电光晶体*概述

　　电光晶体就是具有电光效应的晶体材料。在外电场作用下，晶体的折射率发生变化的现象称为电光效应。外电场作用于晶体材料所产生的电光效应分为两种，一种是泡克耳斯效应，产生这种效应的晶体通常是不具有对称中心的各向异性晶体;另一种是克尔效应，产生这种效应的晶体通常是具有任意对称性质的晶体或各向同性介质。已实用的电光晶体主要是一些高电光品质因子的晶体和晶体薄膜。

　　在可见波段，常用电光晶体有磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、铌酸锂、钽酸锂等晶体。前两种晶体有高的光学质量和光损伤阈值，但其半波电压较高，而且要采用防潮解措施。后两种晶体有低的半波电压，物理化学性能稳定，但其光损伤阈值较低。在红外波段，实用的电光晶体主要是砷化镓和碲化镉等半导体晶体。电光晶体主要用于制作光调制器、扫描器、光开关等器件。在大屏幕激光显示汉字信息处理以及光通信方面也有应用前景。

　　电光晶体*种类

　　在可见波段，常用电光晶体有磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、铌酸锂、钽酸锂等晶体。前两种晶体有高的光学质量和光损伤阈值，但其半波电压较高，而且要采用防潮解措施。后两种晶体有低的半波电压，物理化学性能稳定，但其光损伤阈值较低。在红外波段，实用的电光晶体主要是砷化镓和碲化镉等半导体晶体。电光晶体主要用于制作光调制器、扫描器、光开关等器件。在大屏幕激光显示汉字信息处理以及光通信方面也有应用前景。

　　电光晶体*分类及介绍

　　电光效应的应用常常通过具有电光效应的晶体材料来实现。具有电光效应的晶体称为电光晶体。目前, *常用的是线性电光晶体, 从结晶化学角度来看, 可分为以下几类：

　　( 1) KDP型晶体: 包括KDP, DKDP, ADP, KDA等。这类晶体的线性电光效应比较显著, 而且容易从水溶液中生长出尺寸巨大的高光学质量晶体, 因此, 这类晶体是已知电光晶体中应用*为广泛的材料, 在需特大型晶体的场合, 如激光受控热核聚变, 是**的选择。其缺点是这类水溶性晶体易潮解, 需特殊保护。

　　( 2) ABO3 型晶体: 该类晶体中有许多是具有氧八面体结构的铁电材料, 具有较大的折射率和介电常数。钙钛矿晶体是典型的ABO3 型晶体, 这些晶体(如BaTiO3, SrTiO3, KTaO3, KNbO3 等)有显著的二次电光效应, 在铁电相, 则有显著的线性电光效应。钙钛矿型晶体的缺点是组成复杂, 居里温度低, 不易生长出大尺寸和均匀的晶体, 抗光伤性质也较差。

　　( 3) AB型化合物晶体: 大都是半导体, 一般有较大折射率, 即使其电光系数较小, 但n3/Y ij的数值仍较大。这类晶体透过波段也较宽, 在红外波段应用中起着重要作用。这类晶体中包括ZnS, CuC,l CdS, GaAs,GaP等晶体。

　　( 4)其他杂类晶体: 这类晶体范围较广, 其成分、性质、对称性及生长方法等都有很大差别。例如六次甲基四胺(HMTA, C6H12N4), Td43m对称性, 可在酒精溶液中生长; 焦铌酸钙Ca2Nb2O7, 对称型C22, 高温下生长; 草酸铵[ (NH4)2C2O4 H2O]有较大电光系数;钼酸钆Gd2(MoO4)3用作电光快门有良好性能;La2Ti2O7不但和LiTaO3具有相同数量级的电光效应, 且稳定性好, 抗光性强。但是由于它们也各有缺点, 都没有被广泛应用。

　　电光晶体*性能要求

　　电光晶体在现代光学和激光技术中的应用对于电光晶体材料的性能提出了很高的要求, 这些要求包括:

　　①晶体的电光系数大, 因此用于电光开关时其半波电压低; ②折射率大, 光学均匀性好;③透明波段范围宽,抗光损伤能力强;④物理化学性质稳定, 易加工;⑤容易获得高光学质量的大尺寸单晶。

　　除此以外, 在制作器件时可能还有由于对称性引起的温度补偿或双折射补偿等问题。当然, 全部满足上述要求的晶体几乎不存在, 人们在具体应用中, 可根据实际情况挑选综合性能*佳的晶体。

　　电光晶体*电光效应

　　各种外场, 如电场、磁场、应力场和温度场等, 都会对晶体的光学性质产生影响, 从而发生一些可为人们利用的交互效应, 如电光效应、磁光效应、压电效应、弹光(或称压光)效应、热光效应或光折变效应等。非线性介质电光效应产生的原因是光在介质中传播时,光频电场和外加电场共同引起介质的非线性极化。与非线性光学效应一样, 电光效应也是一种以二阶张量描述的非线性效应。因此, 电光效应也可看成是非线性效应的一种特殊情况

　　外电场作用于晶体材料所产生的电光效应分为两种，一种是泡克耳斯效应，产生这种效应的晶体通常是不具有对称中心的各向异性晶体;另一种是克尔效应，产生这种效应的晶体通常是具有任意对称性质的晶体或各向同性介质。尽管在电场作用下, 电光效应晶体的折射率一般变化不大,但已经足以引起光在晶体中传播的特性发生改变, 从而可以通过外场的变化达到光电信号互相转换或光电相互控制、相互调制的目的。人们对此有极大兴趣的原因是可利用这种效应制作激光器件, 如高速电光开关、电光偏转器等, 在光调制领域中广泛应用。近年来, 由于THz时域光谱技术的迅速发展, 越来越多的人开始关注应用该效应来产生THz电磁波及探测它的幅值和相位。目前,利用立方晶系晶体线性电光效应对太赫兹电磁场的探测在光谱分析、成像、层析X射线照相以及显微术等技术领域的应用研究正引起人们重视。

　　电光晶体*改变光波的偏振方向

　　1 电光调制原理

　　电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的电 光效应而进行工作的。 根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不同， 可分为纵向调制和横向调制。电场方向与光的传播方向平行， 称为纵向电光调制;电场方向与光的传播方向垂直， 称为横向电光调制。横向电光调制的优点是半波电压低、 驱动功率小，应用较为广泛。 本电光调制系统是以铌酸锂晶体的横向调制为例。 图1是一种横向电光调制的示意图。

　　沿z方向加电场，通光方向沿感应主轴y′方向， 经起偏器后光的振动方向与z轴的夹角为45°。光进入晶体后， 将分解为沿x′和z方向振动的两个分量，两者之间的折射率之差为 。假定通光方向上晶体长度为l，厚度为d(即两极间的距离)， 则外加电压为V=Ezd时，只要晶体和通光波长λ确定之后，相位差△ φ的大小取决于外加电压V，改变外加电压V就能使相位差△ φ随电压V成比例变化。 通常使用的电光晶体的主要特性之一是采用半波电压米表征( 当两光波间的相位差△ φ为π弧度时所需要的外加电压称为半波电压)。

　　2 电光调制系统总体设计

　　基于电光调制原理设计出此电光调制系统， 用以研究电场和光场相互作用的物理过程， 也适用于光通信与物理的实验研究。电光调制系统结构见图2。

　　2.1 工作原理

　　激光器电源供给激光器正常工作的电压，确保激光器稳定工作。 由激光器产生的激光经起偏器后成线偏振光。 线偏振光通过电光晶体的同时，给电光晶体外加一个电压， 此电压就是需要调制的信号。当给电光晶体加上电压后， 晶体的折射率及其光学性能发生变化，改变了光波的偏振状态， 线偏振光变成了椭圆偏振光。为了选择合适的调制工作点， 在电光晶体之后插入一个λ/4波片， 使通过电光晶体的两束光线的相位延迟π/2， 使调制器工作在线性部分，通过检偏器检测输出光的偏振方向， *后用光电探测器检测调制后的光信号， 并将其转换为电信号用示波器观察。

　　2.2 激光器和激光器电源

　　此系统中，激光器使用氦氖激光器。 氦氖激光管是一种特殊的气体放电光源，与其他光源相比， 它具有极好的单色性、高度的相干性和很强的方向性(发散角很小) ，激光器电源首先将220 V输入电压通过 变压器 升到1 000 V，再将该电压通过倍压电路提升到约5 000 V，然后通过限流 电阻 直接给激光管供电。当电源开关刚打开时， 激光管中气体还没有电离，内阻相当于无穷大，此时电源输出约5 000 V高压，这就是激光管的点火电压，使得激光管中的气体电离， 激光管开始工作，这时激光管的电阻将会大大下降。也就是说， 负载电流上升，激光器的电源输出电压也会下降。

　　2.3 锂酸铌电光晶体

　　铌酸锂晶体具有优良的压电、电光、声光、非线性等性能。 本系统中采用LN电光晶体。LN晶体是三方晶体，n1=n2= no，n3=ne。

　　没有加电场之前，LN的折射率椭球为：

　　本系统中采用y轴通光、z轴加电场，也就是说，E1=E2=0， E3=E。那么，加上电场后折射率椭球为：

　　式(4)表明，LN晶体沿z轴方向加电场后， 可以产生横向电光效应，但是不能产生纵向电光效应。

　　经过晶体后，o光和e光产生的相位差为：

　　2.4 信号源

　　信号源系统结构如图3所示。 信号源是为了给电光晶体提供调制电压以及使系统能够接入音频信号 。 电源部分可以同时输出几路直流稳压电源给信号源的各个模块同时供 电;信号发生模块产生频率和幅度都连续可调的正弦波与方波; 功率放大模块将输入的正弦波与方波以及音频信号放大到几十伏， 然后加到电光晶体上调制通过电光晶体的激光; 解调模块对从探测器输入的微弱信号进行解调放大， 对输入的微弱音频信号驱动放大后通过音箱把声音放出来; 偏置高压模块产生幅度连续可调的直流高压，以代替λ/ 4波片作为调制晶体的半波电压。

　　3 电光调制在光通信中的应用

　　本系统是用光波传递声音信息，由激光器产生的激光经起偏器后成为线偏振光，再经过λ/ 4波片变成圆偏振光，使得2个偏振分量(o光和e光)在进入电光晶体之前产生π/2的相位差，使调制器工作在近似线性区域。在激光通过电光晶体的同时，给电光晶体加一个外加电压，此电压是需要传输的声音信号。当给电光晶体加上电压后，晶体的折射率及其他光学性能发生变化，改变了光波的偏振状态，因此，圆偏振光变成椭圆偏振光，再经检偏器又成为线偏振光，光强被调制。此时的光波载有声音信息并在自由空间传播，在接收地用光电探测器接收被调制的光信号，然后进行电路转换，将光信号转换成电信号，用解调器将声音信号还原，*终完成声音信号的光传输。外加电压为被传输的声音信号，此信号可以是收录机的输出或磁带机输出，实际上就是一个随时间变化的电压信号。

　　电光晶体*研究现状

　　我国以陈创天院士为首的科研团队在对氧化物型晶体材料的电光、非线性光学效应与晶体中离子基团的构型、对称性以及价键性质间关系研究的基础上，提出了计算非线性光学效应的“阴离子基团理论”。从二十世纪80年代开始，陆续发现了LBO、CBO、KBBF、SBBO、TBO、BABO、KABO等一系列新型非线性光学晶体，取得了举世瞩目的巨大成就。然而，相对于国际上对电光效应在八十年代所做过的研究，至今尚无进一步的研究和发展，尚未有相应的模型和理论提出。关于电光晶体的研究仍然处于零星和非系统的状态，特别是关于电光效应产生的微观机制和宏观应用方面，尚处于起步阶段。在这种情况下，必须从理论和实际晶体生长两个方面来开展对电光晶体的研究，争取有所突破。

　　国际上，二十世纪六十年代是人们从理论上和实际晶体材料两方面研究电光晶体都十分活跃的时期。J. F. Ward 和P. A. Franken注意到晶体紫外吸收带与晶体折射率的关系;贝尔实验室的S. K. Kurtz 和F. N. H. Robinson基于用来扩展非线性光学的Bloembergen非简谐振荡模型，提出了用于解释电光效应的物理机制，但这只是唯像描述;对钙钛矿晶体电光效应进行了计算，发展了LiNbO3 和KH2PO4 两种实用线性电光晶体和KTN等二次电光晶体。到八十年代，A. Yariv等人基于单能隙模型和电介质理论，并借鉴了键电荷、有效离子电荷等概念，提出了晶体电光系数的通用表达式。该表达式适用于一系列双原子晶体及三元化合物如闪锌矿结构的GaAs、GaP、ZnSe、ZnS、ZnTe、CuCI晶体，纤锌矿结构的ZnS、CdS、CdSe晶体，石英晶体， LiNbO3、LiTaO3 晶体，KDP型晶体，AgGaS2、CuGaS2 和Ag3AsS3 晶体等。目前该理论可以解释已知电光晶体的电光效应，但还不能对新电光晶体的设计和探索提供指导。