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本講主要內(nèi)容394.4.1、光波在KDP晶體的傳播4.4.4、電光相位延遲老師,這次ppt4.4.2和4.4.3內(nèi)容和4.4.1研究方法研究方法相同,就精講4.4.1就行了。本頁(yè)看完刪掉就行了《光電子技術(shù)》PhotoelectronicTechnique各向異性介質(zhì)的電光調(diào)制主講:彭彪林本講主要內(nèi)容394.4.1、光波在KDP晶體的傳播4.4.4、電光相位延遲光波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律γ和
h為常量,n0為未加電場(chǎng)時(shí)的折射率晶體折射率可用施加電場(chǎng)E的冪級(jí)數(shù)表示,即38受介質(zhì)折射率分布的制約與其介電常量密切相關(guān)知識(shí)鏈接一次項(xiàng)γE
引起的折射率變化37二次項(xiàng)hE2引起的折射率變化線性電光效應(yīng)或泡克耳斯(Pockels)效應(yīng)二次電光效應(yīng)或克爾(Kerr)效應(yīng)知識(shí)鏈接對(duì)電光效應(yīng)的分析和描述有兩種方法:364.1、電致折射率變化1、電磁理論───數(shù)學(xué)推導(dǎo)相當(dāng)繁復(fù)2、幾何圖形───折射率橢球體(又稱光率體)方法,這種方法直觀、方便。在晶體未加電場(chǎng)時(shí),主軸坐標(biāo)系中,折射率橢球方程:354.4、電致折射率變化x,y,z為介質(zhì)的主軸方向。在晶體內(nèi)沿著這些方向的電位移D和電場(chǎng)強(qiáng)度E是互相平行的;nx,ny,nz為折射率橢球的主折射率。當(dāng)晶體施加電場(chǎng)后,其折射率橢球就發(fā)生“變形”,橢球方程變?yōu)椋?44.4、電致折射率變化γij稱為線性電光系數(shù);i取值1,…,6;j取值1,2,3。則可以用張量的矩陣形式表式為:由于外電場(chǎng)的作用,折射率橢球各系數(shù),隨之發(fā)生線性變化,其變化量可定義為334.4、電致折射率變化=是電場(chǎng)沿方向的分量。具有元素6×3的矩陣稱為電光張量,每個(gè)元素的值由具體的晶體決定,它是表征感應(yīng)極化強(qiáng)弱的量。324.4、電致折射率變化
KDP(KH2PO4)晶體:四方晶系,m點(diǎn)群,負(fù)單軸晶體。這類(lèi)晶體的電光張量為:314.4.1光波在KPD晶體中傳播x2x1x3a=bc=
==900而且因此,電光系數(shù)只有41
和
63
30
垂直于光軸方向的電場(chǎng)分量所產(chǎn)生的電光效應(yīng)只與41關(guān);
平行于光軸方向的電場(chǎng)分量所產(chǎn)生的電光效應(yīng)只與63有關(guān)。晶體加外電場(chǎng)E后的新折射率橢球方程:橢球的主軸不再與x,y,z
軸平行。必須找出一個(gè)新的坐標(biāo)系,在該坐標(biāo)系中主軸化,才可能確定電場(chǎng)對(duì)光傳播的影響。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),將外加電場(chǎng)的方向平行于軸z
,即294.4.1光波在KPD晶體中傳播為了尋求一個(gè)新的坐標(biāo)系(x,y,z),使橢球方程不含交叉項(xiàng):
x,y,z為加電場(chǎng)后橢球主軸的方向,通常稱為感應(yīng)主軸。是新坐標(biāo)系中的主折射率,由于x和y是對(duì)稱的,可將x
坐標(biāo)和y
坐標(biāo)繞z軸旋轉(zhuǎn)α角28xxyyO(x,y)(x,y)zz4.4.1光波在KPD晶體中傳播可得:這就是KDP類(lèi)晶體沿Z軸加電場(chǎng)之后的新橢球方程令交叉項(xiàng)為零,即,則方程式變?yōu)?74.4.1光波在KPD晶體中傳播yx'y'450加電場(chǎng)后的橢球的形變x其橢球主軸的半長(zhǎng)度由下式?jīng)Q定:264.4.1光波在KPD晶體中傳播由于γ63
很?。s10-10m/V),一般是γ63EZ<<利用微分式即得到(泰勒展開(kāi)后得):254.4.1光波在KPD晶體中傳播
當(dāng)KDP晶體沿Z(主)軸加電場(chǎng)時(shí),由單軸→雙軸晶體,折射率橢球的主軸繞z軸旋轉(zhuǎn)45o→此轉(zhuǎn)角與外加電場(chǎng)的大小無(wú)關(guān),其折射率變化與電場(chǎng)成正比。
利用電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光調(diào)制、調(diào)Q、鎖模等技術(shù)的物理基礎(chǔ)。結(jié)論24故4.4.1光波在KPD晶體中傳播光學(xué)功能材料可分為以下幾類(lèi):a.非線性光學(xué)晶體:包括磷酸二氫鉀(KDP)、砷酸二氫銣(RDA)等壓電型晶體;鈮酸鋰(LiNbO3)、鈮酸鉀(KNbO3)、Ba2Na(NbO3)、(BNN)等鐵電型晶體;GaAs、InAs、ZnS等半導(dǎo)體晶體;碘酸鉀KIO3等碘酸鹽光學(xué)晶體,β-偏硼酸鹽晶體。b.紅外光學(xué)材料:尖晶石(MgAl2O4)、籃寶石(Al2O3)、氧化釔(Y2O3)等知識(shí)擴(kuò)充c.激光材料:紅寶石、含稀土的銣玻璃、鎢酸鈣、釓鋁石榴石等。d.光電功能材料:主要有半導(dǎo)體、磁性晶體等,用于光學(xué)信息的轉(zhuǎn)換。e.聲光功能材料:α-HIO3、PbMoO4等用了制造調(diào)制器、濾波器等。f.磁光材料:亞鐵石榴石M3Fe5O12(M=Gd、Dy、Ho、Tm等)、尖晶石鐵氧體等。23“神光二號(hào)”功率巨大固體激光器,只有高質(zhì)量大口徑KDP(磷酸二氫鉀)晶體可作為電光非線性光學(xué)元器件,需生長(zhǎng)大尺寸KDP晶體制作相應(yīng)高功率器件?!吧窆舛?hào)”因4.4.2和4.4.3研究所用方法與4.4.1類(lèi)似,這里就不再詳細(xì)講訴了,同學(xué)們可以留作自學(xué)。
一種是電場(chǎng)方向與通光方向一致,稱為縱向電光效應(yīng);另一種是電場(chǎng)與通光方向相垂直,稱為橫向電光效應(yīng)。4.4.4、電光相位延遲221、縱向應(yīng)用xzy
V入射光出射光
如果光波沿KDP類(lèi)晶體Z方向傳播,則其雙折射特性取決于橢球與垂直于Z軸的平面相交所形成的橢園。令Z=0,橢圓方程為:4.4.4、電光相位延遲211、縱向應(yīng)用xzy
V入射光出射光長(zhǎng)、短半軸與x
、y
重合→
x、y是兩個(gè)分量的偏振方向→對(duì)應(yīng)nx’、ny’。線偏振光沿z入射,E在x方向(z=0)→分解x和y方向兩偏振分量→x方向光傳播速度快→y方向光傳播速度慢→光程為nx’L
和ny’L。相位延遲分別為204.4.4、電光相位延遲1、縱向應(yīng)用當(dāng)這兩個(gè)光波穿過(guò)晶體后將產(chǎn)生一個(gè)相位差V=EzL
是沿Z
軸加的電壓。當(dāng)電光晶體和通光波長(zhǎng)確定后,相位差的變化僅取決于外加電壓改變電壓→相位成比例地變化19二、電光相位延遲1、縱向應(yīng)用當(dāng)光波的兩個(gè)垂直分量Ex’,Ey’
的光程差為半個(gè)波長(zhǎng)(相應(yīng)的相位差為π)時(shí)所需要加的電壓,稱為“半波電壓”,通常以表示184.4.4、電光相位延遲1、縱向應(yīng)用半波電壓是表征電光晶體性能的一個(gè)重要參數(shù),這個(gè)電壓越小越好,特別是在寬頻帶高頻率情況下,半波電壓越小,需要的調(diào)制功率就越小。和2、橫向應(yīng)用如果沿z向加電場(chǎng),光束傳播方向垂直于z軸并與y(或x)軸成45角,這種運(yùn)用方式一般采用45z切割晶體。4.4.4、電光相位延遲電極LdxzyV電壓傳播方向輸入光偏振方向102、橫向應(yīng)用設(shè)光波垂直于xz平面入射,E矢量與z軸成45角,進(jìn)入晶體(y=0)后即分解為沿x和z方向的兩個(gè)垂直偏振分量。相應(yīng)的折射率分別為和。4.4.4、電光相位延遲電極LdxzyV電壓傳播方向輸入光偏振方向9傳播距離L后
x分量為
z分量為2、橫向應(yīng)用8Lxzy4.4.4、電光相位延遲兩偏振分量的相位延遲分別為:當(dāng)這兩個(gè)光波穿過(guò)晶體后將產(chǎn)生一個(gè)相位差:2、橫向應(yīng)用74.4.4、電光相位延遲在橫向運(yùn)用條件下,光波通過(guò)晶體后的相位差包括兩項(xiàng):第一項(xiàng)與外加電場(chǎng)無(wú)關(guān),是由晶體本身自然雙折射引起的;第二項(xiàng)即為電光效應(yīng)相位延遲。
2、橫向應(yīng)用64.4.4、電光相位延遲例如:在z向加電場(chǎng)的橫向運(yùn)用中,略去自然雙折射的影響,求得半波電壓為:(L/d)越小,V
就越小,這是橫向運(yùn)用的優(yōu)點(diǎn)。
2、橫向應(yīng)用54.4.4、電光相位延遲本講小結(jié)電光效應(yīng)、折射率橢球體、電光張量概念及相互關(guān)系電光相位延遲、半波電壓概念縱向電光應(yīng)用、橫向電光應(yīng)用含義、特點(diǎn)、相互區(qū)別、相互關(guān)系電光偏振光的所滿足基本條件1電壓變化→折射率變化→光程差變化→相位變化→實(shí)現(xiàn)對(duì)光的調(diào)制巧用數(shù)學(xué)工具會(huì)更清楚看到物理本質(zhì)——事半功倍2015年3月25日《光電子技術(shù)》
1、計(jì)算題:在鈮酸鋰晶體中,如果外加電場(chǎng)的方向平行于x軸,其主折射率是否有變化,該如何變化,請(qǐng)作詳細(xì)推導(dǎo)。課后作業(yè)
2、簡(jiǎn)答題:電光效應(yīng)主要有幾種?分別產(chǎn)生的效應(yīng)具有什么特點(diǎn)?在光電子技術(shù)領(lǐng)域中,在可見(jiàn)光、紅外光波段,分別常用哪些電光晶體作為元件材料?又可以做哪些光電器件?在哪些領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用?1、何為電光晶體的半波電壓?半波電壓由晶體的那些參數(shù)決定?[答]:當(dāng)光波的兩個(gè)垂直分量Ex,Ey的光程差為半個(gè)波長(zhǎng)(相應(yīng)的相位差為)時(shí)所需要加的電壓,稱為半波電壓。
(縱向應(yīng)用)(橫向應(yīng)用,在略去自然雙折射影響的情形下)4問(wèn)答題:2、比較KDP晶體的縱向運(yùn)用和橫向運(yùn)用兩種情況:【答】第一:橫向運(yùn)用時(shí),存在自然雙折射產(chǎn)生的固有相位延遲,它們和外加電場(chǎng)無(wú)關(guān)。表明在沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí),入射光的兩個(gè)偏振分量通過(guò)晶后其偏振面已轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)角度,這對(duì)光調(diào)制器等應(yīng)用不利,應(yīng)設(shè)法消除。第二:橫向運(yùn)用時(shí),無(wú)論采用那種方式,總的相位延遲不僅與所加電壓成正比,而且晶體的長(zhǎng)寬比(L/d)有關(guān)。而縱向應(yīng)用時(shí)相位差只和V=EzL有關(guān)。因此,增大L或減小d就可大大降低半波電壓。3如果電光晶體是鈮酸鋰,試分析縱向應(yīng)用時(shí)其半波電壓怎樣?思考題:2入射光xyzxy~VL鈮酸鋰電光晶體思路提示:橢球方程→標(biāo)準(zhǔn)方程(未加電場(chǎng))→非標(biāo)準(zhǔn)方程(加電場(chǎng)后)→方程出現(xiàn)交叉項(xiàng)→看不出其物理規(guī)律和特征→坐標(biāo)變換(數(shù)學(xué)方法)→新的坐標(biāo)體系→引入具有代表性的電光晶體(主要消除一些張量參數(shù))→消除加電場(chǎng)后方程交叉項(xiàng)→新坐標(biāo)系下的方程→分析物理規(guī)律和特征課后作業(yè)
2、外電場(chǎng)作用于晶體材料所產(chǎn)生的電光效應(yīng)分為兩種,一種是泡克耳斯效應(yīng),產(chǎn)生這種效應(yīng)的晶體通常是不具有對(duì)稱中心的各向異性晶體;另一種是克爾效應(yīng)
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