晶体电光效应

1、晶体的电光效应 掌握晶体电光调制的原理和实验方法掌握晶体电光调制的原理和实验方法学会测量晶体半波电压、电光系数的实验学会测量晶体半波电压、电光系数的实验方法方法了解一种激光通信方法了解一种激光通信方法 电光效应：当给晶体或液体加上电场后，该晶电光效应：当给晶体或液体加上电场后，该晶 体或液体的折射率发生变化的现象。体或液体的折射率发生变化的现象。一、一次电光效应一、一次电光效应 通常可将电场引起的折射率的变化用下式表示：通常可将电场引起的折射率的变化用下式表示： 式中式中a a和和b b为常数，为常数，n n0 0为不加电场时晶体的折射为不加电场时晶体的折射率。由一次项率。由一次项aEaE0

2、0引起折射率变化的效应，称为一次引起折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称为线性电光效应或普克尔电光效应，也称为线性电光效应或普克尔( (Pokells) )2000bEaEnn2000bEaEnn效应；由二次项效应；由二次项 引起折射率变化的效应称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为二次电光效应，也称平方电光效应或克( (Kerr) )效应。效应。一次电光效应存在于不具有对称中心的一次电光效应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。中，一次效应要比二次效应显著。 晶体的一次电

3、光效应分为纵向电光效应和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的电场方向与光在晶体里传播的方向垂直时产20aE生的电光效应。通常生的电光效应。通常KDKD* *P(P(磷酸二氘钾磷酸二氘钾) )类型类型的晶体用它的纵向电光效应，的晶体用它的纵向电光效应，LiNbOLiNbO3 3( (铌酸锂铌酸锂) )类型的晶体用横向电

4、光效应，晶体的坐标轴类型的晶体用横向电光效应，晶体的坐标轴如图所示。如图所示。xyzxy 本实验研究铌酸锂晶体的一次电光效应，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。器的工作点，观察相应的输出特性的变化。 在未加电场前，铌酸锂是单晶体。当线性在未加电场前，铌酸锂是单晶体。当线性偏振光沿光轴（偏振光沿光轴（Z轴）方向通过晶体时，不会轴）方向通过晶体时，不会产生双折射。但如在铌酸锂晶体的产生双折射。但如在铌

5、酸锂晶体的X轴施加电轴施加电场，晶体将由单轴晶体变为双轴晶体。这时沿场，晶体将由单轴晶体变为双轴晶体。这时沿Z轴传播的偏振光应按特定的晶体感应轴轴传播的偏振光应按特定的晶体感应轴x和和y进行分解，因为光沿着这两个方向偏振的进行分解，因为光沿着这两个方向偏振的折射率不同（传播速度不同）。类似于双折射折射率不同（传播速度不同）。类似于双折射中关于中关于o o光和光和e e光的偏振态的讨论，因为沿光的偏振态的讨论，因为沿xx和和yy的偏振分量存在相位差，出射光一般将成为的偏振分量存在相位差，出射光一般将成为椭圆偏振光。由晶体光学可以证明，这两个方椭圆偏振光。由晶体光学可以证明，这两个方向的折射率：向

6、的折射率：2/300 xxrEnnn2/300 xyrEnnn2/300 xxrEnnn 在无线电通信中，为了把语言、音乐或图像等在无线电通信中，为了把语言、音乐或图像等信息发出去，总是通过表征电磁波特性的振幅、频信息发出去，总是通过表征电磁波特性的振幅、频率或相位受被传递信号的控制来实现的。这种控制率或相位受被传递信号的控制来实现的。这种控制过程称为调制；而接受时，则需把所要的信息从调过程称为调制；而接受时，则需把所要的信息从调制信号中还原出来，这个过程称为解调。因为激光制信号中还原出来，这个过程称为解调。因为激光只起到只起到“携带携带”低频信号的作用，所以称为载波，低频信号的作用，所以称为

7、载波，而起控制作用的低频信号是我们所需要的，称为调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调制光。制信号，被调制的载波称为已调波或调制光。 在现代社会中，激光也常被用作传递信号的工在现代社会中，激光也常被用作传递信号的工具，它的调制与无线电波调制相类似，可以采用连具，它的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。续的调幅、调频、调相以及脉冲调制等形式。 本实验采用强度调制，即输出的激光辐射本实验采用强度调制，即输出的激光辐射强度按照调制信号的规律变化。激光调制之所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，

8、主要是因为光接收器以常采用强度调制形式，主要是因为光接收器（探测器）一般都是直接地响应其所接受的光（探测器）一般都是直接地响应其所接受的光强度变化的缘故。强度变化的缘故。 激光调制的方法很多，如机械调制、声光激光调制的方法很多，如机械调制、声光调制、磁光调制和电源调制等。而电光调制开调制、磁光调制和电源调制等。而电光调制开关速度快，结构简单，因此在激光调制技术、关速度快，结构简单，因此在激光调制技术、混合型光学双稳器件等方面有广泛的应用。混合型光学双稳器件等方面有广泛的应用。横向电光调制横向电光调制铌酸锂晶体的横向电光调制过程如图所示。铌酸锂晶体的横向电光调制过程如图所示。 入射光经起偏器后变

9、成振动方向平行于入射光经起偏器后变成振动方向平行于X轴轴的线性偏振光，晶体的电光效应可按光矢量的分的线性偏振光，晶体的电光效应可按光矢量的分解与合成来处理。进入晶体后，解与合成来处理。进入晶体后，X偏振的线性偏偏振的线性偏振光按感应轴振光按感应轴x和和y分解，它们的振幅和相位相分解，它们的振幅和相位相等，电矢量可以分别记为：等，电矢量可以分别记为：tEtEyxsincos 为方便计算，用复振幅的表示方法，省去时为方便计算，用复振幅的表示方法，省去时间的简谐因子间的简谐因子ejwt，这时位于晶体表面（，这时位于晶体表面（Z=0）的）的光波表示为：光波表示为：AEAEyx)0()0(所以入射光的强

10、度：所以入射光的强度：2222| )0(| )0(|AEEIyxi 当光通过长为当光通过长为 的电光晶体后，因折射率不同，的电光晶体后，因折射率不同，xx和和yy两分量之间将产生相位差两分量之间将产生相位差 ，于是，于是)(00)()(EiyixAelEAel通过检偏器出射的光，是该两分量在通过检偏器出射的光，是该两分量在Y Y轴上的投影轴上的投影之和之和0) 1(2)(0iiyeeAEl输出光强：输出光强：2sin2)1)(1(2)()(222*00AeeAEEIiixyt因此光强的透过率因此光强的透过率T T为：为：2sin2itIIT由感应轴的折射率，并注意到由感应轴的折射率，并注意到

11、有：有：dVEx/dlrVnlnnxy302)(2 由此可见，与由此可见，与V有关。当电压增加某一值时，有关。当电压增加某一值时，x和和y方向的偏振光经过晶体后产生方向的偏振光经过晶体后产生/2/2的光的光程差，相位差程差，相位差 = =，T=100% ,=100% ,这一电压叫半波电这一电压叫半波电压，通常用压，通常用 或或 表示。表示。 是描述晶体电光效应的重要参数。在实验中，是描述晶体电光效应的重要参数。在实验中，这个电压越小越好。因为这个电压越小越好。因为 小，表示较小的调小，表示较小的调制信号就会有较大的响应；用做快速电光开关时，制信号就会有较大的响应；用做快速电光开关时， 小意味着

12、用比较小的电压就可以实现小意味着用比较小的电压就可以实现V2 /VVVV光开关的动作。根据半波电压值，可以估计出控光开关的动作。根据半波电压值，可以估计出控制电光效应所需的电压。根据上述讨论得制电光效应所需的电压。根据上述讨论得)(230ldrnV式中，式中， 和和 分别为晶体的厚度和长度。由此可分别为晶体的厚度和长度。由此可见，横向电光效应的半波电压与晶体的几何尺见，横向电光效应的半波电压与晶体的几何尺寸有关寸有关, ,而纵向电光效应的半波电压为而纵向电光效应的半波电压为 不能靠尺寸调不能靠尺寸调整，这是横向电光调制器的优点整，这是横向电光调制器的优点之一。因此，横向效应的电光晶体都加工成细

13、之一。因此，横向效应的电光晶体都加工成细长的扁长方体。长的扁长方体。ldrn302根据上述讨论根据上述讨论, , 取取 ( ( 是直流偏压，是直流偏压， 是交流调制号是交流调制号) )，因，因此可以得到：此可以得到：)sin(2sin2sin022tVVVVTmVVtVVmsinV00VtVmsin由此可以看出，改变由此可以看出，改变 或或 ，输出特性将相应，输出特性将相应发生变化。发生变化。0VmV 对单色光来说，对单色光来说， 为常数，因而为常数，因而T将随晶将随晶体上所加的电压变化，如图所示，体上所加的电压变化，如图所示，T与与V的关系的关系是非线性的。如果工作点是非线性的。如果工作点

14、选择不当，则会使选择不当，则会使输出信号发生畸变；但在输出信号发生畸变；但在 附近有一近似直附近有一近似直线的部分，这一直线部分称为线性工作区。不线的部分，这一直线部分称为线性工作区。不难看出，当难看出，当 时，时， =/2,=/2,T=50%=50%。rn300V2/V2/VV （2 2） 直流偏压对输出特性的影响直流偏压对输出特性的影响1.1.当当 时，工作点落在线性工作区的中时，工作点落在线性工作区的中部，此时，可获得较高效率的线性调制，把部，此时，可获得较高效率的线性调制，把 代入前式得代入前式得)sinsin(1 21)sin2cos(1 21sin)2(4sin2tVVtVVtVV

15、Tmmm2/V0V2/V0V当当 时时，)sin1(21tVVTm它表明它表明 。这时，调制器输出的波形和。这时，调制器输出的波形和调制信号的频率相同，即线性调制。调制信号的频率相同，即线性调制。2. 当当 或或 ， 时，把时，把 代入前代入前式，则式，则VVmtVTmsin0V0VVVm0V0)2cos1 ()(81sin)(41)sincos(1 )sin2(sin2222tVVtVVtVVtVVTmmmm即即 。这时，输出光的频率是调制。这时，输出光的频率是调制信号的信号的2倍，即产生倍，即产生“倍频倍频”失真。类似地，失真。类似地，对对 ，可得，可得)2cos1()(8112tVVTm

16、这是仍将看到这是仍将看到“倍频倍频”失真的波形。失真的波形。3. 3. 直流偏压直流偏压 在在0 0V 附近或变化时，由于工作附近或变化时，由于工作 点不在线性工作区，故输出波形将失真。点不在线性工作区，故输出波形将失真。tT2cosVV 00V4. 4. 当当 且且 时，调制器的工作点虽时，调制器的工作点虽然选定在线性工作区的中心，但不满足小信号然选定在线性工作区的中心，但不满足小信号调制的要求，此时的透射率函数式应展开成贝调制的要求，此时的透射率函数式应展开成贝赛尔函数，即：赛尔函数，即：2/V0V2/VVm5sin)(3sin)(sin(2)sinsin(1 21531tVVJtVVJt

17、VVJtVVTmmmm由式可以看出，输出的光束包括交流的基波，还有由式可以看出，输出的光束包括交流的基波，还有奇次谐波。由于调制信号的幅度较大，奇次谐波不奇次谐波。由于调制信号的幅度较大，奇次谐波不能忽略，因此，这时虽然工作点选在线性区，输出能忽略，因此，这时虽然工作点选在线性区，输出波形仍失真。波形仍失真。电光调制电源组件电光调制电源组件光接收放大器组件光接收放大器组件He-NeHe-Ne激光器组件激光器组件电光调制晶体组件电光调制晶体组件起偏器组件起偏器组件检偏器组件检偏器组件 1. 1.测定铌酸锂晶体的透过率曲线测定铌酸锂晶体的透过率曲线( (即即TVTV曲线曲线) )， 计算半波电压计

18、算半波电压 。 晶体上只加直流电压，不加交流信号，把直晶体上只加直流电压，不加交流信号，把直 流电压从小到大逐渐改变，输出的光强将会出流电压从小到大逐渐改变，输出的光强将会出 现极小值和极大值，相邻极小值和极大值对应现极小值和极大值，相邻极小值和极大值对应 的直流电压之差即是半波电压的直流电压之差即是半波电压 。加在晶体。加在晶体 上的电压在电源面板上的数字表读出，每隔上的电压在电源面板上的数字表读出，每隔5 5v 增大一次，在读出相应的光强值。增大一次，在读出相应的光强值。 VV以以T T为纵坐标，为纵坐标，V V为横坐标，画出为横坐标，画出TVTV关系曲关系曲线，确定半波电压线，确定半波电压 的数值，进而求晶体电的数值，进而求晶体电光系数。光系数。2.2.用用1/41/4波片改变工作点，观察输出特性。波片改变工作点，观