晶体的电光效应

1. 晶体的电光效应 电科091 孙秋梅 09461105

2. 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。

3. 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

4. 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。

5. 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。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： 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。

6. 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：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：

7. 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。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。

8. 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。

9. 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。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。

10. 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。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。

11. 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。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。

12. 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：

14. 首先进行坐标变换，得到xy坐标系内琼斯矩阵的表达式：首先进行坐标变换，得到xy坐标系内琼斯矩阵的表达式： • 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： 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

15. 由 上式表示输出光波是沿y方向的线偏振光，其光强为 • 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

16. · 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。

17. 铌酸锂晶体横调制

18. 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。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。

19. 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。

20. 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，因此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，因此

21. 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

22. 令电场强度为 E=Ez，得到电场感生的法线椭球方程式： 其中

23. 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

24. 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 • 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。

25. 横调制器件的半波电压为 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。

26. 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。

27. 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。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。

28. 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 波片来实现。在起偏器和检偏器之间加入 片，调整 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。

29. 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。

30. 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。

31. 观察电光调制箱内置波形信号，以及解调信号。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。

33. 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。