晶體的電光效應(yīng)PPT

1、2021/8/251第四組：姚 博 高瑞林 賈潔姝 楊成華 周文龍 毛祖金2021/8/252電光效應(yīng)基本概念縱向電光效應(yīng)及橫向電光效應(yīng)電光效應(yīng)器件結(jié)論2021/8/253電光效應(yīng)的概念線性電光效應(yīng)二次電光效應(yīng)2021/8/254電光效應(yīng)是指材料在直流或低頻交流電場(chǎng)作用下，折射率發(fā)生明顯改變的一種現(xiàn)象。電光晶體材料可用于制備多種可實(shí)現(xiàn)高速調(diào)諧的光通信器件，比如電光調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器和波導(dǎo)光柵等，被廣泛的應(yīng)用于激光通信、激光測(cè)距、激光顯示和光學(xué)數(shù)據(jù)處理等方面。2021/8/255分類： 按照外加電場(chǎng)下晶體材料的折射率變化分為兩種： 1、線性電光效應(yīng)：非中心對(duì)稱晶體中折射率的變化與外加電場(chǎng)

2、強(qiáng)度成線性關(guān)系。也叫做泡克爾斯（Pockels）效應(yīng)。 2、二次電光效應(yīng)：中心對(duì)稱晶體中晶體折射率變化與外加電場(chǎng)的平常成正比，也叫做克爾（Kerr）效應(yīng)。 2021/8/256晶體在受到光照的同時(shí)，若也受到外電場(chǎng)（低頻或直流）的作用，其二級(jí)非線性極化強(qiáng)度為(2)(2)(2)()()( )( )iiijkjkPPEE w為光電場(chǎng)頻率 ，為外加電場(chǎng)頻率 w 2021/8/257由于 所以2021/8/258因?yàn)闉槲醇与妶?chǎng)時(shí)的介電常數(shù)，上式說(shuō)明在加上電場(chǎng)后介電常數(shù)變化與外加電場(chǎng)成線性關(guān)系。 (1)(2)00()E2021/8/259折射率橢球的方法來(lái)分析晶體的電光效應(yīng) 晶體的逆介電張量為 211ij

3、ijijn非磁性介質(zhì) 折射率橢球可以表示為 2021/8/2510展開(kāi) 未加電場(chǎng)時(shí)，折射率橢球記作 2021/8/2511根據(jù)固體電子理論，當(dāng)在晶體上加上電場(chǎng)后，將導(dǎo)致晶體中束縛電荷的重新分布，且可能導(dǎo)致離子晶體晶格的微小變形，其最終結(jié)果是逆介電張量的改變。即施加電場(chǎng)時(shí)，折射率橢球?qū)l(fā)生畸變，記作2021/8/2512上式可以表示為 線性電光效應(yīng)表示為 ijijkkE2021/8/2513引入以下簡(jiǎn)化下標(biāo) ijk分量數(shù)量由27個(gè)降到18個(gè)，線性電光系數(shù)表示為 mmkkE2021/8/2514矩陣形式為 2021/8/2515KDP晶體（42m晶類）。單軸晶體，設(shè)其主軸為X3軸，未加電場(chǎng)時(shí)候，折

4、射率橢球?yàn)椋菏街?021/8/2516查閱資料知KDP電光效應(yīng)矩陣為 121324413541663000000000000000EEE2021/8/2517因此得到 2021/8/2518加電場(chǎng)后光率體變?yōu)?可以見(jiàn)得，在外電場(chǎng)作用下，KDP晶體由單軸晶體變?yōu)殡p軸晶結(jié)構(gòu)。 2021/8/2519當(dāng)只沿X3方向加電場(chǎng)時(shí)，折射率橢球?yàn)榻?jīng)過(guò)坐標(biāo)變化得新的橢球方程020202163311633233()()1E xE xxX1，X2，X3為新的光率體主軸坐標(biāo)系 2021/8/2520利用微分關(guān)系可以得到311106333222063333312120nnnnEnnnnEnnn 注意：n1，n2，n3是

5、光沿各個(gè)主軸偏振時(shí)的折射率，而不是傳播方向沿各主軸2021/8/2521晶體的二次電光效應(yīng)實(shí)際上是一種三階非線性光學(xué)效應(yīng)，跟線性電光效應(yīng)一樣，我們也采用逆介電張量折射率橢球的方法來(lái)描述，不同的是逆介電張量對(duì)外加電場(chǎng)的二次方產(chǎn)生響應(yīng)。 2021/8/2522由式ijijklklsE Eijkls為二次電光系數(shù)（Kerr）系數(shù)，為四階張量 因此引入以下簡(jiǎn)化下標(biāo) 2021/8/2523二次電光效應(yīng)表示為 ijklsmns與的關(guān)系為 mnsijkls是一個(gè)66矩陣，的矩陣元從81個(gè)減少到36個(gè) 2021/8/2524二次電光效應(yīng)的矩陣形式為 2021/8/2525順電相KLTN晶體（m3m點(diǎn)群）為例

6、，沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)晶體各向同性，只有一個(gè)折射率n0，其折射率橢球是一個(gè)球面 2221232220001111xxxnnn2021/8/2526二次電光系數(shù)矩陣有如下形式 111212121112121211444444000000000000000000000000mnsssssssssssss2021/8/2527在晶體上加上電場(chǎng)后 22221111212111112212322222121112212111212323121211312444235441364412000000000000000000000000sssEs Es Es EsssEs Es Es EsssEssE EsE Es

7、E E2221122113442344134412Es Es Es E Es E Es E E2021/8/2528新的折射率橢球?yàn)?22222222111122123112111212322200222212112211334423234413 13441212201111s Es Es Exs Es Es Exnns Es Es Exs E E x xs E E x xs E E x xn2021/8/2529如果電場(chǎng)加在晶體的 方向 ， ， 代入上式得 3x3EE120EE2222221211221132220001111s Exs Exs Exnnn1n2n3n此時(shí)各主軸方向的折射率為

8、、和 212222120211223011111s Ennns Enn 321200 1232300 111212nnnn s Ennn s E2021/8/2530根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中晶體上所加電場(chǎng)方向與通光方向的相對(duì)位置不同，通常也將電光效應(yīng)分為兩類，縱向電光效應(yīng)與橫向電光效應(yīng)。所加電場(chǎng)方向與通光方向平行的被稱為縱向電光效應(yīng)，電場(chǎng)方向與通光方向互相垂直的被稱為橫向電光效應(yīng)。下面我們舉例來(lái)分析縱向與橫向電光效應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)。 2021/8/2531縱向電光效應(yīng)橫向電光效應(yīng)2021/8/2532仍然以KDP為例，實(shí)驗(yàn)裝置如下圖所示2021/8/2533晶體后存在相位差為 d為晶體通光方向的厚度，所以產(chǎn)生

9、的相位差與所加電壓成正比，與厚度d無(wú)關(guān)。當(dāng)相位差為時(shí)，我們將所加電壓稱為此塊晶體的半波電壓 。2021/8/2534晶體的半波電壓及電光系數(shù)的測(cè)定值 2021/8/2535半波電壓是晶體材料的一個(gè)十分重要的參數(shù)，通常電光材料都存在一定的電壓閾值，超過(guò)容易被擊穿，而且過(guò)高的半波電壓對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求造成一定的難度及危險(xiǎn)性，所以尋找大的電光系數(shù)及低半波電壓的電光晶體材料已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。 2021/8/2536采用縱向電光效應(yīng)有以下幾點(diǎn)問(wèn)題需要解決 （1）電極問(wèn)題 （2）電光系數(shù)一般較小 2021/8/2537前面對(duì)非中心對(duì)稱的晶體線性電光效應(yīng)分析可知，當(dāng)外加電場(chǎng)方向與通光方向垂直，產(chǎn)生的相位差除

10、了受電場(chǎng)控制外還會(huì)受到自然雙折射的影響。晶體的自然雙折射對(duì)溫度有很高的敏感性，要實(shí)現(xiàn)很嚴(yán)格的控溫，精度在0.005，這對(duì)實(shí)際條件來(lái)說(shuō)是非常困難的。但是對(duì)于中心對(duì)稱的晶體來(lái)說(shuō)，可以從根本上避免這一問(wèn)題。 2021/8/2538以順電相KLTN晶體為例 2021/8/2539通過(guò)晶體后兩束偏振光的相位差為 323111120221()()2nndssn E d 中心對(duì)稱晶體在橫向電光效應(yīng)的應(yīng)用中也存在一些問(wèn)題，認(rèn)識(shí)較多的此類晶體，居里溫度較高，在室溫下不能展現(xiàn)出二次電光效應(yīng)，影響了實(shí)際的應(yīng)用，而且二次電光效應(yīng)較小，所以需求低居里溫度，高的二次電光系數(shù)的鐵電晶體材料具有很大的意義。 2021/8/2

11、540光開(kāi)關(guān)電光強(qiáng)度調(diào)制器 Q開(kāi)關(guān) 2021/8/25412021/8/2542入射光通過(guò)起偏器后在X和Y方向分為兩個(gè)振幅，相位相同的分量用，用復(fù)數(shù)表示為 (0)xEA(0)yEA經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的外加電場(chǎng)下的KLTN晶體后 ( ),( )exp()xyE dAEdAi 兩分量在檢偏器偏振方向上的和振幅為 exp()12outAEi 2021/8/2543產(chǎn)生的相位差為 323111120221()()2nndssn E d11s12s實(shí)驗(yàn)時(shí)，波長(zhǎng)已知，晶體材料的電光系數(shù)，已知，晶體通光方向厚度d已知，通過(guò)調(diào)節(jié)外加電壓，改變電場(chǎng)強(qiáng)度E，兩束偏振光的相位差也會(huì)隨之改變，最后對(duì)輸出光強(qiáng)產(chǎn)生影響。 20

12、21/8/2544電光晶體做光開(kāi)關(guān)器件有幾個(gè)重要的參數(shù) ： （1）大的電光系數(shù) （2）開(kāi)關(guān)速度 （3）消光比 2021/8/2545電光強(qiáng)度調(diào)制器其設(shè)計(jì)光路與上述光開(kāi)關(guān)光路相同，已知 *22exp()1exp()122sin ()2outoutAIEEiiA 323111120221()()2nn dssn E d2021/8/2546系統(tǒng)的光學(xué)透過(guò)率與電壓的關(guān)系曲線 2021/8/2547因?yàn)榫w為二次電光效應(yīng)，所以對(duì)信號(hào)光的采集應(yīng)該二倍與電壓的頻率。由上圖可知，輸出光強(qiáng)度隨電壓改變呈三角函數(shù)曲線變化。我們可以通過(guò)連續(xù)改變外加電場(chǎng)，達(dá)到連續(xù)改變輸出光強(qiáng)的目的。 2021/8/2548Q裝置原理圖 2021/8/