電光陶瓷

1.一次電光效應(yīng)和晶體的折射率橢球

由電場所引起的晶體折射率的變化，稱為電光效應(yīng)。通常可將電場引起的折射率的變化用下式表示:

n=n0+aE0+bE02+……(1)

式中a和b為常數(shù)，n0為不加電場時晶體的折射率。由一次項aE0引起折射率變化的效應(yīng)，稱為一次電光效應(yīng)，也稱線性電光效應(yīng)或普克爾(Pokells)效應(yīng);由二次項bE02引起折射率變化的效應(yīng)，稱為二次電光效應(yīng)，也稱平方電光效應(yīng)或克爾(Kerr)效應(yīng)。一次電光效應(yīng)只存在于不具有對稱中心的晶體中，二次電光效應(yīng)則可能存在于任何物質(zhì)中，一次效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯著。

光在各向異性晶體中傳播時，因光的傳播方向不同或者是電矢量的振動方向不同，光的折射率也不同。如圖1，通常用折射率球來描述折射率與光的傳播方向、振動方向的關(guān)系。在主軸坐標(biāo)中，折射率橢球及其方程為

(2)

圖1

式中n1、n2、n3為橢球三個主軸方向上的折射率，稱為主折射率。當(dāng)晶體加上電場后，折射率橢球的形狀、大小、方位都發(fā)生變化，橢球方程變成

(3)

晶體的一次電光效應(yīng)分為縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)兩種?？v向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播的方向平行時產(chǎn)生的電光效應(yīng);橫向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播方向垂直時產(chǎn)生的電光效應(yīng)。通常KD*P(磷酸二氘鉀)類型的晶體用它的縱向電光效應(yīng)，LiNbO3(鈮酸鋰)類型的晶體用它的橫向電光效應(yīng)。本實驗研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應(yīng)，用鈮酸鋰晶體的橫向調(diào)制裝置測量鈮酸鋰晶體的半波電壓及電光系數(shù)，并用兩種方法改變調(diào)制器的工作點，觀察相應(yīng)的輸出特性的變化。

鈮酸鋰晶體屬于三角晶系，3m晶類，主軸z方向有一個三次旋轉(zhuǎn)軸，光軸與z軸重合，是單軸晶體，折射率橢球是旋轉(zhuǎn)橢球，其表達(dá)式為

(4)

式中n0和ne分別為晶體的尋常光和非常光的折射率。加上電場后折射率橢球發(fā)生畸變，當(dāng)x軸方向加電場，光沿z軸方向傳播時，晶體由單軸晶變?yōu)殡p軸晶，垂直于光軸z軸方向的折射率橢球截面由圓變?yōu)闄E圓，此橢圓方程為

(5)

其中的稱為電光系數(shù)。上式進(jìn)行主軸變換后可得到

(6)

考慮到<<1，經(jīng)簡化得到

(7)

折射率橢球截面的橢圓方程化為

(8)

2.電光調(diào)制原理

要用激光作為傳遞信息的工具，首先要解決如何將傳輸信號加到激光輻射上去的問題，我們把信息加載于激光輻射的過程稱為激光調(diào)制，把完成這一過程的裝置稱為激光調(diào)制器。由已調(diào)制的激光輻射還原出所加載信息的過程則稱為解調(diào)。因為激光實際上只起到了"攜帶"低頻信號的作用，所以稱為載波，而起控制作用的低頻信號是我們所需要的，稱為調(diào)制信號，被調(diào)制的載波稱為已調(diào)波或調(diào)制光。按調(diào)制的性質(zhì)而言，激光調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，可以采用連續(xù)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及脈沖調(diào)制等形式，但激光調(diào)制多采用強(qiáng)度調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制是根據(jù)光載波電場振幅的平方比例于調(diào)制信號，使輸出的激光輻射的強(qiáng)度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。激光調(diào)制之所以常采用強(qiáng)度調(diào)制形式，主要是因為光接收器一般都是直接地響應(yīng)其所接受的光強(qiáng)度變化的緣故。

激光調(diào)制的方法很多，如機(jī)械調(diào)制、電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和電源調(diào)制等。其中電光調(diào)制器開關(guān)速度快、結(jié)構(gòu)簡單。因此，在激光調(diào)制技術(shù)及混合型光學(xué)雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應(yīng)用。電光調(diào)制根據(jù)所施加的電場方向的不同，可分為縱向電光調(diào)制和橫向電光調(diào)制。利用縱向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做縱向電光調(diào)制，利用橫向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做橫向電光調(diào)制。這次實驗中，我們只做LiNbO3晶體的橫向調(diào)制實驗。

(1) 橫向電光調(diào)制

圖2

圖2為典型的利用LiNbO3晶體橫向電光效應(yīng)原理的激光振幅調(diào)制器。其中起偏振片的偏振方向平行于電光晶體的x軸，檢偏振片的偏振方向平行于y軸。因此入射光經(jīng)起偏振片后變?yōu)檎駝臃较蚱叫杏趚軸的線偏振光，它在晶體的感應(yīng)軸x′和y′軸上的投影的振幅和相位均相等，設(shè)分別為

ex′=A0cosωt,ey′=A0cosωt(9)

或用復(fù)振幅的表示方法，將位于晶體表面(z=0)的光波表示為

Ex′(0)=A,Ey′(0)=A(10)

所以，入射光的強(qiáng)度是

(11)

當(dāng)光通過長為l的電光晶體后，x′和y′兩分量之間就產(chǎn)生相位差δ，即

Ex′(l)=A,Ey′(l)=A(12)

通過檢偏振片出射的光，是該兩分量在y軸上的投影之和

(13)

其對應(yīng)的輸出光強(qiáng)It可寫成

(14)

由(11)和(14)式，光強(qiáng)透過率T為

(15)

由(7)式

(16)

由此可見，δ和加在晶體上的電壓有關(guān)，當(dāng)電壓增加到某一值時x′、y′方向的偏振光經(jīng)過晶體后可產(chǎn)生λ/2的光程差，相應(yīng)的相位差δ=π，由(15)式可知此時光強(qiáng)透過率T=100%，這時加在晶體上的電壓稱作半波電壓，通常用表示。是描述晶體電光效應(yīng)的重要參數(shù)。在實驗中，這個電壓越小越好，如果小，需要的調(diào)制信號電壓也小。根據(jù)半波電壓值，我們可以估計出電光效應(yīng)控制透過強(qiáng)度所需電壓。由(16)式可得到

(17)

其中d和l分別為晶體的厚度和長度。由此可見，橫向電光效應(yīng)的半波電壓與晶片的幾何尺寸有關(guān)。由(17)式可知，如果使電極之間的距離d盡可能的減少，而增加通光方向的長度l，則可以使半波電壓減小，所以晶體通常加工成細(xì)長的扁長方體。由(16)、(17)式可得

因此，可將(15)式改寫成

(18)

其中U0是加在晶體上的直流電壓，Umsinωt是同時加在晶體上的交流調(diào)制信號，Um是其振幅，ω是調(diào)制頻率。從(18)式可以看出，改變U0或Um，輸出特性將相應(yīng)的有變化。對單色光和確定的晶體來說，為常數(shù)，因而T將僅隨晶體上所加的電壓變化。

(2)改變直流偏壓對輸出特性的影響

①當(dāng)、Um<<時，將工作點選定在線性工作區(qū)的中心處，如圖3(a)所示，此時，可獲得較高效率的線性調(diào)制，把代入(18)式，得

(19)

由于Um<<時

即T∝sinωt(20)

這時，調(diào)制器輸出的信號和調(diào)制信號雖然振幅不同，但是兩者的頻率卻是相同的，輸出信號不失真，我們稱為線性調(diào)制。

②當(dāng)、Um<<時，如圖3(b)所示，把代入(18)式

即T∝cos2ωt(21)

從(21)式可以看出，輸出信號的頻率是調(diào)制信號頻率的二倍，即產(chǎn)生"倍頻"失真。若把代入(18)式，經(jīng)類似的推導(dǎo)，可得

(22)

即T∝cos2ωt，輸出信號仍是"倍頻"失真的信號。

(a)(b)

圖3

③直流偏壓U0在0伏附近或在附近變化時，由于工作點不在線性工作區(qū)，輸出波形將失真。

④當(dāng)，Um>時，調(diào)制器的工作點雖然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足小信號調(diào)制的要求，(19)式不能寫成(20)式的形式。因此，工作點雖然選定在了線性區(qū)，輸出波形仍然是失真的。

【實驗儀器】

電光效應(yīng)實驗儀，電光調(diào)制電源、接收放大器、He-Ne激光器、二蹤示波器和萬用表。

(1)晶體電光調(diào)制電源。調(diào)制電源由-200V-+200V之間連續(xù)可調(diào)的直流電源、單一頻率振蕩器(振蕩頻率約為1kHz)、音樂片和放大器組成，電源面板上有三位半數(shù)字面板表，可顯示直流電壓值。晶體上加的直流電壓的極性可以通過面板上的"極性"鍵改變，直流電壓的大小用"偏壓"旋鈕調(diào)節(jié)。調(diào)制信號可由機(jī)內(nèi)振蕩器或音樂片提供，此調(diào)制信號是用裝在面板上的"信號選擇"鍵來選擇三個信號中的任意一個信號。所有的調(diào)制信號的大小是通過"幅度"旋鈕控制的。通過前面板上的"輸出"插孔輸出的參考信號，接到二蹤示波器的一個通道與被調(diào)制后的接收信號比較，觀察調(diào)制器的輸出特性。

(2)調(diào)制器。調(diào)制器由三個可旋轉(zhuǎn)的偏振片、一個可旋轉(zhuǎn)的1/4波片和一塊鈮酸鋰晶體組成，采用橫向調(diào)制方式。晶體放在兩個正交的偏振片之間，起偏振片和晶體的x軸平行。檢偏振片和晶體之間可插入1/4波片，偏振片和波片均可繞其幾何軸旋轉(zhuǎn)。晶體放在四維調(diào)節(jié)架上，可精細(xì)調(diào)節(jié)，使光束嚴(yán)格沿晶體光軸方向通過。

(3)接收放大器。接收放大器由3DU光電三極管和功率放大器組成。光電三極管把被調(diào)制了的氦氖激光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，輸入到功率放大器上，放大后的信號接到二蹤示波器，同參考信號比較，觀察調(diào)制器的輸出特性。交流信號輸出的大小通過"交流輸出"旋鈕調(diào)節(jié)。放大器內(nèi)裝有揚(yáng)聲器，用來再現(xiàn)聲音調(diào)制信號，放大器面板上還有"直流輸出"插孔，接到萬用表的200mV直流電壓檔，用于測量光電三極管接收到的光強(qiáng)信號的大小。

電光花屬于煙花產(chǎn)品中的一種，此產(chǎn)品采用燃點較低的金屬粉末，經(jīng)過一定比例加工而成電光花燃燒時，火星四射，雖然會帶有點煙產(chǎn)生，但并不會影響整體效果，四射的火星，也不用擔(dān)心會燃燒衣服.頭發(fā)等，注意的是電光花燃燒點有一定的溫度，因此，不易與易燃物接觸，電光花拿在手上即可燃放，規(guī)格各異，室內(nèi)外燃放均可，安全性能好，適于各年齡層次人士使用，尤其小孩，情侶，聚會，酒吧，KTV等使用，燃放時使之興奮激情。實屬家庭聚會及其他各類晚會賞玩之佳品。