《晶体的电光效应》PPT课件.ppt

第四组： 姚 博 高瑞林 贾洁姝 杨成华 周文龙 毛祖金 电光效应基本概念 纵向电光效应及横向电光效应 电光效应器件 结论 电光效应的概念 线性电光效应 二次电光效应 电光效应是指材料在直流或低频交流电场作用下， 折射率发生明显改变的一种现象。 电光晶体材料可用于制备多种可实现高速调谐的 光通信器件，比如电光调制器、光开关、波长转 换器和波导光栅等，被广泛的应用于激光通信、 激光测距、激光显示和光学数据处理等方面。 分类： 按照外加电场下晶体材料的折射率变化分为两种： 1、线性电光效应：非中心对称晶体中折射率的 变化与外加电场强度成线性关系。也叫做泡克尔 斯（ Pockels）效应。 2、二次电光效应：中心对称晶体中晶体折射率 变化与外加电场的平常成正比，也叫做克尔 （ Kerr）效应。 晶体在受到光照的同时，若也受到外电场（低频或 直流）的作用，其二级非线性极化强度为 ( 2 ) ( 2 ) ( 2 ) ( ) ( ) ( ) ( )i i i j k j kP P E E w为光电场频率 ， 为外加电场频率 w 由于 所以 因为 为未加电场时的介电常数，上式说明在加上电场 后介电常数变化与外加电场成线性关系。 ( 1 ) ( 2 ) 0 0 ( ) E 折射率椭球的方法来分析晶体的电光效应 晶体的逆介电张量为 2 11 ij ij ijn 非磁性介质 折射率椭球可以表示为 展开 未加电场时，折射率椭球记作 根据固体电子理论，当在晶体上加上电场后，将 导致晶体中束缚电荷的重新分布，且可能导致离 子晶体晶格的微小变形，其最终结果是逆介电张 量的改变。即施加电场时，折射率椭球将发生畸 变 ，记作 上式可以表示为 线性电光效应表示为 ij ijk kE 引入以下简化下标 ijk 分量数量由 27个降到 18个，线性电光系数表示为 m m k kE 矩阵形式为 KDP晶体（ 42m晶类）。单轴晶体，设其主轴为 X3 轴，未加电场时候，折射率椭球为： 式中 查阅资料知 KDP电光效应矩阵为 1 2 1 3 2 4 41 3 5 41 6 63 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 00 00 E E E 因此得到 加电场后光率体变为 可以见得，在外电场作用下， KDP晶体由单轴晶体 变为双轴晶结构。 当只沿 X3方向加电场时，折射率椭球为 经过坐标变化得新的椭球方程 0 2 0 2 0 21 63 3 1 1 63 3 2 3 3( ) ( ) 1E x E x x X1 ， X2 ， X3 为新的光率体主轴坐 标系 利用微分关系 可以得到 3 1 1 1 0 63 3 3 2 2 2 0 63 3 3 3 3 1 2 1 2 0 n n n n E n n n n E n n n 注意： n1， n2， n3是光沿各个主 轴偏振时的折射 率，而不是传播 方向沿各主轴 晶体的二次电光效应实际上是一种三阶非线性光学 效应，跟线性电光效应一样，我们也采用逆介电张 量折射率椭球的方法来描述，不同的是逆介电张量 对外加电场的二次方产生响应。 由式 ij ijk l k ls E E ijkls 为二次电光系数（ Kerr）系数，为四阶张量 因此引入以下简化下标 二次电光效应表示为 ijkls mns 与 的关系为 mns ijkls 是一个 6 6矩阵， 的矩阵元从 81个减少到 36个 二次电光效应的矩阵形式为 顺电相 KLTN晶体（ m3m点群）为例 ，没有外加 电场时晶体各向同性，只有一个折射率 n0，其折 射率椭球是一个球面 222 1 2 3222 000 111 1xxx nnn 二次电光系数矩阵有如下形式 11 12 12 12 11 12 12 12 11 44 44 44 000 000 000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 mn s s s s s s s s s s s s s 在晶体上加上电场后 2 2 2 2 1 1 1 1 2 1 2 1 1 1 1 1 2 2 1 2 3 2 2 2 2 2 1 2 1 1 1 2 2 1 2 1 1 1 2 1 2 3 2 3 1 2 1 2 1 1 3 1 2 4 44 23 5 44 13 6 44 12 000 000 000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 s s s E s E s E s E s s s E s E s E s E s s s Es s EE s EE s EE 2 2 2 1 1 2 2 1 1 3 4 4 2 3 4 4 1 3 4 4 1 2 E s E s E s E E s E E s E E 新的折射率椭球为 2 2 2 2 2 2 2 2 11 1 12 2 12 3 1 12 1 11 2 12 3 222 00 2 2 2 2 12 1 12 2 11 3 3 44 2 3 2 3 44 1 3 1 3 44 1 2 1 22 0 11 1 1 s E s E s E x s E s E s E x nn s E s E s E x s E E x x s E E x x s E E x x n 如果电场加在晶体的 方向 ， ， 代入上式得 3x 3 EE 12 0EE 2 2 2 2 2 2 1 2 1 1 2 2 1 1 3222 000 111 1s E x s E x s E x nnn 1n 2n 3n 此时各主轴方向的折射率为 、 和 2 122 2 2 1 2 0 2 1122 30 1 1 1 11 sE n n n sE nn 32 1 2 0 0 1 2 32 3 0 0 1 1 1 2 1 2 n n n n s E n n n s E 根据实际应用中晶体上所加电场方向与通光方向的 相对位置不同，通常也将电光效应分为两类，纵向 电光效应与横向电光效应。所加电场方向与通光方 向平行的被称为纵向电光效应，电场方向与通光方 向互相垂直的被称为横向电光效应。下面我们举例 来分析纵向与横向电光效应的优缺点。 纵向电光效应 横向电光效应 仍然以 KDP为例，实验装置如下图所示 晶体后存在相位差为 d为 晶体通光方向的厚度，所以产生的相位差与 所加电压成正比，与厚度 d无关。当相位差为 时， 我们将所加电压称为此块晶体的半波电压 。 晶体的半波电压及电光系数的测定值 半波电压是晶体材料的一个十分重要的参数，通常 电光材料都存在一定的电压阈值，超过容易被击穿， 而且过高的半波电压对实验条件要求造成一定的难 度及危险性，所以寻找大的电光系数及低半波电压 的电光晶体材料已经成为一个研究热点。 采用纵向电光效应有以下几点问题需要解决 （ 1）电极问题 （ 2）电光系数一般较小 前面对非中心对称的晶体线性电光效应分析可知， 当外加电场方向与通光方向垂直，产生的相位差 除了受电场控制外还会受到自然双折射的影响。 晶体的自然双折射对温度有很高的敏感性，要实 现很严格的控温，精度在 0.005，这对实际条 件来说是非常困难的。但是对于中心对称的晶体 来说，可以从根本上避免这一问题。 以顺电相 KLTN晶体为例 通过晶体后两束偏振光的相位差为 3 2 3 1 11 12 0 2 2 1( ) ( ) 2n n d s s n E d 中心对称晶体在横向电光效应的应用中也存在一些问题， 认识较多的此类晶体，居里温度较高，在室温下不能展现 出二次电光效应，影响了实际的应用，而且二次电光效应 较小，所以需求低居里温度，高的二次电光系数的铁电晶 体材料具有很大的意义。 光开关 电光强度调制器 Q开关 入射光通过起偏器后在 X和 Y方向分为两个振幅，相 位相同的分量用，用复数表示为 (0 )xEA (0 )yEA 经过长度为 L的外加电场下的 KLTN晶体后 ( ) , ( ) e x p ( ) x y E d A E d A i 两分量在检偏器偏振方向上的和振幅为 e x p ( ) 1 2out AEi 产生的相位差为 3 2 3 1 1 1 1 2 0 2 2 1( ) ( ) 2n n d s s n E d 11s 12s 实验时，波长 已知，晶体材料的电光系数 ， 已知，晶体通光方向厚度 d已知，通过调节外加电压， 改变电场强度 E，两束偏振光的相位差也会随之改变， 最后对输出光强产生影响。 电光晶体做光开关器件有几个重要的参数 ： （ 1）大的电光系数 （ 2）开关速度 （ 3）消光比 电光强度调制器其设计光路与上述光开关光路相同， 已知 * 22 e xp( ) 1 e xp( ) 1 2 2 si n ( ) 2 o u t o u t A I E E i i A 3 2 3 1 1 1 1 2 0 2 2 1( ) ( ) 2n n d s s n E d 系统的光学透过率与电压的关系曲线 因为晶体为二次电光效应，所以对信号光的采集应 该二倍与电压的频率。由上图可知，输出光强度随 电压改变呈三角函数曲线变化。我们可以通过连续 改变外加电场，达到连续改变输出光强的目的。 Q装置原理图 Q开关与光开关也有相同的性能参数： （ 1）响应速度，高的响应速度可以产生高频率的激 光脉冲。 （ 2）大的电光系数，利用较小调制电压就可以达到 调制目的，方便实验及激光器设计。 晶体的电光效应是一个很有实用价值的物理效应， 它已经在当今军事系统，光通讯系统，科学研究等 广泛领域起到很大的作用，并且仍然吸引研究者们 不断去寻找新的电光材料。