铌酸锂晶体电光调制器的性能测试

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1、铌酸锂 （ LiNb0 3） 晶体电光调制器的性能测试铝酸锂（LiNbO3）晶体是目前用途最广泛的新型无机材料之一，它是很好的压电换 能材料，铁电材料，电光材料，非线性光学材料及表面波基质材料。电光效应是指对晶体施加电场时，晶体的折射率发生变化的效应。有些晶体内部由于自发极化存在着固有电偶极矩，当对这种晶体施加电场时，外电场使晶体中的固有偶极矩的取向倾向于一致或某种优势取向，因此，必然改变晶体的折射率，即外电场使晶体的光率体发生变化。铌酸锂调制器，应具有损耗低、消光比高、半波电压低、电反射小的高可靠性的性能。【实验目的】1. 了解晶体的电光效应及电光调制器的基本原理性能2. 掌握电光调制器的主

2、要性能消光比和半波电压的测试方法3. 观察电光调制现象【实验仪器】1 激光器及电源2电光调制器（ 铌酸锂 ）3电光调制器驱动源4. 检流计5示波器6音频输出的装置7光具台及光学元件【实验原理】1 电光效应原理某些晶体在外电场作用下，构成晶体的原子、分子的排列和它们之间的相互作用随外电场E的改变发生相应的变化，因而某些原来各向同性的晶体，在电场作 用下，显 示出折射率的改变。 这种由于外电场作用而引起晶体折射率改变 的现象称为电光效应。 折射率N和外电场E的关系如下：1 1 22 2 rE RE 2(1)n2n02式中，no为晶体未加外电场时某一方向的折射率，r是线性电光系数，R是二次电光系数。

3、通常把电场一次项引起的电光效应叫线性电光效应，又称泡克尔斯效 应；把 二次项引起的电光效应叫做二次电光效应，又称克尔效应。其中，泡克尔斯 效应只在 无对称中心的晶体中才有，而克尔效应没有这个限制。只有在无对称中心 的晶体中，与泡克尔斯效应相比，克尔效应较小，通常可忽略。目前普遍采用线性电光效应做电光调制器，这样就不再考虑(1)式中电场E的二 次项和高次项。因此(1)式为：(12 12 12 rE (2) n n n 0利用电光效应可以控制光的强度和位相， 其在光电技术中得到广泛的应用， 如 激光通讯、激光显示中的电光调制器、激光的 Q开关、电光偏转等。在各向同性的晶体中，折射率n与介电系数e均

4、为常量，且n2,但在各向异性晶体中，介电系数不再是个常量，而是一个二阶张量，为 ij,这样折射率n也就 随介 电系数的变化而呈现出各向异性的性质，在不同的方向上随 ij的不同而有所不(3 ij22nno2 rijk E k同。为 明确表示在各方向上相应的折射率值，因此把 n写成ij ,所以(2)式成为:(i, j,k ,1,2,3)这里，rjk是一个三阶张量，因为它仅映了一个二阶张量ij和一个一阶张量Ek的关系。三阶张量rijk应有33=27个分量，但由于介电系数 ij是二阶对称张量，它只有 6 个分量，这就便各rijk最多只有18个分量，而不是27个分量了.因此通常将rijk的 三 个脚标简

5、化为二个脚标，即：rijkr ikij i的简化规则如下：这样rijk就缩写成侏，但在习惯上仍写XLq作 ,心并且可以写成六分三列的矩阵形式：11 1 222333rijr11r12r13r21r22r23r31r32r33r41r42r43r51r52r53r61r62r63(n12i nniFrijEj4)通过脚标的简化，公式 就可写成：由于 晶体的对称性，电光系数的18个分量，有些分量是 相等的，有些分量又等于零，因此吸有有限的几个独立分量，例如锯酸锂(LiNbO3)晶体，其电光系数 只有四个独立分量，其形式如下:2331124563213210r22r130r22r13r23000rj

6、000r52r510r6102.折射率椭球 对于各向异性的晶体来说，在不同方向上晶体具有不同的折射率。如果在晶体中 任选一点O,从O点出发向各个方向作矢量，使矢量长度等于该方 向的折射率时，矢 量的端点构成一个椭球面，称这个椭球面为折射率椭球，并用它 来描述晶体的光学性 质。如果晶体是各向同性的，折射率椭球就简化为一个球面。 晶体的电光效应可以用折射率椭球随电场的变化来描述。在单轴晶体中，如果选取的直角坐标系的三个轴 X1 , X2 , X3与折射率的三个主 轴重合，则在晶体未加外电场时，折射率椭球方程为：1 2 1 2 1 22 X12 2 X 22 2 X 32 1( 5)n10 n20

7、n30这里，m。，n20, n30为晶体的主折射率。当在晶体上加一外电场E(E1, E2, E3)后,由于一次电光效应，晶体各方向上的折射率发生了变化，因而折射率椭球也相应地发生 变1；X12 n12 X22 n12 X32 n12 X 3X?n2n3n412 X 3 X1512n6 X1X26)化，此时折射率椭球的一般表达式为:X3不再是折射率椭球的主轴了。 下在(6)式中包含了交叉项X3X2等等，表示X1、X2、面讨论一下折射率椭球的变化规律，即怎样确定表征椭球的方程(6)中的各项系E=0 时，(6)式还原成(5)式，有：2n1n102n222n20n3 n301122 n4 n52n6当

8、在晶体上加一外电场(Ei,E2,E3)后，则根据泡克尔斯效应有如下关系: 式(12 )i n i i22r11E1 r12 e2 r13E3n1(12 )2 n 11( 2 )3n(12 n)41( 2 )5n2n212n3212 n412n5121012n2012n30r21E1r22e2r23r31 E1 r32 e2 r33r41 E1r51 E1(12 )6n62 *r42 e2 r43 e3r52E2 r53E3r62 e2 r63E3式以矩阵相乘的形式表示可以 写成：(n12 )1n(n12 ) 2 nr11r21(n12)3,31nr41r51(n12 )4 nr61(n12 )

9、5nr12r13r22r23Eir32r33E2r42r43E3r52r53r62r63(8)63.电光调制本实验用的是锯酸锂晶体，至于别的晶体， 由于其对称性不同， 相应的电光系数也 不同，其具体形式也有所不同，而对于同一类型的晶体，如果其工作状态不 同，其具 体形式也有所不同，但推理过程相类似。本实验中，对于锯酸锂晶体利用其一次电光效应，制成调制器用来调制激光的光强，称为振幅调制。图一所示，入射光经起偏振器射到晶体上，光通过晶体后由检偏器检测。其起偏器 的振动面平行与X1轴，检偏器的偏振面平行与 X2轴，入射光沿X3即光轴方向传播，其中Xi, X2, X3三个轴的方向就是晶体的三个结晶轴的

10、方向，以上部件组成光振幅调制，其输出端的光强度（经检偏器后）将由加到晶体上的电压来调制。具体情况如下：（1）锯酸锂晶体加电压后的折射率的变化，即折射率椭球随电场变化而变化的情况锯酸锂晶体是负单轴晶体，在 入=6238?时，其no=, ne=，当外电场零时，其折 射率椭球方程为：12 Xi2 12 X 22 12 X32 1（9）non ono此方程表示是一个以X3轴为旋转轴的旋转椭球，如图二所示，ni = n2=n。为寻常无折射率，n3=ne为非寻常光折射率。如图一所示，当在锯酸锂晶体的 Xi方向加电场Ei后，由于E10, E2=E3=0, 此时晶体的折射率发生了相应的变化，把锯酸锂晶体的电光

11、系数 rij值和E值的相 应部分代 入式，可得到在X1方向加电场的折射率的变化情况：12ni211112 m22 m no2 n212 n02 n6将(10)式代入(6)式：把(11)式和(9)式比较，沿10)LiNbO3晶体的X1方向二 1 Ej|加电场E1后，使r22E1折射率椭球的开状发生了变化，从(11)式可以看出，折射率椭球的主轴不再是 X1, X2, X3其所表121212 X32 2r51E1X3 X12r22E1X1X 2 1、2 no X122 X 22no11)no示的折射率椭 球的形状如图三所示。图一中光沿LiNbO3晶体的X3方向通过，X1方向加电场E1后，此时，过椭球

12、 中心而 垂直于X3轴的平面截折射率椭球的截痕为一椭圆，而在外电场为零时，此 截痕为圆，如图四所示。图中实线为 Ei=0时的截痕，虚线为Ei 0时的截痕，并且 从图中可以看出，椭圆的长、短半轴已不再是 X1、X2,而是X11X21,并且在下面的叙述过程中可知，X11X212n0,n2X22 2 r22Ei X1X2 121n0 Xi212 n012)图四所示的椭圆方程为：此方程即令（11）式中的X3=0后所得。此椭圆的半长轴和半短轴分别为在 X1方向加 电场，在X3方向传播的两偏振光的折射率。现在用坐标变换的方法求椭圆的半长 轴和半短轴，即求其相应的折射率。设新坐标X1 X2与X1X2之间的关

13、系为：X1 X1 cosX2 sinX2 X1C0S X2 sin(13)代入（13）式，整理后得:1 2 1 2(2 r 22E1 sin 2 )X 12 ( 2 r 22E1 sin 2 )X 222r22 E1 cos2 X 1X2 1n02n02(14)当X12, X 22为椭圆的长、短半轴时，（14）式中应无交叉项存在，因此,cos =0, =45 0这样(14)式为：12 n0r22E1)X1212(12 r 22E1)X22 1n015)设n12,n22为相对于新主轴X12,X22的折射率，则:112 2 r 22E1 n1 n。1 1 r 22E12 2 r 22 E1 n2

14、no从（16）式可知:m n0(1n2 n0(12 0 2 0 22 112n022E1)21 2n022E1)从（17）式可知，当晶体未加外电场时，由于光沿光轴X3入射时不发生双折射现象）因而有n1 = n2=no）但当在Xi方向加电场E1后）光沿X3方向传播时发生双折射，此时折射率椭球主轴已成为X 1 ， X 2 ， X 3 ，其主折射率分别为n1 ， n2，且有n1 n2 n0,即光沿X3轴射入晶体时，分解为偏振方向平行于X1及X 2的两个偏振光，且偏振方向 平行于Xi的光，其折射率ni no,传播的相速度减小，偏振方向 平行于X2 的光，其折射率n2 n0 ，传播的相速度增大。这种现象

15、称为电场感生双折射，即双折射。所以图一的基本作用是利用人工双折射来实现光的调制的。(2)光在LiNbO3 晶体中的传播情况，半波电压图一，入射光经起偏器Pi后，获得光波矢量平行于Xi轴的偏振光，射到晶体上，当外电场Ei加到晶体上时，产生人工双折射，沿X3方向传播的光分解为沿 X i及X 2方向的两个偏振光，由于 Xi、X为Xi、X2绕X3轴旋转450而得，因此， 在入射端可以认为这两个波的振幅是相等的，但当这两个光波进入晶体后，由于存在电场引起的双折射，相速度不再相同，两个光波各按自己的相速度传播到晶体的另一端。设LiNbO3 晶体X3方向的长度l, Xi方向的厚度为d,由于电场E的数值是不易

16、测量的，故实验中用垂直于E的两个晶体表面上的电位差(V=E?d)来代替。则此两光波通过晶 体时产生的位相差为：2i ( ni n2 )0 r22Eii8)n0 r 22，称此时的外加电场为半波电压，用 V兀或V来表示。用半波电压这一概念形象地表示：加 2上这样的电压，晶体内部的两个正交分量的光程差刚好等于半个波长，相应的位相差 等于。因此可以得到：2n 02r2（19）2半波电压是标志电光调制器的一个重要参量，实际应用中希望愈小愈好。从（19） 式可知，半波电压的大小与制成调制器的材料及外形尺寸有关。为获得半波电压低的 电光调制器，首先要选用半波电压低的电光晶体材料（必须注意：材料的半波电压以

17、 d:l=1:1为标准），一旦材料确定以后，常用降低 d/l的比值来达到降低调制器的半波 电压。当半波电压确定以后，从（18） （19）两式中，可以得到两波通过晶体时的位相差 和外加电压之间的关系：（20）LiNbO3晶体调制器本实验用的是锯酸锂 （1iNbO3）晶体调制器，使用条件是沿 X1方向加电场，沿 X3方 向通光。图一中，起偏器 P1和检偏器P2正交放置。由于实验要求，沿 X3方 向的入射 光经起偏器Pi后获得电矢量平行于 X1轴或X2轴的线偏振光，由于外电场的作用， 进入 晶体的线偏振光又分解为沿 X 1, X 2的两个方向的线偏振光， 当这两光波通过检偏器P2时，其透射光强度为此

18、两波在 P2上投影迭加的结果。具体 叙述如下：图六中，N1、N2分别为偏振器P1、P2的主截面，而Z、Z1为晶体的主截面。设 经过P1的入射光的光强为Io=A2，,则可得到：A1 A cos450A Asin 45 0在入射光波刚进入晶体的瞬间，两光无位相差，当两光通过l长的晶体后，由于电场引起的双折射，两光的相速度不同，产 生定的位相差，当具有这个相差的两光通过检偏器P2时，其在N1上的分量为:01 Ai Ai cos45A201 A2 A2 sin45A2由此可见，通过检偏器的两光是同频率、等振幅、振动在同一平面的两个相干光。这两个相干光除有电场引起的位相差以外，还有在N2上投影所引入的位

19、相差，因而 此两光的总的位相差为(+ )。设从检偏器后得到的输出光强为 I,则根据偏振光 干 涉的原理，可以得到光强I和输出光强I0之间的关系：I Al 2 A22 2AiA2 cos()22A2sin 2(21)22I o sin2从(21)式可以看出，两线偏振光之间的位相差不同，与之对应的输出光强也就不同，也就是说，输出光强随外加电压的变化而变化，因而可以通过控制外加电压的方法来达到调制输出光强的目的。图七从 (21)式得到外加电压与输出光强之间的关系，如图七所示。从图中可以看出，当外加电压V=0时，输出光强为最小，而V=V兀时，输出光强达到最大，从理论上讲,当V=2kVMK=0, 1,

20、土 2? ?)时，输出光强应等于输入光强，即达到100%的调制，但在实际上由于晶体的光学均匀性及加工精度，偏光器的质量与取向精度， 入射光的发射角，所加电场的均匀性等因素的影响，使V=2kV兀时，输出光强不为零， 而达到一 个最小值Im%当V=(2k+1)V兀时)输出光强I I0)而达到一个最大值Imax, 在一般情况下， I maxI0O n调制器的最大输出光强与最小输出光强的比值称为调制器的消光比。它是衡量电光调制器质量的一个重要技术指标。消光比越大，说明晶体的光学质量好，加工精度 高。一般情况下，调制器的消光比范围在几十到几百之间。定义消光比为：maxI min22；LiNbO3调制器的

21、具体应用：当施外加调制信号电压于调制器，则输出光强随调制 信号的变化情况，如图八所示。图八为图七的部分进行放大。显然，如果取调制电压V Vmsin t则从图八中曲线所对应的情况来看，输出光强被调制的范围很小，而且发生了严重的畸变，所以应 考虑加一个偏置电压.取代入(21)式:V V dc Vm sin t(M sin t)(23)I i I 0 1 cos( vdc ) 2 0V cos( Vm sin t) sin( VDC )sin如果选取直流偏压 Vdc=则上式可为:2I 1 I0 1 sin( Vm) sin t2 0 V对于线性调制，要求 ？皿 1,于是(22)式为： v1VI 12

22、 Io(1VVmsin t)从上面的分析可以看出，应用电光效应做振幅调制，原则上不是线性调制。为获得线性调制，一方面调制讯号不宜过大，应满足？皿 1,另一方面要适当选择工作点，就是选择直流偏压 Vdc=,此时两波产生的位相差为:2VDCV2通常在调制晶体 或后）放置一个 波片，就能产生 的相差，这种方法叫做前（42光学偏压。光学偏压和直流偏压是等价的，二者择其一。选择工作点不仅有助于消除畸变，而且可获得较大的光强度调制度实验内容及步骤】1 .仪器放置He-Ne激光器及电源）LiNbO3晶体调制器及驱动源、示波器、光点检流计、硅 光 电池、偏振器件，光具座、光栏等。以上仪器及元件按图九位置放置，

23、电气部分 应按要求联接好。2 .步骤由于本实验有高压装置， 做实验时，一定要谨慎小心，注意安全.图九为实验装证光电电卷值器连接调制信号示波器 光点检流计示意图。 打开He-Ne激光电源，点燃激光管，工作电流 6mA左右，此时激光管的正 Pi负 极间电压有几千伏，要注意安全。 调整激光束的位置，使之与光具座的中心线平行。方法是利用检验光栏在光具座上来回滑动，调节放光管位置，使激光束始终落在光栏内，则激光束的位置调 整完毕 各光学元件先后按置在光具座上如图九所示，使各元件表面垂直于激光束，并使Pl、P2振动面平行。调制器的Xl轴是垂直放置，X2轴在水平方向上，X3与激光束 方向相平行。如何保证激光

24、束的入射方向与X3 轴即晶体光轴平行，而相应的起偏器与检偏器的位置又将怎样放置，这是在动手做实验以前必须解决的二个问题。 最后将硅光电池与光点检流计相连接，连接时首先将检流计的量程调至最大，然后根据需要再选择量程，并旋转消光器使光强最大时选择合适的量程一切检查无误后开始测量。 首先测量输入光强，光使起偏器的振动面平行于Xl 轴，然后取下LiNbO 3 调制器，让检偏器的振动面与起偏器的振动面相平行，此时测得的光强就是输入光强I。，然后调节检偏器与起偏器的振动面相互正交，放上LiNb03 调制器并使之共轴，然后按实验 要求继续测量。 由于是用硅光电池与光点检流计组合来接收光强，所以本实验中，光强

25、的值实 际上是检流计上的电流读数，但由于在计算过程中，只取I/I0 的相比值，所以并不影响 实验结果的正确性。3内容 测 LiNb03 调制器的消光比和半波电压，改变加在调制器上的直流电压值，分别求出当VdC = 0, VDC = V :时对应的输出光强Imin, Imax,反复测量，取其平均值，求 出消光比和半波电压。并将半波电压的实验值和理论值相比较，并分析原因这里有：0=6328 A n o=, r22= X 1-010Cm/V , d = 3mm , L= 50mm 观察在 LiNb03 调制器上的交变信号时，输出光强被调制的情况。分三种情况讨 论：(a) 当VDC =0 时输出光强被

26、调制的情况。(b)当VDC=v誓时输出光强被调制的情况。 2(c) 当VDC 为任意值时输出光强被调制情况。通过对以上三种现象的观察，你能得到什么结论 画出 I I0 - V 的实际关系曲线。 画出 (v) V 的关系曲线，并求出0 的值本实验用的poekels 盒，它的位相差与外加电压的关系是：V(V )V 0V其 V 与 0都是与晶体材料和切割方式有关的，并且都是波长的函数。对于有些电光晶体， V 、0 还受温度的影响。【思考题】1 有一块汞绿光的四分之一波片，它对红色氦氖激光，是四分之一波片吗为什么2.请设计一个方案，从I/Io Vm线求得8(V) -V曲线.3由(v) V 曲线说明这块

27、LiNbO 3晶体具有一级电光效应。4如果入射光是直线偏振光，偏振方向与水平方向成300 夹角，要使出射光波的水平振动分量比垂直振动分量多出的位相差是号，把四分之一波片放进光路时，应满足哪些条件通过哪些步骤实现这些条件铌酸锂晶体(LiNb0， )由于其具有优良的铁电、压电、电光、非线性光学和声表面 波性能而用途广泛。目前，已经在光波导基片、光通讯调制器、光隔离器、窄带滤波 器等方面获得了广泛的实际应用，并在光子海量存储器、光学集成等方面具有广阔的 应用前景，被公认为光电子时代的 “光学硅 ”的主要侯选材料之一 。 在光通讯中，电- 光调制器就是利用电场使晶体的折射率改变这一原理制成的。电光晶体位于起偏镜和检偏镜之间，在未施加电场时，起偏镜和检偏镜相互垂直，自然光通过起偏镜后检偏镜挡住而不能通过。施加电场时，光率体变化，光便能通过检偏镜。通过检偏镜的光的强弱由施加于晶体上的电压的大小来控制，从而实现通过控制电压对光的强弱进行调制的目的。参考资料】1 母国光、战元令编光学人教育出版社1978 年：2李荫远、杨顺华编非线性光学科学出版社1974 年：13 章3 章。3蒋华晶体物理山东科学技术出版社1980