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晶体的电光效应
晶体外加电场后,其折射率发生变化,这种现象称为电光效应。由于它有很短的响
应时间,利用电光效应制成的电光器件在激光通讯、激光测距、激光显示和光学数据处
理等方面有重要应用。
晶体外加电场后,若折射率变化与外电场的一次方成正比,称为一次电光效应,也
称泡克耳斯(Pockels)效应;若折射率的变化与外电场的平方成正比,称为二次电光效
应,又称克尔(Kerr)效应。晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应。
当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称为纵向电光
效应,当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称为横
向电光效应。本实验研究铌酸锂(LiNbO3,以下简写为 LN)晶体的横向电光效应。

1. 实验目的 x
x'
(1)掌握电光调制的原理和实验方法;
y'
(2)测量电光晶体半波电压和电光常数;

(3)了解一种激光通讯的方法; d
z
(4)观察电光晶体的锥光干涉现象。
Ex

y l
2. 实验原理
(1)铌酸锂晶体的一次电光效应图 1 电光晶体的主轴方向
电光晶体在未加电场时一般为单轴晶体,取 z 轴与它的光轴平行,则其折射率椭球
方程为
x 2  y 2 z 2
1 (1)
2 2
no ne
x、y、z 为折射率主轴方向,no 和 ne 分别为当光的偏振方向在 x、y 和 z 方向上时的主折
射率。在电光晶体上加电场后,折射率主轴的方向发生变化,形成新的主轴方向,又称
感应轴方向 x'、y'、z',对应于感应轴的主折射率为 nx'、ny'、nz',晶体由单轴晶体变为双
轴晶体。
下面我们讨论光束平行于晶体 z 轴方向传播,外加电场在 x 轴方向(Ey =Ez =0,Ex 0)
时铌酸锂晶体的横向电光效应。设晶体 z 方向长度为 l,x 方向厚度为 d,x 方向所加电场
的电压为 U。由 LN 晶体的电光系数矩阵(其中的 r61= r22)可得折射率椭球方程为
x 2  y 2 z 2
 2r E xz  2r E xy 1 (2)
2 2 51 x 22 x
no ne
r22、r51 均为 LN 晶体的一次电光系数。在 z=0 且垂直于 z 轴的平面内,折射率椭球的截
面变为椭圆,在新的主轴系统里 x'、y'要相对于 x、y 轴转过 45,方程(2)变为
 1  1 
 r E x'2  r E y'2 1 (3)
 2 22 x  2 22 x 
 no  no 
2 2 2 2 2
上式可改写为 x' nx'  y' ny' 1的形式。由于 n0 r22Ex<<1,感应轴主折射率为
1
n  n  n3r E
x' o 2 o 22 x
(4)
1
n  n  n3r E
y' o 2 o 22 x
沿 z 轴传播的光,x'、y'两偏振方向的相位差
2 2 l
(n  n )l  n3r U (5)
 x' y'  o 22 d
使 x'、y'