Transcript 晶体电光效应（孙秋梅）
晶体的电光效应 电科091 孙秋梅 09461105 实验目的： • （1）掌握晶体电光调制的原理和实验方法。 • （2）学会测量晶体半波电压、电光常数的 实验方法。 • （3）了解一种激光通信的方法。 实验原理： • 一、一次电光效应和晶体的折射率椭球 • 由电场所引起的晶体折射率的变化，称为 电光效应。 • 通常可将电场引起的折射率的变化用下式 表示： n=n0+aE0+bE02+‥‥‥ 式中a和b为常数，n0为不加电场时晶体的折 射率 • 由一次项aE0引起折射率变化的效应，称为 一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔 效应; • 由二次项bE02引起折射率变化的效应，称为 二次电光效应，也称平方电光效应或克尔效 应。 • 一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶 体中，二次电光效应则可能存在于任何物质 中，一次效应要比二次效应显著。 • 光在各向异性晶体中创博时，因光的传播方 向不同或者是电矢量的振动方向不同，光的 折射率也不同。 • 通常用折射率球来描述折射率与光的传播方 向、振动方向的关系。 • 在主轴坐标中，折射率椭球及其方程为： x2 y2 z 2 2 2 1 2 n1 n2 n3 式中n1,n2,n3为椭球三个主轴 方向上的折射率， 称为主折射率。 •当晶体加上电场后，折射率椭球的 形状、大小、方位都发生变化，椭 球方程变为： x 2 y 2 z 2 2 yz 2 xz 2 xy 2 2 2 2 2 1 2 n11 n22 n33 n23 n13 n12 • 晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和 横向电光效应两种。 • 纵向电光效应是加在晶体上的电场方向与 光在晶体里传播的方向平行时产生的电光 效应。 • 横向电光效应是加在晶体上的电场方向与 光在晶体里传播的方向垂直时产生的电光 效应。 二、电光调制原理 • 要用激光作为传递信息的工具，首先要解 决如何将传输信号加到激光辐射上去的问 题，我们把信息加载于激光辐射的过程称 为激光调制，把完成这一过程的装置称为 激光调制器。 • 由已调制的激光辐射还原出所加载信息的 过程称为解调。 • 因为激光实际上只起到了“携带”低频信 号的作用，所以称为载波，而起控制作用 的低频信号是我们所需要的，称为调制信 号，被调制的载波称为已调波或者调制光。 • 按调制的性质而言，激光调制与无线电波 调制相类似，可以采用连续的调幅、调频、 调相以及脉冲调制等形式，但激光调制多 采用强度调制。 • 强度调制是根据光载波电场振幅的平方比 例于调制信号，使输出的激光辐射的强度 按照调制信号的规律变化。 • 激光调制之所以常采用强度调制形式，主 要是因为光接收器一半都是直接地响应其 所接受的光强度变化的缘故。 • 激光调制的方法很多，如机械调制、电光调 制、声光调制和电源调制等。其中电光调制 器开关速度快、结构简单。因此，在激光调 制技术及混合型光学双稳器件等方面有广泛 的应用。 • 电光调制根据所施加的电场方向的不同，可 分为纵向电光调制和横向电光调制。 KDP晶体纵调制 • 设电光晶体是与xy平行的晶片，沿z方向的 厚度为L，在z方向加电压（纵调制），在 输入端放一个与x方向平行的起偏振器， 入射光波沿z方向传播，且沿x方向偏振， 射入晶体后，它分解成方向的偏振光（如 图下图所示），射出晶体后的偏振态由式 表示： i ( / 2) e 1 i ( / 2 ) Jˆ 2 e y x 图 2.1 xy 坐标系和 标系 （感生坐标系） • 首先进行坐标变换，得到xy坐标系内琼斯矩阵的 表达式： i ( / 2) 1 1 cos( / 2) e π ˆ 1 i ( / 2 ) R( ) J 4 2 1 1 e i sin( / 2) • 如果在输出端放一个与y 平行的检偏振器，就构 成泡克耳斯盒。由检偏器输出的光波琼斯矩阵为： 0 0 cos( / 2 ) 0 ˆ J xy 1 1 i sin( / 2) i sin( / 2) 其中为两个本征态通过厚度为L的电光介质获得的 , 相位差 • 由 V V 上式表示输出光波是沿y方 向的线偏振光，其光强为 I0 2 v I (1 cos ) I 0 sin ( ) 2 2v ， • 上式说明光强受到外加电压的调制，称振 幅调制，为光强的幅值，当 V V时I I 0 . · 本实验研究铌酸锂晶体的一次电光效 应，用铌酸锂晶体的横向调制装置测 量铌酸锂晶体的半波电压及电光系数， 并用两种方法改变调制器的工作点， 观察相应的输出特性的变化。 铌酸锂晶体横调制 • 纵调制器件的调制度近似为，与外加电压振幅成 正比，而与光波在晶体中传播的距离（即晶体沿 光轴z的厚度L，又称作用距离）无关。这是纵调 制的重要特性。纵调制器也有一些缺点。首先， 大部分重要的电光晶体的半波电压都很高。由于 与成正比，当光源波长较长时（例如10.6μm）， 更高，使控制电路的成本大大增加，电路体积和 重量都很大。其次，为了沿光轴加电场，必须使 用透明电极，或带中心孔的环形金属电极。前者 制作困难，插入损耗较大；后者引起晶体中电场 不均匀。解决上述问题的方案之一，是采用横调 制。 • 电极D1、D2与光波传播 方向平行。外加电场则 与光波传播方向垂直。 P Q K D *P IT O 1 IT O 2 电极引线 A 绝缘环 • 电光效应引起的相位差正比于电场强度E和 作用距离L（即晶体沿光轴z的厚度）的乘积 EL、E正比于电压V，反比于电极间距离d， LV 因此 d •对一定 的 ，外加电压V与晶体 长宽比L/d成反比，加大L/d可使得 V下降。电压V下降不仅使控制电路 成本下降、而且有利于提高开关速 度。铌酸锂晶体具有优良的加工性 能及很高的电光系数， r33=30.8*10-12m/V,常常用来做成 横制器。铌酸锂为单轴负晶体，有 nx=ny=n0=2.297,nz=ne2.208 • 令电场强度为 E=Ez，得到电场感生的法线 椭球方程式： 2 2 2 x y z 2 2 1 2 nx ny nz 其中 1 3 nx n y n0 n0 13 Ez 2 3 nz ne ne 33 Ez • 应注意在这一情况下电场感生坐标系和主轴 坐标系一致，仍然为单轴晶体，但寻常光和 非常光的折射率都受到外电场的调制。设入 射线偏振光沿xz的角平分线方向振动，两个 本征态x和z分量的折射率差为 1 3 3 nx nz ( n0 ne ) ( n0 13 ne 33 ) E 2 • 当晶体的厚度为L，则射出晶体后光波的两 个本征态的相位差为 2 2 2 n ne 33 (nx nz )L (n0 ne )L EL 0 0 0 2 3 0 13 3 • 上式说明在横调制情况下，相位差由两部 分构成：晶体的自然双折射部分(式中第一 项)及电光双折射部分（式中第二项）。通 常使自然双折射项等于/2的整倍数。 • 横调制器件的半波电压为 d 0 V 3 3 L ne 33 n0 13 我们用到关系式E=V/d。由上式可知半波 电压与晶体长宽比L/d成反比。因而可以通 过加大器件的长宽比L/d来减小。 改变直流偏压对输出特性的影响 • 当U0= Uπ/2,um<< Uπ时，将工作点选定在线性工作 区的中心处，可获得较高效率的线性调制。 • 当Um<< Uπ时，这时，调制器输出的信号和调制信 号虽然振幅不同，但是两者的频率却是相同的， 输出信号不失真，我们称为线性调制。 • 当U0=0, Um<< Uπ时 ，输出信号的频率是调制信号 频率的二倍，即产生“倍频”失真。 • 直流偏压U0在0伏附近或在Uπ附近变化时， 由于工作点不在线性工作区，输出波形将 失真。 • 当U0= Uπ/2,um> Uπ时,调制器的工作点虽然 选定在线性工作区的中心，但不满足小信号调 制的要求。因此，工作点虽然选定在了线性区， 输出波形仍然是失真的。 • 上面分析说明电光调制器中直流偏压的作用主要 是在使晶体中x’,y’两偏振方向的光之间产生固 定的位相差，从而使正弦调制工作在光强调制曲 线上的不同点。直流偏压的作用可以用 / 4波片 来实现。在起偏器和检偏器之间加入 / 4 片，调 整 / 4 波片的快慢轴方向使之与晶体的x’,y’ 轴平行，即可保证电光调制器工作在线性调制状 态下，转动波片可使电光晶体处于不同的工作点 上。 实验器材 • 电光调制电源组件，光接收放大器组件， He-Ne激光器组件，电光调制晶体组件，器 偏起组件，检偏器组件。 实验内容 • 测定铌酸锂晶体的透过率曲线（即T～U曲线）， 计算半波电压Uπ。 晶体上只加直流电压，不加交流信号，把直流电 压从小到大逐渐改变，输出的光强将会出现极小 值和极大值，相邻极小值和极大值对应的直流电 压之差即是半波电压。加在晶体上的电压在电源 面板上的数字表读出，每隔5V增大一次，再读出 相应的光强值。 以T为纵坐标，U为横坐标，画T～U关系曲 线，确定半波电压Uπ的数值。 • 观察电光调制箱内置波形信号，以及解调信 号。 • 用1/4波片改变工作点，观察输出特性。 • 光通讯的演示。 S1 38 40 S4 S2 S3 4 3.5 3 起偏振片 晶体 检偏振片 光电三极管 放大器 激光 V mA 注意事项 • He-Ne激光管出光时，电极上所加的直流高 压，要注意人身安全。 • 晶体又细又长，容易折断，晶体电极上面 的铝条不能压的太紧或给晶体施加压力， 以免压断晶体。 • 电源的旋钮顺时针方向为增益加大的方向， 因此，电源开关打开前，所有旋钮应该逆 时针方向旋转到头，关仪器前，所有旋钮 逆时针方向旋转到头后再关电源。