晶体在外场作用下的光学性质

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1、浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第三章1第三章晶体在外场作用下的光学性质晶体光学基础：张量、晶系、点群电光效应：电致双折射声光效应：声波→应变→弹光效应→折射率光栅→声光衍射热光效应：晶体折射率随温度改变而变化磁光效应：晶体在磁场作用下的旋光现象非线性光学效应：二阶、三阶，原理及应用浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第三章23.1晶体光学简介晶体的定义：晶体是在较大的原子距离范围内原子周期性重复排列的物质。晶体在宏观上表现的特性：自范性，均一性，异向性，对称性，稳定性光学晶体是一种各向异性的电磁

2、介质，需要一种处理各向异性介质中电磁波传播规律的工具来描述，即为：张量理论浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第三章31.晶族与晶系根据单胞的几何特征及原子的排布，可以将所有的晶体划分为数个晶系，用于描述晶系的晶格参数有以下几个：单胞边长a,b,c,晶面夹角α,β,γ。晶族晶系单胞边长关系晶面夹角关系独立晶胞常数数目低级三斜a≠b≠cα≠β≠γ6单斜a≠b≠cα=γ=90º，β≠90º4正交a≠b≠cα=β=γ=90º3中级三方a=b=cα=β=γ≠90º2四方a=b≠cα=β=γ=90º2六方a=b≠

3、cα=β=90º，γ=120º2高级立方a=b=cα=β=γ=90º1高级晶族：二阶张量是各向同性的；中级晶族：单轴晶；低级晶族：双轴晶浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第三章42.晶体的14种布拉维点阵布拉维点阵是将晶体结构单元取为和点对称性一致的尽可能小的单位，也被称为晶胞。可以分成简单(P)、面心(F)、体心(I)、或底心(C)。三维布拉维点阵共计有14种浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第三章53.晶体的8种独立对称操作要素*物体经过一定的操作之后，它的空间性质能够复原，这种操作称为对称

4、操作。晶体的点对称操作包括旋转对称和旋转反演对称。*晶体中只可能存在5种旋转对称轴(1,2,3,4,6).*晶体中同样存在5种旋转反演对称轴。其中浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第三章64.晶体的32种点群在实际晶体中，有时不止存在一种对称要素，可以是多种对称要素共同存在于一个晶体中。由8种对称要素按照一定的规则进行组合，经研究发现，可能的组合数量是有限的，这样的组合一共只有32种，称32种对称类型，或称32个点群。点群共存在两种表示法：国际符号与熊夫利斯(Schöenflies)符号。国际符号用存

5、在某些特定方向上的对称元素来表示晶体的类型。浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第三章75.点群国际符号的定义点群符号表示在三个特定方向存在对称要素，对于不同的晶系，特定方向均不同。所谓对称面在某方向指的是其法线在某方向。若在某一方向同时存在轴和面，用分数表示，分子为轴，分母为面。4mm,四方晶系。表示在c轴方向<001>有一个4次对称轴，a轴方向<100>有一个对称面，a+b方向<110>有一个对称面。晶系第一方向第二方向第三方向立方aa+b+ca+b六方ca2a+b四方caa+b三方a+b+ca-b

6、正交cab单斜b三斜因为其中只包含1或i，故无特殊方向m3m:立方，6mm:六方，mm2:正交浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第三章86.张量的定义一种描述各向异性性质的数学方法就是张量方法。举例：各向异性介质中的欧姆定律，电场强度矢量E与电流密度矢量j之间不再是方向一致，其夹角与其在晶体中的位置有关。σij称为晶体中的电导率张量，是一个二阶张量，共有9个分量，由于对称性，其中6个是独立的，且根据其对称性的增加，独立的个数会进一步减少。其它的一些二阶张量有：介电常数εij，热导率kij，电极化率χi

7、j。压电系数，电光系数为三阶张量，弹性模量为四阶张量。浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第三章93.2电光效应(Electro-OpticEffect)电光效应指的是晶体在受到低频电场的作用下所产生的光学效应（介质折射率变化），也称人工双折射。线性电光效应（Pockels效应）：二次电光效应（Kerr效应）：，各向同性介质中也可以存在存在，而在各向异性介质中Kerr效应比Pockels效应小好几个数量级。浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第三章101.线性电光效应电光效应是一种光学非线性效应，其中

8、Pockels效应对应于二阶光学非线性效应，Kerr效应对应于三阶光学非线性效应。使用逆介电常数张量βij，Pockels效应可以写作：其中逆介电常数张量βij是二阶张量，定义为：由于εijβij=δij，而当在光频波段非磁性介质中存在ε=n2，所以Pockels效应可以写作：浙江大学光电信息系集成光电子器件及设计第三章112.线性电光系数张量γijk：线性电光系数张量。由于[βij]是对称张量，所以[γijk]对前两个下标是