9第九次课、感生双折射例析.ppt

第九次课、感生双折射 一、应力双折射——光弹性效应 二、电致双折射——电光效应 三、磁光效应 一、应力双折射——光弹性效应 二、电致双折射——电光效应 1、一次电光效应(普克尔斯效应) 2、二次电光效应(克尔效应) 1、普克尔斯效应 三、磁光效应 * * 内容： d z a F F 图1 应力双折射 由外加机械力产生双折射的现象称为“应力双折射”或“光弹性效应”。 规定：施加拉力时F0，施加压力时F0 Ca 是一个大于零的物质常数 (F/ad)是玻璃的内应力 当玻璃受拉应力时，ne?no0，相当于正单轴晶体； 当玻璃受压应力时， ne?no0，相当于负单轴晶体。 d z a F F 图1 应力双折射 当单色平面波沿 z 方向通过该玻璃后，两个振动分量之间将被引入位相差： 写成CB，称为媒质的“光弹性系数”或“布儒斯特常数”，实际上它与波长λ0有明显的关系。 退火不均匀或装夹不良的光学玻璃或元件内部存在应力，呈现不希望的双折射。其严重程度可以用椭圆偏振光检验或平行偏振光干涉方法测定。 对着普通光源观察夹在两块正交偏振片之间的塑料三角板，可以看到由应力产生的彩色干涉图形。 应力双折射也有可利用的方面。机械设备中的一些零部件在承受负荷时，将产生分布复杂的内应力，很难用一般方法测定。 “光测弹性学”就是研究利用应力双折射测定几定力的技术。其基本方法是，选用CB值比较大(可以比玻璃大十倍左右)的可塑性光学材料制作机械零部件的模型，并对它施加模拟的负荷。然后用偏振光干涉等方法则定内部的双折率分布。进而根据双折率和应力的关系，推算应力分布。 由电场感生的双折射称为“电致双折射”或“电光效应”。 它们可以分成两大类。 沿某些晶体的光轴方向施加外电场后，可以使沿光轴传播的光波获得两振动分量之间的位相差。这称作“纵向普克尔斯(Pockels)效应”。 由于产生的双折率与电场强度成正比关系，故又称“一次电光效应”或“线性电光效应”。 这个效应是外电场使晶体分子极化的结果。所以，能发生压电效应的晶体都显示(纵向)普克尔斯效应。 如，磷酸二氢铵(ADP)、磷酸二氢钾(KDP)、磷酸二氘钾(KD*A)、砷酸二氢钾(KDA)、钽酸锂、铌酸钡等有明显的(纵向)普克尔斯效应。 当外加电场方向与光束传播方向垂直时，也能产生一次电光效应，称为“横向普克尔斯效应”。 A Q P y b a z x S P A V 观察纵向普克尔斯效应的简单装置 图中的晶体 Q 有三个互相正交的主轴方向 x、y、z，其中 z 是光轴，通过晶体两端面上的透明电极或环形电极，加上纵向的外界电场E。 理论和实验都表明，这时晶体对沿 a 方向和 b 方向振动的光波分量呈现不同的折射率。其中a、b和x、y共面，并且分别与x、y轴成45°角。 A Q P y b a z x S P A V 折射率差(na – nb)与电场强度 E 的关系表示为： 式中no是未加电场时的寻常折射率，r63是一个有色散的物质常数，称作“电光系数”。 A Q P y b a z x S P A V 1.52 ~26.4 KD*P 1.57 ~10.9 KDA 1.51 10.5 KDP 1.526 8.5 ADP no r63 (10-12mV-1) 物质 在λ0=546.1nm的汞绿灯光照射下 A Q P y b a z x S P A V 单色平面波通过厚度为d的晶体后，两个振动分量获得的位相差为： 其中 V 是为产生电场E而加在晶体端面的电压。 能产生π位相差的电压称为“半波电压”，用Vλ/2表示。 易得： A Q P y b a z x S P A V ~3.4 KD*P ~6.2 KDA 7.6 KDP 9.2 ADP Vλ/2 (kv) 物质 Vλ/2值越小，晶体的普克尔斯效应越显著。 为了以较小的电压产生较大的位相差，有时把几块晶体“串联”使用。 V 图 晶体的“串联” 当这些晶体的三个主轴互相平行时，各晶体产生的位相差将互相叠加。 A Q P y b a z x S P A V 应用：*可制作光开关，由电信号控制光能否通过开关。 在上图中，起偏器P和检偏器A的主方向分别与x、y轴平行，则当V=0时入射光不能通过该系统。但是当V=Vλ/2时，晶体相当于一块主方向沿a、b轴的λ/2片，使入射偏振光的振动方向旋转90°，恰好能无损耗地通过A。KD*P的开关响应时间为10-8~10-9s。 普克尔斯效应也可以用于电光调制。 2、二次电光效应(克尔效应) 在一些各向同性媒质，特别是某些液体内施加电场，可以使它们呈现单轴晶体的光学各向异性。光轴与电场向平行，这称为“克尔(Kerr)效应”。 它是媒质分子在外电场作用下极化并定向排列的结果。 因为这样产生的双折率与电场平方成正比，所