5 电光调变 - Mipaper.PDF

5. 電光調變 一、 目的： 瞭解非線性晶體的電光調變 (Electro-Optical Modulation) 原理。 利用非線性晶體 LiNbO3 做調幅控制。 二、原理： 光進入介質中會與其中的電子產生交互作用，其綜合的巨觀效應在物理學中以折 射率這個物理量來描述。在等向 (isotropic) 均勻 (homogeneous) 的介質中，折 射率是個純量，即不論光的電場振動方向為何，亦不論光朝何方向前進，其折射 率均相同。晶體是原子或分子整齊排列堆積出來的固體，其中的電子分佈大多具 有特定的對稱性，故晶體不具等向性。晶體中電場振動方向不同的光其折射率不 同，反應到巨觀現象就是雙折射現象。圖一、二所示為雙折射現象，單一光束行 經雙折射晶體後會分成兩束光，且兩束光的偏振態不同。 圖一、單一光束經雙折射晶體會出現兩束光 圖二、雙折射兩束光的偏振態不同 光軸 (Optic axis) 通常是晶體內電子分佈的對稱軸，在晶體內光的電場振動方向 垂直或平行光軸時其折射率是不同的。若電場振動方向同時在垂直與平行於光軸 方向都有分量，其折射率將介於兩者之間。晶體有單光軸的也有雙光軸的，可是 因雙光軸現象非常複雜，本實驗將只討論單光軸晶體。 1 圖四、正單光軸晶體 (o-ray 較快) 圖三、負單光軸晶體 (e-ray 較快) 圖五、e-ray 朝各方向前進的速率不同 圖六、o-ray 朝各方向前進的速率相同 圖七、正常光與異常光在進入晶體後會分開來 2 在晶體內電場振動方向垂直於光軸的光稱為正常光 ( o-ray) ；電場振動方向有平 行於光軸的分量的光稱為異常光 (e -ray) 。單光軸晶體可分為兩類：圖三所顯示 為負單光軸晶體，其 e -ray 較快；圖 四顯示為正單光軸晶體，其 o-ray 較快。 圖五顯示 e-ray (電場振動方向平行於紙面) 的傳播方式，因其朝各方向前進的速 率不同，故其傳播方向會偏離波前的法線方向。圖六顯示 o-ray (電場振動方向 垂直於紙面) 的傳播方式，因其朝各方向前進的速率相同，故其傳播方向與波前 的法線方向相同。其綜合結果如圖七所示，原本完全重疊的 e-ray 與 o-ray 在 晶體中就會分成兩束光。 當材料受到電場作用時，其光學折射率、吸收率等會起變化，電光效應就是利用 這種物理現象來實現對光波的控制 。折射率與外加電場的關係可以表示為： 2 n n a E b E 0 0 其中 n 是無電場 (E = 0) 時的折射率，a 、b 是一次 (線性)與二次電光效應的 0 常數。 為了敘述方便通常定義光軸方向為 z 軸方向，沿 z 軸方向傳播的光其電場振動 方向必定垂直於光軸，故其均為 o-ray 。若光沿x 或 y 軸傳播，則其電場振動 方向有平行 (e-ray) 與垂直 (o-ray) 於光軸 (z 軸) 的兩種分量，由於這兩種分量 光的速率不同使得光的偏振態產生變化。 圖八、晶體應用的縱向模式 圖九、晶體應用的橫向模式 拿電場來控制晶體的模式共有 2 類模式：(1) 縱向模式 (如圖八) ：電場加於z 方 向，光也沿 z 軸方向傳播；(2) 橫向模式 (如圖九) ：電場加於z 方向，