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5.1.3 晶体的二次电光效应. 可以存在于所有电介质 ( 固体、液体和气体 ) 中,某些极性液体 ( 如硝基苯 ) 和铁电晶体的克尔效应很大。 所有晶体都具有二次电光效应。但是在无对称中心的 20 类晶体中,线性电光效应比二次电光效应显著的多,所以这类晶体的二次电光效应一般不予考虑。 在具有对称中心的晶体中,最低阶的电光效应就是二次电光效应 ,我们感兴趣的是 属于立方晶系的那些晶体的二次电光效应 。因为这些晶体在未加电场时,在光学上是各向同性的,这一点在应用上很重要。. 如前所述,二次电光效应的一般表达式为: - PowerPoint PPT Presentation
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5.1.3 晶体的二次电光效应 可以存在于所有电介质 ( 固体、液体和气体 ) 中,某些极性液体 ( 如硝基苯 ) 和铁电晶体的克尔效应很大。
所有晶体都具有二次电光效应。但是在无对称中心的 20
类晶体中,线性电光效应比二次电光效应显著的多,所以这类晶体的二次电光效应一般不予考虑。
在具有对称中心的晶体中,最低阶的电光效应就是二次电光效应,我们感兴趣的是属于立方晶系的那些晶体的二次电光效应。因为这些晶体在未加电场时,在光学上是各向同性的,这一点在应用上很重要。
如前所述,二次电光效应的一般表达式为:
Bij = hijpqEpEq i, j, p, q =1, 2, 3
Ep 、 Eq 是外加电场分量; [hijpq] 是晶体的二次电光系数 ( 或克尔系数 ) ,是四阶张量。
1. 晶体二次电光效应的理论描述
其中, Pp,Pq 是晶体上外加电场后的极化强度分量, [gijpq] 也叫二次电光系数,一般手册给出的是 [gijpq] 。
可以证明, [hijpq] 和 [gijpq] 都是对称的四阶张量,均可采用简化下标表示,即 ij→ m , pq→ n , m 、 n 的取值范围是从 1 到 6 。于是, 四阶张量的克尔系数可以从九行九列的方阵简化成六行六列的方阵。
人们习惯于将 [Bij] 与晶体的极化强度联系起来,表示为:
Bij = gijpqPpPq i, j, p, q = 1, 2, 3
ijpqmn
ijpqmn
gg
hh
2
2
212
6132
5322
4332
3222
2112
1 ;;;;; PPPPPPPPPPPPPPPPPP
且当 n =1, 2, 3 时
当 n =4, 5, 6 时,
简化表达式:
ijpqmn
ijpqmn
gg
hh
;;;;; 212632
2433
2322
2211
21 EEEEEEEEEEEEEEE
6,,2,1,
6,,2,1,
2
2
nmPgB
nmEhB
nmnm
nmnm ( 5.1-7
3 )
( 5.1-7
4 )
2. m3m 晶类的二次电光效应
属 于 m3m 晶 体 的 有 KTN( 钽 酸 铌 钾 ) , TaO3( 钽酸 ) , BaTiO3( 钛酸钡 ) , NaCl( 氯化钠 ) , LiCl( 氯化锂 ),
LiF( 氟化锂 ) , NaF( 氟化钠 ) 等。
未加电场时,这些晶体在光学上是各向同性的,折射率椭球为旋转球面:
120
23
20
22
20
21
n
x
n
x
n
x
当晶体外加电场时,折射率椭球发生变化,其二次电光效应可表示为:
26
25
24
23
22
21
44
44
44
111212
121112
121211
6
5
4
3
2
1
00000
00000
00000
000
000
000
P
P
P
P
P
P
g
g
g
ggg
ggg
ggg
B
B
B
B
B
B
26446
25445
24444
2311
2212
21123
2312
2211
21122
2312
2212
21111
PgB
PgB
PgB
PgPgPgB
PgPgPgB
PgPgPgB
由此得:
将上面分量代入折射率椭球的一般形式,即可得到:
1222
)1
(
)1
(
)1
(
212
644312
544322
444
23
2311
2212
21122
0
22
2312
2211
21122
0
21
2312
2212
21112
0
xxPgxxPgxxPg
xPgPgPgn
xPgPgPgn
xPgPgPgn
( 5.1-7
9 )
讨论一种简单的情况:外电场沿 x3 轴 [011] 方向作用于晶体,即 E1= E2= 0 , E3= E 。
立方晶体的电场与极化强度间的关系为:
Pi = 0 Ei i = 1, 2, 3
所以 P1 = P2= 0 , P3= 0 E ,则
1)1
(
)1
()1
(
23
2220112
0
22
2220122
0
21
2220122
0
xEgn
xEgn
xEgn
显然,当沿 x3 方向外加电场时,由于二次电光效应,折射率椭球由球变成一个旋转椭球,其主折射率为:
222011
3003
222012
3002
222012
3001
2
12
12
1
Egnnn
Egnnn
Egnnn
当光沿 x3 方向传播时无双折射现象发生;当光沿 x1 方向( [100] 方向 ) 传播时,通过晶体产生的电光延迟为:
相应的半波电压:)( 1211
220
30
2
2/ ggln
dU
)(π
)(π
)(π2
12112
2220
30
1211
2220
30
32
ggd
lUn
gglEn
lnn
5.1.4 晶体电光效应的应用
在外电场的作用下电光晶体相当于一个受电压控制的波片,改变外电场,便可改变相应的二特许线偏振光的电光延迟,从而改变输出光的偏振状态。正是由于这种偏振状态的可控性,其在光电子技术中获得了广泛应用。
1. 电光调制光调制技术——将信息电压 ( 调制电压 ) 加载到光波上的技术。
电光调制 —— 利用电光效应实现的调制。
典型的电光强度调制器
电光晶体 ( 如 KDP) 放在一对正交偏振器之间,对晶体实行纵向运用,则加电场后的晶体感应主轴 x1、 x2 相对晶轴 x1 、 x2 方向旋转 45 ,并与起偏器的偏振轴 P1 成 45 夹角。
由正交偏振器偏光干涉,当 晶片 = 45 时,通过检偏器输出的光强 I 与通过起偏器输入的光强 I0 之比为 :
2/
2
0 2
πsin
U
U
I
I
光路中未插入 1/4 波片时,上式的 是晶体的电光延迟。由 (5.1-31) 、 (5.1-32) 有:
则: —— 为光强透过率 (%)
2/
π
U
U
2sin 2
0
I
I
)sin(
2
π
4
πsin
2/
02
0
tU
U
I
Im
则透过率为:
该式说明,一般的输出调制信号不是正弦信号,它们发生了畸变。
)sin(
2
πsin
2/
02
0
tU
U
I
Im
如果外加电压是正弦信号: )sin(0 tUU m
在光路中插入 1/4 波片,则光通过调制器后的总相位差是 ( /2+ ) ,因此,通过检偏器输出的光强 I 与通过起偏器输入的光强 I0 之比变为:
工作点由 0 移到 A 点。在弱信号调制时, U<< U/2 ,则:
可见,当插入 1/4 波片后,一个小的正弦调制电压将引起透射光强在 50% 透射点附近作正弦变化。
)sin(2
π
2
1
2/
0
0
tU
U
I
Im
I/I0()
调制电压
外加电压
时间
透射强度U0
U 4 U 2
100
50
0
4
1
3
2
A
2. 电光偏转 (扫描 )
与机械转镜式光束偏转技术相比,电光偏转技术具有高速、高稳定性的特点,因此在光束扫描、光计算等应用中,倍受重视。 ① 玻璃光楔 如图所示,设入射波前与光楔的 AB 面平行,由于光楔的折射率 n > 1 ,所以 AB 面上各点的振动传到 AB (∥AB)
面上时,通过了不同的光程:
A A,光程为 l ;B B,光程为 nl ;C C ,光程为 nl (ll ) = l (n1)l
从上到下,光在玻璃中的路程 l 线性增加,所以整个光程线性增加。因此,透射波的波阵面发生倾斜,偏角为:
光束通过光楔的偏转 D
nl
D
ln
)1(
② 电光偏转器
由两块 KDP楔形棱镜组成,棱镜外加电压沿 x3 方向,两块棱镜的光轴方向 (x3) 相反, x1 、 x2为感应主轴方向。
E入射光
D
h
l出射光
x2
x1 x3
D
nl
3633o363
3o Un
Dh
lEn
D
l
若光线沿 x2 轴方向入射,振动方向为 x1 轴方向,则:光在下面棱镜中的折射率:
在 上 面棱镜中 , 电 场 与 x3 方向相反,所以折射率:
上下光的折射率之差: 3633o
'1
'1 Ennnn 下上
光穿过偏振器后的偏转角 :
3633oo1 2
1Ennn 下
3633oo1 2
1Ennn 上
5.2 声光效应
5.2.1 弹光效应和弹光系数5.2.2 声光衍射
弹光效应的概念
各向同性、均匀、线性光学介质,在不受任何外力作用时,其光学性质稳定。
对介质施加外力作用,介质形变在弹性限度范围内(介质不至于在力的作用下被损坏)。
介质之中就会产生弹性应力和弹性形变;与之相应,介质的光学性质 ( 折射率 ) 发生改变,且折射率的改变量与外力在介质内所产生的张应力的相关、并且是张应力的显函数。
5.2.1 弹光效应和弹光系数
原本各向同性、均匀、线性、稳定的光学介质,在足够大的外力作用下,因其光学性质发生改变而转变成为各向异性,结果导致介质能够产生光的双折射现象。
各向异性的光学晶体,在足够大的外力作用下,其光学各向异性性质会进一步加剧。
介质在足够大的外力作用下,其光学性质发生改变(即折射率发生变化)的现象,叫做弹光效应。
1. 弹光效应的理论描述 类似电光效应的处理方法,即应力或应变对介质光学性质 ( 介质折射率 ) 的影响,可以通过介质折射率椭球的形状和取向的改变来描述。
假设介质未受外力作用时的折射率椭球为:
1)( 0 jiijij xxBB或1jiij xxB
3,2,1,10 jixxB jiij
介质受到应力 作用后的折射率椭球变为:
Bij 为介质受应力作用后折射率椭球各系数的变化量,它
是应力的函数: Bij = f ()
若考虑线性效应,略去所有的高次项, Bij 可表示为
Bij = Πijklkl i , j , k , l =1, 2, 3
在此,考虑了介质光学性质的各向异性,认为应力 [kl]
和折射率椭球的系数增量 [Bij] 是二阶张量。
[Πijkl]—— 压光系数,是四阶张量,有 81 个分量。
根据虎克 (Hooke)定律,应力和应变有如下关系:
kl = Cklrssrs k, l, r, s = 1, 2, 3
[srs]——弹性应变; [Cklrs]——倔强系数。
则 : Bij = Πijklkl = ijklCklrs srs = Pijrs srs
Pijrs= ijklCklrs —— 弹光系数,是四阶张量,有 81 个分量。
由于 [Bij] 和 [kl] 都是对称二阶张量,有 Bij = Bji
和 kl = lk ,所以有 ijkl= jilk ,故可将前后两对下标 ij 和 kl 分别替换成单下标,将张量用矩阵表示。
张量表示(ij)(kl)(rs)
11 22 33 23,32 31,13 12,21
矩阵表示(m)(n)
1 2 3 4 5 6
且有: n=1, 2, 3 时, mn= ijkl ,如 21=
2211 n=4, 5, 6 时, mn=2 ijkl ,如 24=2
2223
相应的下标关系为 :
采用矩阵形式后,则有:
Bm=Πmnn m, n =1, 2, …, 6
这样,压光系数的分量数由张量表示时的 81 个减少为 36 个。应指出, [mn] 在分量形式上与二阶张量分量相似,但它不是二阶张量,而是一个 6×6 矩阵。
类似地,弹光系数[ Pijkl]的下标也可以进行简化,于是可得矩阵 ( 分量 ) 形式如下:
Bm = Pmn sn m, n = 1, 2, …,6
与 [mn] 的差别是, [Pmn] 的所有分量均有 Pmn= Pijkl ,并且有 Pmn = mrCrn (m, n, r =1, 2, …, 6) 。
2. 弹光效应的计算示例(1) 23 和 m3 立方晶体受到平行于立方体轴的单向应力作用
设立方晶体三个主轴为 x1 、 x2 、 x3 ,应力平行于 x1 方向。施加应力前的折射率椭球为旋转球面:
式中, B0 = 1/n02 。
1222 216135324
233
222
211
xxBxxBxxB
xBxBxB
1)( 23
22
21
0 xxxB
在应力作用下折射率椭球发生了变化,在一般情况下:
根据 Bm=Πmnn 及立方晶体的 [mn] 矩阵形式,有:
0
0
0
0
0
0
0
0
00000
00000
00000
000
000
000
12
13
11
44
44
44
111312
121113
131211
6
5
4
3
2
1
σΠ
σΠ
σΠ
Π
Π
Π
ΠΠΠ
ΠΠΠ
ΠΠΠ
B
B
B
B
B
B
1120
10
1
1Δ
nBBB由此可得:
则:1)
1()
1()
1( 2
31220
22132
0
21112
0
xΠn
xΠn
xΠn
0
1Δ
1Δ
654
1220
30
3
1320
20
2
BBB
nBBB
nBBB
可见,当晶体沿 x1 方向加单向应力时,折射率椭球由旋转球变成了椭球,主轴仍为 x1 、 x2 、 x3 ,立方晶体变成双轴晶体,相应的三个主折射率为:
123003
133002
113001
2
12
12
1
nnn
nnn
nnn
(2) 43m 、 432 和 m3m 立方晶体受到平行于立方体轴 (例如 x1 方向 ) 的单向应力作用
这种情况与上述情况基本相同,只是由于这类晶体的Π12=Π13 ,所以:
即晶体由光学各向同性变成了单轴晶体。
123003
123002
113001
2
12
12
1
nnn
nnn
nnn