文档介绍：【实验目的】掌握晶体的电光效应和实验方法。掌握晶体电光调制器的工作原理。掌握LiNbO3电光晶体半波电压和晶体透过率的测量方法。【实验仪器】电光效应实验仪【实验原理】1、一次电光效应和晶体的折射率椭球我们知道光波在介质中的传播规律受到介质折射率分布的制约。理论和实验均表明晶体介质的介电系数与晶体中电荷的分布有关。对于一些晶体材料,当上施加电场之后,将引起束缚电荷的重新分布,并可能导致离子晶格的微小形变,其结果将引起介电系数的变化,最终导致晶体折射率的变化,所以折射率成为外加电场E的函数,即(1)式中第一项称为线性电光效应或泡克耳(Pockels)效应;第二项,称为二次电光效应或克尔(Kerr)效应。对于大多数电光晶体材料,一次效应要比二次效应显著,故在此只讨论线性电光效应。当光线穿过某些晶体(如方解石、铌酸锂、钽酸锂等)时,会折射成两束光。其中一束符合一般折射定律称之为寻常光(简称o光),折射率以表示;而另一束的折射率随入射角不同而改变,称为非常光(简称e光),折射率以表示。一般讲晶体中总有一个或二个方向,当光在晶体中沿此方向传播时,不发生双折射现象,把这个方向叫做晶体的光轴方向。只有一个光轴的称为单轴晶体,有两个光轴方向的称为双轴晶体。对电光效应的分析和描述有两种方法:一种是电磁理论方法,但数学推导相当繁复;另一种是用几何图形——折射率椭球的方法,这种方法直观简洁,故通常采用这种方法。光在各向异性晶体中传播时,因光的传播方向不同或矢量的振动方向不同,光的折射率就不同。根据光的电磁理论知道,光波是一种电磁波。在各向异性介质中,光波中的电场强度矢量与电位移矢量的方向是不同的。对于任意一种晶体,我们总可以找到一个直角坐标系(),在此坐标系中有()。这样的坐标系()叫做主轴坐标系。图1折射率椭球光波在晶体中的传播性质可以用一个折射率椭球来描述(如图1所示),在晶体的主轴坐标系中,折射率椭球的表达式写为:(2)式中,,为椭球三个主轴方向上(方向)的折射率,称为主折射率。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(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:(4)上式是晶体一次电光效应的普遍表达式,式中叫做电光系数(i=1,2,…6;j=1,2,3),共有18个,是电场在、、z方向上的分量。式(4)可写成矩阵形式:(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,以晶体为代表。本实验中,我们只做晶体的横向电光强度调制实验。我们采用对LN晶体横向施加电场的方式来研究LiNbO3晶体的电光效应。其中,晶体被加工成5×5×30mm3的长条,光轴沿长轴通光方向,在两侧镀有导电电极,以便施加均匀的电场。图2晶体铌酸锂晶体是负单轴晶体,即。加上电场后折射率椭球发生畸变,由于晶体的对称性,电光系数矩阵形式为(6)当轴方向加电场,光沿轴方向传播时,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:(7)将坐标系绕轴逆时针旋转450得到坐标系,即令进行主轴变换后得到:(8)考虑到<<1,经化简得到(9)当轴方向加电场时,新折射率椭球绕轴转动450。可见,晶体沿轴加电场时,由单轴晶体变成了双轴晶体,折射率椭球的主轴绕z轴旋转了45°角,此转角与外加电场的大小无关,其折射率变化与电场成正比,这是利用电光效应实现光调制、调Q、锁模等技术的物理基础。图3加电场后折射率椭球的变化2、晶体横向电光效应原理的激光强度调制器图4为典型的利用晶体横向电光效应原理的激光强度调制器。图4晶体横向电光效应原理图其中起偏器的偏振方向平行于电光晶体的X轴,检偏器的偏振方向平行于Y轴。因此入射光经起偏器后变为振动方向平行于X轴的线偏振光,它在晶体的感应轴和轴上的投影的振幅和位相均相等,设分别为(10)或用复振幅的表示方法,将位于晶体表面(z=0)的光波表示为(11)所以,入射光的强度是(12)当光通过长为l的电光晶体后,X′和Y′两分量之间就产生位相差δ,即(13)通过检偏器出射的光,是这两分量在Y轴上的投影之和(14)其对应的输出光强,可写成(15)由(13)、(16)式,光强透过率T(16)(17)由此可见,δ