晶體的電光效應(yīng)PPT

1、2021/8/251第四組：姚 博 高瑞林 賈潔姝 楊成華 周文龍 毛祖金2021/8/252電光效應(yīng)基本概念縱向電光效應(yīng)及橫向電光效應(yīng)電光效應(yīng)器件結(jié)論2021/8/253電光效應(yīng)的概念線性電光效應(yīng)二次電光效應(yīng)2021/8/254電光效應(yīng)是指材料在直流或低頻交流電場作用下，折射率發(fā)生明顯改變的一種現(xiàn)象。電光晶體材料可用于制備多種可實現(xiàn)高速調(diào)諧的光通信器件，比如電光調(diào)制器、光開關(guān)、波長轉(zhuǎn)換器和波導(dǎo)光柵等，被廣泛的應(yīng)用于激光通信、激光測距、激光顯示和光學(xué)數(shù)據(jù)處理等方面。2021/8/255分類： 按照外加電場下晶體材料的折射率變化分為兩種： 1、線性電光效應(yīng)：非中心對稱晶體中折射率的變化與外加電場

2、強度成線性關(guān)系。也叫做泡克爾斯（Pockels）效應(yīng)。 2、二次電光效應(yīng)：中心對稱晶體中晶體折射率變化與外加電場的平常成正比，也叫做克爾（Kerr）效應(yīng)。 2021/8/256晶體在受到光照的同時，若也受到外電場（低頻或直流）的作用，其二級非線性極化強度為(2)(2)(2)()()( )( )iiijkjkPPEE w為光電場頻率 ，為外加電場頻率 w 2021/8/257由于 所以2021/8/258因為為未加電場時的介電常數(shù)，上式說明在加上電場后介電常數(shù)變化與外加電場成線性關(guān)系。 (1)(2)00()E2021/8/259折射率橢球的方法來分析晶體的電光效應(yīng) 晶體的逆介電張量為 211ij

3、ijijn非磁性介質(zhì) 折射率橢球可以表示為 2021/8/2510展開 未加電場時，折射率橢球記作 2021/8/2511根據(jù)固體電子理論，當(dāng)在晶體上加上電場后，將導(dǎo)致晶體中束縛電荷的重新分布，且可能導(dǎo)致離子晶體晶格的微小變形，其最終結(jié)果是逆介電張量的改變。即施加電場時，折射率橢球?qū)l(fā)生畸變，記作2021/8/2512上式可以表示為 線性電光效應(yīng)表示為 ijijkkE2021/8/2513引入以下簡化下標(biāo) ijk分量數(shù)量由27個降到18個，線性電光系數(shù)表示為 mmkkE2021/8/2514矩陣形式為 2021/8/2515KDP晶體（42m晶類）。單軸晶體，設(shè)其主軸為X3軸，未加電場時候，折

4、射率橢球為：式中2021/8/2516查閱資料知KDP電光效應(yīng)矩陣為 121324413541663000000000000000EEE2021/8/2517因此得到 2021/8/2518加電場后光率體變?yōu)?可以見得，在外電場作用下，KDP晶體由單軸晶體變?yōu)殡p軸晶結(jié)構(gòu)。 2021/8/2519當(dāng)只沿X3方向加電場時，折射率橢球為經(jīng)過坐標(biāo)變化得新的橢球方程020202163311633233()()1E xE xxX1，X2，X3為新的光率體主軸坐標(biāo)系 2021/8/2520利用微分關(guān)系可以得到311106333222063333312120nnnnEnnnnEnnn 注意：n1，n2，n3是

5、光沿各個主軸偏振時的折射率，而不是傳播方向沿各主軸2021/8/2521晶體的二次電光效應(yīng)實際上是一種三階非線性光學(xué)效應(yīng)，跟線性電光效應(yīng)一樣，我們也采用逆介電張量折射率橢球的方法來描述，不同的是逆介電張量對外加電場的二次方產(chǎn)生響應(yīng)。 2021/8/2522由式ijijklklsE Eijkls為二次電光系數(shù)（Kerr）系數(shù)，為四階張量 因此引入以下簡化下標(biāo) 2021/8/2523二次電光效應(yīng)表示為 ijklsmns與的關(guān)系為 mnsijkls是一個66矩陣，的矩陣元從81個減少到36個 2021/8/2524二次電光效應(yīng)的矩陣形式為 2021/8/2525順電相KLTN晶體（m3m點群）為例

6、，沒有外加電場時晶體各向同性，只有一個折射率n0，其折射率橢球是一個球面 2221232220001111xxxnnn2021/8/2526二次電光系數(shù)矩陣有如下形式 111212121112121211444444000000000000000000000000mnsssssssssssss2021/8/2527在晶體上加上電場后 22221111212111112212322222121112212111212323121211312444235441364412000000000000000000000000sssEs Es Es EsssEs Es Es EsssEssE EsE Es

7、E E2221122113442344134412Es Es Es E Es E Es E E2021/8/2528新的折射率橢球為 22222222111122123112111212322200222212112211334423234413 13441212201111s Es Es Exs Es Es Exnns Es Es Exs E E x xs E E x xs E E x xn2021/8/2529如果電場加在晶體的 方向 ， ， 代入上式得 3x3EE120EE2222221211221132220001111s Exs Exs Exnnn1n2n3n此時各主軸方向的折射率為

8、、和 212222120211223011111s Ennns Enn 321200 1232300 111212nnnn s Ennn s E2021/8/2530根據(jù)實際應(yīng)用中晶體上所加電場方向與通光方向的相對位置不同，通常也將電光效應(yīng)分為兩類，縱向電光效應(yīng)與橫向電光效應(yīng)。所加電場方向與通光方向平行的被稱為縱向電光效應(yīng)，電場方向與通光方向互相垂直的被稱為橫向電光效應(yīng)。下面我們舉例來分析縱向與橫向電光效應(yīng)的優(yōu)缺點。 2021/8/2531縱向電光效應(yīng)橫向電光效應(yīng)2021/8/2532仍然以KDP為例，實驗裝置如下圖所示2021/8/2533晶體后存在相位差為 d為晶體通光方向的厚度，所以產(chǎn)生

9、的相位差與所加電壓成正比，與厚度d無關(guān)。當(dāng)相位差為時，我們將所加電壓稱為此塊晶體的半波電壓 。2021/8/2534晶體的半波電壓及電光系數(shù)的測定值 2021/8/2535半波電壓是晶體材料的一個十分重要的參數(shù)，通常電光材料都存在一定的電壓閾值，超過容易被擊穿，而且過高的半波電壓對實驗條件要求造成一定的難度及危險性，所以尋找大的電光系數(shù)及低半波電壓的電光晶體材料已經(jīng)成為一個研究熱點。 2021/8/2536采用縱向電光效應(yīng)有以下幾點問題需要解決 （1）電極問題 （2）電光系數(shù)一般較小 2021/8/2537前面對非中心對稱的晶體線性電光效應(yīng)分析可知，當(dāng)外加電場方向與通光方向垂直，產(chǎn)生的相位差除

10、了受電場控制外還會受到自然雙折射的影響。晶體的自然雙折射對溫度有很高的敏感性，要實現(xiàn)很嚴(yán)格的控溫，精度在0.005，這對實際條件來說是非常困難的。但是對于中心對稱的晶體來說，可以從根本上避免這一問題。 2021/8/2538以順電相KLTN晶體為例 2021/8/2539通過晶體后兩束偏振光的相位差為 323111120221()()2nndssn E d 中心對稱晶體在橫向電光效應(yīng)的應(yīng)用中也存在一些問題，認(rèn)識較多的此類晶體，居里溫度較高，在室溫下不能展現(xiàn)出二次電光效應(yīng)，影響了實際的應(yīng)用，而且二次電光效應(yīng)較小，所以需求低居里溫度，高的二次電光系數(shù)的鐵電晶體材料具有很大的意義。 2021/8/2

11、540光開關(guān)電光強度調(diào)制器 Q開關(guān) 2021/8/25412021/8/2542入射光通過起偏器后在X和Y方向分為兩個振幅，相位相同的分量用，用復(fù)數(shù)表示為 (0)xEA(0)yEA經(jīng)過長度為L的外加電場下的KLTN晶體后 ( ),( )exp()xyE dAEdAi 兩分量在檢偏器偏振方向上的和振幅為 exp()12outAEi 2021/8/2543產(chǎn)生的相位差為 323111120221()()2nndssn E d11s12s實驗時，波長已知，晶體材料的電光系數(shù)，已知，晶體通光方向厚度d已知，通過調(diào)節(jié)外加電壓，改變電場強度E，兩束偏振光的相位差也會隨之改變，最后對輸出光強產(chǎn)生影響。 20

12、21/8/2544電光晶體做光開關(guān)器件有幾個重要的參數(shù) ： （1）大的電光系數(shù) （2）開關(guān)速度 （3）消光比 2021/8/2545電光強度調(diào)制器其設(shè)計光路與上述光開關(guān)光路相同，已知 *22exp()1exp()122sin ()2outoutAIEEiiA 323111120221()()2nn dssn E d2021/8/2546系統(tǒng)的光學(xué)透過率與電壓的關(guān)系曲線 2021/8/2547因為晶體為二次電光效應(yīng)，所以對信號光的采集應(yīng)該二倍與電壓的頻率。由上圖可知，輸出光強度隨電壓改變呈三角函數(shù)曲線變化。我們可以通過連續(xù)改變外加電場，達(dá)到連續(xù)改變輸出光強的目的。 2021/8/2548Q裝置原理圖 2021/8/