鈮酸鋰晶體電光調(diào)制器的性能測(cè)試OK

1、鈮酸鋰(LiNb03)晶體電光調(diào)制器的性能測(cè)試 鈮酸鋰（LiNbO3）晶體是目前用途最廣泛的新型無(wú)機(jī)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(xué)材料及表面波基質(zhì)材料。電光效應(yīng)是指對(duì)晶體施加電場(chǎng)時(shí)，晶體的折射率發(fā)生變化的效應(yīng)。有些晶體內(nèi)部由于自發(fā)極化存在著固有電偶極矩，當(dāng)對(duì)這種晶體施加電場(chǎng)時(shí)，外電場(chǎng)使晶體中的固有偶極矩的取向傾向于一致或某種優(yōu)勢(shì)取向，因此，必然改變晶體的折射率，即外電場(chǎng)使晶體的光率體發(fā)生變化。鈮酸鋰調(diào)制器，應(yīng)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。    【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1了解晶體的電光效應(yīng)及電光調(diào)制器的基本原理性能 2.

2、 掌握電光調(diào)制器的主要性能消光比和半波電壓的測(cè)試方法3. 觀察電光調(diào)制現(xiàn)象 【實(shí)驗(yàn)儀器】 1激光器及電源 2電光調(diào)制器(鈮酸鋰) 3電光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)源 4. 檢流計(jì) 5示波器 6音頻輸出的裝置7光具臺(tái)及光學(xué)元件【實(shí)驗(yàn)原理】1電光效應(yīng)原理某些晶體在外電場(chǎng)作用下，構(gòu)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(chǎng)E的改變發(fā)生相應(yīng)的變化，因而某些原來(lái)各向同性的晶體，在電場(chǎng)作用下，顯示出折射率的改變。這種由于外電場(chǎng)作用而引起晶體折射率改變的現(xiàn)象稱(chēng)為電光效應(yīng)。折射率N和外電場(chǎng)E的關(guān)系如下： (1)式中，為晶體未加外電場(chǎng)時(shí)某一方向的折射率，r是線性電光系數(shù)，R是二次電光系數(shù)。通常把電場(chǎng)一次項(xiàng)引起的電光效

3、應(yīng)叫線性電光效應(yīng)，又稱(chēng)泡克爾斯效應(yīng)；把二次項(xiàng)引起的電光效應(yīng)叫做二次電光效應(yīng)，又稱(chēng)克爾效應(yīng)。其中，泡克爾斯效應(yīng)只在無(wú)對(duì)稱(chēng)中心的晶體中才有，而克爾效應(yīng)沒(méi)有這個(gè)限制。只有在無(wú)對(duì)稱(chēng)中心的晶體中，與泡克爾斯效應(yīng)相比，克爾效應(yīng)較小，通?？珊雎浴Ｄ壳捌毡椴捎镁€性電光效應(yīng)做電光調(diào)制器，這樣就不再考慮（1）式中電場(chǎng)E的二次項(xiàng)和高次項(xiàng)。因此（1）式為： (2) 利用電光效應(yīng)可以控制光的強(qiáng)度和位相，其在光電技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用，如激光通訊、激光顯示中的電光調(diào)制器、激光的Q開(kāi)關(guān)、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(gè)常量，而是一個(gè)二階張量，為，這樣折射率n

4、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(yīng)的折射率值，因此把n寫(xiě)成，所以(2)式成為： (3) 這里， 是一個(gè)三階張量，因?yàn)樗鼉H映了一個(gè)二階張量和一個(gè)一階張量的關(guān)系。三階張量應(yīng)有33=27個(gè)分量，但由于介電系數(shù)ij是二階對(duì)稱(chēng)張量，它只有6個(gè)分量，這就便各最多只有18個(gè)分量，而不是27個(gè)分量了因此通常將rijk的三個(gè)腳標(biāo)簡(jiǎn)化為二個(gè)腳標(biāo)，即： 的簡(jiǎn)化規(guī)則如下： 這樣就縮寫(xiě)成rik，但在習(xí)慣上仍寫(xiě)作rij，并且可以寫(xiě)成六行三列的矩陣形式： 通過(guò)腳標(biāo)的簡(jiǎn)化，公式(3)就可寫(xiě)成： （4）由于晶體的對(duì)稱(chēng)性，電光系數(shù)的18個(gè)分量，有些分量是相等的，

5、有些 分量又等于零，因此吸有有限的幾個(gè)獨(dú)立分量，例如鈮酸鋰(LiNbO3)晶體，其電光系數(shù)只有四個(gè)獨(dú)立分量，其形式如下： 2折射率橢球 對(duì)于各向異性的晶體來(lái)說(shuō)，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(diǎn)O，從O點(diǎn)出發(fā)向各個(gè)方向作矢量，使矢量長(zhǎng)度等于該方向的折射率時(shí)，矢量的端點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)橢球面，稱(chēng)這個(gè)橢球面為折射率橢球，并用它來(lái)描述晶體的光學(xué)性質(zhì)。如果晶體是各向同性的，折射率橢球就簡(jiǎn)化為一個(gè)球面。晶體的電光效應(yīng)可以用折射率橢球隨電場(chǎng)的變化來(lái)描述。 在單軸晶體中，如果選取的直角坐標(biāo)系的三個(gè)軸X1 ，X2 ，X3與折射率的三個(gè)主軸重合，則在晶體未加外電場(chǎng)時(shí)，折射率橢球方程為： （5）這里，

6、n10，n20，n30為晶體的主折射率。當(dāng)在晶體上加一外電場(chǎng)E(E1，E2，E3)后，由于一次電光效應(yīng)，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(yīng)地發(fā)生變化，此時(shí)折射率橢球的一般表達(dá)式為： （6）在(6)式中包含了交叉項(xiàng)X3X2等等，表示X1、X2、X3不再是折射率橢球的主軸了。下面討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(xiàng)系數(shù)。當(dāng)外電場(chǎng)E=0時(shí)，(6)式還原成(5)式，有： 當(dāng)在晶體上加一外電場(chǎng)(E1，E2，E3)后，則根據(jù)泡克爾斯效應(yīng)式(4)有如下關(guān)系： (7) (7)式以矩陣相乘的形式表示可以寫(xiě)成： (8) 3電光調(diào)制本實(shí)驗(yàn)用的是鈮酸鋰晶體，至于別的晶

7、體，由于其對(duì)稱(chēng)性不同，相應(yīng)的電光系數(shù)也不同，其具體形式也有所不同，而對(duì)于同一類(lèi)型的晶體，如果其工作狀態(tài)不同，其具體形式也有所不同，但推理過(guò)程相類(lèi)似。本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于鈮酸鋰晶體利用其一次電光效應(yīng)，制成調(diào)制器用來(lái)調(diào)制激光的光強(qiáng)，稱(chēng)為振幅調(diào)制。圖一圖一所示，入射光經(jīng)起偏振器射到晶體上，光通過(guò)晶體后由檢偏器檢測(cè)。其起偏器的振動(dòng)面平行與X1軸，檢偏器的偏振面平行與X2軸，入射光沿X3即光軸方向傳播，其中X1，X2，X3三個(gè)軸的方向就是晶體的三個(gè)結(jié)晶軸的方向，以上部件組成光振幅調(diào)制，其輸出端的光強(qiáng)度（經(jīng)檢偏器后）將由加到晶體上的電壓來(lái)調(diào)制。具體情況如下：（1）鈮酸鋰晶體加電壓后的折射率的變化，即折射率橢球隨

8、電場(chǎng)變化而變化的情況鈮酸鋰晶體是負(fù)單軸晶體，在=6238Å時(shí)，其n0=2.286， ne=2.200,當(dāng)外電場(chǎng)零時(shí)，其折射率橢球方程為： （9）此方程表示是一個(gè)以X3軸為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)橢球，如圖二所示，n1n2no為尋常無(wú)折射率，n3=ne為非尋常光折射率。圖二圖三 如圖一所示，當(dāng)在鈮酸鋰晶體的X1方向加電場(chǎng)E1后，由于El0，E2=E3=0，此時(shí)晶體的折射率發(fā)生了相應(yīng)的變化，把鈮酸鋰晶體的電光系數(shù)rij值和E值的相應(yīng)部分代入(7)式，可得到在X1方向加電場(chǎng)的折射率的變化情況：圖四 （10）將(10)式代入(6)式： （11）把(11)式和(9)式比較，沿LiNbO3晶體的X1方向加電

9、場(chǎng)E1后，使折射率橢球的開(kāi)狀發(fā)生了變化，從(11)式可以看出，折射率橢球的主軸不再是X1，X2，X3其所表示的折射率橢球的形狀如圖三所示。圖一中光沿LiNbO3晶體的X3方向通過(guò)，X1方向加電場(chǎng)E1后，此時(shí)，過(guò)橢球中心而垂直于X3軸的平面截折射率橢球的截痕為一橢圓，而在外電場(chǎng)為零時(shí)，此截痕為圓，如圖四所示。圖中實(shí)線為El=0時(shí)的截痕，虛線為El0時(shí)的截痕，并且從圖中可以看出，橢圓的長(zhǎng)、短半軸已不再是X1、X2，而是X11X21，并且在下面的敘述過(guò)程中可知，X11X21為X1X2繞X3軸旋轉(zhuǎn)450而得。圖中n1=n2=no，而n1n2，且有n1 >n0,n2<no。圖四所示的橢圓方程

10、為： （12）此方程即令（11）式中的X3=0后所得。此橢圓的半長(zhǎng)軸和半短軸分別為在X1方向加電場(chǎng)，在X3方向傳播的兩偏振光的折射率。現(xiàn)在用坐標(biāo)變換的方法求橢圓的半長(zhǎng)軸和半短軸，即求其相應(yīng)的折射率。設(shè)新坐標(biāo)X1X2與X1X2之間的關(guān)系為： （13）代入(13)式，整理后得： （14）當(dāng)，為橢圓的長(zhǎng)、短半軸時(shí)，(14)式中應(yīng)無(wú)交叉項(xiàng)存在，因此,cos=0, =450這樣(14)式為： （15）設(shè),為相對(duì)于新主軸，的折射率，則： （16） 從(16)式可知： （17）從(17)式可知，當(dāng)晶體未加外電場(chǎng)時(shí)，由于光沿光軸X3入射時(shí)不發(fā)生雙折射現(xiàn)象，因而有n1n2no，但當(dāng)在Xl方向加電場(chǎng)E1后，光沿X

11、3方向傳播時(shí)發(fā)生雙折射，此時(shí)折射率橢球主軸已成為，其主折射率分別為，且有，即光沿X3軸射入晶體時(shí)，分解為偏振方向平行于及的兩個(gè)偏振光，且偏振方向平行于的光，其折射率>no，傳播的相速度減小，偏振方向平行于的光，其折射率，傳播的相速度增大。這種現(xiàn)象稱(chēng)為電場(chǎng)感生雙折射，即雙折射。所以圖一的基本作用是利用人工雙折射來(lái)實(shí)現(xiàn)光的調(diào)制的。(2)光在LiNbO3晶體中的傳播情況，半波電壓圖一，入射光經(jīng)起偏器P1后，獲得光波矢量平行于Xl軸的偏振光，射到晶體上，當(dāng)外電場(chǎng)El加到晶體上時(shí)，產(chǎn)生人工雙折射，沿X3方向傳播的光分解為沿X1及X2方向的兩個(gè)偏振光，由于X1、X2為X1、X2繞X3軸旋轉(zhuǎn)450而得

12、，因此，在入射端可以認(rèn)為這兩個(gè)波的振幅是相等的，但當(dāng)這兩個(gè)光波進(jìn)入晶體后，由于存在電場(chǎng)引起的雙折射，相速度不再相同，兩個(gè)光波各按自己的相速度傳播到晶體的另一端。設(shè)LiNbO3晶體X3方向的長(zhǎng)度，X1方向的厚度為d，由于電場(chǎng)E的數(shù)值是不易測(cè)量的，故實(shí)驗(yàn)中用垂直于E的兩個(gè)晶體表面上的電位差(VEd)來(lái)代替。則此兩光波通過(guò)晶體時(shí)產(chǎn)生的位相差為： （18）當(dāng)外加電場(chǎng)加到某一確定值時(shí)，兩波通過(guò)晶體時(shí)產(chǎn)生的位相差正好等于，稱(chēng)此時(shí)的外加電場(chǎng)為半波電壓，用V 或V來(lái)表示。用半波電壓這一概念形象地表示：加上這樣的電壓，晶體內(nèi)部的兩個(gè)正交分量的光程差剛好等于半個(gè)波長(zhǎng)，相應(yīng)的位相差等于。因此可以得到： (19)半波

13、電壓是標(biāo)志電光調(diào)制器的一個(gè)重要參量，實(shí)際應(yīng)用中希望愈小愈好。從（19）式可知，半波電壓的大小與制成調(diào)制器的材料及外形尺寸有關(guān)。為獲得半波電壓低的電光調(diào)制器，首先要選用半波電壓低的電光晶體材料（必須注意：材料的半波電壓以d:=1:1為標(biāo)準(zhǔn)），一旦材料確定以后，常用降低d/的比值來(lái)達(dá)到降低調(diào)制器的半波電壓。當(dāng)半波電壓確定以后，從（18）（19）兩式中，可以得到兩波通過(guò)晶體時(shí)的位相差和外加電壓之間的關(guān)系： (20) (3)LiNbO3晶體調(diào)制器 本實(shí)驗(yàn)用的是鈮酸鋰(1iNbO3)晶體調(diào)制器，使用條件是沿X1方向加電場(chǎng)，沿X3方向通光。圖一中，起偏器P1和檢偏器P2正交放置。由于實(shí)驗(yàn)要求，沿X3方向的

14、入射光經(jīng)起偏器Pl后獲得電矢量平行于X1軸或X2軸的線偏振光，由于外電場(chǎng)的作用，進(jìn)入晶體的線偏振光又分解為沿X1，X2的兩個(gè)方向的線偏振光，當(dāng)這兩光波通過(guò)檢偏器P2時(shí)，其透射光強(qiáng)度為此兩波在P2上投影迭加的結(jié)果。具體敘述如下： 圖六中，N1、N2分別為偏振器P1、P2的主截面，而Z、Z1為晶體的主截面。設(shè)經(jīng)過(guò)P1的入射光的光強(qiáng)為I0=A2,則可得到： 圖六在入射光波剛進(jìn)入晶體的瞬間，兩光無(wú)位相差，當(dāng)兩光通過(guò)長(zhǎng)的晶體后，由于電場(chǎng)引起的雙折射，兩光的相速度不同，產(chǎn)生一定的位相差，當(dāng)具有這個(gè)相差的兩光通過(guò)檢偏器P2時(shí)，其在N1上的分量為： 由此可見(jiàn)，通過(guò)檢偏器的兩光是同頻率、等振幅、振動(dòng)在同一平面的

15、兩個(gè)相干光。這兩個(gè)相干光除有電場(chǎng)引起的位相差以外，還有在N2上投影所引入的位相差，因而此兩光的總的位相差為(+) 。設(shè)從檢偏器后得到的輸出光強(qiáng)為I，則根據(jù)偏振光干涉的原理，可以得到光強(qiáng)I和輸出光強(qiáng)I0之間的關(guān)系： (21)從(21)式可以看出，兩線偏振光之間的位相差不同，與之對(duì)應(yīng)的輸出光強(qiáng)也就不同，也就是說(shuō)，輸出光強(qiáng)隨外加電壓的變化而變化，因而可以通過(guò)控制外加電壓的方法來(lái)達(dá)到調(diào)制輸出光強(qiáng)的目的。圖七 七七從(21)式得到外加電壓與輸出光強(qiáng)之間的關(guān)系，如圖七所示。從圖中可以看出，當(dāng)外加電壓V0時(shí)，輸出光強(qiáng)為最小，而VV時(shí)，輸出光強(qiáng)達(dá)到最大，從理論上講，當(dāng)V2kV (K=0，土1，土2)時(shí)，輸出光

16、強(qiáng)應(yīng)等于輸入光強(qiáng)，即達(dá)到100的調(diào)制，但在實(shí)際上由于晶體的光學(xué)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(chǎng)的均勻性等因素的影響，使V=2kV時(shí)，輸出光強(qiáng)不為零，而達(dá)到一個(gè)最小值Imin，當(dāng)V=(2k+1)V時(shí)，輸出光強(qiáng)I I0，而達(dá)到一個(gè)最大值Imax，在一般情況下，Imax<I0。n 調(diào)制器的最大輸出光強(qiáng)與最小輸出光強(qiáng)的比值稱(chēng)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(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。消光比越大，說(shuō)明晶體的光學(xué)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幾十到幾百之間。定義消光比為： （22）LiNbO3調(diào)制器的具體應(yīng)用：當(dāng)施外加調(diào)制信號(hào)電壓于調(diào)制器，則輸

17、出光強(qiáng)隨調(diào)制信號(hào)的變化情況，如圖八所示。圖八為圖七的部分進(jìn)行放大。顯然，如果取調(diào)制電壓則從圖八中曲線(1)所對(duì)應(yīng)的情況來(lái)看，輸出光強(qiáng)被調(diào)制的范圍很小，而且發(fā)生了嚴(yán)重的畸變，所以應(yīng)考慮加一個(gè)偏置電壓取 代入(21)式： 如果選取直流偏壓 VDC=則上式可為： （23）對(duì)于線性調(diào)制，要求<< 1，于是（22）式為： （24）從上面的分析可以看出，應(yīng)用電光效應(yīng)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(hào)不宜過(guò)大，應(yīng)滿足 << 1，另一方面要適當(dāng)選擇工作點(diǎn)，就是選擇直流偏壓VDC=，此時(shí)兩波產(chǎn)生的位相差為：通常在調(diào)制晶體前（或后）放置一個(gè)波片，就能產(chǎn)生的相差，

18、這種方法叫做光學(xué)偏壓。光學(xué)偏壓和直流偏壓是等價(jià)的，二者擇其一。選擇工作點(diǎn)不僅有助于消除畸變，而且可獲得較大的光強(qiáng)度調(diào)制度。 【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】1儀器放置 He-Ne激光器及電源，LiNbO3晶體調(diào)制器及驅(qū)動(dòng)源、示波器、光點(diǎn)檢流計(jì)、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(yīng)按要求聯(lián)接好。2步驟由于本實(shí)驗(yàn)有高壓裝置，做實(shí)驗(yàn)時(shí)，一定要謹(jǐn)慎小心，注意安全圖九為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。圖九P1P2打開(kāi) He-Ne激光電源，點(diǎn)燃激光管，工作電流6mA左右，此時(shí)激光管的正負(fù)極間電壓有幾千伏，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(yàn)光欄在光具座上來(lái)回滑

19、動(dòng)，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(xué)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P1、P2振動(dòng)面平行。調(diào)制器的Xl軸是垂直放置，X2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X3軸即晶體光軸平行，而相應(yīng)的起偏器與檢偏器的位置又將怎樣放置，這是在動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)以前必須解決的二個(gè)問(wèn)題。 最后將硅光電池與光點(diǎn)檢流計(jì)相連接，連接時(shí)首先將檢流計(jì)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(qiáng)最大時(shí)選擇合適的量程一切檢查無(wú)誤后開(kāi)始測(cè)量。 首先測(cè)量輸入光強(qiáng)，光使起偏器的振動(dòng)面平行于Xl軸，然后取下LiNbO3調(diào)制器，讓

20、檢偏器的振動(dòng)面與起偏器的振動(dòng)面相平行，此時(shí)測(cè)得的光強(qiáng)就是輸入光強(qiáng)I。，然后調(diào)節(jié)檢偏器與起偏器的振動(dòng)面相互正交，放上LiNb03調(diào)制器并使之共軸，然后按實(shí)驗(yàn)要求繼續(xù)測(cè)量。 由于是用硅光電池與光點(diǎn)檢流計(jì)組合來(lái)接收光強(qiáng)，所以本實(shí)驗(yàn)中，光強(qiáng)的值實(shí)際上是檢流計(jì)上的電流讀數(shù)，但由于在計(jì)算過(guò)程中，只取I/I0的相比值，所以并不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。 3內(nèi)容 測(cè)LiNb03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(dāng)VDC0，VDCV：時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出光強(qiáng)Imin，Imax，反復(fù)測(cè)量，取其平均值，求出消光比和半波電壓。并將半波電壓的實(shí)驗(yàn)值和理論值相比較，并分析原因這里有：=6328 no=2.286，r226.8×10-10CmV ， d3mm ， L50mm 觀察在LiNb03調(diào)制器上的交變信號(hào)時(shí)，輸出光強(qiáng)被調(diào)制的情況。分三種情況討論：(a)當(dāng)VDC =0時(shí)輸出光強(qiáng)被調(diào)制的情況。(b)當(dāng)VDC=誓時(shí)輸出光強(qiáng)被調(diào)制的情況。(c)當(dāng)VDC為任意值時(shí)輸出光強(qiáng)被調(diào)制情況。通過(guò)對(duì)以上三種現(xiàn)象的觀察，你能得到什么結(jié)論?畫(huà)出II0 - V的實(shí)際關(guān)系曲線