课件光电子技术及新型材料4.4

本讲主要内容394.4.1、光波在KDP晶体的传播4.4.4、电光相位延迟老师，这次ppt4.4.2和4.4.3内容和4.4.1研究方法研究方法相同，就精讲4.4.1就行了。本页看完删掉就行了《光电子技术》PhotoelectronicTechnique各向异性介质的电光调制主讲：彭彪林本讲主要内容394.4.1、光波在KDP晶体的传播4.4.4、电光相位延迟光波在介质中的传播规律γ和

h为常量，n0为未加电场时的折射率晶体折射率可用施加电场E的幂级数表示，即38受介质折射率分布的制约与其介电常量密切相关知识链接一次项γE

引起的折射率变化37二次项hE2引起的折射率变化线性电光效应或泡克耳斯(Pockels)效应二次电光效应或克尔（Kerr）效应知识链接对电光效应的分析和描述有两种方法：364.1、电致折射率变化1、电磁理论───数学推导相当繁复2、几何图形───折射率椭球体(又称光率体)方法，这种方法直观、方便。在晶体未加电场时，主轴坐标系中，折射率椭球方程：354.4、电致折射率变化x，y，z为介质的主轴方向。在晶体内沿着这些方向的电位移D和电场强度E是互相平行的；nx，ny，nz为折射率椭球的主折射率。当晶体施加电场后，其折射率椭球就发生“变形”，椭球方程变为：344.4、电致折射率变化γij称为线性电光系数；i取值1，…，6；j取值1，2，3。则可以用张量的矩阵形式表式为：由于外电场的作用，折射率椭球各系数，随之发生线性变化，其变化量可定义为334.4、电致折射率变化=是电场沿方向的分量。具有元素6×3的矩阵称为电光张量，每个元素的值由具体的晶体决定，它是表征感应极化强弱的量。324.4、电致折射率变化

KDP（KH2PO4）晶体：四方晶系，m点群，负单轴晶体。这类晶体的电光张量为:314.4.1光波在KPD晶体中传播x2x1x3a=bc=

==900而且因此，电光系数只有41

和

63

30

垂直于光轴方向的电场分量所产生的电光效应只与41关;

平行于光轴方向的电场分量所产生的电光效应只与63有关。晶体加外电场E后的新折射率椭球方程:椭球的主轴不再与x，y，z

轴平行。必须找出一个新的坐标系,在该坐标系中主轴化，才可能确定电场对光传播的影响。为了简单起见，将外加电场的方向平行于轴z

，即294.4.1光波在KPD晶体中传播为了寻求一个新的坐标系(x,y,z)，使椭球方程不含交叉项：

x,y,z为加电场后椭球主轴的方向，通常称为感应主轴。是新坐标系中的主折射率，由于x和y是对称的，可将x

坐标和y

坐标绕z轴旋转α角28xxyyO(x,y)(x,y)zz4.4.1光波在KPD晶体中传播可得：这就是KDP类晶体沿Z轴加电场之后的新椭球方程令交叉项为零，即，则方程式变为274.4.1光波在KPD晶体中传播yx'y'450加电场后的椭球的形变x其椭球主轴的半长度由下式决定：264.4.1光波在KPD晶体中传播由于γ63

很小（约10-10m/V）,一般是γ63EZ<<利用微分式即得到(泰勒展开后得):254.4.1光波在KPD晶体中传播

当KDP晶体沿Z（主）轴加电场时，由单轴→双轴晶体，折射率椭球的主轴绕z轴旋转45o→此转角与外加电场的大小无关，其折射率变化与电场成正比。

利用电光效应实现光调制、调Q、锁模等技术的物理基础。结论24故4.4.1光波在KPD晶体中传播光学功能材料可分为以下几类：a．非线性光学晶体：包括磷酸二氢钾（KDP）、砷酸二氢铷（RDA）等压电型晶体；铌酸锂（LiNbO3）、铌酸钾（KNbO3）、Ba2Na(NbO3)、（BNN）等铁电型晶体；GaAs、InAs、ZnS等半导体晶体；碘酸钾KIO3等碘酸盐光学晶体，β－偏硼酸盐晶体。b．红外光学材料：尖晶石（MgAl2O4）、篮宝石（Al2O3）、氧化钇（Y2O3）等知识扩充c．激光材料：红宝石、含稀土的铷玻璃、钨酸钙、钆铝石榴石等。d．光电功能材料：主要有半导体、磁性晶体等，用于光学信息的转换。e．声光功能材料：α－HIO3、PbMoO4等用了制造调制器、滤波器等。f．磁光材料：亚铁石榴石M3Fe5O12（M＝Gd、Dy、Ho、Tm等）、尖晶石铁氧体等。23“神光二号”功率巨大固体激光器，只有高质量大口径KDP（磷酸二氢钾）晶体可作为电光非线性光学元器件，需生长大尺寸KDP晶体制作相应高功率器件。“神光二号”因4.4.2和4.4.3研究所用方法与4.4.1类似，这里就不再详细讲诉了，同学们可以留作自学。

一种是电场方向与通光方向一致，称为纵向电光效应；另一种是电场与通光方向相垂直，称为横向电光效应。4.4.4、电光相位延迟221、纵向应用xzy

V入射光出射光

如果光波沿KDP类晶体Z方向传播，则其双折射特性取决于椭球与垂直于Z轴的平面相交所形成的椭园。令Z=0，椭圆方程为:4.4.4、电光相位延迟211、纵向应用xzy

V入射光出射光长、短半轴与x

、y

重合→

x、y是两个分量的偏振方向→对应nx’、ny’。线偏振光沿z入射，E在x方向(z=0)→分解x和y方向两偏振分量→x方向光传播速度快→y方向光传播速度慢→光程为nx’L

和ny’L。相位延迟分别为204.4.4、电光相位延迟1、纵向应用当这两个光波穿过晶体后将产生一个相位差V=EzL

是沿Z

轴加的电压。当电光晶体和通光波长确定后，相位差的变化仅取决于外加电压改变电压→相位成比例地变化19二、电光相位延迟1、纵向应用当光波的两个垂直分量Ex’,Ey’

的光程差为半个波长(相应的相位差为π)时所需要加的电压，称为“半波电压”，通常以表示184.4.4、电光相位延迟1、纵向应用半波电压是表征电光晶体性能的一个重要参数，这个电压越小越好，特别是在宽频带高频率情况下，半波电压越小，需要的调制功率就越小。和2、横向应用如果沿z向加电场，光束传播方向垂直于z轴并与y（或x）轴成45角，这种运用方式一般采用45z切割晶体。4.4.4、电光相位延迟电极LdxzyV电压传播方向输入光偏振方向102、横向应用设光波垂直于xz平面入射，E矢量与z轴成45角，进入晶体（y=0）后即分解为沿x和z方向的两个垂直偏振分量。相应的折射率分别为和。4.4.4、电光相位延迟电极LdxzyV电压传播方向输入光偏振方向9传播距离L后

x分量为

z分量为2、横向应用8Lxzy4.4.4、电光相位延迟两偏振分量的相位延迟分别为:当这两个光波穿过晶体后将产生一个相位差:2、横向应用74.4.4、电光相位延迟在横向运用条件下，光波通过晶体后的相位差包括两项：第一项与外加电场无关，是由晶体本身自然双折射引起的；第二项即为电光效应相位延迟。

2、横向应用64.4.4、电光相位延迟例如：在z向加电场的横向运用中，略去自然双折射的影响，求得半波电压为:(L/d)越小，V

就越小，这是横向运用的优点。

2、横向应用54.4.4、电光相位延迟本讲小结电光效应、折射率椭球体、电光张量概念及相互关系电光相位延迟、半波电压概念纵向电光应用、横向电光应用含义、特点、相互区别、相互关系电光偏振光的所满足基本条件1电压变化→折射率变化→光程差变化→相位变化→实现对光的调制巧用数学工具会更清楚看到物理本质——事半功倍2015年3月25日《光电子技术》

1、计算题：在铌酸锂晶体中，如果外加电场的方向平行于x轴，其主折射率是否有变化，该如何变化，请作详细推导。课后作业

2、简答题：电光效应主要有几种？分别产生的效应具有什么特点？在光电子技术领域中，在可见光、红外光波段，分别常用哪些电光晶体作为元件材料？又可以做哪些光电器件？在哪些领域具有广泛的应用？1、何为电光晶体的半波电压？半波电压由晶体的那些参数决定？[答]：当光波的两个垂直分量Ex，Ey的光程差为半个波长（相应的相位差为）时所需要加的电压，称为半波电压。

（纵向应用）（横向应用，在略去自然双折射影响的情形下）4问答题：2、比较KDP晶体的纵向运用和横向运用两种情况：【答】第一:横向运用时，存在自然双折射产生的固有相位延迟，它们和外加电场无关。表明在没有外加电场时，入射光的两个偏振分量通过晶后其偏振面已转过了一个角度，这对光调制器等应用不利，应设法消除。第二:横向运用时，无论采用那种方式，总的相位延迟不仅与所加电压成正比，而且晶体的长宽比(L/d)有关。而纵向应用时相位差只和V=EzL有关。因此，增大L或减小d就可大大降低半波电压。3如果电光晶体是铌酸锂，试分析纵向应用时其半波电压怎样？思考题：2入射光xyzxy~VL铌酸锂电光晶体思路提示：椭球方程→标准方程（未加电场）→非标准方程（加电场后）→方程出现交叉项→看不出其物理规律和特征→坐标变换（数学方法）→新的坐标体系→引入具有代表性的电光晶体（主要消除一些张量参数）→消除加电场后方程交叉项→新坐标系下的方程→分析物理规律和特征课后作业

2、外电场作用于晶体材料所产生的电光效应分为两种，一种是泡克耳斯效应，产生这种效应的晶体通常是不具有对称中心的各向异性晶体；另一种是克尔效应