hào)的合成，上述原理和規(guī)律仍完全適用，

11、這就是一種簡(jiǎn)便的激光音頻通訊設(shè)計(jì)原理。(3)用1/4波片進(jìn)行光學(xué)調(diào)制由以上原理可知，電光調(diào)制器中直流電壓Ud的作用是使晶體中 X、y兩個(gè)偏振方向的光之間產(chǎn)生固定的位相差，從而使正弦調(diào)制工作在光強(qiáng)調(diào)制曲線上不同的工作點(diǎn)。這個(gè)作用可以用1/4波片來實(shí)現(xiàn)。在 PA間加上1/4波片，并調(diào)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(diào)制器工作在D =一的線性調(diào)制狀態(tài)下。轉(zhuǎn)動(dòng)波片可使2電光晶體處于不同的工作點(diǎn)上?！翱臁陛S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(diào)制示意圖實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)采用半導(dǎo)體激光器 650nm的連續(xù)激光作為載波，采用 BGO晶體作為調(diào)制器,

12、以1/4波片進(jìn)行預(yù)偏置處理，選擇調(diào)制工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置圖5,橫向電光調(diào)卸裝置示意圖功能說明：(1)半導(dǎo)體激光器輸出為偏振光，需確定偏振方向。(3)調(diào)制信號(hào)為交流高壓，由 AC220V市電經(jīng)調(diào)壓器，然后再經(jīng)升壓變壓器輸出50Hz交流高壓，調(diào)節(jié)調(diào)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(diào)壓電壓(電壓表讀數(shù))可以計(jì)算出輸出高壓值。為了操作安全，設(shè)有手持高壓開關(guān)，當(dāng)按下按鈕時(shí)，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(dǎo)致觸電。(4)接收信號(hào)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(qiáng)轉(zhuǎn)換為電壓后的信號(hào)調(diào)制信號(hào)的輸出端，是為晶體提供調(diào)制電壓的，因輸出電壓的峰一峰值很大，所以， 嚴(yán)禁和示波器的輸入端相連接，否則會(huì)導(dǎo)致示波器的y軸輸入通道損壞！主要技術(shù)參數(shù)：. 電光晶體：鋸酸鋰5mmM5mmM5mmno=2.15.半導(dǎo)體激光器 LD :波長(zhǎng)650nm ,功率3mW4.交流電壓輸出：02270V連續(xù)可調(diào)，50Hz,升壓匝數(shù)比11:100.光功率測(cè)量范圍 ：020mW.偏振片，1/4波片角度調(diào)節(jié) ：360刻度，分度值為 2.導(dǎo)軌：優(yōu)質(zhì)鋁型材，長(zhǎng)度 1000mm操作步驟.光路調(diào)節(jié)(1)調(diào)整激光器使光束與光具座導(dǎo)軌基本平行，注意光束空間位置應(yīng)使光具座上其它部件有調(diào)節(jié)

14、余地。(2)調(diào)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(shí)透過A的光強(qiáng)最小，記錄下此時(shí) 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(diào)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(diào)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(yīng)主軸x、y成45夾角。(4)在P和A之間加入1/4波片，當(dāng)晶體上不加電壓時(shí)，旋轉(zhuǎn) 1/4波片，透過A的光 強(qiáng)最大時(shí)波片的光軸與 P成45夾角，光強(qiáng)最小時(shí)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(zhuǎn)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(cè)器置于A后的光路中，連線示波器。給晶體施加交流高壓，調(diào)壓器從0到250V改變電壓，每步25V,由升壓匝數(shù)比計(jì)算出給晶體施加的電壓，記錄示波器相應(yīng)的出射光光功率峰峰值，作相應(yīng)的電壓光強(qiáng)調(diào)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(diào)制的光強(qiáng)波形。旋轉(zhuǎn)1/4波片，觀察特征角度與調(diào)制的光強(qiáng)波形，并與上一步驟的結(jié)果比較。(由于隔離變壓器的磁飽和作用，會(huì)引起 50Hz的正弦電壓波形的峰值被削平，波形失真較大)?！咀⒁馐马?xiàng)】.開機(jī)、關(guān)機(jī)前及更換晶體所加電壓時(shí)，均應(yīng)將電壓調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)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。.