СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ОПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ С ВЫСОКОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬЮ
METHOD OF DETERMINING OPTICAL CRYSTALS WITH HIGH ELECTRIC CONDUCTIVITY ELECTROOPTICAL COEFFICIENT

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано при изготовлении оптических приборов на основе оптических кристаллов, обладающих высокой электропроводностью.
Известны способы определения электрооптического коэффициента. Суть первого способа в измерении изменения оптической интенсивности, вызванной приложенным постоянным электрическим полем, которое действует на нелегированный фоторефрактивный (ВТО) кристалл при определенном угле наклона относительно проходящего оптического луча. Электрооптический коэффициент рассчитывают исходя из изменений оптической интенсивности проходящего луча. [1]
Наиболее близким к изобретению (прототипом) является способ, заключающийся в возбуждении кристалла монохроматическим поляризованным светом с последующим расчетом электрооптической константы по измеренному значению сигнала фотоприемника на частоте управляющего напряжения. При этом к кристаллу прикладывают переменное управляющее напряжение и выделяют плоскость поляризации, соответствующую максимуму сигнала фотоприемника на частоте управляющего напряжения. Далее определяют коэффициент модуляции m(T1) при температуре T1 и рассчитывают электрооптический модуль при температуре T1. [2]
Способы измерения электрооптического коэффициента [1-4] позволяют точно определять электрооптический коэффициент в нелинейных кристаллах с низкой электропроводностью, но при этом для кристаллов с высокой электропроводностью не годятся. Кристаллы с высокой электропроводностью, в случае применения выше указанных способов, будут нагреваться, за счет тока проводимости, что приведет к изменению физических параметров кристаллов и даже к их разрушению.
Техническим результатом является измерение электрооптического коэффициента у кристаллов с высокой электропроводностью. Способ осуществляется следующим образом:
1. Кристалл с высокой электропроводностью помещают в одно из плеч интерферометра Маха-Цандера.
2. Держатели (электроды) изолируют от кристалла.
3. К электродам прикладывают переменное импульсное напряжение.
4. При помощи фотоприемника регистрируют изменение интенсивности интерференционной картины.
5. По измеренной интенсивности рассчитывают электрооптический коэффициент.
Способ отличается от прототипа тем, что используют импульсное напряжение и электроды изолируют диэлектриком (слюда).
Данный способ реализован с помощью установки, схема которой показана на фиг. 1, где: 1 - гелий-неоновый лазер (λ=0,6328 мкм); 2 - полупрозрачное зеркало; 3 - непрозрачное зеркало; 4 - полупрозрачное зеркало; 5 - непрозрачное зеркало; 6 - фотоприемник; 7 - осциллограф; 8 - генератор импульсов; 9 - кристалл с высокой электропроводностью; 10 - слюдяные пластины; 11 - интерферометр Маха-Цандера.
На фиг. 2 представлена эквивалентная электрическая схема кристалла, изоляторов и электродов, подключенных к внешнему электрическому полю, где: 12 - емкость изоляции; 13 - емкость кристалла; 14 - сопротивление кристалла; 15 - емкость слюдяной пластины; 16 - держатели-электроды; 17 - кристалл.
Установка работает следующим образом. Система зеркал 2, 3, 4, 5, из которых 3, 4 являются полупрозрачными, образует интерферометр Маха-Цандера. В одно из плеч интерферометра между зеркалами 2 и 4 устанавливают ячейку с образцом (кристаллом) 9. Луч He-Ne лазера (λ=0,6328 мкм) 1 делится на полупрозрачном зеркале 2, интерференционная картина образуется на полупрозрачном зеркале 5. Образец представляет собой прямоугольный параллелепипед. Его ориентируют таким образом, чтобы две грани были перпендикулярны лучу, а к двум другим противолежащим граням подведены электроды. Кристалл изолируют от электродов 10. На электроды подают импульсный электрический сигнал от источника напряжения 8. Изменение интенсивности интерференционной картины, связанной с действием переменного электрического поля на кристалл 9, регистрируют фотоприемником 6. Электрический сигнал с фотоприемника 6 поступает на вход осциллографа 7.
На Фиг. 2 представлена эквивалентная электрическая схема подключения кристалла. Проводимость и емкость кристалла (17) отображены в виде параллельно соединенных резистора (14) и конденсатора (13); изоляторы электродов в виде конденсаторов (15). Постоянный ток через такую схему не идет и оказать влияние на оптические свойства кристалла не может. При использовании импульса напряжения прямоугольной формы на оптические свойства кристалла оказывает действие только передний и задний фронт импульса за счет поляризации.
и
кр
Электрическую емкость изоляторов, связанную в первую очередь с толщиной слюдяных пластинок (12, 15), делают намного больше емкости самого кристалла (С>>С) для того, чтобы пренебречь падением напряжения на изоляторах.
Электрооптический коэффициент r рассчитывают по формуле [5]:
где:
Δφ - фазовый сдвиг за счет электрооптического эффекта,
n - коэффициент преломления кристалла в выделенном направлении z,
U - амплитуда напряжения приложенного к кристаллу вдоль оси z,
l - длина кристалла вдоль направления лазерного луча (ось x или y),
λ - длина волны излучения лазера,
d - толщина кристалла (вдоль оси z).
Измерив максимальную величину фазового сдвига Δφ, используя известные параметры кристалла и величину приложенного напряжения, определяют электрооптический коэффициент.
Список литературы
1. Moura A.L. Experimental determination of effective electro-optic coefficient and electric screening field factor in the electrically induced birefringent Bi12TiO20 crystal by using an oblique incidence setup / Moura A.L. Canabarro Α.Α., Soares W.C, de Lima Ε., Carvalho J.F., dos Santos P.V. // Optics Communications - 05/2013; 295, P:197-202.
2. Горчаков B.K., Куцаенко B.B., Потапов В.Т. Способ измерения электрооптических констант // Патент России №1586417, 10.08.1999.
3. Luennemann M. Electrooptic properties of lithium niobate crystals for extremely high external electric fields / Luennemann M., Hartwig U., Panotopoulos G., Buse K. // University of Bonn, Bonn, North Rhine-Westphalia, GermanyApplied Physics В (Impact Factor: 1.63). 03/2003; 76(4): 403-406.
4. Паргачев И.А., Краковский B.A. и др. Получение и электрофизические свойства кристаллов GTR-KTP // Доклады ТУСУРа, №2 (24), часть 2, декабрь 2011, с. 119-120.
5. Ярив Α. Оптические волны в кристаллах / А. Ярив, П. Юх // Пер. с англ. - М.: Мир, 1987-616, 261 с.