《高等光学-光在各向异性介质中传播2-电光效应》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高等光学-光在各向异性介质中传播2-电光效应（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 二、电光效应二、电光效应 北京交通大学 理学院物理系 2016.12 高等光学高等光学 光在各向异性介质中的传播光在各向异性介质中的传播 1.自然双折射与感应双折射自然双折射与感应双折射 2.电光效应的描述电光效应的描述 3.泡克尔斯效应泡克尔斯效应 4.克尔效应克尔效应 5.电光效应的应用电光效应的应用 主要内容主要内容 自然双折射：自然双折射：由于晶体结构自身的各向异性决定，光在其内传播时 产生的双折射现象，又叫晶体的固有双折射。 由于晶体结构自身的各向异性决定，光在其内传播时 产生的双折射现象，又叫晶体的固有双折射。 感应双折射：感应双折射：当光通过有加电场、超声场或磁场的晶体时，将
2、产生 与外场作用有关的双折射现象，又叫晶体的感应各向异性。 当光通过有加电场、超声场或磁场的晶体时，将产生 与外场作用有关的双折射现象，又叫晶体的感应各向异性。 光在各向异性 介质中的传播 光在各向异性 介质中的传播 双轴晶体双轴晶体 单轴晶体单轴晶体 双折射双折射 自然双折射自然双折射 感应双折射感应双折射 1、自然双折射与感应双折射1、自然双折射与感应双折射 电光效应：由电场电场引起的折射率变化； 磁光效应：由磁场磁场引起的折射率变化； 弹光效应：由应力应力引起的折射率变化。 外界的各种因素引起晶体介电系数变化 引起折射率n变化 改变光的传播性质 感应双折射：感应双折射： rr n 1、自
3、然双折射与感应双折射1、自然双折射与感应双折射 各向同性的、均匀的、线性的、稳定光学介质，在不受 任何外电场作用时，其光学性质是稳定的。 对该介质施加一个外电场，当 各向同性的、均匀的、线性的、稳定光学介质，在不受 任何外电场作用时，其光学性质是稳定的。 对该介质施加一个外电场，当外电场足够强外电场足够强、以致于强 到足以和原子的内电场（310 、以致于强 到足以和原子的内电场（310 8 8V/cm）相比拟时，原子 的内电场就会受到强烈的影响，原子的形状和能级结构等 等就会发生一系列畸变；与之相应，介质的光学性质也会 发生改变即介质的 V/cm）相比拟时，原子 的内电场就会受到强烈的影响，原
4、子的形状和能级结构等 等就会发生一系列畸变；与之相应，介质的光学性质也会 发生改变即介质的折射率折射率发生发生改变改变，折射率的改变量 与外加电场密切相关、并且是外电场的显函数。 ，折射率的改变量 与外加电场密切相关、并且是外电场的显函数。 2、电光效应的描述2、电光效应的描述 j jiji EDED 0 弱场下：弱场下：和和ij均为常数，与场强无关。均为常数，与场强无关。 实际上：实际上：随作用在介质上的电场强度的变化而变化，强场 下更加明显。 随作用在介质上的电场强度的变化而变化，强场 下更加明显。 设外电场E沿主对称轴方向施加在晶体上， 此时，D与E同向。 E 0 arctan D )(
5、 321 3 3 2 21 均为常数， EEED 电光效应曲线 2、电光效应的描述2、电光效应的描述 dEEdD EEED )( 3 3 2 21 32 )2( 32/ ) 1 ( 2 32 2 1 2 2 321 EEnn EEdEdD )2( 23 11 13 12 2 1 nnn nb na bEaEnn 一次电光效应/线性电光效应/泡克尔斯效应（Pockels effect） 二次电光效应/克尔效应（Kerr effect） 2、电光效应的描述2、电光效应的描述 注意：有对称中心的晶体没有线性电光效应。 原因？原因？ 外加电场反向时，折射率保持不变。外加电场反向时，折射率保持不变。 各
6、向同性介质在外电场作用下变为各向异性而产 生双折射，称为克尔效应； 对应晶体：磷酸二氢钾（KDP）、铌酸锶钡（SBN）、 铌酸锂（LiNbO3）、砷化镓、氧化亚铜等。 各向异性介质在外电场作用下要改变原有的双折 射性质，称为泡克尔斯效应； 对应晶体：玻璃、石蜡、水、硝基苯等。 电光效应，也叫电致双折射效应。 2、电光效应的描述2、电光效应的描述 外加电场后：折射率椭球的大小、形状、取向发生改变。原来的x、y 、z轴不再一定是加电场后晶体折射率椭球的主轴方向。因此，上述 折射率椭球方程变为一般椭球方程： 外加电场后：折射率椭球的大小、形状、取向发生改变。原来的x、y 、z轴不再一定是加电场后晶体
7、折射率椭球的主轴方向。因此，上述 折射率椭球方程变为一般椭球方程： 1 2 2 2 2 2 2 zyx n z n y n x 折射率的空间分布折射率椭球折射率的空间分布折射率椭球 1 1 2 1 2 1 2 111 6 2 5 2 4 2 2 3 2 2 2 2 2 1 2 xy n zx n yz n z n y n x n 在外电场在外电场E(Ex,Ey,Ez)作用下，设椭球方程系数的变化量与作用下，设椭球方程系数的变化量与E的各个分量 成线性关系，则 的各个分量 成线性关系，则 。或，zyxji Er nnn j jijE i E ii ,321; 6,.,21 111 0 222 2
8、、电光效应的描述2、电光效应的描述 矩阵形式表示方法矩阵形式表示方法 设： 则 设： 则 式中，由式中，由rij组成的组成的63矩阵就叫做晶体的线性电光张量， 其每一个系数 矩阵就叫做晶体的线性电光张量， 其每一个系数rij称为线性电光系数。称为线性电光系数。 。或，zyxji Er nnn j jijE i E ii ,321; 6,.,21 111 0 222 3 2 1 636261 535251 434241 333231 232221 131211 6 5 4 3 2 1 E E E B B B B B B i i B n 2 1 2、电光效应的描述2、电光效应的描述 3、泡克尔斯效
9、应3、泡克尔斯效应 KDP(磷酸二氢钾)晶体外形图KDP(磷酸二氢钾)晶体外形图 KDP(磷酸二氢钾磷酸二氢钾)晶体是水溶液培养 的一种人工晶体，很 晶体是水溶液培养 的一种人工晶体，很容易生长容易生长成大块均 匀晶体，在 成大块均 匀晶体，在0.21.5m波长范围内透明 度很高，抗激光破坏阈值很高，在光电 子技术中应用广泛，缺点是 波长范围内透明 度很高，抗激光破坏阈值很高，在光电 子技术中应用广泛，缺点是易潮解易潮解。 KDP晶体是单轴晶体，属四方晶系。 这一类型的晶体还有 晶体是单轴晶体，属四方晶系。 这一类型的晶体还有ADP(磷酸二氢氨磷酸二氢氨)、 KD*P(磷酸二氘钾磷酸二氘钾)等
10、，它们同为等，它们同为42m晶 体点群。 晶 体点群。 光轴方向：光轴方向：x x3 3轴；轴； 四次旋转-反演对称轴：四次旋转-反演对称轴：x x3 3轴；轴； 二次旋转对称轴：二次旋转对称轴：x x1 1轴和轴和x x2 2轴；轴； 3、泡克尔斯效应3、泡克尔斯效应 KDP晶体外形图 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 63 52 41 ij r KDP晶体的线性电光张量： m/V1006. 1 m/V106 . 8 11 63 12 5241 外加电场E后，KDP晶体的折射率椭球方程为： 1222 635241 2 2 2 2 2 2 xyErzxEryzEr n
11、 z n y n x zyx eoo 3、泡克尔斯效应3、泡克尔斯效应 不加电场 P不加电场 P2 2无透射光无透射光 加电场变为双轴晶体 在原光轴方向附加双折射效应 P 加电场变为双轴晶体 在原光轴方向附加双折射效应 P2 2有透射光。有透射光。 亮度随电压大小变化。亮度随电压大小变化。 KDP晶体外形图KDP晶体外形图 )2/(sin 2 0 II 由偏振光干涉理论：由偏振光干涉理论： 。 泡克尔盒泡克尔盒 + 。 - P1P2KK 电光晶体电光晶体 z轴轴 透过率曲线？透过率曲线？ 相位差相位差 3、泡克尔斯效应3、泡克尔斯效应 设KDP光轴沿Z轴方向，则其折射率椭球方程为：设KDP光轴
12、沿Z轴方向，则其折射率椭球方程为： 1 2 2 2 22 eo n z n yx 加工晶体，安装电极，沿Z轴施加电压后：加工晶体，安装电极，沿Z轴施加电压后： 为电光系数 12 2 2 2 22 xyE n z n yx z eo xy面内，原坐标系旋转xy面内，原坐标系旋转角度，新主轴坐标系下的方程为：角度，新主轴坐标系下的方程为： 1 2 2 2 2 2 2 zyx n z n y n x ez zooy zoox nn Ennn Ennn zz yxy yxx 3 3 2/ 2/ cossin sincos 3、泡克尔斯效应3、泡克尔斯效应 zoxy zooy zoox Ennn Enn
13、n Ennn 3 3 3 2/ 2/ 沿x和y振动的两个线偏振光的折射率之差为： 经过长度为d的晶体后，相位差为： 沿x和y振动的两个线偏振光的折射率之差为： 经过长度为d的晶体后，相位差为： UndEndnn ozoxy 33 222 表示施加在晶体上的外电压。表示施加在晶体上的外电压。dEU z 因此,出射光强为因此,出射光强为 )/(sin)2/(sin 32 0 2 0 UnIII o 3、泡克尔斯效应3、泡克尔斯效应 相位差只与外加电压有关，与晶体的几何尺寸无关。 当=时， 相位差只与外加电压有关，与晶体的几何尺寸无关。 当=时， 半波电压 2 3 o n UU Uno 3 2 越大，越大，U越小，越有利于应用。越小，越有利于应用。 ) 2 (sin 2 0 U U I I 5 0 10 0 透透过率率 % 0 V0/2V0施加电压施加电压 /2 相位差相位差 3、泡克尔斯效应3、泡克尔斯效应 横向泡克尔斯效应：横向泡克尔斯效应： P P1 1出射线偏振光进入晶体分解为沿y和z振动的两个分量，折 射率分别为： 出射线偏振光进入晶体分解为沿y和z振动的两个分量，折 射率分别为： ez zooy nn Ennn 3 2/ 。 泡克尔盒泡克尔盒 + 。 - P1P2KK 电光晶体电光晶体 x轴轴 h 。 泡克尔盒泡克尔盒
