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1、-铌酸锂(LiNb03)晶体电光调制器的性能测试铌酸锂LiNbO3晶体是目前用途最广泛的新型无机材料之一，它是很好的压电换能材料，铁电材料，电光材料，非线性光学材料及外表波基质材料。电光效应是指对晶体施加电场时，晶体的折射率发生变化的效应。有些晶体部由于自发极化存在着固有电偶极矩，当对这种晶体施加电场时，外电场使晶体中的固有偶极矩的取向倾向于一致或*种优势取向，因此，必然改变晶体的折射率，即外电场使晶体的光率体发生变化。铌酸锂调制器，应具有损耗低、消光比高、半波电压低、电反射小的高可靠性的性能。【实验目的】1了解晶体的电光效应及电光调制器的根本原理性能 2. 掌握电光调制器的主要性能消光比和半
2、波电压的测试方法3. 观察电光调制现象【实验仪器】1激光器及电源 2电光调制器(铌酸锂) 3电光调制器驱动源 4. 检流计 5示波器 6音频输出的装置7光具台及光学元件【实验原理】1电光效应原理*些晶体在外电场作用下，构成晶体的原子、分子的排列和它们之间的相互作用随外电场E的改变发生相应的变化，因而*些原来各向同性的晶体，在电场作用下，显示出折射率的改变。这种由于外电场作用而引起晶体折射率改变的现象称为电光效应。折射率N和外电场E的关系如下： (1)式中，为晶体未加外电场时*一方向的折射率，r是线性电光系数，R是二次电光系数。通常把电场一次项引起的电光效应叫线性电光效应，又称泡克尔斯效应；把二
3、次项引起的电光效应叫做二次电光效应，又称克尔效应。其中，泡克尔斯效应只在无对称中心的晶体中才有，而克尔效应没有这个限制。只有在无对称中心的晶体中，与泡克尔斯效应相比，克尔效应较小，通常可忽略。目前普遍采用线性电光效应做电光调制器，这样就不再考虑1式中电场E的二次项和高次项。因此1式为： (2) 利用电光效应可以控制光的强度和位相，其在光电技术中得到广泛的应用，如激光通讯、激光显示中的电光调制器、激光的Q开关、电光偏转等。在各向同性的晶体中，折射率n与介电系数均为常量，且，但在各向异性晶体中，介电系数不再是个常量，而是一个二阶量，为，这样折射率n也就随介电系数的变化而呈现出各向异性的性质，在不同
4、的方向上随的不同而有所不同。为明确表示在各方向上相应的折射率值，因此把n写成，所以(2)式成为： (3)这里，是一个三阶量，因为它仅映了一个二阶量和一个一阶量的关系。三阶量应有33=27个分量，但由于介电系数ij是二阶对称量，它只有6个分量，这就便各最多只有18个分量，而不是27个分量了因此通常将rijk的三个脚标简化为二个脚标，即： 的简化规则如下：这样就缩写成rik，但在习惯上仍写作rij，并且可以写成六行三列的矩阵形式：通过脚标的简化，公式(3)就可写成： 4由于晶体的对称性，电光系数的18个分量，有些分量是相等的，有些 分量又等于零，因此吸有有限的几个独立分量，例如铌酸锂(LiNbO3
5、)晶体，其电光系数只有四个独立分量，其形式如下：2折射率椭球 对于各向异性的晶体来说，在不同方向上晶体具有不同的折射率。如果在晶体中任选一点O，从O点出发向各个方向作矢量，使矢量长度等于该方向的折射率时，矢量的端点构成一个椭球面，称这个椭球面为折射率椭球，并用它来描述晶体的光学性质。如果晶体是各向同性的，折射率椭球就简化为一个球面。晶体的电光效应可以用折射率椭球随电场的变化来描述。 在单轴晶体中，如果选取的直角坐标系的三个轴*1，*2，*3与折射率的三个主轴重合，则在晶体未加外电场时，折射率椭球方程为：5这里，n10，n20，n30为晶体的主折射率。当在晶体上加一外电场E(E1，E2，E3)后
6、，由于一次电光效应，晶体各方向上的折射率发生了变化，因而折射率椭球也相应地发生变化，此时折射率椭球的一般表达式为： 6在(6)式中包含了穿插项*3*2等等，表示*1、*2、*3不再是折射率椭球的主轴了。下面讨论一下折射率椭球的变化规律，即怎样确定表征椭球的方程(6)中的各项系数。当外电场E=0时，(6)式复原成(5)式，有：当在晶体上加一外电场(E1，E2，E3)后，则根据泡克尔斯效应式(4)有如下关系： (7) (7)式以矩阵相乘的形式表示可以写成： (8) 3电光调制本实验用的是铌酸锂晶体，至于别的晶体，由于其对称性不同，相应的电光系数也不同，其具体形式也有所不同，而对于同一类型的晶体，如
7、果其工作状态不同，其具体形式也有所不同，但推理过程相类似。本实验中，对于铌酸锂晶体利用其一次电光效应，制成调制器用来调制激光的光强，称为振幅调制。图一图一所示，入射光经起偏振器射到晶体上，光通过晶体后由检偏器检测。其起偏器的振动面平行与*1轴，检偏器的偏振面平行与*2轴，入射光沿*3即光轴方向传播，其中*1，*2，*3三个轴的方向就是晶体的三个结晶轴的方向，以上部件组成光振幅调制，其输出端的光强度经检偏器后将由加到晶体上的电压来调制。具体情况如下：1铌酸锂晶体加电压后的折射率的变化，即折射率椭球随电场变化而变化的情况铌酸锂晶体是负单轴晶体，在=6238时，其n0=2.286， ne=2.200
8、,当外电场零时，其折射率椭球方程为：9此方程表示是一个以*3轴为旋转轴的旋转椭球，如图二所示，n1n2no为寻常无折射率，n3=ne为非寻常光折射率。图二图三如图一所示，当在铌酸锂晶体的*1方向加电场E1后，由于El0，E2=E3=0，此时晶体的折射率发生了相应的变化，把铌酸锂晶体的电光系数rij值和E值的相应局部代入(7)式，可得到在*1方向加电场的折射率的变化情况：图四10将(10)式代入(6)式：11把(11)式和(9)式比拟，沿LiNbO3晶体的*1方向加电场E1后，使折射率椭球的开状发生了变化，从(11)式可以看出，折射率椭球的主轴不再是*1，*2，*3其所表示的折射率椭球的形状如图
9、三所示。图一中光沿LiNbO3晶体的*3方向通过，*1方向加电场E1后，此时，过椭球中心而垂直于*3轴的平面截折射率椭球的截痕为一椭圆，而在外电场为零时，此截痕为圆，如图四所示。图中实线为El=0时的截痕，虚线为El0时的截痕，并且从图中可以看出，椭圆的长、短半轴已不再是*1、*2，而是*11*21，并且在下面的表达过程中可知，*11*21为*1*2绕*3轴旋转450而得。图中n1=n2=no，而n1n2，且有n1n0,n2no，传播的相速度减小，偏振方向平行于的光，其折射率，传播的相速度增大。这种现象称为电场感生双折射，即双折射。所以图一的根本作用是利用人工双折射来实现光的调制的。(2)光在
10、LiNbO3晶体中的传播情况，半波电压图一，入射光经起偏器P1后，获得光波矢量平行于*l轴的偏振光，射到晶体上，当外电场El加到晶体上时，产生人工双折射，沿*3方向传播的光分解为沿*1及*2方向的两个偏振光，由于*1、*2为*1、*2绕*3轴旋转450而得，因此，在入射端可以认为这两个波的振幅是相等的，但当这两个光波进入晶体后，由于存在电场引起的双折射，相速度不再一样，两个光波各按自己的相速度传播到晶体的另一端。设LiNbO3晶体*3方向的长度，*1方向的厚度为d，由于电场E的数值是不易测量的，故实验中用垂直于E的两个晶体外表上的电位差(VEd)来代替。则此两光波通过晶体时产生的位相差为：18
11、当外加电场加到*一确定值时，两波通过晶体时产生的位相差正好等于，称此时的外加电场为半波电压，用V或V来表示。用半波电压这一概念形象地表示：加上这样的电压，晶体部的两个正交分量的光程差刚好等于半个波长，相应的位相差等于。因此可以得到： (19)半波电压是标志电光调制器的一个重要参量，实际应用中希望愈小愈好。从19式可知，半波电压的大小与制成调制器的材料及外形尺寸有关。为获得半波电压低的电光调制器，首先要选用半波电压低的电光晶体材料必须注意：材料的半波电压以d:=1:1为标准，一旦材料确定以后，常用降低d/的比值来到达降低调制器的半波电压。当半波电压确定以后，从1819两式中，可以得到两波通过晶体
12、时的位相差和外加电压之间的关系： (20)(3)LiNbO3晶体调制器 本实验用的是铌酸锂(1iNbO3)晶体调制器，使用条件是沿*1方向加电场，沿*3方向通光。图一中，起偏器P1和检偏器P2正交放置。由于实验要求，沿*3方向的入射光经起偏器Pl后获得电矢量平行于*1轴或*2轴的线偏振光，由于外电场的作用，进入晶体的线偏振光又分解为沿*1，*2的两个方向的线偏振光，当这两光波通过检偏器P2时，其透射光强度为此两波在P2上投影迭加的结果。具体表达如下： 图六中，N1、N2分别为偏振器P1、P2的主截面，而Z、Z1为晶体的主截面。设经过P1的入射光的光强为I0=A2,则可得到：图六在入射光波刚进入
13、晶体的瞬间，两光无位相差，当两光通过长的晶体后，由于电场引起的双折射，两光的相速度不同，产生一定的位相差，当具有这个相差的两光通过检偏器P2时，其在N1上的分量为：由此可见，通过检偏器的两光是同频率、等振幅、振动在同一平面的两个相干光。这两个相干光除有电场引起的位相差以外，还有在N2上投影所引入的位相差，因而此两光的总的位相差为(+)。设从检偏器后得到的输出光强为I，则根据偏振光干预的原理，可以得到光强I和输出光强I0之间的关系： (21)从(21)式可以看出，两线偏振光之间的位相差不同，与之对应的输出光强也就不同，也就是说，输出光强随外加电压的变化而变化，因而可以通过控制外加电压的方法来到达调制输出光强的目的。图七 七七从(21)式得到外加电压与输出光强之间的关系，如图七所示。从图中可以看出，当外加电压V0时，输出光强为最小，而VV时，输出光强到达最大，从理论上讲，当V2kV (K=0，土1，土2)时，输出光强应等于输入光强，即到达100的调制，但在实际上由于晶体的光学均匀性及加工精度，偏光器的质量与取向精度，入射光的发射角，所加电场的均匀性等因素的影响，使V=2kV时，输出光强不为零，而
