9 第九次课、感生双折射

1、1第九次课、感生双折射第九次课、感生双折射 一、应力双折射一、应力双折射光弹性效应光弹性效应二、电致双折射二、电致双折射电光效应电光效应三、磁光效应三、磁光效应内容内容：2一、应力双折射一、应力双折射光弹性效应光弹性效应dzaFF图图1 应力双折射应力双折射 由外加机械力产生双折射的现象由外加机械力产生双折射的现象称为称为“应力双折射应力双折射”或或“光弹性光弹性效应效应”。aeoC Fnnab规定：施加拉力时规定：施加拉力时F0，施，施加压力时加压力时F0，相当于，相当于正单轴晶体；正单轴晶体；当玻璃受压应力时，当玻璃受压应力时， neno0，相当于，相当于负单轴晶体。负单轴晶体。3dzaF

2、F图图1 应力双折射应力双折射 当单色平面波沿当单色平面波沿 z 方向通过该玻璃后，方向通过该玻璃后，两个振动分量之间将被引入位相差：两个振动分量之间将被引入位相差：002()2aeoC F=d nna写成写成CB，称为媒质的，称为媒质的“光弹性系光弹性系数数”或或“布儒斯特常数布儒斯特常数”，实际，实际上它与波长上它与波长0有明显的关系。有明显的关系。 4退火不均匀或装夹不良的光学玻璃或元件内部存在应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。振光检验或平行偏振光干

3、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。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。用一般方法测定。“光测弹性学光测弹性学”就是研究利用应力双折射测定几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，选用定力的技术。其基本方法是，选用CB值比较大值比较大(可以可以比玻璃大十倍左右比玻璃大十倍左

4、右)的可塑性光学材料制作机械零部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。应力的关系，推算应力分布。 5二、电致双折射二、电致双折射电光效应电光效应 1、一次电光效应(普克尔斯效应)2、二次电光效应(克尔效应) 由电场感生的双折射称为由电场感生的双折射称为“电致双折射电致双折射”或或“电光效应电光效应”。它们可以分成两大类。它们可以分成两大类。 61、普克尔斯效应沿某些晶体的光轴方向施加外电场后，可以

5、使沿光轴传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。这称作播的光波获得两振动分量之间的位相差。这称作“纵向纵向普克尔斯普克尔斯(Pockels)效应效应”。由于产生的双折率与电场强度成正比关系，故又称由于产生的双折率与电场强度成正比关系，故又称“一一次电光效应次电光效应”或或“线性电光效应线性电光效应”。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生压电效应的晶体都显示(纵向纵向)普克尔斯效应。普克尔斯效应。如，磷酸二氢铵如，磷酸二氢铵(ADP)、磷酸二氢钾、磷酸二氢钾(KDP)

6、、磷酸二氘、磷酸二氘钾钾(KD*A)、砷酸二氢钾、砷酸二氢钾(KDA)、钽酸锂、铌酸钡等有明、钽酸锂、铌酸钡等有明显的显的(纵向纵向)普克尔斯效应。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，称为电光效应，称为“横向普克尔斯效应横向普克尔斯效应”。7AQPybazxSPAV观察纵向普克尔斯效应的简单装置观察纵向普克尔斯效应的简单装置 图中的晶体图中的晶体 Q 有三个互相正交的主轴方向有三个互相正交的主轴方向 x、y、z，其中其中 z 是光轴，通过晶体两端面上的透明电极或环形电极，加是光轴，通过晶体两端面上的透明电极或

7、环形电极，加上纵向的外界电场上纵向的外界电场E。理论和实验都表明，这时晶体对沿理论和实验都表明，这时晶体对沿 a 方向和方向和 b 方向振动的方向振动的光波分量呈现不同的折射率。其中光波分量呈现不同的折射率。其中a、b和和x、y共面，并且共面，并且分别与分别与x、y轴成轴成45角角。8AQPybazxSPAV折射率差折射率差(na nb)与电场强度与电场强度 E 的关系表示为：的关系表示为：3o 63abnnn r E式中式中no是未加电场时的寻常折射率，是未加电场时的寻常折射率，r63是一个有色散的是一个有色散的物质常数，称作物质常数，称作“电光系数电光系数”。9AQPybazxSPAV物质

8、物质r63 (10-12mV-1)noADP8.51.526KDP10.51.51KDA10.91.57KD*P26.41.52在在0=546.1nm的汞绿灯光照射下的汞绿灯光照射下 10AQPybazxSPAV单色平面波通过厚度为单色平面波通过厚度为d的晶体后，两个振动分量获得的晶体后，两个振动分量获得的位相差为：的位相差为：33o 63o 63000222()ab=d nnn r dE=n r V其中其中 V 是为产生电场是为产生电场E而加在晶体端面的电压。而加在晶体端面的电压。11能产生能产生位相差的电压称为位相差的电压称为“半波电压半波电压”，用，用V/2表示。表示。易得：易得：AQP

9、ybazxSPAV0/23o 632Vn r物质物质V/2 (kv)ADP9.2KDP7.6KDA6.2KD*P3.4V/2值越小，晶体的普值越小，晶体的普克尔斯效应越显著。克尔斯效应越显著。12为了以较小的电压产生较大的位相差，有时把几块晶体为了以较小的电压产生较大的位相差，有时把几块晶体“串联串联”使用。使用。V图图 晶体的晶体的“串联串联” ” 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。差将互相叠加。13AQPybazxSPAV应用：应用：*可制作光开关，由电信号控制光能否通过开关。可制作光开关，由电信号控制光能否通过开

10、关。在上图中，起偏器在上图中，起偏器P和检偏器和检偏器A的主方向分别与的主方向分别与x、y轴平轴平行，则当行，则当V=0时入射光不能通过该系统。但是当时入射光不能通过该系统。但是当V=V/2时，时，晶体相当于一块主方向沿晶体相当于一块主方向沿a、b轴的轴的/2片，使入射偏振光片，使入射偏振光的振动方向旋转的振动方向旋转90，恰好能无损耗地通过，恰好能无损耗地通过A。KD*P的开的开关响应时间为关响应时间为10-810-9s。普克尔斯效应也可以用于电光调制。普克尔斯效应也可以用于电光调制。142、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，可以使它在一些各向同性媒质，

11、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“克尔克尔(Kerr)效应效应”。它是媒质分子在外电场作用下极化并定向排列的结果。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，所以又称为因为这样产生的双折率与电场平方成正比，所以又称为“二次二次电光效应电光效应”。 APSKPAd+15APSKPAd+2eoKnnC E媒质双折率与所加电场的关系是：媒质双折率与所加电场的关系是：当光波在媒质内经过长度为当光波在媒质内经过长度为d的均匀电场区域后，两个振的均匀电场区

12、域后，两个振动分量的位相差是：动分量的位相差是：202()2eoK=d nnC dE0KKCC称为称为“克尔常数克尔常数”16表表 几种物质的克尔常数几种物质的克尔常数(0=589.3nm) 物质物质硝基硝基苯苯硝基甲硝基甲苯苯水水CS2氦氦CK(10-12mV-2)2.441.375.110-23.5610-24.410-4与普克尔斯效应类似，也可以把产生与普克尔斯效应类似，也可以把产生位相差的电压称为位相差的电压称为半波电压，它不仅与物质性质、光波波长有关，而且还与半波电压，它不仅与物质性质、光波波长有关，而且还与两个电极板的间距和长度有关。如果硝基苯克尔盒的电极两个电极板的间距和长度有关

13、。如果硝基苯克尔盒的电极间距为间距为1cm，长度为，长度为5cm，则对钠黄光的半波电压为，则对钠黄光的半波电压为21014V。在克尔盒前后加上起偏器和检偏器后，也可以用作电光开在克尔盒前后加上起偏器和检偏器后，也可以用作电光开关和实现电光调制。优点是响应时间短关和实现电光调制。优点是响应时间短 ( 10-810-10s)，缺，缺点是半波电压较高，而且硝基苯有毒、易爆。现已找到一点是半波电压较高，而且硝基苯有毒、易爆。现已找到一些固体的克尔媒质，如铌酸钽钾些固体的克尔媒质，如铌酸钽钾(KTN)和钛酸钡等。和钛酸钡等。 17三、磁光效应三、磁光效应1、磁致双折射、磁致双折射(柯顿柯顿莫顿效应莫顿效

14、应)当硝基苯、二硫化碳等液体处在强磁场内时，也会呈现当硝基苯、二硫化碳等液体处在强磁场内时，也会呈现光学各向异性。这现象称为光学各向异性。这现象称为“磁致双折射效应磁致双折射效应”，是，是“磁光效应磁光效应”的一种。的一种。双折率与磁场强度双折率与磁场强度H的关系是：的关系是：2eoCnnC H位相差是：位相差是：202()2eoC=d nnC dH0CCCC式中式中d是光波经过加有磁场的媒质长度。是光波经过加有磁场的媒质长度。称为柯顿称为柯顿-莫顿莫顿(Cotton-Mouton)系数。系数。对于钠黄光，二硫化碳的对于钠黄光，二硫化碳的CC值为值为510-9mA-2。182、磁致旋光、磁致旋

15、光(法拉第效应法拉第效应)磁场可以使某些非旋光物质具有旋光性。该现象称为磁场可以使某些非旋光物质具有旋光性。该现象称为“法法拉第拉第(Faraday)效应效应”或或“磁致旋光磁致旋光”，是磁光效应的又，是磁光效应的又一种形式。一种形式。当线偏振光在媒质中沿磁场方向传播距离当线偏振光在媒质中沿磁场方向传播距离d后，振动方向后，振动方向旋转的角度旋转的角度等于：等于：=VedB 式中式中B是磁感应强度，是磁感应强度，Ve 是物质常数，称为费尔德是物质常数，称为费尔德(Verdet)常数。常数。二硫化碳的二硫化碳的Ve 值约等于值约等于750/(Tm)，轻火石玻璃和水的，轻火石玻璃和水的Ve 值分别

16、为值分别为528和和218/(Tm)。法拉第效应产生的旋光与自然旋光物质产生的旋光有一个法拉第效应产生的旋光与自然旋光物质产生的旋光有一个重大区别。重大区别。19自然旋光物质有确定的右旋或左旋性质，当光波沿某一传自然旋光物质有确定的右旋或左旋性质，当光波沿某一传播方向通过物质时，若振动方向由播方向通过物质时，若振动方向由方向变为方向变为方向，则当方向，则当光波反向通过同一物质时，原来光波反向通过同一物质时，原来方向的振动将回复到方向的振动将回复到方方向。向。磁致旋光的情况则不同。产生法拉第效应的原因是，外磁磁致旋光的情况则不同。产生法拉第效应的原因是，外磁场使物质分子的磁矩定向排列，出现了定向

17、旋转的磁矩电场使物质分子的磁矩定向排列，出现了定向旋转的磁矩电流，可以设想，顺着磁矩电流方向旋转的光波电场和逆向流，可以设想，顺着磁矩电流方向旋转的光波电场和逆向旋转的光波电场与物质的作用情况不同，从而左、右旋圆旋转的光波电场与物质的作用情况不同，从而左、右旋圆偏振光对应的折转射率不同，出现了旋光。偏振光对应的折转射率不同，出现了旋光。磁致作用情况仅仅取决于圆偏振光的电场旋转方向是否与磁致作用情况仅仅取决于圆偏振光的电场旋转方向是否与磁矩电流一致，而不取决于它是右旋的或左旋的，因为后磁矩电流一致，而不取决于它是右旋的或左旋的，因为后者与光波的传播方向有关。因此，不论光波的传播方向如者与光波的传

18、播方向有关。因此，不论光波的传播方向如何，通过磁致旋光媒质时，偏振方向的旋转方向是确定的，何，通过磁致旋光媒质时，偏振方向的旋转方向是确定的，它只和磁场方向有关。如果振动方向为它只和磁场方向有关。如果振动方向为的光通过媒质后的光通过媒质后振动方向为振动方向为，则振动方向为，则振动方向为的光逆向通过该媒质后，振的光逆向通过该媒质后，振动方向将继续旋转一个角度动方向将继续旋转一个角度(-)，并不回到，并不回到方向。方向。20P1P2P1P2P1MAP2VL45光隔离器光隔离器 光学中的二极管光学中的二极管当光波沿某一方向传播时可以通过隔离器，但反向传播当光波沿某一方向传播时可以通过隔离器，但反向传播的光波将被隔离器阻挡。的光波将被隔离器阻挡。改变加在线圈改变加在线圈L上的电压极性，使磁场方向翻转，即可改上的电压极性，使磁场方向翻转，即可改变通光的方向性，即自左向右传播的光不能通过隔离器，变通光的方向性，