1、晶體的電光效應(yīng) 掌握晶體電光調(diào)制的原理和實驗方法掌握晶體電光調(diào)制的原理和實驗方法學(xué)會測量晶體半波電壓、電光系數(shù)的實驗學(xué)會測量晶體半波電壓、電光系數(shù)的實驗方法方法了解一種激光通信方法了解一種激光通信方法 電光效應(yīng)電光效應(yīng)：當(dāng)給晶體或液體加上電場后，該晶：當(dāng)給晶體或液體加上電場后，該晶 體或液體的折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象。體或液體的折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象。一、一次電光效應(yīng)一、一次電光效應(yīng) 通?？蓪㈦妶鲆鸬恼凵渎实淖兓孟率奖硎就ǔ？蓪㈦妶鲆鸬恼凵渎实淖兓孟率奖硎荆?式中式中a a和和b b為常數(shù)，為常數(shù)，n n0 0為不加電場時晶體的折射為不加電場時晶體的折射率。由一次項率。由一次項aEaE0 0

2、引起折射率變化的效應(yīng)，稱為一次引起折射率變化的效應(yīng)，稱為一次電光效應(yīng)，也稱為線性電光效應(yīng)或普克爾電光效應(yīng)，也稱為線性電光效應(yīng)或普克爾( (Pokells) )2000bEaEnn2000bEaEnn效應(yīng)；由二次項效應(yīng)；由二次項 引起折射率變化的效應(yīng)稱引起折射率變化的效應(yīng)稱為二次電光效應(yīng)，也稱平方電光效應(yīng)或克為二次電光效應(yīng)，也稱平方電光效應(yīng)或克( (Kerr) )效應(yīng)。效應(yīng)。一次電光效應(yīng)存在于不具有對稱中心的一次電光效應(yīng)存在于不具有對稱中心的晶體中，二次電光效應(yīng)則可能存在于任何物質(zhì)晶體中，二次電光效應(yīng)則可能存在于任何物質(zhì)中，一次效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯著。中，一次效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯著。 晶體的一次電光

3、效應(yīng)分為縱向電光效應(yīng)和晶體的一次電光效應(yīng)分為縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)兩種?？v向電光效應(yīng)是加在晶體橫向電光效應(yīng)兩種?？v向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播的方向平行時上的電場方向與光在晶體里傳播的方向平行時產(chǎn)生的電光效應(yīng)；產(chǎn)生的電光效應(yīng)；橫向電光效應(yīng)是加在晶體上橫向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播的方向垂直時產(chǎn)的電場方向與光在晶體里傳播的方向垂直時產(chǎn)20aE生的電光效應(yīng)。通常生的電光效應(yīng)。通常KDKD* *P(P(磷酸二氘鉀磷酸二氘鉀) )類型類型的晶體用它的縱向電光效應(yīng)，的晶體用它的縱向電光效應(yīng)，LiNbOLiNbO3 3( (鈮酸鋰鈮酸鋰) )類型的晶體用橫向電光

4、效應(yīng)，晶體的坐標(biāo)軸類型的晶體用橫向電光效應(yīng)，晶體的坐標(biāo)軸如圖所示。如圖所示。xyzxy 本實驗研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應(yīng)，本實驗研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應(yīng)，用鈮酸鋰晶體的橫向調(diào)制裝置測量鈮酸鋰晶體用鈮酸鋰晶體的橫向調(diào)制裝置測量鈮酸鋰晶體的半波電壓及電光系數(shù)并用兩種方法改變調(diào)制的半波電壓及電光系數(shù)并用兩種方法改變調(diào)制器的工作點，觀察相應(yīng)的輸出特性的變化。器的工作點，觀察相應(yīng)的輸出特性的變化。 在未加電場前，鈮酸鋰是單晶體。當(dāng)線性在未加電場前，鈮酸鋰是單晶體。當(dāng)線性偏振光沿光軸（偏振光沿光軸（Z軸）方向通過晶體時，不會軸）方向通過晶體時，不會產(chǎn)生雙折射。但如在鈮酸鋰晶體的產(chǎn)生雙折射。但如在鈮酸

5、鋰晶體的X軸施加電軸施加電場，晶體將由單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體。這時沿場，晶體將由單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體。這時沿Z軸傳播的偏振光應(yīng)按特定的晶體感應(yīng)軸軸傳播的偏振光應(yīng)按特定的晶體感應(yīng)軸x和和y進(jìn)行分解，因為光沿著這兩個方向偏振的進(jìn)行分解，因為光沿著這兩個方向偏振的折射率不同（傳播速度不同）。類似于雙折射折射率不同（傳播速度不同）。類似于雙折射中關(guān)于中關(guān)于o o光和光和e e光的偏振態(tài)的討論，因為沿光的偏振態(tài)的討論，因為沿xx和和yy的偏振分量存在相位差，出射光一般將成為的偏振分量存在相位差，出射光一般將成為橢圓偏振光。由晶體光學(xué)可以證明，這兩個方橢圓偏振光。由晶體光學(xué)可以證明，這兩個方向的折射率：向的

6、折射率：2/300 xxrEnnn2/300 xyrEnnn2/300 xxrEnnn 在無線電通信中，為了把語言、音樂或圖像等在無線電通信中，為了把語言、音樂或圖像等信息發(fā)出去，總是通過表征電磁波特性的振幅、頻信息發(fā)出去，總是通過表征電磁波特性的振幅、頻率或相位受被傳遞信號的控制來實現(xiàn)的。這種控制率或相位受被傳遞信號的控制來實現(xiàn)的。這種控制過程稱為調(diào)制；而接受時，則需把所要的信息從調(diào)過程稱為調(diào)制；而接受時，則需把所要的信息從調(diào)制信號中還原出來，這個過程稱為解調(diào)。因為激光制信號中還原出來，這個過程稱為解調(diào)。因為激光只起到只起到“攜帶攜帶”低頻信號的作用，所以稱為載波，低頻信號的作用，所以稱為載

7、波，而起控制作用的低頻信號是我們所需要的，稱為調(diào)而起控制作用的低頻信號是我們所需要的，稱為調(diào)制信號，被調(diào)制的載波稱為已調(diào)波或調(diào)制光。制信號，被調(diào)制的載波稱為已調(diào)波或調(diào)制光。 在現(xiàn)代社會中，激光也常被用作傳遞信號的工在現(xiàn)代社會中，激光也常被用作傳遞信號的工具，它的調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，可以采用連具，它的調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，可以采用連續(xù)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及脈沖調(diào)制等形式。續(xù)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及脈沖調(diào)制等形式。 本實驗采用強(qiáng)度調(diào)制，即輸出的激光輻射本實驗采用強(qiáng)度調(diào)制，即輸出的激光輻射強(qiáng)度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。激光調(diào)制之所強(qiáng)度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。激光調(diào)制之所以常采用強(qiáng)度調(diào)制形式，主

8、要是因為光接收器以常采用強(qiáng)度調(diào)制形式，主要是因為光接收器（探測器）一般都是直接地響應(yīng)其所接受的光（探測器）一般都是直接地響應(yīng)其所接受的光強(qiáng)度變化的緣故。強(qiáng)度變化的緣故。 激光調(diào)制的方法很多，如機(jī)械調(diào)制、聲光激光調(diào)制的方法很多，如機(jī)械調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和電源調(diào)制等。而電光調(diào)制開調(diào)制、磁光調(diào)制和電源調(diào)制等。而電光調(diào)制開關(guān)速度快，結(jié)構(gòu)簡單，因此在激光調(diào)制技術(shù)、關(guān)速度快，結(jié)構(gòu)簡單，因此在激光調(diào)制技術(shù)、混合型光學(xué)雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應(yīng)用。混合型光學(xué)雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應(yīng)用。橫向電光調(diào)制橫向電光調(diào)制鈮酸鋰晶體的橫向電光調(diào)制過程如圖所示。鈮酸鋰晶體的橫向電光調(diào)制過程如圖所示。 入射光經(jīng)起偏器后變成

9、振動方向平行于入射光經(jīng)起偏器后變成振動方向平行于X軸軸的線性偏振光，晶體的電光效應(yīng)可按光矢量的分的線性偏振光，晶體的電光效應(yīng)可按光矢量的分解與合成來處理。進(jìn)入晶體后，解與合成來處理。進(jìn)入晶體后，X偏振的線性偏偏振的線性偏振光按感應(yīng)軸振光按感應(yīng)軸x和和y分解，它們的振幅和相位相分解，它們的振幅和相位相等，電矢量可以分別記為：等，電矢量可以分別記為：tEtEyxsincos 為方便計算，用復(fù)振幅的表示方法，省去時為方便計算，用復(fù)振幅的表示方法，省去時間的簡諧因子間的簡諧因子ejwt，這時位于晶體表面（，這時位于晶體表面（Z=0）的）的光波表示為：光波表示為：AEAEyx)0()0(所以入射光的強(qiáng)度

10、：所以入射光的強(qiáng)度：2222| )0(| )0(|AEEIyxi 當(dāng)光通過長為當(dāng)光通過長為 的電光晶體后，因折射率不同，的電光晶體后，因折射率不同，xx和和yy兩分量之間將產(chǎn)生相位差兩分量之間將產(chǎn)生相位差 ，于是，于是)(00)()(EiyixAelEAel通過檢偏器出射的光，是該兩分量在通過檢偏器出射的光，是該兩分量在Y Y軸上的投影軸上的投影之和之和0) 1(2)(0iiyeeAEl輸出光強(qiáng)：輸出光強(qiáng)：2sin2)1)(1(2)()(222*00AeeAEEIiixyt因此光強(qiáng)的透過率因此光強(qiáng)的透過率T T為：為：2sin2itIIT由感應(yīng)軸的折射率，并注意到由感應(yīng)軸的折射率，并注意到 有

11、：有：dVEx/dlrVnlnnxy302)(2 由此可見，與由此可見，與V有關(guān)。當(dāng)電壓增加某一值時，有關(guān)。當(dāng)電壓增加某一值時，x和和y方向的偏振光經(jīng)過晶體后產(chǎn)生方向的偏振光經(jīng)過晶體后產(chǎn)生/2/2的光的光程差，相位差程差，相位差 = =，T=100% ,=100% ,這一電壓叫半波電這一電壓叫半波電壓，通常用壓，通常用 或或 表示。表示。 是描述晶體電光效應(yīng)的重要參數(shù)。在實驗中，是描述晶體電光效應(yīng)的重要參數(shù)。在實驗中，這個電壓越小越好。因為這個電壓越小越好。因為 小，表示較小的調(diào)小，表示較小的調(diào)制信號就會有較大的響應(yīng)；用做快速電光開關(guān)時，制信號就會有較大的響應(yīng)；用做快速電光開關(guān)時， 小意味著用

12、比較小的電壓就可以實現(xiàn)小意味著用比較小的電壓就可以實現(xiàn)V2 /VVVV光開關(guān)的動作。根據(jù)半波電壓值，可以估計出控光開關(guān)的動作。根據(jù)半波電壓值，可以估計出控制電光效應(yīng)所需的電壓。根據(jù)上述討論得制電光效應(yīng)所需的電壓。根據(jù)上述討論得)(230ldrnV式中，式中， 和和 分別為晶體的厚度和長度。由此可分別為晶體的厚度和長度。由此可見，橫向電光效應(yīng)的半波電壓與晶體的幾何尺見，橫向電光效應(yīng)的半波電壓與晶體的幾何尺寸有關(guān)寸有關(guān), ,而縱向電光效應(yīng)的半波電壓為而縱向電光效應(yīng)的半波電壓為 不能靠尺寸調(diào)不能靠尺寸調(diào)整，這是橫向電光調(diào)制器的優(yōu)點整，這是橫向電光調(diào)制器的優(yōu)點之一。因此，橫向效應(yīng)的電光晶體都加工成細(xì)之

13、一。因此，橫向效應(yīng)的電光晶體都加工成細(xì)長的扁長方體。長的扁長方體。ldrn302根據(jù)上述討論根據(jù)上述討論, , 取取 ( ( 是直流偏壓，是直流偏壓， 是交流調(diào)制號是交流調(diào)制號) )，因，因此可以得到：此可以得到：)sin(2sin2sin022tVVVVTmVVtVVmsinV00VtVmsin由此可以看出，改變由此可以看出，改變 或或 ，輸出特性將相應(yīng)，輸出特性將相應(yīng)發(fā)生變化。發(fā)生變化。0VmV 對單色光來說，對單色光來說， 為常數(shù)，因而為常數(shù)，因而T將隨晶將隨晶體上所加的電壓變化，如圖所示，體上所加的電壓變化，如圖所示，T與與V的關(guān)系的關(guān)系是非線性的。如果工作點是非線性的。如果工作點 選

14、擇不當(dāng)，則會使選擇不當(dāng)，則會使輸出信號發(fā)生畸變；但在輸出信號發(fā)生畸變；但在 附近有一近似直附近有一近似直線的部分，這一直線部分稱為線性工作區(qū)。不線的部分，這一直線部分稱為線性工作區(qū)。不難看出，當(dāng)難看出，當(dāng) 時，時， =/2,=/2,T=50%=50%。rn300V2/V2/VV （2 2） 直流偏壓對輸出特性的影響直流偏壓對輸出特性的影響1.1.當(dāng)當(dāng) 時，工作點落在線性工作區(qū)的中時，工作點落在線性工作區(qū)的中部，此時，可獲得較高效率的線性調(diào)制，把部，此時，可獲得較高效率的線性調(diào)制，把 代入前式得代入前式得)sinsin(1 21)sin2cos(1 21sin)2(4sin2tVVtVVtVVT

15、mmm2/V0V2/V0V當(dāng)當(dāng) 時時，)sin1(21tVVTm它表明它表明 。這時，調(diào)制器輸出的波形和。這時，調(diào)制器輸出的波形和調(diào)制信號的頻率相同，即線性調(diào)制。調(diào)制信號的頻率相同，即線性調(diào)制。2. 當(dāng)當(dāng) 或或 ， 時，把時，把 代入前代入前式，則式，則VVmtVTmsin0V0VVVm0V0)2cos1 ()(81sin)(41)sincos(1 )sin2(sin2222tVVtVVtVVtVVTmmmm即即 。這時，輸出光的頻率是調(diào)制。這時，輸出光的頻率是調(diào)制信號的信號的2倍，即產(chǎn)生倍，即產(chǎn)生“倍頻倍頻”失真。類似地，失真。類似地，對對 ，可得，可得)2cos1()(8112tVVTm這

16、是仍將看到這是仍將看到“倍頻倍頻”失真的波形。失真的波形。3. 3. 直流偏壓直流偏壓 在在0 0V 附近或變化時，由于工作附近或變化時，由于工作 點不在線性工作區(qū)，故輸出波形將失真。點不在線性工作區(qū)，故輸出波形將失真。tT2cosVV 00V4. 4. 當(dāng)當(dāng) 且且 時，調(diào)制器的工作點雖時，調(diào)制器的工作點雖然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足小信號然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足小信號調(diào)制的要求，此時的透射率函數(shù)式應(yīng)展開成貝調(diào)制的要求，此時的透射率函數(shù)式應(yīng)展開成貝賽爾函數(shù)，即：賽爾函數(shù)，即：2/V0V2/VVm5sin)(3sin)(sin(2)sinsin(1 21531tVVJtVVJtV

17、VJtVVTmmmm由式可以看出，輸出的光束包括交流的基波，還有由式可以看出，輸出的光束包括交流的基波，還有奇次諧波。由于調(diào)制信號的幅度較大，奇次諧波不奇次諧波。由于調(diào)制信號的幅度較大，奇次諧波不能忽略，因此，這時雖然工作點選在線性區(qū)，輸出能忽略，因此，這時雖然工作點選在線性區(qū)，輸出波形仍失真。波形仍失真。電光調(diào)制電源組件電光調(diào)制電源組件光接收放大器組件光接收放大器組件He-NeHe-Ne激光器組件激光器組件電光調(diào)制晶體組件電光調(diào)制晶體組件起偏器組件起偏器組件檢偏器組件檢偏器組件 1. 1.測定鈮酸鋰晶體的透過率曲線測定鈮酸鋰晶體的透過率曲線( (即即TVTV曲線曲線) )， 計算半波電壓計算

18、半波電壓 。 晶體上只加直流電壓，不加交流信號，把直晶體上只加直流電壓，不加交流信號，把直 流電壓從小到大逐漸改變，輸出的光強(qiáng)將會出流電壓從小到大逐漸改變，輸出的光強(qiáng)將會出 現(xiàn)極小值和極大值，相鄰極小值和極大值對應(yīng)現(xiàn)極小值和極大值，相鄰極小值和極大值對應(yīng) 的直流電壓之差即是半波電壓的直流電壓之差即是半波電壓 。加在晶體。加在晶體 上的電壓在電源面板上的數(shù)字表讀出，每隔上的電壓在電源面板上的數(shù)字表讀出，每隔5 5v 增大一次，在讀出相應(yīng)的光強(qiáng)值。增大一次，在讀出相應(yīng)的光強(qiáng)值。 VV以以T T為縱坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)，V V為橫坐標(biāo)，畫出為橫坐標(biāo)，畫出TVTV關(guān)系曲關(guān)系曲線，確定半波電壓線，確定半波電壓 的數(shù)值，進(jìn)而求晶體電的數(shù)值，進(jìn)而求晶體電光系數(shù)。光系數(shù)。2.2.用用1/41/4波片改變工作點，觀察輸出特性。波片改變工作點，觀