晶体的电光调制效应

晶体的电光调制效应

晶体电光调制实验讲义

引言

激光是一种光频电磁波，具有良好的相干性，与无线电波相似，可用来作为传递信息

的载波。激光具有很高的频率（约10 10Hz ），可供利用的频带很宽，故传递信息的容量很大。再有，光具有极短的波长和极快的传递速度，加上光波的独立传播特性，可以借助

光学系统把一个面上的二维信息以很高的分辨率瞬间传递到另一个面上，为二位并行光信

息处理提供条件。所以激光是传递信息的一种很理想的光源。电光效应在工程技术和科学

研究中有许多重要应用，它有很短的响应时间（可以跟上10HZ 的电场变化），可以在高

速摄影中作快门或在光速测量中作光束斩波器等。在激光出现以后，电光效应的研究和应

用得到迅速的发展，电光器件被广泛应用在激光通讯，激光测距，激光显示和光学数据处

理等方面。

要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光上去的问题。例如激光电话，就需要将语言信息加在与激光，由激光“携带”信息通过一定的传输通道送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息。这种将信息加在与激光的过程称之为调制，到达

目的地后，经光电转换从中分离出原信号的过程称之为解调。其中激光称为载波，起控制

作用的信号称之为调制信号。与无线电波相似的特性，激光调制按性质分，可以采用连续

的调幅、调频、调相以及脉冲调制等形式。但常采用强度调制。强度调制是根据光载波电

场振幅的平方比例于调制信号，使输出的激光辐射强度按照调制信号的规律变化。激光之

所以常采用强度调制形式，主要是因为光接收器（探测器）一般都是直接地响应其所接收

的光强度变化的缘故。一实验目的

1. 掌握晶体电光调制的原理和实验方法

2. 学会利用实验装置测量晶体的半波电压，计算晶体的电光系数

3. 观察晶体电光

效应引起的晶体会聚偏振光的干涉现象二实验仪器

铌酸锂晶体，电光调制电源，半导体激光器，偏振器，四分之一波片，接收放大器，

双踪示波器激光光源：半导体激光器，激光波长：650～680nm ，激光功率：0～2.5mW 连续可调，偏置电压：±0～400V 连续可调，调制方式: 横向调制；调制晶体：铌酸

锂晶体50mm×6mm ×1.7mm ；调制波形：1KHz 正弦波或其他波形；

三实验原理

某些晶体（固体或液体）在外加电场中，随着电场强度E 的改变，晶体的折射率会发生改变，这种现象称为电光效应。通常将电场引起的折射率的变化用下式表示:

2

n =n 0+aE 0+bE 0+⋅⋅⋅⋅⋅⋅

10

1315

， (1)

式中a 和b 为常数，n 为E 0=0时的折射率。由一次项aE 0引起折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔电光效应（pokells ）；由二次项引起折

射率变化的效应，称为二次电光效应，也称平方电光效应或克尔效应（kerr ）。由（1）

式可知，一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应则可能存在于任

何物质中，一次效应要比二次效应显著。

光在各向异性晶体中传播时，因光的传播方向不同或者是电矢量的振动方向不同，光

的折射率也不同。通常用折射率椭球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的关系，在

主轴坐标中，折射率椭球方程为

x 2y 2z 2

+2+2=12

n 1n 2n 3

，（2）

式中n 1，n 2, n 3为椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。如图一所示，

从折射率椭球的坐标原点O 出发，向任意方向作一直线OP ，令其代表

光波的传播方向K 。然后，通过O 垂直OP 作椭圆球的中心截面，该截

图一晶体折射率椭

球面是一个椭圆，其长短半轴的长度OA 和OB 分别等于波法线沿OP ，

电位移矢量振动方向分别与OA 和OB 平行的两个线偏振光的折射率n '和n ''。显

然K , OA ，OB 三者互相

x 垂直，如果光波的传播方向K 平行于轴，则两个线偏光波的折射率等于n 2和n 3。同样当K 平行于y 轴和

z 轴时，相应的光波折射率亦可知。

当晶体上加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球的方程变为

x 2y 2z 2222

+++yz +xz +xy =1 ， (3) 222222n 11n 22n 33n 23n 13n 12

只考虑一次电光效应，上式与式（2）相应项的系数之差和电场强度的一次方成正比。由于晶体的各向异性，电场在x 、y 、z 各个方向上的分量对椭球方程的各个系数的影响是不同的，我们用下列形式表示：

1⎧1

-⎧n 2n 2=γ11E x +γ12E y +γ13E z

1

⎧11

1⎧1-⎧n 2n 2=γ21E x +γ22E y +γ23E z

2⎧22

⎧11

-=γ31E x +γ32E y +γ33E Z ⎧22

⎧n 33n 3

⎧ ， (4)

⎧1=γE +γE +γE

41x 42y 43z 2

⎧n 23⎧

⎧1=γE +γE +γE

51x 52y 53z 2

⎧n 13⎧

⎧1=γE +γE +γE

61x 62y 63z 2⎧n ⎧12

上式是晶体一次电光效应的普遍表达式，式中γij 叫做电光系数

(i=1,2,…6;j=1,2,3)，共有18个，E X 、E Y 、E Z 是电场E 在x 、y 、z 方向上的

分量。式（4）可写成矩阵形式：

1⎧⎧1- n 2n 2⎧1⎧ 11