文档介绍：晶体的电光效应贺艺华 20 13 .3 【实验目的】 1. 掌握晶体的电光效应和实验方法。 2. 掌握晶体电光调制器的工作原理。 3. 掌握 LiNbO 3 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?????? nn (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 0n 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 en 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 E ?与电位移矢量 D ?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( zyx,, ), 在此坐标系中有 i o ri i D E ???(zyxi,,?) 。这样的坐标系( zyx,, )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: 1 23 222 221 2???n zn yn x (2) 式中 1n ,2n ,3n 为椭球三个主轴方向上(zyx,, 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 2 2 2 2 2 2 2 2 2 11 22 33 23 13 12 2 2 2 1 x 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 zyx,, 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: 11 12 13 2 2 11 1 21 22 23 2 2 22 2 31 32 33 2 2 33 3 41 42 43 223 51 52 53 213 61 62 63 212 1 1 1 1 1 1 111 x 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 ? ??? ??? ??? ??? ??? ???? ??????? ??????? ???????? ?????? ?????? ????(4) 上式是晶体一次电光效应的普遍表达式,式中 ij?叫做电光系数(i=1,2, … 6;j=1,2,3) ,共有 18 个, , xE zyEE, 是电场 E 在x 、y 、z 方向上的分量。式( 4 )可写成矩阵形式: 2 2 11 1 2 2 11 12 13 22 2 21 22 23 2 2 33 3 31 32 33 41 42 43 223 51 52 53 61 61 63 213212 1 1 1 1 1