鈮酸鋰晶體電光調(diào)制器的性能測試---OK

1、錠酸鋰（L i Nb03）晶體電光調(diào)制器的性能測試撫酸鋰（LibO3）晶體是目前用途最廣泛的新型無機材料之一，它是很好的壓 電換能材料，鐵電材料，電光材料，非線性光學材料及表面波基質(zhì)材料。電光效應是 指對晶體施加電場時，晶體的折射率發(fā)生變化的效應。有些晶體內(nèi)部山于自發(fā)極化存 在著固有電偶極矩，當對這種晶體施加電場時，外電場使晶體中的固有偶極矩的取向 傾向于一致或某種優(yōu)勢取向，因此，必然改變晶體的折射率，即外電場使晶體的光率 體發(fā)生變化。錠酸鋰調(diào)制器，應具有損耗低、消光比高、半波電壓低、電反射小的高可靠 性的性能?！緦嶒災康摹?. 了解晶體的電光效應及電光調(diào)制器的基本原理性能.2. 掌握電光調(diào)制

2、器的主要性能消光比和半波電壓的測試方法3. 觀察電光調(diào)制現(xiàn)象【實驗儀器】1.激光器及電源2-電光調(diào)制器（規(guī)酸鋰）3. 電光調(diào)制器驅(qū)動源4. 檢流計5. 示波器6. 音頻輸出的裝置7. 光具臺及光學元件【實驗原理】1.電光效應原理某些晶體在外電場作用下，構成晶體的原子、分子的排列和它們之間的相互作用 隨外電場E的改變發(fā)生相應的變化，因而某些原來各向同性的晶體，在電場作用下， 顯示出折射率的改變。這種山于外電場作用而引起晶體折射率改變的現(xiàn)象稱為電光效 應。折射率N和外電場E的關系如下：丄=fE + RE1 +式中，心為晶體未加外電場時某一方向的折射率，r是線性電光系數(shù)，斤是二次電 光系數(shù)。通常把電

3、場一次項引起的電光效應叫線性電光效應，乂稱泡克爾斯效應；把 二次項引起的電光效應叫做二次電光效應，乂稱克爾效應。其中，泡克爾斯效應只在 無對稱中心的晶體中才有，而克爾效應沒有這個限制。只有在無對稱中心的晶體中， 與泡克爾斯效應相比，克爾效應較小，通?？珊雎??？谇捌毡椴捎镁€性電光效應做電光調(diào)制器，這樣就不再考慮（1）式中電場E的二 次項和高次項。因此（1）式為：(2)n n n利用電光效應可以控制光的強度和位相，其在光電技術中得到廣泛的應用，如激 光通訊、激光顯示中的電光調(diào)制器、激光的Q開關、電光偏轉(zhuǎn)等。在各向同性的晶體中，折射率n與介電系數(shù)均為常量，且，但在各向異 性晶體中，介電系數(shù)不再是個常

4、量，而是一個二階張量，為6了，這樣折射率門也就隨 介電系數(shù)的變化而呈現(xiàn)出各向異性的性質(zhì)，在不同的方向上隨的不同而有所不同。 為明確表示在各方向上相應的折射率值，因此把n寫成所以(2)式成為：（門,匕=1,2,3）這里，麻 是一個三階張量，因為它僅映了一個二階張量和一個一階張量瓦的 關系。三階張量勺I應有33=27個分量，但由于介電系數(shù)辭是二階對稱張量，它只有6個分量，這就便各勺I最多只有18個分量，而不是27個分量了.因此通常將上汰的三 個腳標簡化為二個腳標，即：rijk Fiji的簡化規(guī)則如下：11 122 233 323)31)12)t4t5t632J13)21J這樣0就縮寫成：Tq但在習

5、慣上仍寫作并且可以寫成六行三列的矩陣形式:G “2 G& 匕心通過腳標的簡化，公式(3)就可寫成:刃()(4)由于晶體的對稱性，電光系數(shù)的18個分量，有些分量是相等的，有些 分量乂等于零，因此吸有有限的兒個獨立分量，例如規(guī)酸鋰(LiNbOs)晶體，其電光系數(shù) 只有四個獨立分量，其形式如下：00_ r22r22廠13廠 13 00廠230r520廠500r61002-折射率橢球?qū)τ诟飨虍愋缘木w來說，在不同方向上晶體具有不同的折射率。如果在晶 體中任選一點0,從0點出發(fā)向各個方向作矢量，使矢量長度等于該方向的折射率時， 矢量的端點構成一個橢球面，稱這個橢球面為折射率橢球，并用它來描述晶體的光學

6、性質(zhì)。如果晶體是各向同性的，折射率橢球就簡化為一個球面。晶體的電光效應可以 用折射率橢球隨電場的變化來描述。在單軸晶體中，如果選取的直角坐標系的三個軸&，X： , Xs與折射率的三個 主軸重合，則在晶體未加外電場時，折射率橢球方程為：-Lx + x + x；=,Z10/220“30這里，皿，氐” g為晶體的主折射率。當在晶體上加一外電場E(E” E2, E3)后，山于一次電光效應，晶體各方向上的折射率發(fā)生了變化，因而折射率橢球也相應地發(fā)生變化，此時折射率橢球的一般表達式為:X3xt +-XlX2=l（6）在(6)式中包含了交義項X3X：等等，表示X】、星、Xs不再是折射率橢球的主軸了。 下面討

7、論一下折射率橢球的變化規(guī)律，即怎樣確定表征橢球的方程(6)中的各項系 數(shù)。當外電場E二0時，(6)式還原成(5)式，有：1 _ 11 _ 1丄=丄nn2 W20n3 n30當在晶體上加一外電場(鳥，鳥，鳥)后，則根據(jù)泡克爾斯效應式(4)有如下關系:a（4-）i =,（ +r12E2 +rI33 町怖w 111匸匚（飛）2r = r211 + r222 + r23ft料 2“20x 1、11 匚匸（飛）3 = riE + r32E2 + 廠33 11nig（y）4 = r4lEl + r42E2 + no,nz 2n0o 圖四所示的橢圓方程為：-Xf+-X-2r22E1X1X2=l（12）ono

8、此方程即令（11）式中的X3二0后所得。此橢圓的半長軸和半短軸分別為在X方向 加電場，在X3方向傳播的兩偏振光的折射率?，F(xiàn)在用坐標變換的方法求橢圓的半長軸 和半短軸，即求其相應的折射率。設新坐標XJ X/與XX之間的關系為：X、= X:cos - X；sin0 d=A sin2= zosur-從(21)式可以看出，兩線偏振光之間的位相差不同，與之對應的輸出光強也就不 同，也就是說，輸出光強隨外加電圧的變化而變化，因而可以通過控制外加電壓的方 法來達到調(diào)制輸出光強的口的。從(21)式得到外加電壓與輸出光強之間的關系，如圖七所示。從圖中可以看出， 當外加電壓V=0時，輸出光強為最小，而，=匚時，輸

9、岀光強達到最大，從理論上講, 當V=2kV”(K二0, 土 1, 土 2)時，輸出光強應等于輸入光強，即達到100%的調(diào) 制，但在實際上山于晶體的光學均勻性及加工精度，偏光器的質(zhì)量與取向精度，入射 光的發(fā)射角，所加電場的均勻性等因素的影響，使V二2kVn時，輸出光強不為零，而達 到一個最小值1品，當V二(2k+l)Vx時，輸出光強IH Io,而達到一個最大值I運，在一 般情況下,UIoo n調(diào)制器的最大輸岀光強與最小輸出光強的比值稱為調(diào)制器的消光比。它是衡 量電光調(diào)制器質(zhì)量的一個重要技術指標。消光比越大，說明晶體的光學質(zhì)量好，加工 精度高。一般情況下，調(diào)制器的消光比范圍在兒十到兒百之間。定義消

10、光比為：M _ maxM -(22)minLiNbO3調(diào)制器的具體應用：當施外加調(diào)制信號電壓于調(diào)制器，則輸出光強隨調(diào)制 信號的變化情況，如圖八所示。圖八為圖七的部分進行放大。顯然，如果取調(diào)制電壓V=V,sin則從圖八中曲線(1)所對應的情況來看，輸出光強被調(diào)制的范圉很小，而且發(fā)生了嚴重的畸變，所以應 考慮加一個偏置電壓.取代入(21)式：匕 sin 曲冷。1cos)cos(y-sincot) + sin()sin(y-sincot)如果選取直流偏壓H則上式可為:I /q 1 + sin(/r )sin 曲(23)對于線性調(diào)制，要求心1,于是（22）式為:1 V/ = /（1 + N亠 Sin

11、勁）2 0y 7（24）從上面的分析可以看出，應用電光效應做振幅調(diào)制，原則上不是線性調(diào)制。為獲 得線性調(diào)制，一方面調(diào)制訊號不宜過大，應滿足?？?1,另一方面要適當選擇工作點，就是選擇直流偏壓VDC=-，此時兩波產(chǎn)生的位相差為:V2通常在調(diào)制晶體前（或后）放置一個4波片，就能產(chǎn)生工的相差，這種方法叫做 光學偏壓。光學偏壓和直流偏壓是等價的，二者擇其一。選擇工作點不僅有助于消除畸變，而且可獲得較大的光強度調(diào)制度。【實驗內(nèi)容及步驟】1. 儀器放置He-Ne激光器及電源，LiNbOs晶體調(diào)制器及驅(qū)動源、示波器.光點檢流計、硅 光電池、偏振器件，光具座、光欄等。以上儀器及元件按圖九位置放置，電氣部分應

12、按要求聯(lián)接好。2. 步驟山于本實驗有高壓裝置，做實驗時，一定要謹慎小心，注意安全.圖九為實驗裝置示意圖。 打開He-Ne激光電源，點燃激光管，工作電流6mA左右，此時激光管的正負極 間電壓有兒千伏，要注意安全。 調(diào)整激光束的位置，使之與光具座的中心線平行。方法是利用檢驗光欄在 光具座上來回滑動，調(diào)節(jié)放光管位置，使激光束始終落在光欄內(nèi)，則激光束的位置調(diào) 整完畢。 各光學元件先后按置在光具座上.如圖九所示，使各元件表面垂直于激光 束，并使2匕振動面平行。調(diào)制器的X】軸是垂直放置，X：軸在水平方向上，X3與激光 束方向相平行。如何保證激光束的入射方向與禺軸即晶體光軸平行，而相應的起偏器 與檢偏器的位

13、置乂將怎樣放置，這是在動手做實驗以前必須解決的二個問題。 最后將硅光電池與光點檢流計相連接，連接時首先將檢流計的量程調(diào)至最 大，然后根據(jù)需要再選擇量程，并旋轉(zhuǎn)消光器使光強最大時選擇合適的量程.一切檢 查無誤后開始測量。 首先測量輸入光強，光使起偏器的振動面平行于X：軸，然后取下LiNbO3調(diào) 制器，讓檢偏器的振動面與起偏器的振動面相平行，此時測得的光強就是輸入光強I。， 然后調(diào)節(jié)檢偏器與起偏器的振動面相互正交，放上LiNbO3調(diào)制器并使之共軸，然后按 實驗要求繼續(xù)測量。 由于是用硅光電池與光點檢流計組合來接收光強，所以本實驗中，光強的 值實際上是檢流計上的電流讀數(shù)，但由于在計算過程中，只取1/

14、1。的相比值，所以并 不影響實驗結果的正確性。3.內(nèi)容 測LiNbO3調(diào)制器的消光比和半波電壓，改變加在調(diào)制器上的直流電壓值， 分別求出當%=%：時對應的輸出光強I心 反復測量，取其平均值， 求出消光比和半波電壓。并將半波電壓的實驗值和理論值相比較，并分析原因.這里0 .有：A 6328 A no=T r乂 = X 10 xCm / V , d3n)m , L = 50nun 觀察在LiNbO3調(diào)制器上的交變信號時，輸出光強被調(diào)制的惜況。分三種情 況討論：(d)當Vbc二0時輸岀光強被調(diào)制的情況。V(b)當V迅比誓時輸出光強被調(diào)制的情況。2(C)當Vg為任意值時輸出光強被調(diào)制惜況。通過對以上三

15、種現(xiàn)象的觀察，你能得到什么結論 畫出I / I。- V的實際關系曲線。 畫出J(v)-V的關系曲線，并求出氐的值.本實驗用的poekels盒，它的位相差與外加電壓的關系是：其與幾都是與晶體材料和切割方式有關的，并且都是波長的函數(shù)。對于有些 電光晶體，5、氐還受溫度的影響。思考題1. 有一塊汞綠光的四分之一波片，它對紅色氨氛激光，是四分之一波片嗎為什么2. 請設計一個方案,從I/Io Vm線求得8(V)V曲線.3. 由5 (v)V曲線說明這塊LiNbO3晶體具有一級電光效應。4如果入射光是直線偏振光，偏振方向與水平方向成30夾角，要使出射光波的 水平振動分量比垂直振動分量多岀的位相差是號，把四分之一波片放進光路時，應滿 足哪些條件通過哪些步驟實現(xiàn)這些條件規(guī)酸鋰晶體(LiNbO,)山于其具有優(yōu)良的鐵電、壓電、電光、非線性光學和聲表面 波性能而用途廣泛。口前，已經(jīng)在光波導基片、光通訊調(diào)制器、光隔離器、窄帶濾波 器等方面獲得了廣泛的實際應用，并在光子海量存儲器、光學集成等方面具有廣闊的 應用前景，被公認為光電子時代的“光學硅”的主要侯選材料之一。在光通訊中，電 -光