《工程光学》课件第13章.pptVIP

在电光效应中，使相位差δ达到π所需施加的电压称为半波电压，常用Uπ或Uλ/2表示。半波电压与电光系数是表示晶体电光性能的重要参数。显然，γ越大，Uλ/2就越小，这是所希望的。表13－8给出了某些电光晶体的半波电压和电光系数。

表13－8某些电光晶体的半波电压和电光系数(室温下，λ＝546.1nm)在横向电光效应中，光沿垂直于电场(z向)的x′方向传播(如图13－52所示)，此时沿着两主振动方向z和y′方向振动的线偏振光有不同的传播速度，利用式(13－80)可知，通过长度为l的晶体后产生的相位差为(13－81)式中:h为晶体在电场方向(z向)的厚度；U是外加电压。图13－52KDP晶体的横向电光效应上式第一项表示自然双折射的影响，第二项是外加电场引起的双折射。由式(13－81)第二项可看到，此时电场引起的相位差δ与外加电压U成正比，同时与晶体的长度和厚度有关，可以通过增加比值l/h(纵横比)使半波电压比纵向运用时大大降低，同时纵向运用时必须有低光损耗的透明电极。因此除了有大视场、大口径要求的情况，一般都利用横向电光效应。但横向运用中，总存在一项自然双折射的影响，此项对环境温度敏感。实验表明，长30mm的KDP晶体，温度变化1℃，相位差变化为Δδ=π，如要求Δδ20×10-3，则应使温度变化ΔT0.05℃。为此，通常采用光学长度严格相等、光轴方向互相垂直的两块晶体串联的形式，如图13－53(a)所示，z向加电场时，前一块中的o光和e光在后一块中变为e光和o光，光先后通过两块晶体时，自然双折射及温度变化产生的相位延迟被抵消，而电光延迟累积相加。图13－53横向、纵向运用的形式2.克尔效应（平方光电效应）

克尔效应的实验装置如图13－54所示，装有一对平行板电极的克尔盒放在正交偏振器P、A之间，盒内装有硝基苯(C6H5NO2)或二硫化碳(CS2)等电光液体。当两极板间加上强电场时，盒内的各向同性液体变成了各向异性介质，表现出如同单轴晶体的光学性。光轴的方向沿着外加电场的方向。实验发现，线偏振光沿着与电场垂直的方向通过液体时，被分解成沿着电场方向振动和垂直于电场方向振动的两束线偏振光，其折射率差Δn与外加电场强度E的平方成正比，即(13－82)图13－54克尔效应实验装置相应的电光延迟为(13－83)式中:K是物质的克尔常数；h是极板间距；l是光在电光介质中经过的长度；U=Eh是外加电压。克尔效应的特点是驰豫时间极短，约10-9s量级，是理想的高速电光开关。因为加上调制信号后能改变光的强度，故也作为电光调制器，用于高速摄影和激光通信等方面。但一般克尔效应的半波电压高达数万伏，使用不便，已逐渐被利用泡克耳斯效应的固体电光器件所替代。3.电光效应的应用

由上述讨论可知，外加电场的作用可以人为地改变媒质(包括晶体和各向同性媒质)的光学性质。利用这些电光材料做成的电光器件可以实现对光束的振幅、相位、频率、偏振态和传播方向的调制，使电光效应在现代光学技术中得到广泛的运用。

1)电光调制外加电场作用下的电光晶体犹如一块波片，它的相位延迟随外加电场的大小而变，随之引起偏振态的变化，从而使得检偏器出射光的振幅或强度受到调制。这就是电光调制器的工作原理。图13－55是电光光强调制器的一种典型装置。电光晶体(如KDP类晶体)置于正交偏振器P、A之间，考虑纵向运用的情况，则KDP晶体的感应主轴x′、y′与未加电场时KDP单轴晶体的两主振动方向x、y成45°，且与起偏器P的透光轴成45°角。利用式(13－80)、式(13－47)可知，通过检偏器的相对光强为(13－84)图13－55电光光强调制器把透射的相对光强随外加电压变化的关系用I/I0～U(或δ)曲线表示，称此曲线为晶体的透射比曲线(如图13－56(a)所示)。当加入的电压是交流调制电压信号时，它对输出光强的调制作用可以利用晶体管电路原理知识由U/I曲线来分析。当调制器工作在透射比曲线的非线性部分时，输出光信号失真(见图13－56(b)中的曲线1)；工作点选在透射比曲线线性区(δ=π/2附近)时，得到不失真的基频信号(如图13－56(b)中的曲线2)，其输出光强的调制频率就等于外加电压的频率。调制器中λ/4片的作用是引入固定的偏置相位差δ=π/2(光偏置法)，以代替晶体管线路中的直流偏压，使调制器工作点移至透射比曲线的线性区。λ/4片的快、慢轴应与电光晶体的感应主轴一致，且与P的透光轴成45°角。λ/4片置于电光晶体之前或之后均可。图13－56电光光强调制器的输出特性(a)透射比曲线；(b)调制特性这样，对于交流调制信号电压U=U0sinωt，