晶体电光调制实验--专业实验

晶体电光调制实验（313实验室）

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。（实验装置如下图）

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:

02

00n n aE bE =+++⋅⋅⋅⋅⋅⋅

， (1)

式中a 和b 为常数，0

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

123

2

2222

12=++n z n y n x ， （2）

He-Ne 激光器

偏振片

1/4λ波片 电光晶体

格兰棱镜

光电接收器

准直孔

激光器电源 电光调制电源

式中1n ，2n , 3n 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 三者互相垂直，如果光波的传播方向K 平行于x 轴，则两个线偏光波的折射率等于2n 和3n 。 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

222222222112233231312

222

1x y z yz xz xy n n n n n n +++++= ， (3) 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：

1112132211

1

2122232222

231323322333

4142432235152532

136********

1

11111

111x y z

x y z

x y Z

x y z x y z x y z E E E n n E E E n n E E E n n E E E n E E E

n E E E

n γγγγγγγγγγγγγγγγγγ⎧-=++⎪⎪⎪-=++⎪⎪⎪-=++⎪⎪⎨⎪=++⎪⎪

⎪=++⎪⎪

⎪=++⎪⎩ ， (4)

上式是晶体一次电光效应的普遍表达式，式中ij γ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：

2211

1221112

1322

221

2223223333132334142432

235152536161

632

13212111111111X Y Z n n n n E n n E E n n n γγγγγγγγγγγγγγγγγγ⎛⎫- ⎪ ⎪ ⎪

- ⎪⎡⎤ ⎪⎢⎥ ⎪⎢⎥-⎡⎤ ⎪

⎢⎥⎢⎥

⎪=⎢⎥⎢⎥

⎪⎢⎥⎢⎥ ⎪⎣⎦⎢⎥ ⎪⎢⎥ ⎪⎢⎥⎣⎦

⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭

， （5）

电光效应根据施加的电场方向与通光方向相对关系，可分为纵向电光效应和横向电光效应。利用纵向电光效应的调制，叫做纵向电光调制；利用横向电光效应的调制，叫做横向电光调制。晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应两种。把加在晶体上的电场方向与光在晶体中的传播方向平行时产生的电光效应，称为纵向电光效应，通常以KD P *

类型晶体为代表。加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播方向垂直时产生的电光效应，称为横向电光效应 ，以3LiNbo 晶体为代表。

这次实验中，我们只做3LiNbo 晶体的横向电光强度调制实验。3LiNbo 晶体属于三角晶系,3m 晶类，主轴Z 方向有一个三次旋转轴，光轴与Z 轴重合,是单轴晶体,折射率椭球是旋转椭球，其表达式为:

122

2

022=++e

n z n y x ， (6)

式中

o

n 和

e

n 分别为晶体的寻常光和非寻常光的折射率。加上电场后折射率椭球发生畸变，对于3m 类晶体，由

于晶体的对称性，电光系数矩阵形式为

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎥⎥⎦⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎢⎢⎢⎣⎡---=00

0000000022

5151331322

1322

γγγγγγγγγij ， (7)

当X 轴方向加电场，光沿Z 轴方向传播时，晶体由单轴晶体变为双轴晶体，垂直于光轴Z 方向折射率椭球截面由圆变为椭圆，此椭圆方程为

1211222222022220=-⎪⎪⎭⎫

⎝⎛++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-xy E y E n x Ex n x x γγγ ， (8)

进行主轴变换后得到：