CN104931812A - 一种测量电光晶体电光系数的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种测量电光晶体电光系数的方法及装置，包括：使一束可见波段的激光依次通过起偏镜、毛玻璃、待测电光晶体、检偏镜，然后用白屏接收出射光点和由毛玻璃造成的散射光形成的干涉图样；其中起偏镜与检偏镜的偏振方向垂直，待测电光晶体上施加一个可调节的直流电压；首先通过理论分析选择合适的激光入射角(θ₀，φ₀)，(θ₀，φ₀)为入射激光传播方向与待测电光晶体各电感应主轴的夹角；测量时，先将待测电光晶体上施加的直流电压调节为OV，微调待测电光晶体与入射激光的夹角，使出射光点落在干涉图样中与入射角(θ₀，φ₀)对应的暗区上，然后逐渐增大直流电压，此过程中出射光点位置不变，而干涉图样将发生变化，当出射光点再次落在干涉图样的下一个紧邻暗区时，记下此时的直流电压数值U；再由理论计算可求得相应电光系数。

Description

一种测量电光晶体电光系数的方法及装置

技术领域

本发明属于光电测量技术领域，具体涉及一种测量电光晶体电光系数的方法和装置。

背景技术

电光晶体由于其线性电光效应，在激光技术领域获得广泛的应用，主要应用在电光调制、电光Q开关等方面，电光晶体电光系数的准确测量对这些器件的设计和使用有着重要的指导意义。

现在，测量电光晶体电光系数的方法和装置主要有以下几种：

1.极值测量法。使输出稳定的激光入射到置于正交偏振镜间的晶体上，激光传播方向和晶体某一主轴平行，在晶体上施加可调的直流电压，然后用功率计或硅光电池和检流计测量输出光强随电压值的变化情况，在直流电压从小到大的过程中，输出光强将会出现极小值和极大值，相邻极小值和极大值对应的直流电压之差即是半波电压，再由理论计算可得出相应电光系数。

2.倍频调制法。装置和极值测量法相似，在晶体上同时加直流电压和交流信号，逐渐增大直流电压，当直流电压调节到使输出光强出现极小值或极大值的电压值时，输出的交流信号将出现倍频失真，用示波器观察调制波形和信号波形，出现相邻倍频失真所对应的直流电压之差就是半波电压，再由理论计算可得出相应电光系数。

3.光通信模拟法。原理和倍频调制法相似，只是将交流信号换成声音信号，直流电压逐渐增大的过程中，声音会出现两次音量最小且失真的现象，两次电压所对应的差值就是半波电压，再由理论计算可得出相应电光系数。

4.其他方法。包括比较法，干涉补偿法等，有过报道，但未被普遍使用。

以上方法存在的不足是：

1.极值测量法需要以很小的电压间隔进行测量来描绘电压-光强曲线，受激光源光强稳定性、环境以及测量条件的影响，误差较大，很难准确确定极值的位置。

2.倍频测量法较精确，但对调节的要求较高，很难调到最佳状态，且需要的仪器设备较多。

3.光通信模拟法只能用来大致测量半波电压，因人体感官的差异，测量误差较大。

4.比较法和干涉补偿法等所用元件、仪器设备较多，调节复杂，难于实用。

发明内容

本发明目的是获得一种测量电光晶体电光系数时对光源光强和环境稳定性要求较低、比较简易、调节方便且相对准确的方法和装置。

本发明的技术方案实施经过如下步骤：

1.理论分析：根据待测的电光系数，确定在待测电光晶体上加直流电压的方向，然后结合电光效应和折射率椭球理论，分别推算出加电压和不加电压两种情况下，以任意角(θ，φ)入射的激光通过晶体时由于双折射产生的相位差公式，其中(θ，φ)为激光传播方向与待测电光晶体各电感应主轴的夹角；结合两者，同时考虑激光通过置于正交偏振镜间的晶体后的输出光强公式：选择合适的激光入射角(θ₀，φ₀)，即保证加电压前后出射光点都能落在干涉图样中非消光线的暗区上，又能使计算较为简便；

2.搭建光路：将可见波段的激光器、起偏镜、毛玻璃、待测电光晶体，检偏镜依次同轴放置，调节使起偏镜和检偏镜的偏振方向垂直，然后用白屏接收出射光点和散射光形成的干涉图样，调节各元件间的相对距离，使白屏上的干涉图样完整、清晰；待测电光晶体上施加一个可调节的直流电压；

3.微调晶体：将待测电光晶体上旋加的直流电压调节为0V，首先从理论分析以(θ₀，φ₀)入射的激光，出射光点在未加电压时的干涉图样中应处的暗区位置，然后微调晶体，此过程中出射光点不动，干涉图样移动，使出射光点落在此位置上；

4.测量电压：在晶体上加上直流电压，逐渐增大直流电压，出射光点位置不变，而干涉图样将发生变化，当出射光点落在干涉图样的下一个紧邻暗区时，记下此时的直流电压数值U；

5.计算电光系数：将U和(θ₀，φ₀)代入加电压前后的相位差公式，令两相位差的差值为2π，计算可得相应电光系数。

本发明提供的测量电光晶体电光系数的方法与装置，与其它报道的方法和装置相比，其区别和优点是：

(1)本发明所用的仪器设备简单，调节容易，成本较低。

(2)本发明对可见激光光源的光强稳定性、环境稳定性的要求降低。

(3)本发明的测量过程形象、直观，在逐渐增大直流电压的过程中，能够直接观察到出射光点相对干涉图样位置的连续变化，进而可判断出在逐渐增大直流电压过程中，激光束通过晶体时由于双折射产生的相位差的连续变化，更容易判断出最佳电压值。

附图说明

附图为测量电光晶体电光系数的装置示意图。

其中，1：可见波段激光器，2：起偏镜，3：毛玻璃，4：待测电光晶体，5：检偏镜，6：白屏，7：可调直流电源。

具体实施方式

实施例1：

1.理论分析：待测的电光晶体是尺寸为X×Y×Z＝9mm×9mm×18.5mm(X、Y、Z表示晶体学方向，下同)、掺镁6.5mol％的铌酸锂晶体，由待测的电光系数γ₂₂确定加电压的方向为晶体的x轴方向，根据电光效应和折射率椭球理论，可求得电感应主轴x′、y′相对原轴x、y旋转45°，z′和z轴相同。

在加直流电压的情况下，以任意角(θ，φ)(θ为激光传播方向与z′轴的夹角，φ为激光传播方向在x′oy′平面的投影与x′轴的夹角)入射的激光通过晶体时由于双折射产生的相位差为：

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{\mathrm{\π}{n_0}^{3}l}{\mathrm{\λ}}{[{(\mathrm{\Δ}{\sin }^2\mathrm{\θ}-2{\mathrm{\γ}}_{22}E)}^2+8{\mathrm{\γ}}_{22}\mathrm{E\Δ}{\sin }^2\mathrm{\φ}{\sin }^2\mathrm{\θ}]}^{1/2}---\left(1\right)$

其中， $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{{n_e}^2}-\frac{1}{{n_o}^2};$

未加电压时的相位差为：

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{\mathrm{\πl\Δ}{n_o}^3{\sin }^2\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

由(1)式，可得，当φ＝0或时，可使计算简化：

由(2)式，可得，当θ＝1.139°时，由于双折射而产生的相位差为2π，出射光点将落在干涉图样的第一个暗环上。

并且，当φ＝0时，在加电压前后，公式中的α值均为45°，因此出射光点不会落在干涉图样的消光线上。

综上，选择激光入射角为(1.139°，0)。

2.搭建光路：将波长为632.8nm的氦氖激光器、起偏镜、毛玻璃、掺镁6.5mol％的铌酸锂晶体(X×Y×Z＝9mm×9mm×18.5mm)、检偏镜依次同轴放置，调节使起偏镜和检偏镜的偏振方向垂直，分别在水平和竖直方向上，用白屏接收出射光点和散射光形成的干涉图样；调节晶体，使晶体的x轴和水平方向平行；调节各元件间的相对距离，使白屏上的干涉图样完整、清晰。

3.微调晶体：由理论分析可知，入射激光的传播方向在xoy面的投影应和x轴夹角为45度，由于x轴和起偏镜的偏振方向都在水平方向上，所以出射光点应落在干涉图样中黑十字线的对角线与第一暗环相交的暗区处；微调晶体，此过程中出射光点不动，干涉图样移动，使光点落在此位置上。

4.测量电压：在晶体上加上直流电压，逐渐增大直流电压，出射光点位置不变，而干涉图样将发生变化，当出射光点落在干涉图样的下一个紧邻暗区时，记下此时的直流电压数值U。

5.计算电光系数：由(2)和(3)式，可得出在加电压前后，以任意角(θ，φ)入射的激光通过晶体时由于双折射产生的相位差的差值为：

$\mathrm{\Δ\δ}={\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2=\frac{2\mathrm{\π}{n_0}^3{\mathrm{\γ}}_{22}\mathrm{Ul}}{\mathrm{\λd}}---\left(4\right)$

令Δδ＝2π，带入U和其他已知数据，可算得电光系数γ₂₂。

测得的直流电压数值U为3720V，由计算得掺镁6.5mol％的铌酸锂晶体(X×Y×Z＝9mm×9mm×18.5mm)的电光系数γ₂₂为6.96pm/V，与文献普遍报道的6.8pm/V很接近。

实施例2：

1.理论分析：待测的电光晶体是尺寸为X×Y×Z＝9mm×9mm×18.8mm、名义纯铌酸锂晶体，由待测的电光系数γ₂₂确定加电压的方向为晶体的x轴方向，根据电光效应和折射率椭球理论，可求得电感应主轴x′、y′相对原轴x、y旋转45°，z′和z轴相同。

在加直流电压的情况下，以任意角(θ，φ)(θ为激光传播方向与z′轴的夹角，φ为激光传播方向在x′oy′平面的投影与x′轴的夹角)入射的激光通过晶体时由于双折射产生的相位差为：

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{\mathrm{\π}{n_0}^{3}l}{\mathrm{\λ}}{[{(\mathrm{\Δ}{\sin }^2\mathrm{\θ}-2{\mathrm{\γ}}_{22}E)}^2+8{\mathrm{\γ}}_{22}\mathrm{E\Δ}{\sin }^2\mathrm{\φ}{\sin }^2\mathrm{\θ}]}^{1/2}---\left(1\right)$

其中， $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{{n_e}^2}-\frac{1}{{n_o}^2};$

未加电压时的相位差为：

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{\mathrm{\πl\Δ}{n_o}^3{\sin }^2\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

由(1)式，可得，当φ＝0或时，可使计算简化：

由(2)式，可得当θ＝1.131°时，由于双折射产生的相位差为2π，出射光点将落在干涉图样的第一个暗环上。

并且，当φ＝0时，在加电压前后，公式中的α值均为45°，因此出射光点不会落在干涉图样的消光线上。

综上，选择激光入射角为(1.131°，0)。

2.搭建光路：将波长为632.8nm的氦氖激光器、起偏镜、毛玻璃、名义纯铌酸锂晶体(X×Y×Z＝9mm×9mm×18.8mm)、检偏镜依次同轴放置，调节使起偏镜和检偏镜的偏振方向垂直，分别在水平和竖直方向上，用白屏接收出射光点和散射光形成的干涉图样；调节晶体，使晶体的x轴和水平方向平行；调节各元件间的相对距离，使白屏上的干涉图样完整、清晰。

3.微调晶体：由理论分析可知，入射激光的传播方向在xoy面的投影应和x轴夹角为45度，由于x轴和起偏镜的偏振方向都在水平方向上，所以出射光点应落在干涉图样中黑十字线的对角线与第一暗环相交的暗区处；微调晶体，此过程中出射光点不动，干涉图样移动，使光点落在此位置上。

4.测量电压：在晶体上加上直流电压，逐渐增大直流电压，出射光点位置不变，而干涉图样将发生变化，当出射光点落在干涉图样的下一个紧邻暗区时，记下此时的直流电压数值U。

5.计算电光系数：由(2)和(3)式，可得出在加电压前后，以任意角(θ，φ)入射的激光通过晶体时由于双折射产生的相位差的差值为：

$\mathrm{\Δ\δ}={\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2=\frac{2\mathrm{\π}{n_0}^3{\mathrm{\γ}}_{22}\mathrm{Ul}}{\mathrm{\λd}}---\left(4\right)$

令Δδ＝2π，带入U和其他已知数据，可算得电光系数γ₂₂。

测得的直流电压数值U为3760V，由计算得名义纯铌酸锂晶体(X×Y×Z＝9mm×99mm×18.8mm)的电光系数γ₂₂为6.74pm/V，与文献普遍报道的6.8pm/V很接近。

实施例3：

1.理论分析：待测的电光晶体是尺寸为X×Y×Z＝9mm×9mm×9.8mm、名义纯铌酸锂晶体，由待测的电光系数γ₂₂确定加电压的方向为晶体的x轴方向，根据电光效应和折射率椭球理论，可求得电感应主轴x′、y′相对原轴x、y旋转45，z′和z轴相同。

在加直流电压的情况下，以任意角(θ，φ)(θ为激光传播方向与z′轴的夹角，φ为激光传播方向在x′oy′平面的投影与x′轴的夹角)入射的激光通过晶体时由于双折射产生的相位差为：

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{\mathrm{\π}{n_0}^{3}l}{\mathrm{\λ}}{[{(\mathrm{\Δ}{\sin }^2\mathrm{\θ}-2{\mathrm{\γ}}_{22}E)}^2+8{\mathrm{\γ}}_{22}\mathrm{E\Δ}{\sin }^2\mathrm{\φ}{\sin }^2\mathrm{\θ}]}^{1/2}---\left(1\right)$

其中， $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{{n_e}^2}-\frac{1}{{n_o}^2};$

未加电压时的相位差为：

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{\mathrm{\πl\Δ}{n_o}^3{\sin }^2\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

由(1)式，可得，当φ＝0或时，可使计算简化：

由(2)式，可得当θ＝1.554°时，由于双折射产生的相位差为2π，出射光点将落在干涉图样的第一个暗环上。

并且，当φ＝0时，在加电压前后，公式中的α值均为45°，因此出射光点不会落在干涉图样的消光线上。

综上，选择激光入射角为(1.554°，0)。

2.搭建光路：将波长为632.8nm的氦氖激光器、起偏镜、毛玻璃、名义纯铌酸锂晶体(X×Y×Z＝9mm×9mm×9.8mm)、检偏镜依次同轴放置，调节使起偏镜和检偏镜的偏振方向垂直，分别在水平和竖直方向上，用白屏接收出射光点和散射光形成的干涉图样；调节晶体，使晶体的x轴和水平方向平行；调节各元件间的相对距离，使白屏上的干涉图样完整、清晰。

3.微调晶体：由理论分析可知，入射激光的传播方向在xoy面的投影应和x轴夹角为45度，由于x轴和起偏镜的偏振方向都在水平方向上，所以出射光点应落在干涉图样中黑十字线的对角线与第一暗环相交的暗区处；微调晶体，此过程中出射光点不动，干涉图样移动，使光点落在此位置上。

4.测量电压：在晶体上加上直流电压，逐渐增大直流电压，出射光点位置不变，而干涉图样将发生变化；由(3)式知，相位差的变化与所加直流电压值的关系是线性的，受直流电压电源的限制，使出射光点落在原暗区和下一个紧邻暗区的中间，此时相位差的差值为π，记下此时的直流电压数值U。

5.计算电光系数：由(2)和(3)式，可得出在加电压前后，以任意角(θ，φ)入射的激光通过晶体时由于双折射产生的相位差的差值为：

$\mathrm{\Δ\δ}={\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2=\frac{2\mathrm{\π}{n_0}^3{\mathrm{\γ}}_{22}\mathrm{Ul}}{\mathrm{\λd}}---\left(4\right)$

令Δδ＝π，带入U和其他已知数据，可算得电光系数γ₂₂。

测得的直流电压数值U为3490V，由计算得名义纯铌酸锂晶体(X×Y×Z＝9mm×9mm×9.8mm)的电光系数为6.95pm/V，与文献普遍报道的6.8pm/V很接近。

实施例4：

1.理论分析：待测的电光晶体是尺寸为X×Y×Z＝9mm×9mm×9.8mm、名义纯铌酸锂晶体，由待测的电光系数γ₂₂确定加电压的方向为晶体的x轴方向，根据电光效应和折射率椭球理论，可求得电感应主轴x′、y′相对原轴x、y旋转45°，z′和z轴相同。

在加直流电压的情况下，以任意角(θ，φ)(θ为激光传播方向与z′轴的夹角，φ为激光传播方向在x′oy′平面的投影与x′轴的夹角)入射的激光通过晶体时由于双折射产生的相位差为：

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{\mathrm{\π}{n_0}^{3}l}{\mathrm{\λ}}{[{(\mathrm{\Δ}{\sin }^2\mathrm{\θ}-2{\mathrm{\γ}}_{22}E)}^2+8{\mathrm{\γ}}_{22}\mathrm{E\Δ}{\sin }^2\mathrm{\φ}{\sin }^2\mathrm{\θ}]}^{1/2}---\left(1\right)$

其中， $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{{n_e}^2}-\frac{1}{{n_o}^2};$

未加电压时的相位差为：

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{\mathrm{\πl\Δ}{n_o}^3{\sin }^2\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

由(1)式，可得，当φ＝0或时，可使计算简化：

由(2)式，可得当θ＝1.500°时，由于双折射产生的相位差为2π，出射光点将落在干涉图样的第一个暗环上。

并且，当φ＝0时，在加电压前后，公式中的α值均为45°，因此出射光点不会落在干涉图样的消光线上。

综上，选择激光入射角为(1.500°，0)。

2.搭建光路：将波长为532nm的绿光激光器、起偏镜、毛玻璃、名义纯铌酸锂晶体(X×Y×Z＝9mm×9mm×9.8mm)、检偏镜依次同轴放置，调节使起偏镜和检偏镜的偏振方向垂直，分别在水平和竖直方向上，用白屏接收出射光点和散射光形成的干涉图样；调节晶体，使晶体的x轴和水平方向平行；调节各元件间的相对距离，使白屏上的干涉图样完整、清晰。

3.微调晶体：由理论分析可知，入射激光的传播方向在xoy面的投影应和x轴夹角为45度，由于x轴和起偏镜的偏振方向都在水平方向上，所以出射光点应落在干涉图样中黑十字线的对角线与第一暗环相交的暗区处；微调晶体，此时出射光点不动，干涉图样移动，使光点落在此位置上。

4.测量电压：在晶体上加上直流电压，逐渐增大直流电压，出射光点位置不变，而干涉图样将发生变化，由(3)式知，相位差的变化与所加直流电压值的关系是线性的，受直流电压电源的限制，使出射光点落在原暗区和下一个暗区的中间，此时相位差的差值为π，记下此时的直流电压数值U。

5.计算电光系数：由(2)和(3)式，可得出在加电压前后，以任意角(θ，φ)入射的激光通过晶体时由于双折射产生的相位差的差值为：

$\mathrm{\Δ\δ}={\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2=\frac{2\mathrm{\π}{n_0}^3{\mathrm{\γ}}_{22}\mathrm{Ul}}{\mathrm{\λd}}---\left(4\right)$

令Δδ＝π，带入U和其他已知数据，可算得电光系数γ₂₂。

测得的直流电压数值U为2820V，由计算得名义纯铌酸锂晶体(X×Y×Z＝9mm×9mm×9.8mm)的电光系数为6.91pm/V，与文献普遍报道的6.8pm/V很接近。

Claims (3)

1.一种测量电光晶体电光系数的方法，其特征在于该方法经过如下步骤：

第一、根据待测的电光系数，确定在待测电光晶体上加直流电压的方向，然后结合电光效应和折射率椭球理论，分别推算出加电压和不加电压两种情况下，以任意角(θ，φ)入射的激光通过晶体时由于双折射产生的相位差公式，其中(θ，φ)为激光传播方向与待测电光晶体各电感应主轴的夹角；结合两者，同时考虑激光通过置于正交偏振镜间的晶体后的输出光强公式：选择合适的激光入射角(θ₀，φ₀)，既保证加电压前后出射光点都能落在干涉图样中非消光线的暗区上，又能使计算较为简便；

第二、将可见波段的激光器、起偏镜、毛玻璃、待测电光晶体和检偏镜依次同轴放置，然后用白屏接收出射光点和由毛玻璃造成的散射光形成的干涉图样；其中起偏镜与检偏镜的偏振方向垂直，待测电光晶体上施加一个可调节的直流电压；

第三、将待测电光晶体上施加的直流电压调节为0V，微调晶体，使激光以入射角(θ₀，φ₀)入射到待测电光晶体上，出射光点落在干涉图样中与入射角(θ₀，φ₀)对应的暗区上；

第四、逐渐增大直流电压，此过程中出射光点不动，干涉图样将发生变化，当出射光点落在干涉图样的下一个紧邻暗区时，记下此时的直流电压数值U；

第五、将U、(θ₀，φ₀)代入加电压前后的相位差公式，并令两相位差差值为2π，计算可得相应电光系数。

2.一种测量电光晶体电光系数的装置，包括可见波段激光器、起偏镜、毛玻璃、待测电光晶体、检偏镜、白屏、可调节直流电源，其特征在于：毛玻璃散射程度适中，既能使一部分激光无散射通过，又能使一部分激光形成散射光；可见波段激光器发出的光依次通过起偏镜、毛玻璃、待测电光晶体、检偏镜，然后用白屏接收出射光点和散射光形成的干涉图样；起偏镜与检偏镜的偏振方向垂直，待测电光晶体上施加可调节的直流电压。

3.根据权利2要求所述的装置，其特征在于：任何能使入射激光部分透过，部分形成散射光的元件都可代替毛玻璃用于此装置。