固体光学-晶体光学6.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,固体光学,-,晶体光学,6,第一部分：电光效应的应用,1,、,复习,：,平行光束的偏振光干涉；,2,、电光开关；,3,、电光偏转器；,4,、电光调制器；,一、平行光束的偏振光干涉,图画出了实现平行光束的偏振光干涉装置示意图。一束平行的自然光束通过起偏镜,A,后成为线偏振光,I,o,在晶体,C,中分解为振动方向互相垂直、传播方向一致但速度不同的特殊双折射的二线偏振光，即,o,光和,e,光。设二者振幅均为,OA,，过,c,后在空间传播的,o,光和,e,具有固定的位相差,(,或光程差,),：,设起偏镜,A,与检偏镜,P,的夹角为,，,起偏镜,A,与线偏振光振动,D(,或,D”),方向成,。则,o,光和,e,光的振幅为,o,光和,e,光在检偏镜振动轴,OP,方向的投影为,从晶片出射的振动方向互相垂直的,o,光和,e,光在检偏镜,P,上实现具有恒定位相差、振动方向相同、频率相同的线偏振光的干涉。干涉后的强度为,式中：,马吕斯定律,讨论：正交偏光镜,(,=/2,),下的偏光干涉,如果将晶片,c,置于正交偏光镜的载物台上,(,不能沿光轴方向通光,),，调好焦距在检偏镜处发生正交偏光干涉。,下面分析几种干涉极值情况,当起偏镜,(,或检偏镜,),振动轴方向与,D,或,D”),方向一致或成直角时，透过检偏镜的干涉强度为零，视野全暗，称为消光现象。此时晶片,c,所处的位置称为消光位置。晶片转,360,将出现四次消光。,晶片,c,随转动载物台一周，视野将出现四次最亮位置,。,二、电光开关,近年来电光效应在激光技术，光信息处理和光通信技术等近代工程技术中有着广泛的应用。例如，利用晶体的电光效应可以制成电光快门、电光调制、电光偏转器、电光相位延迟器、电光调,Q,激光器以及大屏幕显示靶面，还可以用于电光销模技术等。,电光开关就是利用电信号来控制光路通断的装置，也称电光快门。,工作原理是在一般光学系统中加进一对正交的起偏镜,P,和检偏镜,A,并在其中间放置电光晶体样品构成。我们现用,KDP,晶体的,Z-,切片来讨论电光快门的工作原理及其有关概念。,在,KDP,晶体,Z-,切片上没加电场时，它是单轴晶体，,Z-,切片的主轴,x1(,或,x2),与起,(,检,),偏镜平行。通光方向垂直,Z-,切片，无双折射现象垂直,z,方向光率体中心截面是一个圆，透过检偏镜的光强度满足：,正交偏光镜,(,=/2,),下的偏光干涉：,当沿,Z,方向外加电场,E,3,，则产生,KDP,晶体的,63,纵向电光效向，即,KDP,晶体变为双轴晶体。晶体中二线偏振光沿,x,1,或,x,2,方向振动，,45,o,。此时透过检偏镜的光强为,:,相对透过率,因为：,所以：,相对透过率,T,是加在,KDP,晶体,Z-,切片上纵向电压,V,3,的正弦平方的函数，,T,将随,V,3,周期性变化。,相对透过率,T,随着,V,3,的增加而周期性的出现最大和最小，相当于快门的打开和关闭。如果外加瞬时脉冲电压,V,3,V,。上,图就变成了瞬时电光快门。由于电光效应的响应时间短，这种电光快门的开关速度很快，可达,10,10,次,/,秒，这是任何机械快门都不可能达到的。,电光快门的另一个重要参数是消光比，就是最大输,出光强和最小输出光强之比。最小透过光强应该是零，但实际上最小光强很难达到零。这是由于以下几个因家所决定：,外加电场的不均匀性。,晶体本身有内应力或内应力不均匀，由弹光效应 引起轻微双折射而导致漏光。,起偏镜或检偏镜因质量问题使二者不能严格正交或平行。,入射光束的发散度，使光束不能严格的平行光轴方向。,要想获得较大的消光比，应从以上几个方面提高电光开关的质量。,三、电光偏转器,利用电光效应来改变介质中光束的传播方向的技术通称为电光偏转。实现光束偏转的途径很多，除电光效应外，还可通过弹光效应,(,包括声光效应,),、磁光效应等办法控制光束实现数字型偏转或连续型偏转。,光束偏转在激光应用技术、各种显示技术、光信息处理与存储技术中有着广泛的应用。下面分别介绍数字型电光偏转器和连续型电光偏转器的基本原理。,1,、数字型电光偏转器,数字型电光偏转器通常简称为数字偏转器。它是在普通光学系统中加进起偏器、电光晶体和双折射晶体组成。下图为一级数字型电光偏转器的原理图。,假设电光晶体利用,KDP,晶体,Z-,切片,63,的纵向效应，双折射晶体采用方解石或硝酸纳。在图中标出各晶体的方向及起偏器偏振轴的方向。没对电光晶体,(KDP),加电场,V3,时，透过起偏镜的线偏振光,D/x2,，且沿光轴,c(x3),方向通过,KDP,晶体正交入射到双折射晶体方解石的界面上。由于该线偏振光的,D,恰好平行方解石的光轴方向，所以在方解石中只有,e,光，其,t,e,偏离原入射方向在晶体中传播并射出,(,如图中实线所示,),。,若对电光晶体,KDP,加电场,V3,使之变为双轴晶体，则光沿,x3,方向,(,不是双轴晶体的光轴,),行进，便在,KDP,晶体中形成振动方向互相垂直的两束线偏振光。,一般情况下，它们在透过,KDP,后将合成由,KDP,的,63,纵向效应产生的位相延迟,决定的不同椭圆线偏振光。,如果,V,3,=V,，,从,KDP,晶体出来的二线偏光,=,，便合成为线偏振光在空间传播，其振动方向与,V,3,=0(,=0,),时的线偏光振动方向垂直。该线偏振光正交入射到图中双折射晶体,(,方解石,),界面，在方解石中只有,o,光仍沿原来入射光路传播并从方解石射出来,(,图中虚线所示,),。,通过在电光晶体上是否外加半波电压,V,来控制光束分别占据两个可能位置之一的目的。如果通过适当的组合可以控制出射光占据更多的位置从而在二维空间中控制光斑的位置。,二级数字型电光偏转器，电光晶体,A1,和,A2,的尺寸和取向应一致，而双折射晶体,B1,和,B2,的取向一致。但,B2,的厚度是,B1,的二倍通过改变加在,A1,和,A2,上的电压，就可以使光束偏转到相应的位置上，二级数字型电光偏转器共有四个可控光斑位置，如图所示，同样,n,级电光偏转器，可以得到,2,n,个可控的光斑位置，如果要使可控位置作二维分布，只要用被此正交的两组电光偏转器组合在一起就可以,(,常称为,x-y,偏转器）,将两块同种材料的电光晶体,(,如,KDP,晶体,),按图所示的形式贴在一起，它们的取向已标在图上，其特点是；它们的,x,3,轴方向相反。电场,E,3,方向垂直纸面向里，构成了,KDP,晶体,63,横向效应连续型电光偏转器。,2,、连续型电光偏转器,假设有一束线偏振光沿,x,2,方向正交入射到左侧电光晶体,A,的界面上，振动方向沿,x,1,，光在晶体,A,中的折射率,:,当光波进入到右侧电光晶体,B,中，光波仍保持沿,x1,方向振动。由于电场,E,3,在,A,和,B,中的方向恰相反，所以在,B,晶体中的折射率与在,A,中的不同,:,于是在,A,和,B,之间出现了折射率梯度，从而造成了光线方向的偏转。,举例：连续偏转器：,将三块厚度为,h,的电光棱镜组合到一起，即成为一个连续偏转器它们的光轴都垂直于纸面，与棱镜的厚度方向一致，而相邻的两块棱的,x3,轴是相反的。,在垂直于,x3,轴的棱镜面上镀上电极，当加上电压,V3,时，各块棱镜的感应生轴方向如图中所示,n,n,其中：,由三块电光晶体组成的偏转器,当一束线偏振光垂宜人射到棱镜组时，如果,V,3,=0,，则光束不偏转，如果,V,3,0,，则光束发生偏转。在第一块和第二块棱镜的交界面上，入射,1,=/2,，,折射角为,2,，有：,在第二块和第三块棱镜的界面上，入射角,3,为,所以：,在棱镜组中，第三块棱镜右侧界面的入射角,5,为,最后，经过第二三棱镜后，光束的偏转角为,由此可知，偏转角随,V3,连续变化，所以可以实现光束的连续偏转,在外加交变信号场,(,简称调制信号,),作用下，调制晶体的折射率也将随着调制信号的频率而变化。若有一束光波通过该晶体，则出射光的强度,(,或位相,),载有调制信号的信息，称为光强度,(,或位相,),调制。利用晶体的电光效应使光强度,(,或位相,),随电信号而变化的方法，称为电光调制。下面简要介绍常用的电光强空,(,即振幅,),调制。,四、电光调制器,在正交偏振器之间加一个,KDP,晶体，为了改善性能有时在电光晶体和检偏镜之间插入一个,/,4,波片，就构成了电光强度调制器,(,如上图所示,),。沿,KDP,晶体,x,3,轴通光，并利用,63,纵向效应使其感应主轴,x,1,和,x,2,与起偏镜和检偏镜的振动方向成,45,o,.,在没有加纵向信号电压,(Us=0),只加直流电压,V 3,时，得到光通过检偏镜的相对透过率如图曲线。,若在电光晶体上加一个载有传递信息的交变信号,电压,(,简称电信号,)Us,，则输出光强将随着电信号,Us,的大小而变化。,在光路中未加,/,4,波片时，可得到,63,纵向效应的位相延迟为：,出射光与入射光强度之比,T,用下式给出：,为了改善输出调制光的畸变现象，在电光晶体与检偏镜之伺插入一个,/,4,波片，使系统总的位相延迟增加,/,2,，此时：,由上式绘制出的强度输出曲线如图,(b),的粗线所示。由此可知，系统加进,/,4,波片后，调制电压相当于将图,(a),所示的电信号零轴向右移了,V,/2,。从而使工作点选在,(T),曲线上的线性部分,Q,点附近，输出光强在,T=50,上下波动且与电信号成线性关系。也就是说输出光波被调制成含有电信号且无失真地传播下去。,如果在图中不用,/,4,波长，而改为在电信,Us,上叠加,U,/,2,直流电压,(,称为偏压法,),同样可以实现将电光调制器的工作点选择在曲线的线性部分,Q,点附近与在系统中加进,/,4,波具有同样的效果。二者的原理基本相同。,晶体光学,第二部分：晶体其它非线性光学效应,1,、,弹光效应；,2,、声光效应；,3,、热光效应；,4,、旋光效应；,5,、磁光效应；,一、弹光效应,当光学介质受到应力或应变作用时，介质的折射率发生变化，从而产生双折射现象称为弹光效应或压光效应。例如，原来各向同性的光学均质体,(,立方晶系晶体或玻璃等,),受到应力作用时会变成单轴晶或双轴晶体。原来单轴晶体在应力作用下会变成双轴晶体。,在只取一级效应的情况下，机械应力或应变对晶体折射率的影响仍可用光率体的变化来描述：,ijkl,是应力弹光系数，,ijkl,是应变弹光系数。,在晶体中，由于其结构各向异性，晶体的应力和应变都是二阶张量，因而胡克定律的形式较复杂，可写成,则有：,其矩阵形式：,同理：应变弹光效应,举例：立方晶系的弹光效应,1,4,3m,、,432,和,m3m,晶类的弹光效应,立方晶系的,43m、432和m3m,晶类由原来的光学匀质体变为具有单轴晶体的各向异性光学性质，光轴沿单向应力,1,的,x1,轴方向。,2,23,和,m3,晶类的弹光效应,立方晶系的,23,和,m3,晶类由原来的光学匀质体变为具有双轴晶体的光学性质。,观测弹光效应测装置：,图中,A,和,P,是一对正交偏振器，中间放置被测的样品。若观测弹光效应，在垂直光线方向对样品施加单向应力；样品可以是晶体或非晶体。没加应力时，光不能通过此系统。加应力后，各向同性的介质变成各向异性的单轴晶,(,或双轴晶,),所以光通过样品出现双折射现象。从样品出来的光是具有一定位相差,的椭圆偏振光、通过检偏镜,P,可以观察到。要精确测量弹光系数通常采用偏光干涉法。,二、声光效应,超声波是弹性波，当这种弹性波通过介质时，介质将产生压缩和伸张，这相当于介质中存在着随时空周期变化的弹性应变。由于存在弹光效应，介质中各点的折射率也将随该点的弹性应变而发生相应的变化，从而对光在此介质中的传播特性产生影响，即产生衍射和散射。这种光波被介质中超声波衍射和散射的现象称为声光效应。声光效应实质上是弹光效应的一种表现形式。,假设用压电晶体作成的换能器产生波长为,、频率为,、宽度为,L,的超声波柱沿,x,方向加在声光介质上,(,如图所示,),；入射光波以频率,、波长,沿,y,方向在介质中传播。图中阴影部分为声柱与入射光波相互作用区，,D,为作用长度。在此作用区内由于超声波的激发而使介质存在着随时空变化的弹性应变,S,x,:,称为超声波的波矢,由弹光效应可以证明光波通过介质时其折射率以声波波长,为周期而变化。,右图给出由正弦应变波引起介质内折射率的正弦变化以及介质密度变化的示意图。,光波通过该声光栅与通过光学光栅类似，都可以发生衍射，由光栅方程,1,、布喇格声光衍射,当超声波频率较高,(,一般在,20MHz,以上,),，声光作用较大,(L,2,2,/,),时，除零级以外，只得到最强的第,级序衍射光，其余各级序衍射光强几乎为零。这种衍射称为布喇格声光衍射。（正常布拉格衍射）,考虑到声波波面的运动，衍射光的频率因多普勒效应要产生频移。这只要将声波面理解为运动的光接收器同时又是运动的光源,(,反射光,),，根据其运动速度,v,s,就可知道衍射光的频率是增加还是减少。,当声波面相对于静止的入射光源和静止的衍射光接收器都是迎面运动引起正频移，即衍射光频率为,+,，当,声波面背离入射光源和衍射光接收器而去，引起负频移，即衍射光频率为,-.,2,喇曼,-,奈斯声光衍射,当超声波频率较低,(,20MHz),，声光相互作用长度较短,(L,2,/2,),，光束,K,i,与超声波面平行,(,i,=0,),时，产生喇曼,奈斯声光衍射。类似于平面光栅的夫琅和费衍射，喇曼,奈斯声光衍射中平行光束垂直通过超声波柱相当于通过一个很薄的声光栅，再通过会聚透镜可在屏上观察到各级序的衍射条纹。,喇曼,奈斯声光衍射的特点：,(1),在中心末衍射的光束,(,零级序,),两侧对称形成第一级和更高级的衍射光束。其强度逐级减弱。,(2),衍射光出现频移。这是因为“声光栅”是运动的，由多普勒效应所致。超声波在介质中为行波时，频率的变化己标在图中 。,(3),通过超声波柱的光波再不是平面波，其波面出现皱折,(,如图所示,),。这是因为介质中各点折射率随,x,轴（声速方向,),作周期变化所致。,(4),超声波在介质中以行波传播时，衍射光强基本不随时间变化。各级序的衍射光频率在图中已标出。如果介质中超声波形成驻波时，各级序衍射光强随时间作周期变化。各级序光束不再象行波光栅衍射时那样具有简单的多普勒频移的单色光，而是含有多种频率的复合光。,三、晶体的热光效应,当温度发生变化时，晶体的折射率,n,发生变化的现,象称为热光效应。,除单斜、三斜以外的各晶系由于直角坐标系选在结晶轴上，故这些晶系,(,b,ij,),只存在不为零的主分量，切向分量均为零。因此温度变化时只改变光率体各主轴的长度而不改变它们的取向。,对于单斜晶系和三斜晶系的晶体由于结晶轴与直角坐标系不一致故这些晶系的,(,b,ij,),矩阵切向分量不为零，因此当温度变化时光率体的主轴长度改变，同时主轴的取向也将发生变化。,对于双轴晶体的热光效应，三个主折射率变化的不同不仅导致光率体形状发生变化。而且光轴角也将发生变化。这将引起,系列有趣的效应。,以石膏为例，在室温下它是一个正双轴晶体，随着温度升高光轴角将减小，到,90,o,c,时对于,5893A,的光、它成了单轴晶体。继续升高温度它又变为双轴晶体，这种现象称为交叉色散。通常发生于二个主折射率比较接近而光轴角较大的情况。,四、旋光现象和磁光效应,线偏振光在光学匀质体中或沿单轴晶体光轴 方向传播时，其偏振面发生旋转的现象称为旋光现象。,1,、旋光现象,实验发现，在固体介质中偏振面转动角度,与,样,品厚度,d,成正比。,实验数据发现、偏振面旋转的角度随照射波长而改变。波长越短旋转角度越大。这种现象称为旋光色散。,实验还发现，对于同一种物质制成的晶片迎着光线方向观察，有些晶片使光的偏振面顺时针旋转，称为右旋晶体；有的偏振面逆时针旋转，称为左旋晶体。如右旋石英和左旋石英。它们的旋转本领都相同。,2,、磁光效应,法拉弟发现线偏旅光的偏振面在磁场中的旋转，后来称为法拉弟效应。这种非旋光物质在强磁场作用下，可变成具有旋光的现象称为磁光效应。除此之外，磁光效应还应包括入射的线偏振光在铁磁性材料表面反射时，反射光的偏振面发生旋转的现象以及与克尔效应相似的磁致双折射现象。,实验表明，由于法拉弟效应线偏振光的偏振面旋,转角度,与其在磁光介质内通过的长度,L,及磁感应强,度,B,成正比，即,磁致旋光方向与磁场方向有关，对于绝大多数物质、磁致旋光方向都是右旋的,(,顺着磁场方向观察时,),这种物质称为正旋体。反之称为负旋体。,磁致旋光方向与光的传播方向无关。这与自然旋光不同。利用这一特性可以使光波在两反射镜之间多次穿越磁场以增强磁光效应。,磁光隔离器是利用法拉弟效应制作的使光束只能沿单方向前进，不能反向传播的光学器件。例如图所示的几个激光放大器之间的级间耦合就是利用了这种磁光隔离器。,P,1,和,p,2,为偏振轴夹角,45,o,的一对偏振器，且,P,2,方向是按,P,1,顺时针转过,45,o,方向设置。经过偏振器,P,1,的线偏振光振动方向如图,(,在纸面竖直方向,),进入法拉弟盒，调节磁场强度使磁致旋光角也恰为顺时针转,45,o,。从法拉弟盒出来的线偏光恰与,P,2,偏振方向一致，可以顺利通过偏振器,P,2,。对于反射光从,P,2,向,P,1,传播时由于磁致旋光的偏振面旋转方向与光传播方向无关，所以在原来已转过,45,o,基础上再次通过法拉弟盒仍沿顺时针力向又转了,45,0,，从而使偏振面恰与,P,1,偏振轴方向垂直，不能通过偏振器,P,1,。这佯就达到了光学隔离的目的。,1.,2.,按电光快门原理图回答,3.,8.,4.,5.,6.,7.,