晶体电光效应.doc

晶体电光效应【教学目的】1、了解晶体电光效应,测量LN晶体的半波电压;2、掌握电光调制器的工作原理;3、光通讯的模拟研究。【教学重点】电光调制器的工作原理。【教学难点】线性电光效应,电光调制器的工作原理。【课堂讲授】提问:??一、,光波是一种电磁波。在各向异性介质中,光波中的电场强度矢量与电位移矢量的方向是不同的。对于任意一种晶体,我们总可以找到一个直角坐标系(x,y,z),在此坐标系中有(i=x,y,z)。这样的坐标系(x,y,z)叫做主轴坐标系。光波在晶体中的传播性质可以用一个折射率椭球来描述,在晶体的主轴坐标系中,折射率椭球的表达式写为:(1)其中(i=x,y,z),是晶体的主折射率。对于单轴晶体(如本实验所用的LN晶体)有nx=ny=no, nz=ne,于是单轴晶体折射率椭球方程为:(2)由此看出,单轴晶体的折射率椭球是一个旋转对称的椭球。,也就是晶体的自然双折射。当晶体处在一个外加电场中时。晶体的折射率会发生变化,改变量的表达式为:(3)其中n是受外场作用时晶体的折射率,n0是自然状态下晶体的折射率,E是外加电场强度,和p是与物质有关的常数。(3)式右边第一项表示的是线性电光效应,又称为普克尔效应,因此叫做线性电光系数;第二项表示的是二次电光效应,又称为克尔效应,因此p也叫做二次电光系数。本实验只涉及到线性电光效应。LN晶体通常采用横向加压,z向通光的运用方式,即在主轴y方向加电场Ey而Ex=Ez=0,有外电场时折射率椭球的主轴一般不再与原坐标轴重合。将坐标系经过适当的旋转后得到一个新的坐标系(x′,y′,z′),使折射率椭球变为:(4)这里、、是有电场时的三个主折射率。叫感应主折射率,坐标系(x′,y′,z′)叫感应主轴坐标系。在()坐标系中,折射率椭球的方程为:(5)将(5)式同(4)式比较,就可得出:, 一般情况下有<<,于是(6)上述结果表明,在LN晶体的y轴方向上加电场时,原来的单轴晶体(nx=ny=n0,nz=ne)变成了双轴晶体(nx′≠ny′≠nz′),折射率椭球在x′y′平面上的截线由原来的圆变成了椭圆,椭园的短轴x′(或y′)与x轴(或y轴)平行,感应主轴的长短与Ey的大小有关,这就显示了晶体的线性电光效应。,电矢量在x′方向振动的光波与y′方向振动的光波传播速度不同(这是因为nx′≠ny′),因此通过长度为的电光晶体后要产生位相差:(7)其中是晶体的通光长度,d是晶体在y方向的厚度,V=Eyd是外加电压,此式表明,由引起的位相差与加在晶体上的电压V成正比,这种以电场方向和光传播方向相互垂直方式工作的电光调制器称为横向调制器。在电光效应中,将两个光波产生位相差为π时晶体上所加的电压称为“半波电压”,记为Vπ,于是所以有                   (8)二、电光调制器的工作原理LN晶体横向电光调制器的结构如图2所示。当光经过起偏器P后变成振动方向为OP的线偏振光,进入晶体(z=0)后被分解为沿x′和y′轴的两个分量,因为OP与x’轴、y’轴的夹角都是45o,所以位相和振幅都相等。即,于是入射光的强度为:当光经过长为的LN晶体后,x′和y′分量之间就产生位相差,即:(13)从检偏器A(它只允许OA方向上振动的光通过)出射的光为和在OA轴上的投影之和(14)于是对应的输出光强为:(15)将输出光强与输入光强比较,再考虑(11)式和(12)式,最后得到:(16)为透射率,它与外加电压V之间的关系曲线就是光强调制特性曲线,见图3。本实验就是通过测量透过光强随加在晶体上电压的变化得到半波电压Vπ。由图3可知,透过率与V的关系是非线性的,若不选择合适的工作点会使调制光强发生畸变,但在V=Vπ/2附近有一直线部分(即光强与电压成线性关系),这就是线性调制部分。为此,我们在调制光路中插入一个λ/4波片,其光轴与OP成45o角,它可以使x′和y′两个分量间的位相有一个固定的π/2位相延迟,这时若外加电场是一个幅度变化不太大的周期变化电压,则输出光波的光强变化与调制信号成线性关系,即(17)其中V是外加电压,可以写成,但是如果Vm太大,就会发生畸变,输出光强中将包含奇次高次谐波成份。当时三、(即偏振方向相互正交),此时透过A的光强应为最小(如果P和A都是理想的话,则应无光通过)。,调节LN支架,使LN晶体的光轴(z轴)与激光束平行。方法为:在A之后放一白纸,可看到,由于锥光干涉产生的十字阴影,使激光束处在