第三章-電光效應(yīng)2課件

雙折射自然雙折射應(yīng)力雙折射人工雙折射電場磁場外力排列方式相互作用人工雙折射：可以根據(jù)意愿對雙折射進行控制強度

方向

偏振狀態(tài)

電光調(diào)制偏轉(zhuǎn)調(diào)Q光輻射調(diào)制的基本概念與分類信息--------激光（載體）--------信息調(diào)制解調(diào)載波載波調(diào)制波調(diào)制方式：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、脈沖調(diào)制調(diào)制方式平面波光強度若調(diào)制信號為：調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相強度調(diào)制光強為：脈沖調(diào)制激光的調(diào)制內(nèi)調(diào)制外調(diào)制調(diào)制技術(shù)：機械調(diào)制、電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制、電源調(diào)制、方向調(diào)制3.1電光效應(yīng)的基本原理介電常數(shù)折射率光的傳播規(guī)律介質(zhì)中弱場下：均為常數(shù)，與場強無關(guān)實際上：隨作用在介質(zhì)上的電場強度的變化而變化，強場下更加明顯。外加電場低頻電場（靜電場、射頻波、微波場）高頻電場（強光--非線性光學(xué)）外加電場與介電常數(shù)的關(guān)系線性電光效應(yīng)—三階張量—無對稱中心的晶體電場沿主軸方向作用于晶體時，D與E同向。DE線性介電常數(shù)晶體的介電常數(shù)隨外加電場的場強而變ED外加電場作用引起的折射率變化的現(xiàn)象叫做電光效應(yīng)線性電光效應(yīng)和二次電光效應(yīng)令

，得線性電光效應(yīng)普克爾（Pockels）效應(yīng)二次電光效應(yīng)克爾（Kerr）效應(yīng)電光效應(yīng)各向同性介質(zhì)在外電場作用下變?yōu)楦飨虍愋远a(chǎn)生雙折射，稱為克爾效應(yīng)；各向異性介質(zhì)在外電場作用下要改變原有的雙折射性質(zhì)，稱為泡克爾斯效應(yīng)；這兩種現(xiàn)象都稱為電光效應(yīng)，也叫電致雙折射效應(yīng)。（1）克爾效應(yīng)

(1875年)

不加電場→液體各向同性→P2無透射光

加電場→液體呈單軸雙折射晶體性質(zhì)，其光軸平行于外電場P2有透射光l+-4545P1P2克爾盒d——二次電光效應(yīng)其中

E—

電場強度，k—

克爾常數(shù)。克爾效應(yīng)引起的e光與o光的相位差為：

當時，克爾盒相當于一個半波片，P2透光最強?？藸栃?yīng)引起的e光與o光的光程差為：若l=3cm,d=0.8cm,入射光為λ=600nm的黃光，則可得發(fā)生k=時的電壓為：克爾盒的應(yīng)用:高速電光開關(guān)，電光調(diào)制器。硝基苯溶液的克爾常數(shù)為克爾盒的缺點:所用液體常有劇毒，易爆炸。(2)普克爾效應(yīng)(1893年)。普克爾盒電光晶體+。-P1P2KK··

不加電場→P2

無透射光

加電場→晶體變雙軸晶體→原光軸方向附加了雙折射效應(yīng)→P2

有透射光。泡克爾斯效應(yīng)引起的相位差：——線性電光效應(yīng)其中no—o光在晶體中的折射率；

V—電壓；

r—

電光常數(shù)。

應(yīng)用:電光開關(guān)、電光調(diào)制器。如軍用固體激光測距機。

優(yōu)點：響應(yīng)時間短，外加電壓低，克爾效應(yīng)的十分之一。外力引起的雙折射應(yīng)力電光效應(yīng)初級電光效應(yīng)：外加電場通過介電常數(shù)引起的折射率變化次級電光效應(yīng)：外加電場通過反電壓效應(yīng)引起的折射率變化任意方向的外加電場引起的折射率變化折射率的空間分布—折射率橢球外加電場后：折射率橢球的大小、形狀、取向發(fā)生改變一般折射率橢球方程定義逆介電張量則有未受外電場作用時主軸化下：加入電場后：線性電光系數(shù)壓光系數(shù)二次電光系數(shù)只考慮一次項時初級電光效應(yīng)具有對稱中心的晶體，無線性電光效應(yīng)，則晶體的線性電光系數(shù)寫成方程組形式為矩陣形式根據(jù)定義

為對稱二階張量，從而可將分量數(shù)由9個簡化為6個，而可簡化為且所以簡化為即線性電光效應(yīng)與外加電場頻率的關(guān)系頻率主要影響次級電光效應(yīng)的存在，取決于晶體的力學(xué)狀態(tài)。交變電磁場晶體受迫振動晶體受外加電場和阻尼共同作用，平衡時具有確定的振幅當外加電場頻率和固體固有頻率相同時，發(fā)生共振晶體固有頻率1～100MHz當電場頻率遠高于固有頻率時，晶體無形變，無彈光，則電光效應(yīng)為若在固有頻率附近而由反壓電效應(yīng)再由彈光系數(shù)次級電光系數(shù)線性電光系數(shù)的單位m/V晶體對稱性使不同晶體的獨立分量進一步減少，約化規(guī)律32種點群中，只有20種無對稱中心的點群存在線性電光效應(yīng)KDP，LiNbO3回顧外加電場引起折射率變化晶體的線性電光系數(shù)主軸化的折射率橢球方程3.2兩類典型晶體的線性電光效應(yīng)外電場作用下，折射率如何變化？KDP型晶體的線性電光效應(yīng)四方晶系晶胞特征如何？屬何晶族？ADP（磷酸二氫銨）和KD*P（磷酸二氘鉀），同屬于點群要了解在外加電場后光在晶體中的傳播情況，必須了解折射率的變化情況，為此，需要確定新的主軸坐標系，寫出在新坐標系下的折射率橢球方程，以確定三個新的主折射率。新的橢球方程與未加電場時的橢球方程相比較，一般出現(xiàn)兩種情況。①交叉項的出現(xiàn)→坐標軸發(fā)生了旋轉(zhuǎn)②沒出現(xiàn)交叉項，平方項的系數(shù)發(fā)生變化→橢球形狀、大小發(fā)生了變化。不論哪種情況，都要對方程進行變換，確定新主軸坐標系，求出新的主折射率。單軸晶體，無電場時，折射率橢球方程為其中如果加上外電場

，得線性電光效應(yīng)矩陣得而：新折射率橢球方程為：交叉項

表明：折射率橢球的三個主軸不再與原主軸重合，三個主折射率隨之發(fā)生變化。垂直于光軸方向的電場分量電光效應(yīng)只與有關(guān)平行于光軸方向的電場分量電光效應(yīng)只與有關(guān)平行于光軸晶體切割方式：垂直于光軸方向切割下平行晶片，稱為Z型切割電場E平行于光軸，有得新折射率橢球方程外加電場方向或垂直或平行于光軸方向或注意：交叉項

表明折射率橢球的主軸繞軸發(fā)生了轉(zhuǎn)動。相應(yīng)的坐標變換矩陣為寫成方程組形式為代入新折射率橢球方程得主軸化即消去交叉項，則結(jié)論：1、新折射率橢球主軸繞舊坐標系的Z軸旋轉(zhuǎn)45度

2、轉(zhuǎn)角與電場大小無關(guān)，轉(zhuǎn)動方向與電場方向有關(guān)。折射率橢球方程變?yōu)槿齻€主軸方向光的雙折射率為光波的傳播方向決定了折射率差的變化若沿方向傳播，未加電場時加入電場后折射率差的變化為46例

電光效應(yīng)引起相對折射率的變化在長度為10mm的KDP晶體上施加4000V的電壓，則

縱向電光效應(yīng)：電場E平行于光軸，通光方向與電場方向平行橫向電光效應(yīng)：電場E平行于光軸，通光方向與電場方向垂直折射率橢球的變化與電場的大小和方向有關(guān)，雙折射性質(zhì)與光的傳播方向有關(guān)。外加電場垂直于光軸以x2軸為例，則有即設(shè)轉(zhuǎn)動角，則整理得主軸繞x2旋轉(zhuǎn)主軸化則解得而

，故代入新折射率橢球方程得相應(yīng)的三個主折射率為討論（1）施加外場E2后，新折射率橢球的主軸是由舊主軸繞x軸旋轉(zhuǎn)α后形成的，α與外電場成正比，但一般是一個小值，角分量級。（2）施加外場E2后，折射率橢球由旋轉(zhuǎn)橢球變?yōu)橐话銠E球，單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體，令x3=0，可得雙軸晶體的光軸方向之一仍為原z軸，與外電場無關(guān)，則沒有橫向電光效應(yīng)。（3）另一光軸位于以z’為對稱軸且和z軸對稱的方向上。（4）考查縱向電光效應(yīng)，即電場和光傳播均沿x2方向，得未加電場時電場E2在x2方向產(chǎn)生的線性電光效應(yīng)為而電場沿x3時事實上，外加電場垂直于光軸時，KDP晶體的橫向電光效應(yīng)為零，縱向電光效應(yīng)也十分微弱，因而通常不采用該種工作方式。LiNbO3型晶體的線性電光效應(yīng)三方晶系晶胞特征如何？屬何晶族？在0.4mm～5mm范圍內(nèi)透過率>95%，均勻性好，不潮解，抗激光損傷閾值低與LiTaO3和BaTaO3同類，均為3m點群普克爾盒，聲光器件，非線性光學(xué)，激光倍頻，參量放大，Q開關(guān)，光開關(guān)，光波導(dǎo)折射率橢球方程為外場

作用下，得線性電光效應(yīng)矩陣即LN的新折射率橢球方程為電場平行于三個主軸之一時，該分量不為0，另外兩個分量為0電場平行于x3折射率橢球為無交叉項，則主軸方向不變，但是折射率變化了雙折射率為結(jié)論：（1）沿x3方向加電場，可以產(chǎn)生橫向電光效應(yīng)，不能產(chǎn)生縱向電光效應(yīng)（2）定義

為有效電光系數(shù)，則橫向電光效應(yīng)縱向電光效應(yīng)電場平行于x2折射率橢球變?yōu)橛薪徊骓棧f明主軸繞x1轉(zhuǎn)動，單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體。0解得對于小，利用近似關(guān)系，得代入折射率橢球方程得三個主折射率為略去二階小量，有結(jié)論：（1）折射率橢球主軸基本不轉(zhuǎn)動（2）x3軸長短基本不變（3）1和2方向上折射率值發(fā)生變化（4）橫向電光效應(yīng)和縱向電光效應(yīng)都存在電場平行于x1折射率橢球變?yōu)閮蓚€交叉項，說明橢球繞兩個軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)（1）繞轉(zhuǎn)45度（2）繞新的轉(zhuǎn)動，此值很小，角分量級，可忽略。略去二階小量，得結(jié)論：總結(jié)KDP晶體E//光軸，ExyzOpticaxisx1x2x’1x’2總結(jié)LiNbO3電場和光矢量施加方向光//x3E//x3，光//x3E//x1E//x2折射率橢球主軸方向x’3橢球偏離x3一微小角度，x’1、x’2與x1、x2成45度角x’3橢球偏離x3一微小角度，x’1、x’2與x1、x2基本重合x’1、x’2、x’3與x1、x2、x3重合，保持單軸晶體特性光調(diào)制的應(yīng)用可控變焦光學(xué)掃描U0相位調(diào)制U偏振調(diào)制Upolarizeranalyzer光強調(diào)制3.3光波在低頻電場作用下的電光晶體中的傳播外電場作用折射率分布變化光傳播規(guī)律變化控制光波方向偏振光學(xué)器件電光開關(guān)電光調(diào)制器電光偏轉(zhuǎn)器電光延遲dV調(diào)制器出射光入射光Ex’y’討論：縱向電光延遲正比于外加電壓縱向電光延遲與晶片的長度d無關(guān)半波電壓例半波電壓的測量dV調(diào)制器入射光x’1x’2起偏器檢偏器測半波電壓，計算線性電光系數(shù)橫向電光效應(yīng)的電光延遲和半波電壓電場方向與Z軸一致光傳播方向與電場垂直45°Z型切割工作方式，光波沿晶體的[110]方向傳播。光傳播方向dhVx3x1’x2’自然雙折射引起的相差與外加電場無關(guān)，在實際應(yīng)用中起偏置作用，對溫度非常敏感。電光延遲達到一定量相位調(diào)制的前提下降低調(diào)制電壓的途徑：①增加晶體長度②減小晶體厚度討論橫向電光效應(yīng)的電光延遲和晶體的長厚比d/h有關(guān)，可以通過改變晶體的縱橫比來降低半波電壓橫向電光效應(yīng)中存在自然雙折射引起的相位差，無法控制，易受環(huán)境因素的影響（如溫度）例橫向工作時自然雙折射的溫度補償一般采用幾何形狀相同但主軸坐標系中的坐標軸錯位（互相垂直或反向平行等形式）的晶體串接，即組合調(diào)制。組合調(diào)制1x’2光波x’3V+-調(diào)制電壓LDV+-x’3電極x’1x’2x’1組合調(diào)制1對第一個晶體，在z1方向偏振的光波的折射率為nz1，x1方向的折射率為nx1；對第二個晶體，在z2方向偏振的光波的折射率為nz2，x2方向的折射率為nx2；總的相位差自然雙折射的影響被消除！組合調(diào)制2工作原理：在兩個尺寸相同的晶體之間插入一個λ/2波片，加電壓后的新主軸坐標系中，兩個y方向相同，兩個晶體的x方向反向平行。入射光的偏振方向分解為沿第一個晶體x軸的o光和沿z軸的e光。經(jīng)過λ/2波片，o光變e光，e光變o光，兩部分的相位差相加的結(jié)果，正好消除了自然雙折射的影響。LDVxyzyxzVxzλ/2波片縱向與橫向電光調(diào)制比較①縱向電光調(diào)制a、裝置的結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，不會受到自然雙折射的影響，b、缺點是半波電壓太高，高壓電源的制作困難。c、調(diào)制頻率較大時，還會產(chǎn)生較大的功率損耗。②橫向電光調(diào)制

a、相位延遲與晶體的長度與厚度之比有關(guān)，因此通過改變晶體的長度與厚度可使半波電壓降低。而縱向調(diào)制的相位延遲與晶體的長度與厚度之比無關(guān)。

b、缺點：自然雙折射引起的相位延遲。電光調(diào)制與電光調(diào)Q原理強度調(diào)制位相調(diào)制電光調(diào)Q開關(guān)80關(guān)鍵點1關(guān)鍵點2關(guān)鍵點3自然光垂直偏振x-yzy’x’輸出光水平偏振輸出x’y’V強度調(diào)制81入射面：分解：出射面：固定相位延遲強度調(diào)制82入射光強合成：光強為：新振幅強度調(diào)制83借助于半波電壓，上式可寫成50100透過率%0V0/2V0施加電壓π/2π相位差討論：線性問題調(diào)制率I/I0隨調(diào)制電壓V的變化為一非線性函數(shù).尤其在小信號時I/I0∝V2,將產(chǎn)生嚴重的非線性失真。強度調(diào)制84在光路（起偏器與電光晶體之間）中插入一個1/4波片，插入1/4波片后兩偏振分量的相位差為：則調(diào)制率為：小信號調(diào)制時：線性調(diào)制強度調(diào)制水平檢偏器垂直起偏器水平偏振輸出出射光V調(diào)制器?波片入射光強度調(diào)制調(diào)制電壓透射輸出透過率電壓tV050100強度調(diào)制回顧電光延遲半波電壓電光強度調(diào)制88自然光垂直偏振x’zy’輸出光V位相調(diào)制位相調(diào)制電光晶體出射面處若調(diào)制電壓為則不考慮固定相，令得位相調(diào)制利用貝塞爾函數(shù)關(guān)系式展開得位相調(diào)制討論調(diào)制光場中，存在入射頻率，還存在以其為中心等頻率間距的各頻率成分的電場分量各頻率分量的振幅為各階貝塞爾函數(shù)，這些貝塞爾函數(shù)都是相位調(diào)制率的函數(shù)。電光Q開關(guān)原理：電光強度調(diào)制調(diào)制信號：脈沖電信號控制對象：光路接通與斷開頻率：1010次/秒應(yīng)用：激光諧振腔中控制Q值每秒損耗的能量腔內(nèi)存儲的能量電光Q開關(guān)與電光強度調(diào)制的不同不需要加1/4波片補償器調(diào)制信號為脈沖電壓分類加壓式：偏振器正交，加壓后，線偏光旋轉(zhuǎn)，光最強，打開，加壓開，退壓關(guān)。退壓式：偏振器平行，退壓開加壓關(guān)。性能指標開關(guān)速度：半波電壓的波形和脈寬消光比：開與關(guān)時輸出光強之比電光Q開關(guān)影響消光比的因素外加電場不均勻電光晶體的內(nèi)應(yīng)力和含有雜質(zhì)造成的非均勻雙折射電光晶體的定向誤差起偏器和檢偏器的質(zhì)量及取向精度入射光的發(fā)散度電光Q開關(guān)M2(透反)工作物質(zhì)起偏器電光晶體M1(全反)電光偏轉(zhuǎn)利用電光效應(yīng)對光束的傳播方向按照預(yù)定的規(guī)律控制，實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)。分類：數(shù)字式：在特定的間隔位置上使光束離散連續(xù)式：光束連續(xù)偏轉(zhuǎn)，光點在空間按預(yù)定規(guī)律連續(xù)移動應(yīng)用：光信息處理，光存貯，顯示數(shù)字偏轉(zhuǎn)自然光起偏器電光晶體Vπe光o光一級一維數(shù)字型電光偏轉(zhuǎn)器數(shù)字偏轉(zhuǎn)自然光起偏器電光晶體VπVπ二級一維數(shù)字型電光偏轉(zhuǎn)器連續(xù)偏轉(zhuǎn)單色平面波通過一塊光程隨高度線性變化的介質(zhì)利用線性電光效應(yīng)可使折射率隨高度呈線性變化連續(xù)偏轉(zhuǎn)IIIx’1x3x’2x’1x’2x3hdl連續(xù)偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)器衡量指標對激光束可分辨的光斑數(shù)目光束發(fā)散角電光頻移相位調(diào)制是一種角度調(diào)制，會改變頻率位相變化透射光場為令得光波頻率上移電光頻移若調(diào)制電壓隨時間的平方規(guī)律變化，折射率從而相位也隨時間的平方規(guī)律變化透射光場為瞬時頻率稱之為“啁啾”（chirp），或線性調(diào)頻。脈沖壓縮電光頻移色散介質(zhì)（不同頻率群速度不同）脈沖壓縮色散脈沖壓縮就是使激光脈沖的后沿盡量趕上前沿，渡越時間之差盡量接近原始脈沖寬度脈沖壓縮設(shè)原始的激光脈沖為線性調(diào)頻后傅立葉變換表示為其中線性調(diào)頻脈沖頻譜通過色散介質(zhì)后，增加的位相，k可展開為泰勒級數(shù)得脈沖壓縮則色散介質(zhì)出射的激光脈沖為得脈沖壓縮令則輸出可表示為對于高斯分布的入射激光脈沖得脈沖壓縮透射的激光脈沖的寬度為如前所述，當

時，脈沖寬度最小，最小寬度為最大壓縮時的色散介質(zhì)長度為電光雙穩(wěn)態(tài)調(diào)制器單穩(wěn)態(tài)：只有一種穩(wěn)定狀態(tài)，受到觸發(fā)以后，會自動轉(zhuǎn)到穩(wěn)定狀態(tài)。雙穩(wěn)態(tài)：兩種穩(wěn)定狀態(tài)，受到觸發(fā)發(fā)后，就穩(wěn)定在那種狀態(tài)，受到下一次觸發(fā)以后，再翻轉(zhuǎn)。

比喻：商店的彈簧門，就是一種“單穩(wěn)態(tài)”。人一推開門后，處在一種不穩(wěn)定狀態(tài)，人一進入后就會自動回復(fù)到關(guān)門這種穩(wěn)定狀態(tài)。家中的普通門，就是“雙穩(wěn)態(tài)