铌酸锂LiNb03晶体电光调制器的性能测试

铌酸锂(LiNb03)晶体电光调制器的性能测试铌酸锂（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：220211RErEnn(1)式中，0n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。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：rEnnn202211}1((2)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ε均为常量，且2n，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：kijkijijErnnn202211}1((3))3,2,1,,,(kji这里，ijkr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kE的关系。三阶张量ijkr应有33=27个分量，但由于介电系数εij是二阶对称张量，它只有6个分量，这就便各ijkr最多只有18个分量，而不是27个分量了．因此通常将rijk的三个脚标简化为二个脚标，即：ikijkrriij的简化规则如下：432231115133122262112333这样ijkr就缩写成rik，但在习惯上仍写作rij，并且可以写成六行三列的矩阵形式：635343332313625242322212615141312111rrrrrrrrrrrrrrrrrrrij通过脚标的简化，公式(3)就可写成：jijijiErnnn202211}1(（4）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，例如铌酸锂(LiNbO3)晶体，其电光系数只有四个独立分量，其形式如下：00000000002313135222226151rrrrrrrrrij2．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：1111232302222021210XnXnXn（5）这里，n10，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化，此时折射率椭球的一般表达式为：1111111212613252324232322222121XXnXXnXXnXnXnXn（6）在(6)式中包含了交叉项X3X2等等，表示X1、X2、X3不再是折射率椭球的主轴了。下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)中的各项系数。当外电场E=0时，(6)式还原成(5)式，有：2102111nn2202211nn2302311nn0111262524nnn当在晶体上加一外电场(E1，E2，E3)后，则根据泡克尔斯效应式(4)有如下关系：36326216126623532521512552343242141244233232131230233223222121220222231321211121021121)1(1)1(1)1(11)1(11)1(11)1(ErErErnnErErErnnErErErnnrErErnnnrErErnnnErErErnnn(7)(7)式以矩阵相乘的形式表示可以写成：3)1()1()1()1()1()1(21635343332313625242322212615141312111625242322212EEErrrrrrrrrrrrrrrrrrnnnnnn(8)3．电光调制本实验用的是铌酸锂晶体，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，对于铌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X1，X2，X3三个轴的方向就是晶体的三个结晶轴的方向，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）铌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铌酸锂晶体是负单轴晶体，在λ=6238Å时，其n0=2.286，ne=2.200,当外电场零时，其折射率椭球方程为：1111232022202120XnXnXn（9）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，n1＝n2＝no为寻常无折射率，n3=ne为非寻常光折射率。图一如图一所示，当在铌酸锂晶体的X1方向加电场E1后，由于El≠0，E2=E3=0，此时晶体的折射率发生了相应的变化，把铌酸锂晶体的电光系数rij值和E值的相应部分代入(7)式，可得到在X1方向加电场的折射率的变化情况：1222615125242023202220211101111111ErnErnnnnnnnn（10）将(10)式代入(6)式：1221112112213151232022202120XXErXXErXnXnXn（11）把(11)式和(9)式比较，沿LiNbO3晶体的X1方向加电场E1后，使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El=0时的截痕，虚线为El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，X11X21为X1X2绕X3轴旋转450而得。图中n1=n2=no，而n′1n′2，且有n′1n0,n′2no。图四所示的椭圆方程为：图二图三图四12112112222202120XXErXnXn（12）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之间的关系为：sincossincos212211XXXXXX（13）代入(13)式，整理后得：12cos2)2sin1()2sin1(2112222122202112220XXErXErnXErn（14）当21X，22X为椭圆的长、短半轴时，(14)式中应无交叉项存在，因此,cos=0,=450这样(14)式为：1)1()1(22122202112220XErnXErn（15）设21n,22n为相对于新主轴21X，22X的折射率，则：122202212220211111ErnnErnn（16）从(16)式可知：)211()211(12220021222001ErnnnErnnn（17）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Xl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1X，2X，3X，其主折射率分别为1n，2n，且有021nnn，即光沿X3轴射入晶体时，分解为偏振方向平行于1X及2X的两个偏振光，且偏振方向平行于1X的光，其折射率1nno，传播的相速度减小，偏振方向平行于2X的光，其折射率02nn，传播的相速度增大。这种现象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P1后，获得光波矢量平行于Xl轴的偏振光，射到晶体上，当外电场El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′1及X′2方向的两个偏振光，由于X1′、X2′为X1、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，X1方向的厚度为d，由于电场E的数值是不易测量的，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：dlVrnErnlnnl2230122302122)(2（18）当外加电场加到某一确定值时，两波通过晶体时产生的位相差正好等于，称此时的外加电场为半波电压，用Vπ或V2来表示。用半波电压这一概念形象地表示：加上这样的电压，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：ldrnV22202(19)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：VV