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光电式高电压测量的电光效应及其应用原理

  1. 电光效应  
    在晶体上施加的恒定电场和频率如远远低于光频率的交变电场,则将引起组成介质的粒子内束缚电荷分布的显著变化,影响到极化特性和微观结构的对称性,影响到介质或晶体的光学性质。这就是电光效应。电光效应改变了介质的电容率,还可能使各向同性介质转变为各向异性;或者导致原有的各向异性性质的改变,产生人工双折射现象。这种由外加电场引起介质折射率变化的效应已成为光电调制器件工作的物理基础。  
     电光效应表现为普克尔斯(Pockels)效应和克尔(Kerr)效应两种。Pockels效应引起介质折射率的变化,与外加电场强度成正比,即n?∝E,也叫线性电光效应;而Kerr效应引起的折射率变化与电场的平方成正比例,即n?∝2E,故称二次电光效应。立方以上的高次项极其微小故可忽略。Pockels效应和Kerr效应两者的大小不同,按构成物质结晶的对称性或极化分子的结构,仅凸出显示其中的一种效应。电光效应已在激光技术、光学信息处理和光通信等领域中有着广泛的应用。
2. 应用电光效应的工作原理  
     将物质中传播的光波,分解为垂直于进行方向的物质固有振动面上的两个偏振波。这两个偏振波如图1的ex、ey,其传播速度随所传感的偏振波的折射率呈反比例变化。
     在某些物质中,由于从外部施加的电场及其极化状态的变化,将导致介质常数的各向异性。从那里传输的两个极化波所反应的折射率也呈现各向异性,显示出所谓的双折射现象。两个偏振波ex、ey,在具有电光效应的物质内传播时,结果反应出不同的折射率nx、ny,产生于两个偏振波之间的折射率之差,按照下式用所施加电场E的展开级数表示(这里忽略了稳态项):   (1)  式中,30n—无电场情况下,通常的折射率;pr—Pockels系数;r—光的波长;B—Kerr常数。
     由于电场为矢量,测定的电场方向和光的传播方向之间的关系。按横型调制方式,可测定与光的传播垂直方向的电场,特别是藉改变检偏镜的方向,能分离出正交的两个电场分量并进行测定。因此,可用于测量电场。按纵型调制方式,则能测定与光的传播方向平行方向的电场,从而,就能直接得到与光传播路径上的电场积分值成正比例的、也即与电位差成比例的信息。

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