晶体的电光效应

1、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

2、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)()()( )( )iiijkjkPPEE 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)00()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 211ijijijn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

3、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 ijijkkE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 mmkkE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 121324413541663000000000000000EEE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020202163311633233()(

4、)1E xE xxX1，X2，X3为新的光率体主轴坐标系 利用微分关系可以得到311106333222063333312120nnnnEnnnnEnnn 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ijijklklsE Eijkls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 ijklsmns与的关系为 mnsijkls是一个66矩阵，的矩阵元从81个减少到36

5、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 2221232220001111xxxnnn二次电光系数矩阵有如下形式 111212121112121211444444000000000000000000000000mnsssssssssssss在晶体上加上电场后 22221111212111112212322222121112212111212323121211312444235441364412000000000000000000000000sssEs Es Es EsssEs Es Es Ess

6、sEssE EsE EsE E2221122113442344134412Es Es Es E Es E Es E E新的折射率椭球为 22222222111122123112111212322200222212112211334423234413 13441212201111s Es Es Exs Es Es Exnns Es Es Exs E E x xs E E x xs E E x xn如果电场加在晶体的 方向 ， ， 代入上式得 3x3EE120EE2222221211221132220001111s Exs Exs Exnnn1n2n3n此时各主轴方向的折射率为、和 2122221

7、20211223011111s Ennns Enn 321200 1232300 111212nnnn s Ennn 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

8、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

9、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 323111120221()()2nn dssn 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 ( ),( )exp()xyE dAEdAi 两分量在检偏器偏振方向上的和振幅为

10、exp()12outAEi 产生的相位差为 323111120221()()2nn dssn E d11s12s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 *22exp()1exp()122sin ()2outoutAIEEiiA 323111120221()()2nn dssn 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