CN102621110A - 电光系数测量装置 - Google Patents

Abstract

一种电光系数测量装置由宽带光源、第一光纤、第一准直器、待测电光材料样品、第二准直器、第二光纤和光谱仪构成，待测样品的上下表面的镀金电极分别与电源的正负极相连，两端面构成F-P腔。本测量装置可以测量出立方晶体结构材料的全部电光系数张量元。本发明具有结构简单和测量精度高的特点。

Description

电光系数测量装置

技术领域

本发明涉及电光材料，特别是一种用于电光材料的电光系数的测量装置。

背景技术

激光是19世纪的重大发明，它的问世使光学技术进入了一个新时期。由于这项新技术为科学实验和工农业生产不断提供广泛而重要的应用途径，从而使光学技术更加繁荣。激光技术在军事、精密计量、机械加工、医疗卫生等领域，以及在研究物质的微观运动规律方面，具有尤为巨大的作用，因此，各国都在积极地发展激光技术。

随着激光器的出现和激光技术的发展，光学的应用范围日益扩大，有的已发展成高科技产业，有的则形成新型检测技术，例如：光纤通信、光大气通信、光盘存储、光全息技术、光弹技术、光散射技术、激光加工技术、光调制技术以及光传感技术等。为了进一步发展和应用这些技术，经常需要处理光的偏振问题，因而已开始形成光学技术中新的分支：光偏振技术。

电光效应是指对晶体施加电场时，晶体折射率发生变化的效应。有些晶体内部由于自发极化存在着固有电偶极矩，当对这种晶体施加电场时，外电场使晶体中的固有偶极矩的取向倾向于一致或某种优势取向，即外电场使晶体的光率体发生变化，从而改变晶体的折射率。在光通信系统中，电-光调制器就是利用电场使晶体的折射率改变这一原理制成的。

以光学陶瓷为例，光学陶瓷是透明电光陶瓷材料中的一种，它的晶体结构与钙钛矿相同，目前已经广泛应用于生产设备、医疗、军事、激光以及电子行业的新型无机材料，它们是很好的压电换能材料、铁电材料、电光材料、非线性光学材料及表面波基质材料等，还可以作为电光材料在光通信中起到光调制作用。光学陶瓷种类较多，如铌镁酸铅-钛酸铅(PMNT)透明陶瓷具有特有性质，而过去主要研究他的压电特性，而对它的电光特性研究在国内外只有少量报道。则进一步认识PMNT透明陶瓷的电光特性是非常有必要的。面对这有着诱人发展前景的新材料，人们研究了各种方法来测量其光学特性。

人们常用的测量电光系数的方法有几种。下面举例介绍两种。

一种是将待测样品上下表面都镀上银膜，使得上下银膜和待测样品构成金属包覆波导。然后用一束经准直的偏振光直接入射于上银膜，测量其入射角。加电压通过角度扫描测量反射率的方法得到一个超高阶导模的衰减全反射谱(ATR)。然后根据ATR谱和电压的关系求得待测样品的二次电光系数。

另一种方法是将样品放置于相互正交的两偏振片之间，使得样品的光轴与入射光的偏振方向成45°放置，然后在样品上施加电压，电场方向沿[001]方向，光沿[100]方向传播。这种方法要用到He-Ne激光器。施加电压后分别测得入射光强和出射光强，根据光强损耗和折射率改变以及电压的关系计算的处样品的有效电光系数。

这些方法有个制备过程复杂，有的对光路要求很高，难以调节。有些只能测出样品的有效电光系数。

发明内容

本发明的目的是为了测量出立方晶体电光材料的电光系数，提供一种电光材料的电光系数测量装置，该装置具有结构简单、易测量方便并且能够测量出立方晶体的全部电光系数。

本发明的技术解决方案如下：

一种电光系数的测量装置，特点在于其构成包括宽带光源、第一光纤、第一准直器、待测电光材料样品、第二准直器、第二光纤和光谱仪，其连接关系如下：

所述的宽带光源经第二光纤与所述的第一准直器相连，所述的光谱仪的输入端经第二光纤与所述的第二准直器相连，在所述的第一准直器和第二准直器之间设置待测的电光材料样品，该待测的电光材料样品上下表面的镀金电极分别与电源的正负极相连，该电光材料样品的两端面构成F-P腔。

在所述的第一准直器和所述的电光材料样品之间设有透射TM模光的偏振片。

在所述的第一准直器和所述的电光材料样品之间依次设有透射TM模光的偏振片和半波片，所述的半波片的光轴方向与所述的偏振片的偏振方向成45°角放置。

本发明的基本原理如下：

具有立方晶体结构的电光材料，其二次电光系数张量为：

$S_{i,j}=\left[\begin{array}{cccccc}{S}_{11}& S_{12}& S_{12}& 0& 0& 0\\ S_{12}& S_{11}& S_{12}& 0& 0& 0\\ S_{12}& S_{12}& S_{11}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& S_{44}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& S_{44}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& S_{44}\end{array}\right]$

式中：S₄₄＝(S₁₁-S₁₂)/2，

K是直流克尔系数。

利用Fabry-Perot干涉仪的原理，宽带光源发出的光在长方体样品的两端面形成Fabry-Perot腔。此时准直光垂直入射成微小角度到长方体样品，若偏离角度较大，则无法得到谐振波。则根据Fabry-Perot原理，谐振波长为：

${\mathrm{\λ}}_q=\frac{2\mathrm{nl}}{q}$

其中：n为谐振腔的折射率，l为谐振腔的长度，q＝1，2，3...，利用上面的公式可以相邻的两个谐振波长的间隔(即自由谱线宽度)为：

$\mathrm{\Δ\λ}=({\mathrm{\λ}}_{q+1}-{\mathrm{\λ}}_q)=\frac{{\mathrm{\λ}}_{q+1}\·{\mathrm{\λ}}_q}{2\mathrm{nl}}$

即可以得到： $n=\frac{{\mathrm{\λ}}_{q+1}\·{\mathrm{\λ}}_q}{2\mathrm{l\Δ\λ}}$

当施加到材料内电场强度为E的电压到材料的上下两表面后，若以宽带光源的普通光入射，由于二次电光效应

λ_q’-λ_q为电场作用下谐振波长的移动，因此根据谐振波长的移动，可以计算出有效电光系数 $S_{\mathrm{eff}}=\frac{2({\mathrm{\λ}}_{q^{,}}-{\mathrm{\λ}}_q)}{n^2{\mathrm{\λ}}_q\·{\left|E\right|}^2}.$

由非线性光学知，若入射到立方晶系电光材料的光为TM模式，即宽带光源的光经过偏振片，变为p光，则对应电光系数为

如果入射到立方晶系电光材料的光为TE模，即偏振态为s光，则对应的电光系数为

对于一次电光系数，立方晶系的电光材料的一次电光系数张量为：

${\mathrm{\λ}}_{i,j}=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ {\mathrm{\γ}}_{41}& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\γ}}_{41}& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\γ}}_{41}\end{array}\right]$

根据线性电光效应

知，线性电光系数为 ${\mathrm{\γ}}_{41}=\frac{2({\mathrm{\λ}}_{q^{,}}-{\mathrm{\λ}}_q)}{{\mathrm{\λ}}_q{n}^2\left|E\right|}.$

若入射到陶瓷上光为TM模式，则测得的对应电光系数为S₁₁，如果入射光为TE模，则测得的电光系数为S₁₂。

本发明的特点和优点是：

(1)本发明的测量装置具有结构简单和精度高的特点。

(2)本发明适用范围很广。有立方晶系结构的电光陶瓷如PMNT、PLZT等，有机聚合物，晶体等都可以用此方法测量

(3)可以测量出二次电光系数的所有张量元。

附图说明

图1本发明有效电光系数测量装置框图；

图2本发明的电光系数S₁₁测量装置框图；

图3本发明的电光系数S₁₂测量装置框图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1本发明有效电光系数测量装置的框图，由图可见，本发明有效电光系数的测量装置，构成包括宽带光源1、第一光纤2、第一准直器3、待测电光材料样品4、第二准直器5、第二光纤6和光谱仪7，其连接关系如下：

所述的宽带光源1经第二光纤2与所述的第一准直器3相连，所述的光谱仪7的输入端经第二光纤6与所述的第二准直器5相连，在所述的第一准直器3和第二准直器5之间设置待测电光材料样品4，该电光材料样品4上下表面的镀金电极分别与电源的正负极相连，该电光材料样品4的两端面构成F-P腔。

待测的电光晶体材料要求长方体切割，上下两面镀电极，左右端面抛光构成F-P腔，根据材料特性可镀膜，前后两端面不作处理。材料左右两端面距离，即F-P腔长为l。材料的折射率为n。左右端面面积应比准直光束的直径大。

所述的宽带光源的光通过准直器准直垂直或偏离微小角度入射到材料中，并准直接收。施加电压V，得到材料内部电场为E，从光谱仪读出加电压前后谐振波长的移动量λ_q′-λ_q，计算材料的有效二次电光系数

和线性电光系数 ${\mathrm{\γ}}_{41}=\frac{2({\mathrm{\λ}}_{q^{,}}-{\mathrm{\λ}}_q)}{{\mathrm{\λ}}_q{n}^2\left|E\right|}.$

参阅图2，图2本发明的电光系数S₁₁测量装置框图。本发明电光系数S₁₁测量装置，由宽带光源1、第一光纤2、第一准直器3、待测电光材料样品4、第二准直器5、第二光纤6、光谱仪7和偏振片(8)构成，其连接关系如下：

所述的宽带光源1经第二光纤2与所述的第一准直器3相连，所述的光谱仪7的输入端经第二光纤6与所述的第二准直器5相连，在所述的第一准直器3和第二准直器5之间设置待测电光材料样品4，该电光材料样品4上下表面的镀金电极分别与电源的正负极相连，该电光材料样品4的两端面构成F-P腔，在所述的第一准直器3和所述的电光材料样品4之间设置所述的透射TM模光的偏振片8。

在左端的准直器后加偏振片，宽带光源的光通过光纤和准直器输出后通过偏振片得到线偏振光，成为TM模式传播，然后垂直或偏离微小角度入射的材料中，偏振光为p光，通过加电压V后，材料内部电场为E，谐振波长的移动λ_q′-λ_q，然后利用公式进行计算求

电光系数S₁₂测量。图3是本发明电光系数S₁₂测量装置框图。本发明电光系数S₁₂测量装置由宽带光源1、第一光纤2、第一准直器3、待测电光材料样品4、第二准直器5、第二光纤6、光谱仪7、偏振片8和半波片(9)构成，其连接关系如下：

所述的宽带光源1经第二光纤2与所述的第一准直器3相连，所述的光谱仪7的输入端经第二光纤6与所述的第二准直器5相连，在所述的第一准直器3和第二准直器5之间设置待测电光材料样品4，该电光材料样品4上下表面的镀金电极分别与电源的正负极相连，该电光材料样品4的两端面构成F-P腔，在所述的第一准直器3和所述的电光材料样品之间依次设有透射TM模光的偏振片8和半波片9，所述的半波片9的光轴方向与所述的偏振片8的偏振方向成45°角放置。

宽带光源1输出的光经偏振片8之后有p光输出，在偏振片8后加半波片9，其光轴与偏振片8的偏振方向成45°夹角，p光通过半波片9其偏振方向旋转90°，即为s光输出。然后该s光垂直或偏离微小角度入射到材料左端面，从光谱仪7中读出加电场E前后谐振波移动量λ_q′-λ_q。因而利用下式可计算出电光系数S₁₂， $S_{12}=\frac{2({\mathrm{\λ}}_{q^{,}}-{\mathrm{\λ}}_q)}{n^2{\mathrm{\λ}}_q{\·\left|E\right|}^2}.$

Claims (3)

1.一种电光系数测量装置，特征在于其过程包括宽带光源(1)、第一光纤(2)、第一准直器(3)、待测电光材料样品(4)、第二准直器(5)、第二光纤(6)和光谱仪(7)，其连接关系如下：

所述的宽带光源(1)经第二光纤(2)与所述的第一准直器(3)相连，所述的光谱仪(7)的输入端经第二光纤(6)与所述的第二准直器(5)相连，在所述的第一准直器(3)和第二准直器(5)之间设置待测电光材料样品(4)，该电光材料样品(4)上下表面的镀金电极分别与电源的正负极相连，该电光材料样品(4)的两端面构成F-P腔。

2.根据权利要求1所述的电光系数的测量装置，其特征在于在所述的第一准直器(3)和所述的电光材料样品(4)之间设有透射TM模光的偏振片(8)。

3.根据权利要求1所述的电光系数的测量装置，其特征在于在所述的第一准直器(3)和所述的电光材料样品(4)之间依次设有透射TM模光的偏振片(8)和半波片(9)，所述的半波片(9)的光轴方向与所述的偏振片(8)的偏振方向成45°角放置。

Images