晶體電光效應(yīng)課件

1、晶體的電光效應(yīng)電科091 孫秋梅 09461105實驗?zāi)康模海?）掌握晶體電光調(diào)制的原理和實驗方法。（2）學會測量晶體半波電壓、電光常數(shù)的實驗方法。（3）了解一種激光通信的方法。實驗原理：一、一次電光效應(yīng)和晶體的折射率橢球由電場所引起的晶體折射率的變化，稱為電光效應(yīng)。通?？蓪㈦妶鲆鸬恼凵渎实淖兓孟率奖硎荆?n=n0+aE0+bE02+式中a和b為常數(shù)，n0為不加電場時晶體的折射率由一次項aE0引起折射率變化的效應(yīng)，稱為一次電光效應(yīng)，也稱線性電光效應(yīng)或普克爾效應(yīng);由二次項bE02引起折射率變化的效應(yīng)，稱為二次電光效應(yīng)，也稱平方電光效應(yīng)或克爾效應(yīng)。一次電光效應(yīng)只存在于不具有對稱中心的晶體中，二

2、次電光效應(yīng)則可能存在于任何物質(zhì)中，一次效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯著。光在各向異性晶體中創(chuàng)博時，因光的傳播方向不同或者是電矢量的振動方向不同，光的折射率也不同。通常用折射率球來描述折射率與光的傳播方向、振動方向的關(guān)系。在主軸坐標中，折射率橢球及其方程為： 式中n1,n2,n3為橢球三個主軸方向上的折射率，稱為主折射率。當晶體加上電場后，折射率橢球的形狀、大小、方位都發(fā)生變化，橢球方程變?yōu)椋?晶體的一次電光效應(yīng)分為縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)兩種。縱向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播的方向平行時產(chǎn)生的電光效應(yīng)。橫向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播的方向垂直時產(chǎn)生的電光效應(yīng)。二、電

3、光調(diào)制原理要用激光作為傳遞信息的工具，首先要解決如何將傳輸信號加到激光輻射上去的問題，我們把信息加載于激光輻射的過程稱為激光調(diào)制，把完成這一過程的裝置稱為激光調(diào)制器。由已調(diào)制的激光輻射還原出所加載信息的過程稱為解調(diào)。因為激光實際上只起到了“攜帶”低頻信號的作用，所以稱為載波，而起控制作用的低頻信號是我們所需要的，稱為調(diào)制信號，被調(diào)制的載波稱為已調(diào)波或者調(diào)制光。按調(diào)制的性質(zhì)而言，激光調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，可以采用連續(xù)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及脈沖調(diào)制等形式，但激光調(diào)制多采用強度調(diào)制。強度調(diào)制是根據(jù)光載波電場振幅的平方比例于調(diào)制信號，使輸出的激光輻射的強度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。激光調(diào)制之所以常采

4、用強度調(diào)制形式，主要是因為光接收器一半都是直接地響應(yīng)其所接受的光強度變化的緣故。激光調(diào)制的方法很多，如機械調(diào)制、電光調(diào)制、聲光調(diào)制和電源調(diào)制等。其中電光調(diào)制器開關(guān)速度快、結(jié)構(gòu)簡單。因此，在激光調(diào)制技術(shù)及混合型光學雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應(yīng)用。電光調(diào)制根據(jù)所施加的電場方向的不同，可分為縱向電光調(diào)制和橫向電光調(diào)制。KDP晶體縱調(diào)制 設(shè)電光晶體是與xy平行的晶片，沿z方向的厚度為L，在z方向加電壓（縱調(diào)制），在輸入端放一個與x方向平行的起偏振器， 入射光波沿z方向傳播，且沿x方向偏振，射入晶體后，它分解成方向的偏振光（如圖下圖所示），射出晶體后的偏振態(tài)由式表示：首先進行坐標變換，得到xy坐標系內(nèi)瓊斯矩

5、陣的表達式：如果在輸出端放一個與y 平行的檢偏振器，就構(gòu)成泡克耳斯盒。由檢偏器輸出的光波瓊斯矩陣為： 其中為兩個本征態(tài)通過厚度為L的電光介質(zhì)獲得的相位差 由 上式表示輸出光波是沿y方向的線偏振光，其光強為上式說明光強受到外加電壓的調(diào)制，稱振幅調(diào)制，為光強的幅值，當 本實驗研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應(yīng)，用鈮酸鋰晶體的橫向調(diào)制裝置測量鈮酸鋰晶體的半波電壓及電光系數(shù)，并用兩種方法改變調(diào)制器的工作點，觀察相應(yīng)的輸出特性的變化。鈮酸鋰晶體橫調(diào)制縱調(diào)制器件的調(diào)制度近似為，與外加電壓振幅成正比，而與光波在晶體中傳播的距離（即晶體沿光軸z的厚度L，又稱作用距離）無關(guān)。這是縱調(diào)制的重要特性?？v調(diào)制器也有一些缺點

6、。首先，大部分重要的電光晶體的半波電壓都很高。由于與成正比，當光源波長較長時（例如10.6m），更高，使控制電路的成本大大增加，電路體積和重量都很大。其次，為了沿光軸加電場，必須使用透明電極，或帶中心孔的環(huán)形金屬電極。前者制作困難，插入損耗較大；后者引起晶體中電場不均勻。解決上述問題的方案之一，是采用橫調(diào)制。 電極D1、D2與光波傳播 方向平行。外加電場則 與光波傳播方向垂直。電光效應(yīng)引起的相位差正比于電場強度E和作用距離L（即晶體沿光軸z的厚度）的乘積EL、E正比于電壓V，反比于電極間距離d，因此 對一定 的 ，外加電壓V與晶體長寬比L/d成反比，加大L/d可使得V下降。電壓V下降不僅使控制

7、電路成本下降、而且有利于提高開關(guān)速度。鈮酸鋰晶體具有優(yōu)良的加工性能及很高的電光系數(shù)，r33=30.8*10-12m/V,常常用來做成橫制器。鈮酸鋰為單軸負晶體，有nx=ny=n0=2.297,nz=ne2.208令電場強度為 E=Ez，得到電場感生的法線橢球方程式：其中應(yīng)注意在這一情況下電場感生坐標系和主軸坐標系一致，仍然為單軸晶體，但尋常光和非常光的折射率都受到外電場的調(diào)制。設(shè)入射線偏振光沿xz的角平分線方向振動，兩個本征態(tài)x和z分量的折射率差為當晶體的厚度為L，則射出晶體后光波的兩個本征態(tài)的相位差為上式說明在橫調(diào)制情況下，相位差由兩部分構(gòu)成：晶體的自然雙折射部分(式中第一項)及電光雙折射部

8、分（式中第二項）。通常使自然雙折射項等于/2的整倍數(shù)。橫調(diào)制器件的半波電壓為 我們用到關(guān)系式E=V/d。由上式可知半波電壓與晶體長寬比L/d成反比。因而可以通過加大器件的長寬比L/d來減小。改變直流偏壓對輸出特性的影響 當U0= U/2,um U時，將工作點選定在線性工作區(qū)的中心處，可獲得較高效率的線性調(diào)制。 當Um U時，這時，調(diào)制器輸出的信號和調(diào)制信號雖然振幅不同，但是兩者的頻率卻是相同的，輸出信號不失真，我們稱為線性調(diào)制。當U0=0, Um U時,調(diào)制器的工作點雖然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足小信號調(diào)制的要求。因此，工作點雖然選定在了線性區(qū)，輸出波形仍然是失真的。 上面分析說明電光調(diào)

9、制器中直流偏壓的作用主要是在使晶體中x,y兩偏振方向的光之間產(chǎn)生固定的位相差，從而使正弦調(diào)制工作在光強調(diào)制曲線上的不同點。直流偏壓的作用可以用 波片來實現(xiàn)。在起偏器和檢偏器之間加入 片，調(diào)整 波片的快慢軸方向使之與晶體的x,y軸平行，即可保證電光調(diào)制器工作在線性調(diào)制狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動波片可使電光晶體處于不同的工作點上。實驗器材電光調(diào)制電源組件，光接收放大器組件，He-Ne激光器組件，電光調(diào)制晶體組件，器偏起組件，檢偏器組件。實驗內(nèi)容 測定鈮酸鋰晶體的透過率曲線（即TU曲線），計算半波電壓U。 晶體上只加直流電壓，不加交流信號，把直流電壓從小到大逐漸改變，輸出的光強將會出現(xiàn)極小值和極大值，相鄰極小值和極大值對應(yīng)的直流電壓之差即是半波電壓。加在晶體上的電壓在電源面板上的數(shù)字表讀出，每隔5V增大一次，再讀出相應(yīng)的光強值。 以T為縱坐標，U為橫坐標，畫TU關(guān)系曲線，確定半波電壓U的數(shù)值。觀察電光調(diào)制箱內(nèi)置波形信號，以及解調(diào)信號。用1/4波片改變工作點，觀察輸出特性。光通訊的演示。