邱跳文 唐 芳

（1北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100083）

（2北京航空航天大學(xué)物理學(xué)院，北京 100083）

單向偏置電壓下晶體電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的討論

邱跳文1唐 芳2

（1北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100083）

（2北京航空航天大學(xué)物理學(xué)院，北京 100083）

本文討論了單向偏置電壓下電光晶體最佳調(diào)制效果的實(shí)驗(yàn)條件，分析了1/4波片對(duì)輸出特性的影響，介紹了用電光效應(yīng)裝置測(cè)量波片的實(shí)驗(yàn)方法.

晶體；電光調(diào)制；輸出特性；波片

1 引言

電光效應(yīng)一般是指介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下，材料的某些光學(xué)特性如折射率發(fā)生了變化的現(xiàn)象.電光效應(yīng)按電壓與折射率變化的關(guān)系可分為：一級(jí)電光效應(yīng)和二級(jí)電光效應(yīng).在極化的方式上，一般又有橫向施加電場(chǎng)（垂直于主軸）和縱向施加電場(chǎng)（平行于主軸）兩種方式.由于橫向電光效應(yīng)具有半波電壓低、線性度較好的特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用.按此方式制成的電光調(diào)制器件被廣泛地應(yīng)用于光通信領(lǐng)域，成為當(dāng)今信息社會(huì)不可缺少的一項(xiàng)技術(shù).在本實(shí)驗(yàn)中，采用LN晶體橫向施加電場(chǎng)的方式來(lái)研究LiNbO3晶體的電光效應(yīng).其中，晶體被加工成（5×5×30）mm3的長(zhǎng)條，光軸沿長(zhǎng)軸通光方向，在兩側(cè)鍍有導(dǎo)電電極，以便施加均勻的電場(chǎng).

本文討論了實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)制效果的實(shí)驗(yàn)條件，分析了1/4波片對(duì)輸出特性的影響，介紹了用該裝置測(cè)量波片相位差的實(shí)驗(yàn)方法.

2 調(diào)制原理

LN在自然狀態(tài)下是一種比較典型的單軸晶體，具有很好的電光特性.在晶體兩側(cè)施加一定強(qiáng)度的電壓后，由于分子的極化方向受電場(chǎng)影響發(fā)生了變化，并生成了一個(gè)新的附加光軸，使晶體由原來(lái)的單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體.如果我們?cè)诰w后放一個(gè)檢偏器，就會(huì)觀察到在施加電場(chǎng)前后，通過(guò)檢偏器的光強(qiáng)會(huì)有變化.

如圖1所示，如果一束光通過(guò)由起偏器P1、LN晶體、檢偏器P2組成的光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)LN晶體施加電壓就可以改變系統(tǒng)的輸出光強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光強(qiáng)的控制.如果這個(gè)電壓是一系列電脈沖信號(hào)，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)光開(kāi)關(guān)的控制.

圖1 橫向電光調(diào)制原理

晶體的感應(yīng)軸x′，y′和起偏器P1和檢偏器P2的空間分布如圖2所示.可以證明該電光器件的透過(guò)率為

圖2 晶體的感應(yīng)軸x′，y′和起偏器P1檢偏器P2的空間分布

式中，第一項(xiàng)是由馬呂斯定律決定的背景項(xiàng)，它不起調(diào)制作用；第二項(xiàng)才是透射光中受外加電壓調(diào)制的部分，δ表示透過(guò)晶體時(shí)兩感應(yīng)軸之間的相位差.當(dāng)時(shí)，背景項(xiàng)消失，而第二項(xiàng)的振幅最大，調(diào)制效果最好.因此當(dāng)電光調(diào)制裝置中檢偏器與起偏器的透光軸正交，而且與晶體的感應(yīng)軸夾角是45°時(shí)調(diào)制效果最佳.

3 1/4波片對(duì)輸出特性的影響

現(xiàn)在起偏器和晶體之間加入1/4波片，旋轉(zhuǎn)起偏器P1使與檢偏器P2相互垂直，波片的快慢軸x′y′與晶體感應(yīng)軸的空間分布見(jiàn)圖3.

圖3 波片、晶體的感應(yīng)軸x′y′和起偏器P1檢偏器P2的空間分布

可以證明在起偏器和晶體之間加入1/4波片后，透射率為

式中，θ是1/4波片快軸與晶體感應(yīng)軸x′之間的夾角，δu是直流電壓產(chǎn)生的相位差.旋轉(zhuǎn)1/4波片，得到不同θ對(duì)應(yīng)的晶體的工作曲線如圖4所示.從圖4可看出，旋轉(zhuǎn)1/4波片，隨著θ變大工作曲線先向右移動(dòng)，當(dāng)θ＝π/4時(shí)工作曲線與未加波片一致，繼續(xù)向右平移直到θ＝π/2，θ再增加曲線又會(huì)往左移動(dòng).

圖4 1/4波片旋轉(zhuǎn)到不同位置時(shí)，透射率與直流電壓產(chǎn)生的電位差δu的關(guān)系曲線

在檢偏器P2與LN晶體間放入1/4波片.旋轉(zhuǎn)1/4波片，觀察接收信號(hào)波形的變化情況，體會(huì)1/4波片對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響和作用.我們的測(cè)量結(jié)果是：未加1/4波片時(shí)，U＝753V時(shí)剛好出現(xiàn)倍頻失真，加入1/4波片，轉(zhuǎn)動(dòng)1/4波片，在214°、124°、34°和304°時(shí)共出現(xiàn)四次倍頻失真，且相互間隔90°.說(shuō)明與理論相符.

由于在直流偏置電壓U＝0附近，不存在交流信號(hào)，因此在U＝0附近無(wú)法觀察到調(diào)制效果，只有在圖4中淺色曲線上對(duì)應(yīng)的δu＝π的整數(shù)倍（即半波電壓的整數(shù)倍）附近才有可能觀察到倍頻失真現(xiàn)象.如我們所用儀器半波電壓是750V，那么在750V和U＝1500V附近可以觀察到倍頻失真.然而加上交流信號(hào)后，一部分直流電壓得提供給交流信號(hào)源使用，這樣此時(shí)的偏置電壓可調(diào)范圍就很可能比1500V要低.學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到實(shí)驗(yàn)儀器按要求調(diào)整了，極值法可以測(cè)量，可是動(dòng)態(tài)法測(cè)量電光系數(shù)時(shí)卻無(wú)法調(diào)出兩次倍頻失真的情況.其實(shí)這與學(xué)生的操作無(wú)關(guān)，往往儀器共軸調(diào)得越好，越會(huì)出現(xiàn)這現(xiàn)象.這時(shí)我們可以利用波片也可以改變晶體的工作點(diǎn)，在光路中加入一波片，讓波片和直流偏置電壓兩者相互補(bǔ)償，旋轉(zhuǎn)波片使晶體在較小的直流偏置電壓作用下就能出現(xiàn)第一次倍頻失真，這樣在直流電壓可調(diào)范圍內(nèi)就肯定能找到下一次倍頻失真，注意兩次倍頻失真對(duì)應(yīng)的波片位置不變.比如我們?cè)赨1＝465V時(shí)旋轉(zhuǎn)波片出現(xiàn)倍頻失真，保持波片不動(dòng)，在U2＝1202V又出現(xiàn)倍頻失真，這樣對(duì)應(yīng)的半波電壓

4 云母片相位差的測(cè)量

用類似的補(bǔ)償原理也可以測(cè)量云母片快慢軸間的相位差.首先將靜態(tài)工作電壓置于倍頻失真點(diǎn)（U1＝773V），在檢偏器與mLN晶體間放入待測(cè)云母片，旋轉(zhuǎn)云母片使系統(tǒng)仍出現(xiàn)倍頻失真（波片角度指示24°），此時(shí)云母片的光軸分別與起偏器和檢偏器方向一致，旋轉(zhuǎn)云母片45°（波片角度指示69°），此時(shí)云母片快慢軸與LN晶體偏振化方向一致，那么通過(guò)檢偏器前兩束偏振光之間的相位差其中，φ為云母片快慢軸之間的相位差；no為晶體的o光折射率.調(diào)整偏置電壓為U2＝331V，使仍出現(xiàn)倍頻失真.則

實(shí)驗(yàn)用晶體厚度d＝5mm，長(zhǎng)度l＝30mm，晶體的電光系數(shù)γ22＝6.8×10－12m/V，波長(zhǎng)λ＝632.8nm.多次測(cè)量得U1－U2的平均值為333V，φ＝92.34°.我們用的待測(cè)云母片實(shí)際就是1/4波片，相對(duì)誤差為2.6%.

5 小結(jié)

實(shí)驗(yàn)中我們還用測(cè)量o光和e光光強(qiáng)的方法來(lái)測(cè)量云母片的相位差，由于激光器輸出光強(qiáng)不穩(wěn)定，誤差更大.而補(bǔ)償原理測(cè)量相位差不需要測(cè)量光強(qiáng)，并且由于激光束與晶體的光軸不完全一致而引起的自然雙雙折射也可以通過(guò)兩次補(bǔ)償而抵消掉.

［1］ 李朝榮，徐平等.基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010

［2］ 趙凱華，鐘錫華.光學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，1984

2011－06－21；

2012－02－17）

邱跳文（1990年出生），男，湖南平江人，北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院08級(jí)本科生.