5.1 电光效应与其应用.ppt

第5章　晶体的感应双折射;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。 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。;Contents;5.1 电光效应;5.1.1 电光效应的描述;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。; 由前面的讨论已知，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：; 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：; 　　 　　　则折射率椭球的变化，可以很方便地用系数的变化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。 ;5.1.2 晶体的线性电光效应;1. 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=γijEj i = 1, 2, …, 6; j = 1, 2, 3 ;2.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0.2～1.5 μm 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42 m晶体点群，其外形如图 5-1所示，光轴方向为x3轴方向。;图 5-1 KDP型晶体外型图;　　(1) KDP型晶体的感应折射率椭球 KDP型晶体无外加电场时，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。; 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(42 m晶类)型晶体的线性电光系数矩阵其 ［ΔＢi］为：; 因此：;由此，可得KDP型晶体的感应折射率椭球表示式： ;　　(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，感应折射率椭球的表示式为： 或者 ; 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，这个方程的x23项相对无外加电场时的折射 率椭球没有变化，说明感应折射率椭球的一个主轴与原折射 率椭球的x3轴重合，另外两个主轴方向可绕x3轴旋转得到。 假设感应折射率椭球的新主轴方向为 ， 则 由 构成的坐标系可由原坐标系(O-x1x2x3)绕x3轴 旋转α角得到：; 因为γ63、E3不为零，只能是： cos（2α）-sin（2α）=0 所以： α=±45° 故x3-切割晶片沿光轴方向外加电场后，感应折射率椭球 的三个主轴方向为原折射率椭球的三个主轴绕x3轴旋转45° 得到，