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1 電光材料 -定義

  電光材料eleetro一optie materials具有電光效應 的光學功能材料。在外加電場作用下,材料的折射率發 生變化的現象稱電光效應。

2 電光材料 -簡介

  利用電光材料的電光效應可 實現對光波的調製。按其效應與調製電場的冪次關係, 分為線性電光材料(Pockels電光材料)、平方電光材料 (Kerr電光材料)和更高次電光材料。 電光效應的應用外加電場通過電光效應改變材料 的折射率,引起折射率橢球的主軸取向和長度的改變, 這對應於傳輸光束的特徵模和特徵值的改變,即產生透 過光束的偏振態和相位的變化,由此可產生一系列光功 能效應。

3 電光材料 -應用

  主要應用於以下5方面。 ①電控光開關:將電光晶體置於互成正交的一對偏 振器之間,並使晶體的電感生特徵模方向與偏振器方位 成45度角,則一定幅度(相當於半波電壓磯)的外加電 壓就能使晶體中兩個偏振模程差改變半個波長,從而實 現對透過光的開關控制。這種電光效應的響應可達 10一』。秒,可製作超快速電光快門。 ②光強度的電調製:在類似上述電光開關的裝置 中,透過光強與外加電壓的關係可用貝塞爾函數展開, 這是一種平方律光強度調製器。如果在外加調製電壓同 時加上半波電壓一半的直流偏壓,或用一個四分之一波 片插入光路以提供預置四分之一程差,那麼在調製電壓 低於0.383磯(風為約化半波電壓)時,可獲得近似線 性的光強調製,由此可製成光強度的線性調製器。 ③光偏轉器:利用電光晶體可製成兩類電控光束偏 轉器。上述光開關可使晶體中兩束光波產生零和二兩 種相位差,亦即使透過光相對於入射光產生零度或90 度的偏振方向改變,這樣可用另一塊雙折射晶體實現兩 種「地址」的離散角偏轉。這類偏轉器稱為離散角偏轉或 數字式偏轉。利用」塊這種組件,可實現電控2n個地 址。另一類光束偏轉器利用電光晶體折射率隨電壓而改 變的特性,即將電光晶體製成稜鏡形,則外加電壓就會 連續改變光束的偏轉角,多塊稜鏡的串接可以增加其偏 轉角。這類偏轉器稱為光束連續偏轉器。 ④光頻率調製:外加田頻率的電場在光強調製器中 必然產生與叻頻率光波的混頻,從而產生田。+棄么u的光 波。一般調製電場頻率與光波線寬相比小得多,因而無 實用價值;但對微波電場,則可造成明顯的頻率調製。 這種調製可用外差法或鎖相技術靈敏檢出。 ⑤波導效應:將電光材料製成波導,就可以低的調 制或開關電壓來實現波導模的調製、開關和偏轉。由此 可製成小型、緊湊的各種光電子器件。 性能要求在技術應用中,首先考慮電光材料的光 學和電學性能;此外,還要考慮其效應,以及受外界溫 度、應力等干擾時的穩定性。

4 電光材料 -性能要求

  通常對電光材料的性能要 求有以下5個方面。 ①品質因子:早期曾用約化半波電壓磯作品質因 子,它表徵的是電光材料的有效電光效應的大小。對高 重複率的開關及寬頻的調製器,技術應用中還要考慮器 件的驅動功率,由此定義一個品質因子F。F與單位寬 帶的驅動功率成反比。無論是磯或F都反映出大的有 效電光係數和高的折射率是選擇電光材料的首要考慮 因素。 ②高的光學均勻性:各種電光器件都基於晶體中特 征模間的偏光干涉,因而要求材料的光學均勻性小於 10~scm一,。材料製備中引入的包裹物、條紋、疇界等, 降低材料的光學均勻性,造成開關關不死、光強的調製 度以及偏轉的解析度下降。材料的消光比(在兩個偏振 面垂直時的光透過)是衡量器件光學均勻性的一個直接 指標。好的開關器件要求消光比達80 dB以上。 ③透明波段:電光材料要求對所用光波透明。寬的 透明波段能展伸材料所應用的波長。為避免雙光子吸 收,要求材料具有低的短波吸收限。吸收常與過渡金屬 元素雜質以及晶體中的散射顆粒有關。過渡金屬雜質在 電光晶體中產生有害的光折變效應,降低電光性能。銳 酸鏗(LN)晶體中鐵雜質是最典型的例子,摻鎂可以降 低光折變效應。雜質和散射顆粒的光吸收是造成器件溫 升的主要原因。 ④溫度穩定性:由於電光效應產生的折射率改變一 般很小,因而折射率的溫度變化,特別是雙折射率的溫 度變化會造成器件性能的極大變化。 ⑤易於獲得高光學質量大尺寸單晶:電光器件尺寸 往往達厘米量級,因而獲得高光學質量的大尺寸單晶是 對材料的重要要求。

5 電光材料 -應用

  目前實用的電光材料主要是一些高電光品質因子的 晶體材料和晶體薄膜。在可見波段,實用的電光材料有 氛化磷酸二氫鉀(DKDP)、磷酸二氫胺(ADP)、LN 和鈕酸銼(LT)晶體。DKDP和ADP晶體有高的光學 質量和高的光損傷閉值,但是其半波電壓較高,而且要 採用防潮解措施。LN和LT晶體有低的半波電壓,物 化性能穩定,但是光損傷閉值較低,常用於低、中功率 激光器。在紅外波段,實用的電光材料有砷化稼 (GaAs)和啼化錫(CdTe)等半導體晶體。

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