电光效应及其应用课件.ppt

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1、第5章　晶体的感应双折射1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。感应双折射：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。2Contents5.1电光效应5.2声光效应5.3磁光效应（法拉第效应）35.1电光效应5.1.1电光效应的描述5.1.2晶体的线性电光效应5.1.3晶体的二次电光效应5.1.4晶体电光效应的应用举例45.1.1电光效应的描述各向同性的、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。

2、现对该介质施加一个外电场，当加到介质上的外电场足够强、以致于强到足以和原子的内电场（≈3×108V/cm）相比拟时，则在这种情况下，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——即介质的折射率会发生改变，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。5实验研究的结果还表明：各向异性的光学晶体，在足够强的外电场作用下，其光学各向异性性质会进一步加剧。介质在足够强的外电场作用下，其光学性质发生改变（即折射率发生变化）的这一现象，叫做电致感应双折射，或者称为电光效应。6由

3、前面的讨论已知，光在晶体中的传播规律遵从光的电磁理论，利用折射率椭球可以完整而方便地描述出表征晶体光学特性的折射率在空间各个方向的取值分布。显然，外加电场对晶体光学特性的影响，必然会通过折射率椭球的变化反映出来。因此，可以通过晶体折射率椭球的大小、形状和取向的变化，来研究外电场对晶体光学特性的影响。由空间解析几何理论，描述晶体光学各向异性的折射率椭球在直角坐标系(O-x1x2x3)中的一般形式为：7若令：则折射率椭球的表示式为：如果将没有外加电场的晶体折射率椭球记为：则外加电场后，晶体的感应折射率椭球可记为：8则折射率椭球的变化，可以很方便地

4、用系数的变化ΔBij描述，上式可写成：在这里，仅考虑ΔBij是由外加电场引起的，它应与外加电场有关系。一般情况下，ΔBij可以表示成：上式中，等号右边第一项描述了ΔBij与Ek的线性关系，［］是三阶张量，称为线性电光系数，由这一项所描述的电光效应叫做线性电光效应，或普克尔(Pockels)效应；等号右边第二项描述了ΔBij与外加电场的二次关系，［hijpq］是四阶张量，称为二次非线性电光系数，由这一项所描述的电光效应叫作二次电光效应，或克尔(Kerr)效应。ΔBij=γijkEk+hijpqEpEq+…i,j,k,p,q=1,2,395.1.2

5、晶体的线性电光效应按照介质折射率改变量与外加电场之间的函数关系的不同，可将电光效应划分为以下两个大的类型：1）.线性电光效应介质折射率改变量与外加电场的一次方成正比。2）.非线性电光效应介质折射率改变量不仅与外加电场的一次方有关，而且还与外加电场的二次方（即平方）、三次方、乃至任意的高次方有关，并且是它们的显函数。101.线性电光系数对于线性电光系数［γijk］，因其前面两个下标i,j互换时，对［ΔBij］没有影响，所以也可将这两个下标简化为单个下标。经过这些简化后，只计线性电光效应，可得如下结果：ΔBi=γijEji=1,2,…,6;j

6、=1,2,3112.几种晶体的线性电光效应A.KDP型晶体的线性电光效应KDP(KH2PO4,磷酸二氢钾)晶体是水溶液培养的一种人工晶体，由于它很容易生长成大块均匀晶体，在0.2～1.5μm波长范围内透明度很高，且抗激光破坏阈值很高，所以在光电子技术中有广泛的应用。它的主要缺点是易潮解。KDP晶体是单轴晶体，属四方晶系。属于这一类型的晶体还有ADP(磷酸二氢氨)、KD*P(磷酸二氘钾)等，它们同为42m晶体点群，其外形如图5-1所示，光轴方向为x3轴方向。12图5-1KDP型晶体外型图13(1)KDP型晶体的感应折射率椭球KDP型晶体无

7、外加电场时，折射率椭球为旋转椭球，在主轴坐标系(折射率椭球主轴与晶轴重合)中，折射率椭球方程为:式中：分别为单轴晶体的寻常光和非常光的主折射率。14当晶体外加电场时，折射率椭球发生形变。通过查阅手册，可以得到KDP(42m晶类)型晶体的线性电光系数矩阵其［ΔＢi］为：15因此：16由此，可得KDP型晶体的感应折射率椭球表示式：17(2)外加电场平行于光轴的电光效应相应于这种工作方式的晶片是从KDP型晶体上垂直于光轴方向(x3轴)切割下来的，通常称为x3-切割晶片。在未加电场时，光沿着x3方向传播不发生双折射。当平行于x3方向加电场时，感应折射率

8、椭球的表示式为：或者18为了讨论晶体的电光效应，首先应确定感应折射率椭球的形状，也就是找出感应折射率椭球的三个主轴方向及相应的长度。可以看出，这个方程