晶体的电光效应

1. 晶体的电光效应 班级：电科091 姓名：贺维康 学号：09461112

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. 一、一次电光效应和晶体的折射率椭球 实 验 原 理 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，也称为线性电光效应或普克尔(Pokells)效应；

4. 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(Kerr)效应。一次电光效应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。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(Kerr)效应。一次电光效应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传播时，因光的传播方向不同，光的折射率也不同。

5. 通常用折射率球来描述折射率球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的光系，在主轴坐标中，折射率椭球及其方程为：通常用折射率球来描述折射率球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的光系，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 z n3 n2 y n1 x

6. 当晶体加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方向都发生变化，椭球方程变为：当晶体加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方向都发生变化，椭球方程变为： 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。

7. 二、电光调制原理 • 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，射出晶体后的偏振态由下式表示：

8. 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： 电光介质获得的相位差，由г=πv/vπ，式(15.1)表示输出光波是沿y方向的线偏振光 （15.1）

9. 其光强为: 上式说明光强收到外加电压的调制，称振幅调制，I0为光强的幅值，当V=Vπ时，I,=I0

10. 铌酸锂晶体横调制 纵调制器件的调制度近似Гm，而与光波在晶体中传播的距离无关。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Vπ都很高。由于Vπ与λ成正比，当光源波长较大时（例如 10.6μm）， Vπ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，扎入损耗较大；后者引起晶体电场不均匀。解决上述问题的方案之一，是采用横调制。

11. ： 其中令电场强度为E=Ez,代入得电场感生的法线椭球方程式

12. 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

13. 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π/2的整数倍。

14. 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Vπ与晶体长度比L/d成反比。因而可以通过加大器件的长度比V/d来减小Vπ

15. 改变直流偏压对输出特性的影响 (1) 当U0=Uπ/2, Um<<Uπ时，将工作点选定在线性工作区的中心处，此时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。 (2) 当U0=0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。

16. (3) 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。 (4) 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

17. 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λ/4波片濑实现

18. 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，起偏器组件，检偏器组件

19. 实验内容 • (1) 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Uπ。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，在读出相应的光强值。 以T为纵坐标，U为横坐标，画出T~U关系曲线，确定半波电压Ux的数值。

20. (2) 观察电光调制箱内置波形信号，以及解调信号； • (3) 用1/ 4波片改变工作点，观察输出特性； • (4) 光通讯的演示；

21. 实验心得 • 本次实验在调节仪器上似乎没有多大问题。在调节偏振片上没有十分完善，毕竟理论与实际还是有很大差距的。 • 在晶体上加上电压以后发现改变电压对读数影响很小，起先我们认为是精确度太低，所以调节了测光强的精度。 • 最后得出一组数据

22. 偏压（U/v）0 、50、100、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600 • 光强（mV）0.32、0.3、0.29、0.29、0.3、0.32、0.4、0.37、0.41、0.44、0.47、0.51. • 并由此得出曲线图，由于实验仪器所能达到最大偏压是600V，T~U曲线中600V以后的曲线是估算出来的，并且最大值在800V左右。 • 那么Utt=800V-100V=700V

23. 注意事项 • (1) 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。 • (2) 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。 • (3) 电源的旋钮顺时值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

24. 谢谢！