物理效应及其应用—电光效应

1、第二章电光效应 从电的角度来看，物质系统是正、负电荷从电的角度来看，物质系统是正、负电荷（或偶极子）束缚在一（或偶极子）束缚在一 起组成的。起组成的。施加外电场必然会引起内部束缚电荷分布及电性施加外电场必然会引起内部束缚电荷分布及电性质的变化，从而导致物质光学特性的变化。这种质的变化，从而导致物质光学特性的变化。这种电致光学性质的变化统称为广义电光效应。电致光学性质的变化统称为广义电光效应。其光性质的变化包括其光性质的变化包括光的频率、振幅、相位、偏光的频率、振幅、相位、偏振状态、传播方向等的变化振状态、传播方向等的变化。利用电场来控制光。利用电场来控制光的变化，无疑有广泛的科学技术价值。的变

2、化，无疑有广泛的科学技术价值。效应与电场成正比的称为线性电光效应，与电场效应与电场成正比的称为线性电光效应，与电场平方成正比的称为平方（或非线性）电光效应。平方成正比的称为平方（或非线性）电光效应。第第1节节 斯塔克效应斯塔克效应 1913年斯塔克（年斯塔克（Stark）发现发现置于电场中置于电场中的氢原子发的氢原子发射的巴耳未光谱线较之无电射的巴耳未光谱线较之无电 场时分裂出若干频率发生变场时分裂出若干频率发生变化的谱线（如图化的谱线（如图2-1所示所示 ），），施加外电场后，原子辐射施加外电场后，原子辐射（或吸收）的频率和大小发（或吸收）的频率和大小发生变化，说明原子在电场作生变化，说明原

3、子在电场作用下能级发生了分裂和位移。用下能级发生了分裂和位移。 外电场使光谱线发生外电场使光谱线发生分裂和位移的现象，称分裂和位移的现象，称为斯塔克效应为斯塔克效应。 这些分离谱线的排列有一定的这些分离谱线的排列有一定的规律规律,谱线的间距总可被一个最小间谱线的间距总可被一个最小间距除尽，谱线的劈列间距与电场强距除尽，谱线的劈列间距与电场强度的一次方成比例度的一次方成比例。这种斯塔克效。这种斯塔克效应称为一次（或线性）斯塔克效应。应称为一次（或线性）斯塔克效应。但有的原子观察不到一阶斯塔克效但有的原子观察不到一阶斯塔克效应，却能观察到较弱的应，却能观察到较弱的二阶斯塔克二阶斯塔克效应效应，这时

4、谱线的裂距与电场强度，这时谱线的裂距与电场强度二次方成比例。二次方成比例。 、氢原子的线性斯塔克效应、氢原子的线性斯塔克效应 在外电场中原子光谱线在外电场中原子光谱线的分裂，归因于原子能级的分裂，归因于原子能级的简并。的简并。主量子数主量子数 n 一定的能级一定的能级,含有含有若干角量子数若干角量子数l和磁量子数和磁量子数 m不同的量子态。无外场时这不同的量子态。无外场时这些量子态具有近似相同的能些量子态具有近似相同的能量，量，施加外电场以后，简并被部施加外电场以后，简并被部分地或全部地解除。分地或全部地解除。简并解除后，简并解除后，不同组合量子态不同组合量子态将具有不同的能量。一个简并将具有

5、不同的能量。一个简并能级便分裂为多个能级能级便分裂为多个能级。 、氢原子的线性斯塔克效应、氢原子的线性斯塔克效应 氢原子的第一激发态（氢原子的第一激发态（n 2）就是四度简并的，标）就是四度简并的，标明这四个量子态的波函数可记为明这四个量子态的波函数可记为2,0,0，2,1,0，2,1,1，2,1,-1。施加外电场后，组合量子态为。施加外电场后，组合量子态为12（ 2,0,02,1,0）；）； 2（ 2,0,02,1,0）类似地，由类似地，由2,1,1，2,1,-1的线性组合可得两个组合的线性组合可得两个组合量子态。后两个组合量子态能量位移为零量子态。后两个组合量子态能量位移为零，1的能量位移

6、为的能量位移为3ea0E，2的能量位移为一的能量位移为一3ea0E ，其中其中a0为玻尔半径，为玻尔半径，e为电子电量，为电子电量，E为外电场强度。为外电场强度。、氢原子的线性斯塔克效应、氢原子的线性斯塔克效应这种能量位移量，很象一个偶极子与外电场下这种能量位移量，很象一个偶极子与外电场下之间的相互作用能。之间的相互作用能。氢氢原子第一激发态的行为好象一个偶极矩的行为原子第一激发态的行为好象一个偶极矩的行为3ea0的的电偶极子的行为，它相对外场电偶极子的行为，它相对外场E有三种取向：有三种取向：一种是平行外场，一种是反平行外场场，还有一体是垂一种是平行外场，一种是反平行外场场，还有一体是垂直外

7、场取向直外场取向,对应的附加能量是对应的附加能量是3 e a0 E, 3 e a0 E和和 0因此，在外电场中，因此，在外电场中，n 2的能级分裂成三个级。的能级分裂成三个级。 对对n3的能级，会作类似分裂。由于能级的分裂，的能级，会作类似分裂。由于能级的分裂， n 3和和n 2能级之间的跃迁谱线，将由一条谱线分裂为能级之间的跃迁谱线，将由一条谱线分裂为多条谱线。可能的跃迁如图多条谱线。可能的跃迁如图22所示。所示。、二阶斯塔克效应、二阶斯塔克效应 按量子力学分析，按量子力学分析，一个原子具有永久偶极矩的一个原子具有永久偶极矩的条件是未被外场拢动时能级是简并的，且含有相条件是未被外场拢动时能级

8、是简并的，且含有相反宇称的量子态，反宇称的量子态，氢原子属这种情形。氢原子属这种情形。对于无永久偶极矩的原子，对于无永久偶极矩的原子，外加电场会使原子外加电场会使原子正负电荷中心分离引起极化，产生附加诱导偶极正负电荷中心分离引起极化，产生附加诱导偶极矩，这偶极矩正比于外电场矩，这偶极矩正比于外电场E ，即即P E， 为原子静电极化率，为原子静电极化率， 与所有量子数有关，对每种电子组态与所有量子数有关，对每种电子组态 都是不都是不同的。这诱导偶极矩又处于外电场中，与外电场同的。这诱导偶极矩又处于外电场中，与外电场相互作用的附加能量相互作用的附加能量E1/2 E2。对不同量子。对不同量子态，有不

9、同态，有不同 和不同能量位移，致使产生不同能和不同能量位移，致使产生不同能级分裂和谱线分裂。级分裂和谱线分裂。斯塔克效应的观察不如后面将要叙述斯塔克效应的观察不如后面将要叙述的塞曼效应那么容易。因为的塞曼效应那么容易。因为原子的内电场原子的内电场很强很强。以氢原子基态为例，玻尔轨道附近。以氢原子基态为例，玻尔轨道附近的电场高达的电场高达5X109 V/cm，106 Vcm的的外电外电场场（已不易产生）较之内电场也只算得（已不易产生）较之内电场也只算得是是一个微拢一个微拢。因此，在原子物理学中斯塔克。因此，在原子物理学中斯塔克效应远不如塞曼效应那样引人注意和感兴效应远不如塞曼效应那样引人注意和感

10、兴趣。但近些年随着里德堡原子的发现和产趣。但近些年随着里德堡原子的发现和产生这种原子技术的提高，斯塔克效应的价生这种原子技术的提高，斯塔克效应的价值又开始受到重视。值又开始受到重视。、里德堡原子和斯塔克效应、里德堡原子和斯塔克效应 对于原子，存在大量激发态，一个原子中如果有一个电子处于主对于原子，存在大量激发态，一个原子中如果有一个电子处于主量子数量子数n很大的高激发态，便称为里德堡（很大的高激发态，便称为里德堡（Rydberg）原子。）原子。里德堡原子特性奇特，它的原子半径约为基态原子半径的里德堡原子特性奇特，它的原子半径约为基态原子半径的105倍，庞倍，庞大的尺度，可以包容另一原子于其中；

11、它也是长寿命的，它极易受外大的尺度，可以包容另一原子于其中；它也是长寿命的，它极易受外场影响，相当弱的电场就会引起里德堡原子的强烈畸变，也可被磁场场影响，相当弱的电场就会引起里德堡原子的强烈畸变，也可被磁场挤压变形。挤压变形。里德堡原子的存在，开辟了原子物理研究的新领域，即研究经典力学里德堡原子的存在，开辟了原子物理研究的新领域，即研究经典力学和量子力学交界的地带。这对于理解量子现象是很有意义的。和量子力学交界的地带。这对于理解量子现象是很有意义的。里德堡原子的研究还对激光同位素分离、等离子体诊断、射电天文等，里德堡原子的研究还对激光同位素分离、等离子体诊断、射电天文等，有令人感兴趣的技术和科

12、学价值。激光同位素分离的原理是基于同位有令人感兴趣的技术和科学价值。激光同位素分离的原理是基于同位素核质量的差异会引起谱线产生位移和差异，利用激光对某同位素进素核质量的差异会引起谱线产生位移和差异，利用激光对某同位素进行选择性光电离，便可达到分离同位素的目的。测定灼热星体周围存行选择性光电离，便可达到分离同位素的目的。测定灼热星体周围存在的里德堡原子发射谱线的强度和宽度，可估算星体温度，谱线的位在的里德堡原子发射谱线的强度和宽度，可估算星体温度，谱线的位置可提供有关星体距离和速度的信息。置可提供有关星体距离和速度的信息。当原子处于高激发态成为里德堡原子后，和氢原子一样，在外电场中当原子处于高激

13、发态成为里德堡原子后，和氢原子一样，在外电场中会有显著的线性斯塔克效应。里德堡原子由斯塔克效应引起的能级的会有显著的线性斯塔克效应。里德堡原子由斯塔克效应引起的能级的总劈裂宽度近似与总劈裂宽度近似与n2成正比。（成正比。（E3/2 n2E）因此，里德堡原子产生）因此，里德堡原子产生线性斯塔克效应的电场低得多，线性斯塔克效应的电场低得多，第第2节节 泡克尔斯效应泡克尔斯效应 1893年德国物理学家泡克尔斯发现 原本具有双折射的晶体，当加上直流或低频电压时，晶体原本具有双折射的晶体，当加上直流或低频电压时，晶体的双折射特性会发生变化，后来人们称它为泡克尔场效应。的双折射特性会发生变化，后来人们称它

14、为泡克尔场效应。泡克尔斯广泛地研究了这个效应，确认泡克尔斯广泛地研究了这个效应，确认电压诱电压诱发的这双析射效应正比于所加电压或电场的一发的这双析射效应正比于所加电压或电场的一次方，故又称它为线性电光效应。次方，故又称它为线性电光效应。线性电光效应仅在无中心对称的晶体中存在，在线性电光效应仅在无中心对称的晶体中存在，在32种晶体对称性中，有种晶体对称性中，有20种显示泡克尔斯效应，种显示泡克尔斯效应，有泡克尔斯效应的晶体同样也具有压电效应。有泡克尔斯效应的晶体同样也具有压电效应。不加外电场不加外电场，对单轴晶体，光，对单轴晶体，光轴沿轴沿Z方向，当光沿方向，当光沿Z轴方向轴方向传播不会发生双折

15、射；相应于传播不会发生双折射；相应于主折射率轴分别为主折射率轴分别为n0、ne（n0为对寻常光为对寻常光O光，光， ne对非常光对非常光e光的折射率），沿光的折射率），沿X、Y轴的轴的主折射率没有差别，主折射率没有差别，若沿若沿Z轴方向加电场轴方向加电场E，这时晶体不再是单轴晶体，而成为双，这时晶体不再是单轴晶体，而成为双轴晶体，轴晶体，X、Y轴也不再是主轴，轴也不再是主轴，X、Y轴却成为主轴。当光轴却成为主轴。当光振动平行于振动平行于X轴，相应的主折射率变成轴，相应的主折射率变成nx，光传播的速度为，光传播的速度为z；当光振动平行于；当光振动平行于Y轴，相应的主折射率变成轴，相应的主折射率变

16、成ny，光传，光传播的速度为播的速度为z；光振动沿不同方位有不同折射率和传播速度。；光振动沿不同方位有不同折射率和传播速度。电场改变了主轴，并使两个主轴折射率有了差异。电场改变了主轴，并使两个主轴折射率有了差异。 泡克尔斯效应折射率与电压关系 纵向光电效应：纵向光电效应：(电场电场/主轴，主轴，光光/E)引起主折射率的变化引起主折射率的变化 （ 为光电系数）为光电系数） 偏振方向沿偏振方向沿 ， 的两列光波，沿方向传播距离的两列光波，沿方向传播距离L，电场引起的电场引起的光程差光程差 L，相位差，相位差 L / 0 0即即(V=EL)(V=EL) L / 0 0 / 0 0（）（）横向光电效应

17、：横向光电效应： (电场电场 主轴主轴)引起主折射率的变化引起主折射率的变化 / 2沿沿 传播距离为传播距离为d，对应，对应 、偏振相位差为：、偏振相位差为： 2 d / 0 0 ( d / L ) / 0 0 （）（）泡克尔斯效应提供了用电场控制光传播和光强度的方法泡克尔斯效应提供了用电场控制光传播和光强度的方法1电光调制器电光调制器 电光晶体（电光晶体（KDP)两端做涂层透明两端做涂层透明电极，通过它对电极，通过它对kDP施加电场。无施加电场。无外加电场外加电场V0时，入射光通过偏振时，入射光通过偏振片片P1 ，线偏振光通过它时无双折，线偏振光通过它时无双折射，遇光轴与偏振器射，遇光轴与偏

18、振器P1光轴（偏光轴（偏振化方向）垂直的偏振器振化方向）垂直的偏振器P2，出射，出射光为零。光为零。 当在光传播方向（当在光传播方向（KDP光轴方向）光轴方向）施加电压施加电压V后，后，kDP的主轴便由的主轴便由X、Y轴变到轴变到X Y轴。偏振方向沿轴。偏振方向沿X 轴轴的线偏振光的振幅的线偏振光的振幅A将向将向X Y 轴分轴分解为解为xy，成为两列偏振方向垂，成为两列偏振方向垂直的线偏振光。直的线偏振光。 它们在它们在KDP中传播具有不同的速中传播具有不同的速度，在度，在KDP出口处的相位差由式出口处的相位差由式（2一一1）决定。在出口处是同频率）决定。在出口处是同频率的两个互相垂直的光振动

19、的叠加，的两个互相垂直的光振动的叠加，当电压当电压 / 2 0 0 / 两个互相垂直的光振动的位相差为两个互相垂直的光振动的位相差为。式中。式中/称为半波电压。它是使二者之间产生称为半波电压。它是使二者之间产生/的光程差或的光程差或的相位差所加的电压。这时的相位差所加的电压。这时出射的仍然是线偏振光，但偏振方向正好平出射的仍然是线偏振光，但偏振方向正好平行偏振器的偏振化方向，从出来的行偏振器的偏振化方向，从出来的为椭圆偏振光，对应不同的电压，从出射为椭圆偏振光，对应不同的电压，从出射的光强为的光强为 I = I 0 sin2/ 2 = I 0 sin2 / 2 V/V/2 (2-3) 这就是利

20、用泡克尔斯效应进行电光强度或振这就是利用泡克尔斯效应进行电光强度或振幅调制和光开关的原理。幅调制和光开关的原理。、电光双稳器、电光双稳器 光学双稳器是指具有光学双稳器是指具有两个稳定光强输出的装两个稳定光强输出的装置。如图置。如图2-5（a）所示，）所示，输出究竟取那个值，由输出究竟取那个值，由输入光强输入光强i控制。控制。当i小于某域值c，则输出光强t取1；当输入i大于c，输出光强突跳到2值。实际的光学双稳器没有这种可逆性，其输入输出特性如图2-5（b）所示。当输入光强由小变大，在输入为I b处，输出由I1转变为稳定值I2；若输入由大变小，并不会在Ib处输出由I值转变为1值，而是在输入降至a

21、时,输出才由2变为1，很象铁磁物质的磁滞回线。但是，如图2-6所示，只要将电光调制器加上正反馈，将输出只要将电光调制器加上正反馈，将输出光的一部分由光探测器接收变成电信号并放大，用这放大的光的一部分由光探测器接收变成电信号并放大，用这放大的电信号去控制加在电光晶体上的电压，正反馈产生的非线性电信号去控制加在电光晶体上的电压，正反馈产生的非线性使装置具有如图（）所示的双稳特性，这便成了一使装置具有如图（）所示的双稳特性，这便成了一个光学双稳器。个光学双稳器。 光学双稳器可用来作为二进制光逻辑部件，也可作为光控开关，对光脉冲进行限幅和整形，在光通信和光计算中有重要的应用。光电探测器放大器I iP1

22、 偏振片P 2 偏振片I t图2-6 光学双稳装 前述电光强度调制器是用加前述电光强度调制器是用加在电光晶体上的调制电压去控制在电光晶体上的调制电压去控制光的输出，也就是用加在电光晶光的输出，也就是用加在电光晶体上的电压改变互相垂直的光振体上的电压改变互相垂直的光振动分量通过晶体产生的相位差，动分量通过晶体产生的相位差，达到调制输出光强的目的。在调达到调制输出光强的目的。在调制电压一定的情况下，输出光强制电压一定的情况下，输出光强与输入光强呈线性关系。与输入光强呈线性关系。3光波导中电光改向与调制光波导中电光改向与调制 如图2所示；在光波导层的表面制作叉指形电极，加上电压后波导层内的折射率将呈

23、周期性变化，好似一个“光栅”。如果光以角入射，在2方向上将得衍射光线，衍射光的强度I随电压V变化。O2 （）式中是与波导层折射率及电光系数有关的系数。 第第3节电光克尔效应节电光克尔效应 第一个电光效应是苏格兰物理学家克尔（John Kerr）在1875年发现的。他发现电光克尔效应与泡克尔斯效应的差别是：这效应中折射率变差与电场强度这效应中折射率变差与电场强度的平方成正比，是二次电光效应，所的平方成正比，是二次电光效应，所用材料不是压电晶体，而是原本无双用材料不是压电晶体，而是原本无双折射的各向同性物质；折射的各向同性物质；泡克尔斯效应泡克尔斯效应是一次电光效应，是改变原本有双折是一次电光效应

24、，是改变原本有双折射的晶体的双折射特性。射的晶体的双折射特性。某些各向同性的透明物质处在电某些各向同性的透明物质处在电场中变成了双折射物质，这现场中变成了双折射物质，这现象被称为电光科尔效应。象被称为电光科尔效应。如图所示，有各向同性物质（如液体），在与透射光垂直的方向上施加高电压，各向同性物质便出现各向异性特征。这时，它很象一个单轴晶体，光轴与所加电场方向一致。对平行和垂直电场的光振动，物质显对平行和垂直电场的光振动，物质显现的折射率（光速）不同，分别为现的折射率（光速）不同，分别为和和，它们的差为：，它们的差为： 式中，K 称为克尔常数，是光在真空的波长。液体中的电光克尔效应，可归因于电场

25、使具有各向异性的分子趋于沿电场方向取向排列所致。在这里，单个分子的各向异性是重要的。对于固体，情况相当复杂，但总的效果是要造成各向异性。克尔电光调制器如图如图2-9 ，在玻璃盒中安装，在玻璃盒中安装有效长度为有效长度为L、 间距为间距为d的两的两个平板电极，并充以有机分个平板电极，并充以有机分子液体构成所谓克尔盒。然子液体构成所谓克尔盒。然后在透光方向放置两个偏振后在透光方向放置两个偏振器，其偏振化方向互相垂直，器，其偏振化方向互相垂直，并与所加电场分别成并与所加电场分别成角。角。在克尔盒中，当电压为零时透过偏振器在克尔盒中，当电压为零时透过偏振器P的光为零，当的光为零，当施加电压以后，平行和

26、垂直电场的光振动（相当于非施加电压以后，平行和垂直电场的光振动（相当于非常光常光e，寻常光，寻常光0）通过克尔盒后的相位差为：）通过克尔盒后的相位差为： 2nL/ L2 L2 / 2 2 / d / ( 2 K L) 1/2 2 由偏振器产生的线偏振光，在加有电场的介质中分解成寻常光0和非常光，朝着同一方向传播，但传播速度不同，在克尔盒的出口处相当两个互相垂直振动的叠加。一般为椭圆偏振光。但当 V2/ ( 2 KL) 1 / 2 时，时， ， 从克尔盒出来的仍是线偏振光；只是较入射在克尔盒从克尔盒出来的仍是线偏振光；只是较入射在克尔盒线偏振光的振动方向旋转了线偏振光的振动方向旋转了90。这时，

27、透过偏振器。这时，透过偏振器的光为最强。半波电压的光为最强。半波电压/2施加与否决定了光的施加与否决定了光的通断，这就是光开关的原理。通断，这就是光开关的原理。 若液体选用硝基苯，d为，L为几，粗略地估计需要加的半波电压2约 3 10 V。克尔效应做光开关速度快，在高速摄影中作为快门，在光学测量中作为斩光器，在脉冲激光器中作为开关。如果施加的电压不正好是半波电压，克尔盒就成了一个电光调制器）。第节液晶的电光效应第节液晶的电光效应 不只是非中心对称晶体有泡克尔斯效应，液晶也有泡不只是非中心对称晶体有泡克尔斯效应，液晶也有泡克尔斯效应。克尔斯效应。所谓所谓液晶是介于液态与晶态之间的中间态物质。它即

28、象液晶是介于液态与晶态之间的中间态物质。它即象液体一样具有流动性，又由于分子排列有一定程度的有序，液体一样具有流动性，又由于分子排列有一定程度的有序，也显示类似晶体的特性，故名液晶。也显示类似晶体的特性，故名液晶。液晶有两大类：液晶有两大类：热致液晶（在某一温度范围内具有液晶特性）热致液晶（在某一温度范围内具有液晶特性）溶致液晶（溶于水或有机溶剂中显示液晶特性）溶致液晶（溶于水或有机溶剂中显示液晶特性）（溶于水或有机溶剂中显示液晶特性）。液晶早在（溶于水或有机溶剂中显示液晶特性）。液晶早在年就由奥地利植物学家莱尼茨尔发现，直到年年就由奥地利植物学家莱尼茨尔发现，直到年海麦尔（海麦尔（G.H.H

29、eilmier）等人发现液晶有强的泡克尔斯效）等人发现液晶有强的泡克尔斯效应，并首先用于显示和存储方面。应，并首先用于显示和存储方面。第节液晶的电光效应第节液晶的电光效应 后者与生物组织有关。迄今已发现具有液晶态的材料有几千种之多， 结构也多种多样。液晶分子一般为细长棒状，也有盘状、碗状的。液晶分子的排列有三种类型：液晶分子的排列有三种类型：向列型：向列型：液晶分子位置是随机分布，但分子轴都向着同一液晶分子位置是随机分布，但分子轴都向着同一方向；方向；近晶型：近晶型：分子轴都向同一方向，分子只在一层层的平面内分子轴都向同一方向，分子只在一层层的平面内是随机分布的，垂直于层的方向上是规则的，形成

30、规整的层是随机分布的，垂直于层的方向上是规则的，形成规整的层状结构。状结构。胆巢型：胆巢型：从宏观上看，每一层上分子轴都向同一方向，但从宏观上看，每一层上分子轴都向同一方向，但从一层到另一层分子轴的取向逐步扭曲，从一层到另一层分子轴的取向逐步扭曲，扭曲螺距约扭曲螺距约，扭曲方向有左旋、右旋两种；，扭曲方向有左旋、右旋两种； 所有类型的共同特征是具有强的取向有序性。所有类型的共同特征是具有强的取向有序性。、液晶的光学各向异性、液晶的光学各向异性 由于液晶分子的细长结构和强烈的取向有序，使液晶显由于液晶分子的细长结构和强烈的取向有序，使液晶显示各项异性，在光学上具有单轴晶体的特性。示各项异性，在光

31、学上具有单轴晶体的特性。向列型和近晶型液晶的光轴沿分子轴的方向。液晶的各向列型和近晶型液晶的光轴沿分子轴的方向。液晶的各向异性可用向异性可用定量表示，定量表示，、分别表示平行、垂分别表示平行、垂直光轴方位的介电常数。直光轴方位的介电常数。按按的符号可将液晶分为两类：的符号可将液晶分为两类：的称为型液晶的称为型液晶；，似乎都成了，似乎都成了P型。型。因为折射率与因为折射率与有对应关系，所以，这时必有有对应关系，所以，这时必有0。分别是光、光的折射率。这样看来，。分别是光、光的折射率。这样看来，向列型液晶具有正单轴晶体的光学性质。光轴平行和垂直向列型液晶具有正单轴晶体的光学性质。光轴平行和垂直液晶

32、界面的两种情形，对液晶应用有重要意义。液晶界面的两种情形，对液晶应用有重要意义。液晶的光学各向异性液晶的光学各向异性对于对于胆巢型液晶胆巢型液晶，光轴是扭曲的光轴是扭曲的，光轴（分子轴）扭曲角度与光在液晶中通过的光轴（分子轴）扭曲角度与光在液晶中通过的距离成正比，即扭曲角距离成正比，即扭曲角式中式中是单位是单位距离上的扭曲角。距离上的扭曲角。如果入射线偏振光的光振动沿着入射面上分子轴方如果入射线偏振光的光振动沿着入射面上分子轴方向，则出射光仍是线偏振光，向，则出射光仍是线偏振光，不过光振动相对入射的光不过光振动相对入射的光振动旋转了角度振动旋转了角度，与出射面上分子轴方向平行。即光振，与出射面

33、上分子轴方向平行。即光振动随分子轴旋转，始终保持与分子轴平行。动随分子轴旋转，始终保持与分子轴平行。如果入射光光振动垂直入射面上分子轴，光振动也如果入射光光振动垂直入射面上分子轴，光振动也随液晶分子轴的旋转而旋转，始终保持与分子轴垂直。随液晶分子轴的旋转而旋转，始终保持与分子轴垂直。如果入射线偏振光既不平行也不垂直入射面处的分如果入射线偏振光既不平行也不垂直入射面处的分子轴，则出射光一般是椭圆偏振光。子轴，则出射光一般是椭圆偏振光。、在电场中液晶分子轴的取向、在电场中液晶分子轴的取向 液晶分子在形状、介电常液晶分子在形状、介电常数和电导率等方面都呈现各数和电导率等方面都呈现各向异性。向异性。对

34、它施加外电场，对它施加外电场，分子轴取向会发生改变，从分子轴取向会发生改变，从而导致光学性质的变化。而导致光学性质的变化。 用两片玻璃，其上覆盖用两片玻璃，其上覆盖透明电极，十几透明电极，十几的液晶夹在玻的液晶夹在玻璃板之间，侧面用隔垫和密封剂封装，一个液晶盒便构造出来。通过璃板之间，侧面用隔垫和密封剂封装，一个液晶盒便构造出来。通过对玻璃表面的物理或化学处理，可使分子轴平行或垂直玻璃表面。对玻璃表面的物理或化学处理，可使分子轴平行或垂直玻璃表面。通过透明电极可给液晶施加电场：在电场作用下，型液晶分子通过透明电极可给液晶施加电场：在电场作用下，型液晶分子轴与电场方向平行，型液晶分子轴与电场方向

35、垂直轴与电场方向平行，型液晶分子轴与电场方向垂直见图见图（）。（）。不管是平行还是垂直，都是使能量趋于最小，都是使介电不管是平行还是垂直，都是使能量趋于最小，都是使介电常数最大的方向与电场方向平行的举动。电场对液晶分子的这一作用常数最大的方向与电场方向平行的举动。电场对液晶分子的这一作用必然带来液晶光学性质的变化。必然带来液晶光学性质的变化。用电压来改变液晶的光透明度、光反射、散射及颜色的效应在电用电压来改变液晶的光透明度、光反射、散射及颜色的效应在电子工业部门获得了重要的应用，制成了各种用途的液晶器件。子工业部门获得了重要的应用，制成了各种用途的液晶器件。（1）电控双折射效应）电控双折射效应

36、 如图如图2所示，将分子轴（光轴）所示，将分子轴（光轴）垂直液晶表面排列的垂直液晶表面排列的N型液晶盒置于型液晶盒置于偏振化方向互相垂直的两个偏振器偏振化方向互相垂直的两个偏振器、之间。之间。液晶不加电压时，液晶不加电压时，入射液晶盒的光是入射液晶盒的光是沿光轴方向传播，光不发生双折射，沿光轴方向传播，光不发生双折射，这时无光透过偏振器这时无光透过偏振器，透射视场是，透射视场是暗的。暗的。当液晶盒加上电压，待电场超过阈值当液晶盒加上电压，待电场超过阈值，液晶分子轴与电场垂直，从而发生双液晶分子轴与电场垂直，从而发生双折射。入射线偏振光分解成折射。入射线偏振光分解成0光和光，光和光，沿同一方向传

37、播但传播速度不同，液沿同一方向传播但传播速度不同，液晶出射光一般为椭圆偏振光。晶出射光一般为椭圆偏振光。选择一定的液晶厚度，出射液晶的光选择一定的液晶厚度，出射液晶的光可以是线偏振光可以是线偏振光。总之，这时有光通。总之，这时有光通过偏振器过偏振器，透射视场是亮的。因此，透射视场是亮的。因此，利用电控双折射效应可制造液晶显示利用电控双折射效应可制造液晶显示屏和光开关。屏和光开关。（2）扭曲向列液晶的场效应）扭曲向列液晶的场效应 向列型液晶本无旋光性，若将与液晶上下接触的表面作处理，情况就不一样了。如图2-12所示，将液将液晶盒中充以晶盒中充以P型向列液晶，对接触面型向列液晶，对接触面的预处理，

38、使上下表面处的液晶分的预处理，使上下表面处的液晶分子轴平行表面，但彼此垂直，在二子轴平行表面，但彼此垂直，在二者之间液晶分子轴的取向就扭曲了。者之间液晶分子轴的取向就扭曲了。然后，在液晶盒的上下表面贴上偏在液晶盒的上下表面贴上偏振片，偏振片的偏振化方向彼此垂振片，偏振片的偏振化方向彼此垂直但与表面处液晶分子轴平行直但与表面处液晶分子轴平行。当自然光入射在偏振片上，成了当自然光入射在偏振片上，成了线偏振光，通过液晶后偏振面逐步线偏振光，通过液晶后偏振面逐步扭曲。在达到第二个偏振片时，振扭曲。在达到第二个偏振片时，振动方向正好平行于偏振片的光轴，动方向正好平行于偏振片的光轴，因此光能透过偏振片，因

39、此光能透过偏振片，透射视场透射视场呈亮态呈亮态。当加电压于液晶盒，当加电压于液晶盒， P型液晶分子型液晶分子轴将平行电场取向而竖立起来，入轴将平行电场取向而竖立起来，入射液晶的线偏振光的偏振面不发生射液晶的线偏振光的偏振面不发生转动，达到偏振片转动，达到偏振片2被阻挡，被阻挡，透射视透射视场呈暗态。场呈暗态。显然，这种液晶盒可以做为显示器，由于它驱动电压低，功耗小 ，对比度高，该效应在液晶手表、计算器仪表显示器方向获得广泛应用。（3）宾主彩色效应）宾主彩色效应 有些物质对某个方向的光振动吸收很强，有些物质对某个方向的光振动吸收很强，而对与之垂直的光振动不吸收，这被称为而对与之垂直的光振动不吸收

40、，这被称为二向色性。二向色性。对于具有二向色性的染料，其吸收不但与光吸收不但与光振动方向有关，还与波长有关振动方向有关，还与波长有关。在电场作用下，这种宾主混合物发生颜色在电场作用下，这种宾主混合物发生颜色变化的现象称为变化的现象称为宾主效应。宾主效应。有的染料吸收平行染料分子长轴的光振动（正性染料），也有的对垂直染料分子长轴的光振动吸收强（负性染料）。液晶有液晶有P型和型，宾主互相搭配型和型，宾主互相搭配的方式会很多，可以显示各种绚丽的方式会很多，可以显示各种绚丽多彩的图案，利用宾主效应可构造多彩的图案，利用宾主效应可构造彩色显示屏。彩色显示屏。偏振片就是利用二向色性做成的。 将少量二色性染

41、料与液晶均匀混合将少量二色性染料与液晶均匀混合起来，由于二色性染料分子往往也是长条状，处在液晶中也顺着液晶分子轴排列。加上外加上外电场，液晶分子轴改变方向，二色性染料电场，液晶分子轴改变方向，二色性染料分子也随之改变取向，从而使透射光颜色分子也随之改变取向，从而使透射光颜色（光谱）发生变化。（光谱）发生变化。因为染料少，而且取向随液晶分子取向而染料少，而且取向随液晶分子取向而定，故为定，故为“宾宾”，液晶为液晶为“主主”。（4）液晶磁光和电光克尔效应）液晶磁光和电光克尔效应 由于液晶强烈的非线性，它具有高阶的磁光效应和电光效应。磁场同样可引起光学性质的变化，如：磁致双折射和法拉第效应（见第三章

42、）。液晶还显示很强的电光科尔效应，电光克尔系数比普通液体大两个数量级，只需十多伏的电压就能工作，而呈现该效应的KDP晶体却需施加近万伏的电压。 液晶不但呈现诸多技术上有重要价值的效应，此外液晶对生物也是特别重要的。现已探明，在正常生理条件下，生物膜处于液晶状态，是一种溶致液晶。柏林自由大学的W. Helfrich教授已从液晶理论出发建立起定量生物膜理论，并据比成功地解释了一些生理现象，以前这些只是知其然不知其所以然。第第5节节 场致发光效应场致发光效应 发光：发光：是物质将从外界吸收的能量以可见光或是物质将从外界吸收的能量以可见光或近可见光的形式重新释放出来的过程。近可见光的形式重新释放出来的

43、过程。发光至少包括激发和辐射两个步骤：发光至少包括激发和辐射两个步骤：激发：激发：吸收外界能量的过程为激发过程。吸收外界能量的过程为激发过程。这时物质内的激活系统或发光中心从低能态过渡到高物质内的激活系统或发光中心从低能态过渡到高能态，或者发生了内部离化，出现了自由的电子能态，或者发生了内部离化，出现了自由的电子或空穴。或空穴。就是靠物质的这些内部变化，得以存下得以存下从外界获得的能量。从外界获得的能量。这种激发状态维持时间不长，短则10-10S，长也难及数秒。辐射：辐射：处于激活的系统从高能态跃迁至低能态，处于激活的系统从高能态跃迁至低能态，或者电子与空穴复合以光子形式将能量抛射出来，或者电

44、子与空穴复合以光子形式将能量抛射出来，谓之辐射。谓之辐射。场致发光效应场致发光效应 在激发和辐射过程中，还可能有一系列中间在激发和辐射过程中，还可能有一系列中间过程，如电子、空穴在物质中的漂移、扩散或落过程，如电子、空穴在物质中的漂移、扩散或落入电子、空穴陷阱。这些中间过程在很大程度上入电子、空穴陷阱。这些中间过程在很大程度上取决于发光物质的内部结构。取决于发光物质的内部结构。 研究发光的细致过程可以提供物质结构的信研究发光的细致过程可以提供物质结构的信息，了解晶体中杂质和缺陷的作用、载流子在晶息，了解晶体中杂质和缺陷的作用、载流子在晶体中的运动和能量输运转换等问题体中的运动和能量输运转换等问

45、题。在激发中从外界吸收的能量也不一定全以光的形在激发中从外界吸收的能量也不一定全以光的形式辐射出去，有一部分可能转换为物质的热能或式辐射出去，有一部分可能转换为物质的热能或其它非辐射能，常称之为非辐射跃迁。其它非辐射能，常称之为非辐射跃迁。从发光效从发光效率来说希望非辐射跃迁少点为好。率来说希望非辐射跃迁少点为好。（一）载流子注入式场致发光效应（一）载流子注入式场致发光效应 年劳苏（）在对碳化硅晶体进行研究时，观察到了场致发光现象。后来，人们在锗、硅、磷化镓等许多晶体的 结观察到了持续的场致发光。 有同质结同质结、异质结异质结之分，下面分别讨论，激发的方式多种多样，依激发方式不同可将发光分为光

46、致发光光致发光、电（场）致发光电（场）致发光、化学发光化学发光等。从能量角度看，发光是将其它能量转变成光能的过程。场致发光是指发光材料在电场作用下的发光。是电能转变为光辐射能的过程.（）同质结注入（）同质结注入 同种本征半导体单晶通过掺杂成为N型和型，让其相互接触便成为同质结。结区是势垒区，其能带如图（）所示。不加电压时，P区和区的多数载流子空穴和电子，被结区势垒阻挡无净流动。若给PN结加正向电压，这时势垒降低，势垒区变窄。N区的多数载流子电子注入区；区的多数载流子空穴注入N区。空穴在N区，电子在P区为少数载流子。掺杂本征半导体注入的少数载流子与该区的多数载流于掺杂本征半导体注入的少数载流子与

47、该区的多数载流于复合，相当电子从导带跃迁到价带，从而辐射出光子复合，相当电子从导带跃迁到价带，从而辐射出光子h。（）异质结注入 P区和N区是由不同本征半导体单晶掺杂而成，如图（）所示，它们的禁带宽度不同，它们的禁带宽度不同，型区和型区接触后，对型区和型区接触后，对空穴和对电于的势垒高度空穴和对电于的势垒高度不同。不同。如图（）所示，当给当给PN结加上正向电压时结加上正向电压时，对区对区的空穴不存在势垒，不断向区的空穴不存在势垒，不断向区扩散，形成空穴流，注入的空穴扩散，形成空穴流，注入的空穴与与N区电子复合发光。区电子复合发光。对于区的对于区的电子，相对电子，相对P区仍存在势垒，其势区仍存在势

48、垒，其势垒高于两种材料的禁带宽度之差。垒高于两种材料的禁带宽度之差。N区的电子不能注入区的电子不能注入P区。这样，禁带宽的区就成了注入区。这样，禁带宽的区就成了注入空穴的源。禁带窄的区成了发光区。空穴的源。禁带窄的区成了发光区。发光二极管（）载流子注入场致发光效应最流行的应用是制作发光二极管（），用来发射可见光和红外光。由于LED具有工作电压低、功耗小、寿命长等优点，使它在固体显示中已居主导地位，广泛用于电子计算机、各种仪器仪表中的指示灯，数字、符号的显示器。作为光通信和各种检测、监控设备的光源，也是光电耦合器中不可少的部件。目前制做的材料，用得最多的是一族化合物半导体。二元化合物中，用来做红

49、外 ，主要用来做红光（：）、绿光（GaP：N）和黄光（GaP：N）LED。用来做LED的三 元化合物有、等。发射的是非相关光，为了获得相干光，人们又利用这个效应制作出了小巧的半导体激光器。P一N结正向注入式半导体激光器的基本结构如图2-17所示。与一般二极管一样，它也是由结构成，不同的是有两个垂不同的是有两个垂直于结的反射面，以构成直于结的反射面，以构成光谐振腔。光谐振腔。半导体激光器要产生受激辐射要产生受激辐射激光，必须满足三个条件：激光，必须满足三个条件：粒子按能级分布数反转，粒子按能级分布数反转，具备光谐振腔，具备光谐振腔，泵浦功率超过确定的域值。泵浦功率超过确定的域值。在平衡态下，粒子

50、总是趋向于分布在低能级，所以高能级粒子比低能级分布的粒子少，所谓“粒子数分布粒子数分布反转反转”是说高能级的粒子比低能级分布的多是说高能级的粒子比低能级分布的多。对半导体激光器，涉及的是能带材料，电子服从费米分布。粒子数反转不是说整个导带的电子数大于整个价带的电子数，而是紧靠导带底上面能区的电子数多于紧靠价紧靠导带底上面能区的电子数多于紧靠价带顶下面能区的电子数带顶下面能区的电子数。为此，对于材料来说，需要在区和区进行高掺杂。光谐振腔对发射的光波起选择作用，使其共振频率在光谐振腔对发射的光波起选择作用，使其共振频率在谐振腔中形成稳定的振荡，而其它的被抑制掉。谐振腔中形成稳定的振荡，而其它的被抑

51、制掉。即使材料具备形成粒子数反转的条件，也不等于实现和维持了粒子数分布的反转。还要有一个能源将粒子从低能级泵浦到高能级去，有一个能源将粒子从低能级泵浦到高能级去，泵浦功率太小，粒于数反转仍不能实现和维持，这时仍是自发辐射非相干光。 只有泵浦功率（这里是流过二极管的电流）超过只有泵浦功率（这里是流过二极管的电流）超过临界域值才能真正实现和维持住粒子数反转，从而产生临界域值才能真正实现和维持住粒子数反转，从而产生受激辐射受激辐射激光。激光。半导体激光器特点与发展现状半导体激光器是在年发明的，由于体积小和能进行半导体激光器是在年发明的，由于体积小和能进行高频调制，成了光纤通讯的主要光源，用四元高频调

52、制，成了光纤通讯的主要光源，用四元半导体制作的波长：半导体制作的波长：m的半导体激光器主要的半导体激光器主要用于光通讯。用双异质结做的半导体激光器，用于光通讯。用双异质结做的半导体激光器，发射波长发射波长750890nm的激光、广泛用于激光打印、光盘及家的激光、广泛用于激光打印、光盘及家用电器中。半导体激光器不但可产生红外光，也可产生可见光。用电器中。半导体激光器不但可产生红外光，也可产生可见光。用材料的异质结和量子阱做成的激光器波长为用材料的异质结和量子阱做成的激光器波长为670、690nm，用，用GalnPAiGaP的多量子阱器件可构制波长的多量子阱器件可构制波长630nm的半导体激光器，

53、用的半导体激光器，用ZnSeCdZnSe量子阱可制做波长量子阱可制做波长490nm的蓝绿激光器。的蓝绿激光器。由于半导体激光器体积小、可调谐、线宽窄、不需要水冷却由于半导体激光器体积小、可调谐、线宽窄、不需要水冷却等优点，它也是光谱实验、全息照相、激光测距、医疗等方面等优点，它也是光谱实验、全息照相、激光测距、医疗等方面的一个较好的光源，并将在光学信息处理、光计算等领域发挥的一个较好的光源，并将在光学信息处理、光计算等领域发挥重要作用。由于重要作用。由于P一一N结可做得很小，在一个微小的硅片上足结可做得很小，在一个微小的硅片上足以制作出数以千万计的激光器，其应用前景是可想而知的。以制作出数以千

54、万计的激光器，其应用前景是可想而知的。异质结加反向电压发光异质结加反向电压发光 前面说到，不管是发光二极管前面说到，不管是发光二极管还是激光二极管，加的都是正向电还是激光二极管，加的都是正向电压。其实压。其实加反向电压，加反向电压，P一一N结也结也可发光，只是要加较高的反向电压，可发光，只是要加较高的反向电压，发光的机理也有差别。发光的机理也有差别。如图如图2一一1（a）所示为）所示为异质异质PN结未加电压结未加电压时的能带情形。图时的能带情形。图21（b）表）表明，当加反向电压明，当加反向电压V时，时，价带电子可隧穿到的导带。价带电子可隧穿到的导带。高的反向电压形成的强电场使隧穿电子获得有效

55、加速，足以产生碰撞高的反向电压形成的强电场使隧穿电子获得有效加速，足以产生碰撞离化，当电子再与已离化的发光中心复合时就会发光。离化，当电子再与已离化的发光中心复合时就会发光。在反向电压激发下的金属半导体（）结和金属一绝缘层半导体（）结都能实现场致发光，如将稀土元素注入ZnS晶体中制备出在反向电压下可发黄、绿、蓝光的发光二极管。（二）德斯特里奥效应1936年德斯特里奥（G.D. Destriau）将掺有适当激活剂（如铜）的硫将掺有适当激活剂（如铜）的硫化锌粉沫浸在绝缘油中，在交变电场化锌粉沫浸在绝缘油中，在交变电场超过某临界值时就能持续发光，这被超过某临界值时就能持续发光，这被称为德斯特里奥效应

56、。称为德斯特里奥效应。铜的加入使母体材料获得了发光能力，从而铜被称为激活剂。当能级被电子占据时视为基态，电子激发到导带，相当被空穴占据，谓之激发，相反的过程为复合。 ZnS是离于晶体，它的禁带比较宽。是离于晶体，它的禁带比较宽。铜的掺入改变了中铜的掺入改变了中周围的周围的环境。环境。Cu取代取代Zn的位置后，的位置后，Cu十十周围的周围的离子上的电子就不如离子上的电子就不如Zn十十十十周围的周围的上的电子受的束缚紧，上的电子受的束缚紧，这就扰动了这就扰动了构成的满带。象在本构成的满带。象在本征半导体中掺杂产生杂质能级一样，征半导体中掺杂产生杂质能级一样，铜的掺入在满带之顶的禁带中产生了铜的掺入

57、在满带之顶的禁带中产生了一个局域能级一个局域能级G（见图（见图2），铜），铜便成了发光中心。便成了发光中心。场致发光像增强器场致发光像增强器利用场致发光还可制做像增强器，把弱的图象转变成强的图象，把不可见的红外乃致射线的图象转变成可见光图象。其原理如图221（a）所示，当硫化镉光敏电阻上无光照射时，电阻很高，电压多降在它上面。场致发光层上的电压很小，场致发光层上的电压很小，没有超过临界电压，屏不发光。没有超过临界电压，屏不发光。当光照在光敏电阻上，由于光当光照在光敏电阻上，由于光电导电阻降低，场致发光屏的电导电阻降低，场致发光屏的电压升高而发光。实际的象加电压升高而发光。实际的象加强器是将二者

58、制作在一起成为强器是将二者制作在一起成为一个显示屏。如图一个显示屏。如图2一一21（b）所示所示.（三）格登颇尔效应（三）格登颇尔效应 1920年格登和颇尔（Gxudden：ponl）使硫化锌物质在光（紫外线或射线）照射下发射萤光，当突然加上或切断足够高的直流电压时发出闪光，说明萤光发射增强，但在直流电压持续作用期间并无闪光，这称为格登一颇尔效应。后来发现，受电场影响也有萤光减弱的情形，这称为底歇（Dechene）效应。实验中，加电压时电极与硫化锌绝缘也能发闪光，说明电场只是起一种诱导作用。一般认为：这现象的产生是由于材料中这现象的产生是由于材料中有一种储存光能的机构有一种储存光能的机构。电场

59、只是促使这些储存的能量释放出电场只是促使这些储存的能量释放出来而已来而已。那么，是什么机制实现了能量的储存？ 通常在绝缘体或半导体的禁带中可能存在许多俘获电子或空通常在绝缘体或半导体的禁带中可能存在许多俘获电子或空穴的能级，相当于材料中存在一些电子或空穴的陷阱。电子或空穴的能级，相当于材料中存在一些电子或空穴的陷阱。电子或空穴运动到此就会停留在此，除非给予适当的能量，才能把它们由穴运动到此就会停留在此，除非给予适当的能量，才能把它们由俘获阱中拉出来。俘获阱中拉出来。 从能量上说，就是把电子从这些禁带中的俘获能级激发到导带把电子从这些禁带中的俘获能级激发到导带。这些陷阱，当它们未俘获到电子或空穴

60、时，便是俘获中心。擅长俘获电子的为电子陷阱，擅长俘获空穴的为空穴陷阱。当这些陷阱一旦俘获了电子或空穴，它们就成了一个复当这些陷阱一旦俘获了电子或空穴，它们就成了一个复合中心。当有空穴或电子靠近时，便可发生复合。合中心。当有空穴或电子靠近时，便可发生复合。禁带中俘获能级或陷阱的存在，主要是由于晶体结构的不完整性或缺陷（结构陷阱），如裂缝、位错、晶粒间界、点缺陷等；或是由于杂质的混入（化学陷阱）。禁带中分立的俘获能级多与化学陷阱有关，而准连续的俘获能级与结构陷阱有关。 举个例来说，对于离子晶体，如果有某个应为负离子占的位置空位了，那此处就象是一个带正电荷的空位，即一个电子陷阱。 现在来解释效应，设