铌酸锂晶体的横向电光效应V0

Standard标准 铌酸锂晶体的横向电光效应研究铌酸锂晶体的横向电光效应研究 1 1 实验要求实验要求 1研究内容 1.1 熟悉沿光轴条件下铌酸锂晶体的横向电光效应。 1.2 研究近轴条件下铌酸锂晶体的横向电光效应， 对铌酸锂晶体的电光效应进行理论推 导，分析降低晶体驱动电压的方法。 1.3 研究非近轴条件下铌酸锂晶体的横向电光效应，分析入射角对晶体电光效应的影 响，进行数值仿真。 成果形式 2.1 采用理论分析与数值仿真结合的方式，研究结果以图表的形式给出。 2.2 完成课题研究报告。 2 2 2 背景介绍背景介绍 铌酸锂 LINBO3 晶体作为一种优良的横向电光调制材料，具有驱动电压低、插入损耗 小、光谱工作范围宽、消光比高和易于大规模生产等优点，在光通信、光信号传输、电光开 关等领域得到了广泛的应用。 理想情况下光线沿着铌酸锂晶体的光轴方向传播， 并且在理论分析时不考虑自然双折射 的影响，但是，实际应用中光线与光轴完全校准是不可能实现的， 这就会造成理论与实际之 间存在误差。 分析铌酸锂晶体在近轴及非近轴情况下的横向电光效应， 对于利用角度调节以 改善其电光性能具有指导意义。 同时， 近轴及非近轴条件下晶体的电光特性对既需要利用晶 体双折射效应进行分束或者合束， 又需要利用其电光效应产生附加相移的新型电光器件来说 是至关重要的。 3 3 基础知识基础知识 研究铌酸锂晶体的横向电光效应， 涉及到光的偏振、 双折射及晶体的电光效应等较为基 础的知识， 为了更加深入地理解电光效应， 更加透彻地分析不沿光轴条件下铌酸锂晶体的横 向电光效应，对该问题所涉及一系列基础知识进行复习整理，如下所示。 1光的偏振 1.1 电磁波是横波，具有偏振现象，这是许多的光学现象的重要基础，包括电光效应。 1.2 对人眼、照相底片及光电探测器起作用的是电磁波中的电场强度E，因此常把电矢 量 E 称为光矢量，把E 的振动称为光振动。在讨论光振动的性质时，只需要考虑 电矢量 E 即可。 1.3 完全偏振光包括线偏振光、 圆偏振光和椭圆偏振光， 可用如下模型描述（图中给出 了线偏振光的例子，线偏振光的例子里x、y 方向的振动无相位差） 页脚内容35 Standard标准 1.4 马吕斯定律 一束线偏振光与偏振片透光轴夹角为θ， 这束偏振光透过偏振片后的 振幅及光强与夹角θ之间的数学关系为 2双折射 2.1 基本概念 当光线从空气进入某些晶体时， 这些晶体会使一条单色的入射光线分成两条 折射光线，这种现象称为双折射。这两条折射光中，一条光的折射行为遵循折射 定律，称为寻常光或 o 光，而另一条并不遵守，称为e 光。 当入射光进入晶体内沿某一特殊方向行进时， 两条光线完全重合而不出现双 折射现象，晶体内的这一特殊方向称为晶体的光轴。 光线与光轴决定的平面称为主平面。o 光的电场振动方向垂直于主平面，e 光的电场振动方向在主平面内，二者都是直线偏振光。 当光线沿着某一特殊平面入射时，不论入射角是多少，e 光主平面与 o 光主 平面总是完全重合的，这一特殊平面称为晶体的主截面。 2.2 原理分析 首先引入惠更斯-菲涅耳原理行进中的波阵面上任一点都可看作是新的次 波源，而从波阵面上各点发出的许多次波所形成的包络面，就是原波面在一定时 间内所传播到的新波面。利用惠更斯-菲涅耳原理可以有效地理解下面所用的确 定晶体中 o 光及 e 光方向的方法。 单轴晶体中，o 光沿各个方向的传播速度相同，e 光沿各个方向的传播速度 35 页脚内容 Standard标准 不同，但沿光轴方向的传播速度与o 光一样。 单轴晶体可以分为两类一类以冰洲石为代表，，e 光的波面是扁椭 球，称为负晶体；另一类以石英为代表，，e 光的波面是长椭球，称为正 晶体。 可以利用惠更斯原理作图确定折射光线的传播方向 3电光效应 3.1 在外界强电场的作用下， 某些本来是各项同性的介质会产生双折射现象， 而本来有 双折射性质的晶体，它的双折射性质也会发生变化，即为电光效应。 3.2 克尔效应 3.2.1实验装置 两个正交的偏振片中间放置一个玻璃盒（称为克尔盒） ，盒内装有特殊 液体并封有一对平行板电极，两偏振片的透光轴与外加电场成45。 3.2.2公式推导 外加电场之后，盒内液体变成各向异性介质，类似于单轴晶体，光轴方 向即电场方向。线偏振光通过盒内液体时，分解为垂直于电场振动的o 光和 沿着电场振动的 e 光。这两个方向上的折射率不同，因而通过克尔盒之后会 产生位相差 页脚内容35 Standard标准 透射光的相对强度（注意到偏振片的透光轴与外加电场成45） 此处只考虑出射光的相对相位差，利用和差化积公式 由此可以推出 3.2.3特点 3.2.3.1 折射率与所加电场的平方成正比。 3.2.3.2 相差的变化与电场的方向无关。 3.2.3.3 弛豫时间短，可以用于制作高速光开关。 3.3 普克尔效应 3.3.1纵向电光效应 3.3.1.1 实验装置 正交的偏振器 P、A 之间放有一块 KDP 单轴晶体，z 轴为光轴。 晶体的两个端面垂直于光轴，且与偏振器平行。 未加电场时， 从 P 出来的线偏振光沿着光轴方向传播， 没有双折 射现象。若沿 z 轴方向加电场，此时自检偏振器有光输出。此时，z 轴不再是光轴，KDP 晶体变成了双轴晶体，在晶体端面正方形的对角 线方向上感生出两个互相正交的主振动方向。 从偏振器 P 出来的线偏 振光进入晶体后分解为沿 轴和轴振动的等振幅的两束线偏振光， 感生折射率分别为、。 35 页脚内容 Standard标准 3.3.1.2 公式推导 感生折射率差为 是 KDP 晶体的 o 光折射率，γ是纵向电光系数，E 为所加电场 强度，、分别是主振动方向、上的主折射率。 因此通过晶体后的相位差为 从检偏器射出的相对透射光强为 3.3.1.3 特点 透射光强与晶体的长度无关，仅由晶体的性质γ和所加电场U 决定。把相对透射光强随外加电压的变化关系用 I/I0U 曲线表示， 称此曲线为晶体的透射率曲线。 【注】半波电压使位相差为π所需的驱动电压。 3.3.2横向电光效应 3.3.2.1 实验装置 当外加电场的方向与光的传播方向垂直时，此时的电光效应称为 横向电光效应，如下图所示（该图模型仅对应于此处文字描述，与后 续的理论分析、实验仿真所用的图略有出入） 。 页脚内容35 Standard标准 z 轴为光轴，为光传播方向，电场加在 z 方向上，两个主振动 方向为 z 和，感生折射率分别为、。 3.3.2.2 公式推导 经过晶体后的位相差 4 相对透射光强类似，不再赘述。 3.3.2.3 特点 位相差正比于 l/h，将晶体做成扁平形可以大大降低所需的半波 电压。 相对透射光强的进一步推导 实验装置中，两偏振器互相正交，晶体的两个主轴也互相正交；加电压后， 假定入 射端的线偏振光与晶体的某一主轴夹角为ψ，据此推导透射光强的表达式 入射线偏振光 沿着铌酸锂晶体的两个主轴分解 经过铌酸锂晶体后，产生位相差δ 从尾端的偏振器射出 整理化简得到出射光表达式 在 3.2.2 部分，曾处理过括号内的部分，使用三