单向偏置电压下晶体电光效应实验的讨论

邱跳文 唐 芳

（1北京航空航天大学宇航学院，北京 100083）

（2北京航空航天大学物理学院，北京 100083）

单向偏置电压下晶体电光效应实验的讨论

邱跳文1唐 芳2

（1北京航空航天大学宇航学院，北京 100083）

（2北京航空航天大学物理学院，北京 100083）

本文讨论了单向偏置电压下电光晶体最佳调制效果的实验条件，分析了1/4波片对输出特性的影响，介绍了用电光效应装置测量波片的实验方法.

晶体；电光调制；输出特性；波片

1 引言

电光效应一般是指介质在电场的作用下，材料的某些光学特性如折射率发生了变化的现象.电光效应按电压与折射率变化的关系可分为：一级电光效应和二级电光效应.在极化的方式上，一般又有横向施加电场（垂直于主轴）和纵向施加电场（平行于主轴）两种方式.由于横向电光效应具有半波电压低、线性度较好的特点，因此得到了广泛的应用.按此方式制成的电光调制器件被广泛地应用于光通信领域，成为当今信息社会不可缺少的一项技术.在本实验中，采用LN晶体横向施加电场的方式来研究LiNbO3晶体的电光效应.其中，晶体被加工成（5×5×30）mm3的长条，光轴沿长轴通光方向，在两侧镀有导电电极，以便施加均匀的电场.

本文讨论了实现最佳调制效果的实验条件，分析了1/4波片对输出特性的影响，介绍了用该装置测量波片相位差的实验方法.

2 调制原理

LN在自然状态下是一种比较典型的单轴晶体，具有很好的电光特性.在晶体两侧施加一定强度的电压后，由于分子的极化方向受电场影响发生了变化，并生成了一个新的附加光轴，使晶体由原来的单轴晶体变为双轴晶体.如果我们在晶体后放一个检偏器，就会观察到在施加电场前后，通过检偏器的光强会有变化.

如图1所示，如果一束光通过由起偏器P1、LN晶体、检偏器P2组成的光学系统，对LN晶体施加电压就可以改变系统的输出光强，从而实现对输出光强的控制.如果这个电压是一系列电脉冲信号，则可实现对光开关的控制.

图1 横向电光调制原理

晶体的感应轴x′，y′和起偏器P1和检偏器P2的空间分布如图2所示.可以证明该电光器件的透过率为

图2 晶体的感应轴x′，y′和起偏器P1检偏器P2的空间分布

式中，第一项是由马吕斯定律决定的背景项，它不起调制作用；第二项才是透射光中受外加电压调制的部分，δ表示透过晶体时两感应轴之间的相位差.当时，背景项消失，而第二项的振幅最大，调制效果最好.因此当电光调制装置中检偏器与起偏器的透光轴正交，而且与晶体的感应轴夹角是45°时调制效果最佳.

3 1/4波片对输出特性的影响

现在起偏器和晶体之间加入1/4波片，旋转起偏器P1使与检偏器P2相互垂直，波片的快慢轴x′y′与晶体感应轴的空间分布见图3.

图3 波片、晶体的感应轴x′y′和起偏器P1检偏器P2的空间分布

可以证明在起偏器和晶体之间加入1/4波片后，透射率为

式中，θ是1/4波片快轴与晶体感应轴x′之间的夹角，δu是直流电压产生的相位差.旋转1/4波片，得到不同θ对应的晶体的工作曲线如图4所示.从图4可看出，旋转1/4波片，随着θ变大工作曲线先向右移动，当θ＝π/4时工作曲线与未加波片一致，继续向右平移直到θ＝π/2，θ再增加曲线又会往左移动.

图4 1/4波片旋转到不同位置时，透射率与直流电压产生的电位差δu的关系曲线

在检偏器P2与LN晶体间放入1/4波片.旋转1/4波片，观察接收信号波形的变化情况，体会1/4波片对静态工作点的影响和作用.我们的测量结果是：未加1/4波片时，U＝753V时刚好出现倍频失真，加入1/4波片，转动1/4波片，在214°、124°、34°和304°时共出现四次倍频失真，且相互间隔90°.说明与理论相符.

由于在直流偏置电压U＝0附近，不存在交流信号，因此在U＝0附近无法观察到调制效果，只有在图4中浅色曲线上对应的δu＝π的整数倍（即半波电压的整数倍）附近才有可能观察到倍频失真现象.如我们所用仪器半波电压是750V，那么在750V和U＝1500V附近可以观察到倍频失真.然而加上交流信号后，一部分直流电压得提供给交流信号源使用，这样此时的偏置电压可调范围就很可能比1500V要低.学生在实验时经常会遇到实验仪器按要求调整了，极值法可以测量，可是动态法测量电光系数时却无法调出两次倍频失真的情况.其实这与学生的操作无关，往往仪器共轴调得越好，越会出现这现象.这时我们可以利用波片也可以改变晶体的工作点，在光路中加入一波片，让波片和直流偏置电压两者相互补偿，旋转波片使晶体在较小的直流偏置电压作用下就能出现第一次倍频失真，这样在直流电压可调范围内就肯定能找到下一次倍频失真，注意两次倍频失真对应的波片位置不变.比如我们在U1＝465V时旋转波片出现倍频失真，保持波片不动，在U2＝1202V又出现倍频失真，这样对应的半波电压

4 云母片相位差的测量

用类似的补偿原理也可以测量云母片快慢轴间的相位差.首先将静态工作电压置于倍频失真点（U1＝773V），在检偏器与mLN晶体间放入待测云母片，旋转云母片使系统仍出现倍频失真（波片角度指示24°），此时云母片的光轴分别与起偏器和检偏器方向一致，旋转云母片45°（波片角度指示69°），此时云母片快慢轴与LN晶体偏振化方向一致，那么通过检偏器前两束偏振光之间的相位差其中，φ为云母片快慢轴之间的相位差；no为晶体的o光折射率.调整偏置电压为U2＝331V，使仍出现倍频失真.则

实验用晶体厚度d＝5mm，长度l＝30mm，晶体的电光系数γ22＝6.8×10－12m/V，波长λ＝632.8nm.多次测量得U1－U2的平均值为333V，φ＝92.34°.我们用的待测云母片实际就是1/4波片，相对误差为2.6%.

5 小结

实验中我们还用测量o光和e光光强的方法来测量云母片的相位差，由于激光器输出光强不稳定，误差更大.而补偿原理测量相位差不需要测量光强，并且由于激光束与晶体的光轴不完全一致而引起的自然双双折射也可以通过两次补偿而抵消掉.

［1］ 李朝荣，徐平等.基础物理实验［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2010

［2］ 赵凯华，钟锡华.光学［M］.北京：北京大学出版社，1984

2011－06－21；

2012－02－17）

邱跳文（1990年出生），男，湖南平江人，北京航空航天大学宇航学院08级本科生.