1、鈮酸鋰(LiNb03)晶體電光調制器的性能測試 鈮酸鋰（LiNbO3）晶體是目前用途最廣泛的新型無機材料之一，它是很好的壓電換能材料，鐵電材料，電光材料，非線性光學材料及表面波基質材料。電光效應是指對晶體施加電場時，晶體的折射率發生變化的效應。有些晶體內部由于自發極化存在著固有電偶極矩，當對這種晶體施加電場時，外電場使晶體中的固有偶極矩的取向傾向于一致或某種優勢取向，因此，必然改變晶體的折射率，即外電場使晶體的光率體發生變化。鈮酸鋰調制器，應具有損耗低、消光比高、半波電壓低、電反射小的高可靠性的性能。    【實驗目的】 1了解晶體的電光效應及電光調制器的基本原理性能 2.

2、 掌握電光調制器的主要性能消光比和半波電壓的測試方法3. 觀察電光調制現象 【實驗儀器】 1激光器及電源 2電光調制器(鈮酸鋰) 3電光調制器驅動源 4. 檢流計 5示波器 6音頻輸出的裝置7光具臺及光學元件【實驗原理】1電光效應原理某些晶體在外電場作用下，構成晶體的原子、分子的排列和它們之間的相互作用隨外電場E的改變發生相應的變化，因而某些原來各向同性的晶體，在電場作用下，顯示出折射率的改變。這種由于外電場作用而引起晶體折射率改變的現象稱為電光效應。折射率N和外電場E的關系如下： (1)式中，為晶體未加外電場時某一方向的折射率，r是線性電光系數，R是二次電光系數。通常把電場一次項引起的電光效

3、應叫線性電光效應，又稱泡克爾斯效應；把二次項引起的電光效應叫做二次電光效應，又稱克爾效應。其中，泡克爾斯效應只在無對稱中心的晶體中才有，而克爾效應沒有這個限制。只有在無對稱中心的晶體中，與泡克爾斯效應相比，克爾效應較小，通常可忽略。目前普遍采用線性電光效應做電光調制器，這樣就不再考慮（1）式中電場E的二次項和高次項。因此（1）式為： (2) 利用電光效應可以控制光的強度和位相，其在光電技術中得到廣泛的應用，如激光通訊、激光顯示中的電光調制器、激光的Q開關、電光偏轉等。在各向同性的晶體中，折射率n與介電系數均為常量，且，但在各向異性晶體中，介電系數不再是個常量，而是一個二階張量，為，這樣折射率n

4、也就隨介電系數的變化而呈現出各向異性的性質，在不同的方向上隨的不同而有所不同。為明確表示在各方向上相應的折射率值，因此把n寫成，所以(2)式成為： (3) 這里， 是一個三階張量，因為它僅映了一個二階張量和一個一階張量的關系。三階張量應有33=27個分量，但由于介電系數ij是二階對稱張量，它只有6個分量，這就便各最多只有18個分量，而不是27個分量了因此通常將rijk的三個腳標簡化為二個腳標，即： 的簡化規則如下： 這樣就縮寫成rik，但在習慣上仍寫作rij，并且可以寫成六行三列的矩陣形式： 通過腳標的簡化，公式(3)就可寫成： （4）由于晶體的對稱性，電光系數的18個分量，有些分量是相等的，

5、有些 分量又等于零，因此吸有有限的幾個獨立分量，例如鈮酸鋰(LiNbO3)晶體，其電光系數只有四個獨立分量，其形式如下： 2折射率橢球 對于各向異性的晶體來說，在不同方向上晶體具有不同的折射率。如果在晶體中任選一點O，從O點出發向各個方向作矢量，使矢量長度等于該方向的折射率時，矢量的端點構成一個橢球面，稱這個橢球面為折射率橢球，并用它來描述晶體的光學性質。如果晶體是各向同性的，折射率橢球就簡化為一個球面。晶體的電光效應可以用折射率橢球隨電場的變化來描述。 在單軸晶體中，如果選取的直角坐標系的三個軸X1 ，X2 ，X3與折射率的三個主軸重合，則在晶體未加外電場時，折射率橢球方程為： （5）這里，

6、n10，n20，n30為晶體的主折射率。當在晶體上加一外電場E(E1，E2，E3)后，由于一次電光效應，晶體各方向上的折射率發生了變化，因而折射率橢球也相應地發生變化，此時折射率橢球的一般表達式為： （6）在(6)式中包含了交叉項X3X2等等，表示X1、X2、X3不再是折射率橢球的主軸了。下面討論一下折射率橢球的變化規律，即怎樣確定表征橢球的方程(6)中的各項系數。當外電場E=0時，(6)式還原成(5)式，有： 當在晶體上加一外電場(E1，E2，E3)后，則根據泡克爾斯效應式(4)有如下關系： (7) (7)式以矩陣相乘的形式表示可以寫成： (8) 3電光調制本實驗用的是鈮酸鋰晶體，至于別的晶

7、體，由于其對稱性不同，相應的電光系數也不同，其具體形式也有所不同，而對于同一類型的晶體，如果其工作狀態不同，其具體形式也有所不同，但推理過程相類似。本實驗中，對于鈮酸鋰晶體利用其一次電光效應，制成調制器用來調制激光的光強，稱為振幅調制。圖一圖一所示，入射光經起偏振器射到晶體上，光通過晶體后由檢偏器檢測。其起偏器的振動面平行與X1軸，檢偏器的偏振面平行與X2軸，入射光沿X3即光軸方向傳播，其中X1，X2，X3三個軸的方向就是晶體的三個結晶軸的方向，以上部件組成光振幅調制，其輸出端的光強度（經檢偏器后）將由加到晶體上的電壓來調制。具體情況如下：（1）鈮酸鋰晶體加電壓后的折射率的變化，即折射率橢球隨

8、電場變化而變化的情況鈮酸鋰晶體是負單軸晶體，在=6238Å時，其n0=2.286， ne=2.200,當外電場零時，其折射率橢球方程為： （9）此方程表示是一個以X3軸為旋轉軸的旋轉橢球，如圖二所示，n1n2no為尋常無折射率，n3=ne為非尋常光折射率。圖二圖三 如圖一所示，當在鈮酸鋰晶體的X1方向加電場E1后，由于El0，E2=E3=0，此時晶體的折射率發生了相應的變化，把鈮酸鋰晶體的電光系數rij值和E值的相應部分代入(7)式，可得到在X1方向加電場的折射率的變化情況：圖四 （10）將(10)式代入(6)式： （11）把(11)式和(9)式比較，沿LiNbO3晶體的X1方向加電

9、場E1后，使折射率橢球的開狀發生了變化，從(11)式可以看出，折射率橢球的主軸不再是X1，X2，X3其所表示的折射率橢球的形狀如圖三所示。圖一中光沿LiNbO3晶體的X3方向通過，X1方向加電場E1后，此時，過橢球中心而垂直于X3軸的平面截折射率橢球的截痕為一橢圓，而在外電場為零時，此截痕為圓，如圖四所示。圖中實線為El=0時的截痕，虛線為El0時的截痕，并且從圖中可以看出，橢圓的長、短半軸已不再是X1、X2，而是X11X21，并且在下面的敘述過程中可知，X11X21為X1X2繞X3軸旋轉450而得。圖中n1=n2=no，而n1n2，且有n1 >n0,n2<no。圖四所示的橢圓方程

10、為： （12）此方程即令（11）式中的X3=0后所得。此橢圓的半長軸和半短軸分別為在X1方向加電場，在X3方向傳播的兩偏振光的折射率。現在用坐標變換的方法求橢圓的半長軸和半短軸，即求其相應的折射率。設新坐標X1X2與X1X2之間的關系為： （13）代入(13)式，整理后得： （14）當，為橢圓的長、短半軸時，(14)式中應無交叉項存在，因此,cos=0, =450這樣(14)式為： （15）設,為相對于新主軸，的折射率，則： （16） 從(16)式可知： （17）從(17)式可知，當晶體未加外電場時，由于光沿光軸X3入射時不發生雙折射現象，因而有n1n2no，但當在Xl方向加電場E1后，光沿X

11、3方向傳播時發生雙折射，此時折射率橢球主軸已成為，其主折射率分別為，且有，即光沿X3軸射入晶體時，分解為偏振方向平行于及的兩個偏振光，且偏振方向平行于的光，其折射率>no，傳播的相速度減小，偏振方向平行于的光，其折射率，傳播的相速度增大。這種現象稱為電場感生雙折射，即雙折射。所以圖一的基本作用是利用人工雙折射來實現光的調制的。(2)光在LiNbO3晶體中的傳播情況，半波電壓圖一，入射光經起偏器P1后，獲得光波矢量平行于Xl軸的偏振光，射到晶體上，當外電場El加到晶體上時，產生人工雙折射，沿X3方向傳播的光分解為沿X1及X2方向的兩個偏振光，由于X1、X2為X1、X2繞X3軸旋轉450而得

12、，因此，在入射端可以認為這兩個波的振幅是相等的，但當這兩個光波進入晶體后，由于存在電場引起的雙折射，相速度不再相同，兩個光波各按自己的相速度傳播到晶體的另一端。設LiNbO3晶體X3方向的長度，X1方向的厚度為d，由于電場E的數值是不易測量的，故實驗中用垂直于E的兩個晶體表面上的電位差(VEd)來代替。則此兩光波通過晶體時產生的位相差為： （18）當外加電場加到某一確定值時，兩波通過晶體時產生的位相差正好等于，稱此時的外加電場為半波電壓，用V 或V來表示。用半波電壓這一概念形象地表示：加上這樣的電壓，晶體內部的兩個正交分量的光程差剛好等于半個波長，相應的位相差等于。因此可以得到： (19)半波

13、電壓是標志電光調制器的一個重要參量，實際應用中希望愈小愈好。從（19）式可知，半波電壓的大小與制成調制器的材料及外形尺寸有關。為獲得半波電壓低的電光調制器，首先要選用半波電壓低的電光晶體材料（必須注意：材料的半波電壓以d:=1:1為標準），一旦材料確定以后，常用降低d/的比值來達到降低調制器的半波電壓。當半波電壓確定以后，從（18）（19）兩式中，可以得到兩波通過晶體時的位相差和外加電壓之間的關系： (20) (3)LiNbO3晶體調制器 本實驗用的是鈮酸鋰(1iNbO3)晶體調制器，使用條件是沿X1方向加電場，沿X3方向通光。圖一中，起偏器P1和檢偏器P2正交放置。由于實驗要求，沿X3方向的

14、入射光經起偏器Pl后獲得電矢量平行于X1軸或X2軸的線偏振光，由于外電場的作用，進入晶體的線偏振光又分解為沿X1，X2的兩個方向的線偏振光，當這兩光波通過檢偏器P2時，其透射光強度為此兩波在P2上投影迭加的結果。具體敘述如下： 圖六中，N1、N2分別為偏振器P1、P2的主截面，而Z、Z1為晶體的主截面。設經過P1的入射光的光強為I0=A2,則可得到： 圖六在入射光波剛進入晶體的瞬間，兩光無位相差，當兩光通過長的晶體后，由于電場引起的雙折射，兩光的相速度不同，產生一定的位相差，當具有這個相差的兩光通過檢偏器P2時，其在N1上的分量為： 由此可見，通過檢偏器的兩光是同頻率、等振幅、振動在同一平面的

15、兩個相干光。這兩個相干光除有電場引起的位相差以外，還有在N2上投影所引入的位相差，因而此兩光的總的位相差為(+) 。設從檢偏器后得到的輸出光強為I，則根據偏振光干涉的原理，可以得到光強I和輸出光強I0之間的關系： (21)從(21)式可以看出，兩線偏振光之間的位相差不同，與之對應的輸出光強也就不同，也就是說，輸出光強隨外加電壓的變化而變化，因而可以通過控制外加電壓的方法來達到調制輸出光強的目的。圖七 七七從(21)式得到外加電壓與輸出光強之間的關系，如圖七所示。從圖中可以看出，當外加電壓V0時，輸出光強為最小，而VV時，輸出光強達到最大，從理論上講，當V2kV (K=0，土1，土2)時，輸出光

16、強應等于輸入光強，即達到100的調制，但在實際上由于晶體的光學均勻性及加工精度，偏光器的質量與取向精度，入射光的發射角，所加電場的均勻性等因素的影響，使V=2kV時，輸出光強不為零，而達到一個最小值Imin，當V=(2k+1)V時，輸出光強I I0，而達到一個最大值Imax，在一般情況下，Imax<I0。n 調制器的最大輸出光強與最小輸出光強的比值稱為調制器的消光比。它是衡量電光調制器質量的一個重要技術指標。消光比越大，說明晶體的光學質量好，加工精度高。一般情況下，調制器的消光比范圍在幾十到幾百之間。定義消光比為： （22）LiNbO3調制器的具體應用：當施外加調制信號電壓于調制器，則輸

17、出光強隨調制信號的變化情況，如圖八所示。圖八為圖七的部分進行放大。顯然，如果取調制電壓則從圖八中曲線(1)所對應的情況來看，輸出光強被調制的范圍很小，而且發生了嚴重的畸變，所以應考慮加一個偏置電壓取 代入(21)式： 如果選取直流偏壓 VDC=則上式可為： （23）對于線性調制，要求<< 1，于是（22）式為： （24）從上面的分析可以看出，應用電光效應做振幅調制，原則上不是線性調制。為獲得線性調制，一方面調制訊號不宜過大，應滿足 << 1，另一方面要適當選擇工作點，就是選擇直流偏壓VDC=，此時兩波產生的位相差為：通常在調制晶體前（或后）放置一個波片，就能產生的相差，

18、這種方法叫做光學偏壓。光學偏壓和直流偏壓是等價的，二者擇其一。選擇工作點不僅有助于消除畸變，而且可獲得較大的光強度調制度。 【實驗內容及步驟】1儀器放置 He-Ne激光器及電源，LiNbO3晶體調制器及驅動源、示波器、光點檢流計、硅光電池、偏振器件，光具座、光欄等。以上儀器及元件按圖九位置放置，電氣部分應按要求聯接好。2步驟由于本實驗有高壓裝置，做實驗時，一定要謹慎小心，注意安全圖九為實驗裝置示意圖。圖九P1P2打開 He-Ne激光電源，點燃激光管，工作電流6mA左右，此時激光管的正負極間電壓有幾千伏，要注意安全。 調整激光束的位置，使之與光具座的中心線平行。方法是利用檢驗光欄在光具座上來回滑

19、動，調節放光管位置，使激光束始終落在光欄內，則激光束的位置調整完畢。 各光學元件先后按置在光具座上如圖九所示，使各元件表面垂直于激光束，并使P1、P2振動面平行。調制器的Xl軸是垂直放置，X2軸在水平方向上，X3與激光束方向相平行。如何保證激光束的入射方向與X3軸即晶體光軸平行，而相應的起偏器與檢偏器的位置又將怎樣放置，這是在動手做實驗以前必須解決的二個問題。 最后將硅光電池與光點檢流計相連接，連接時首先將檢流計的量程調至最大，然后根據需要再選擇量程，并旋轉消光器使光強最大時選擇合適的量程一切檢查無誤后開始測量。 首先測量輸入光強，光使起偏器的振動面平行于Xl軸，然后取下LiNbO3調制器，讓

20、檢偏器的振動面與起偏器的振動面相平行，此時測得的光強就是輸入光強I。，然后調節檢偏器與起偏器的振動面相互正交，放上LiNb03調制器并使之共軸，然后按實驗要求繼續測量。 由于是用硅光電池與光點檢流計組合來接收光強，所以本實驗中，光強的值實際上是檢流計上的電流讀數，但由于在計算過程中，只取I/I0的相比值，所以并不影響實驗結果的正確性。 3內容 測LiNb03調制器的消光比和半波電壓，改變加在調制器上的直流電壓值，分別求出當VDC0，VDCV：時對應的輸出光強Imin，Imax，反復測量，取其平均值，求出消光比和半波電壓。并將半波電壓的實驗值和理論值相比較，并分析原因這里有：=6328 no=2.286，r226.8×10-10CmV ， d3mm ， L50mm 觀察在LiNb03調制器上的交變信號時，輸出光強被調制的情況。分三種情況討論：(a)當VDC =0時輸出光強被調制的情況。(b)當VDC=誓時輸出光強被調制的情況。(c)當VDC為任意值時輸出光強被調制情況。通過對以上三種現象的觀察，你能得到什么結論?畫出II0 - V的實際關系曲線