固体光学-晶体光学

固体光学-晶体光学6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；固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第1页!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Io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)：固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第2页!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方向的投影为固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第3页!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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第4页!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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第5页!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：固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第6页!所以：相对透过率T是加在KDP晶体Z-切片上纵向电压V3的正弦平方的函数，T将随V3周期性变化。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第7页!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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第8页!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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第9页!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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第10页!固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第11页!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E3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、连续型电光偏转器固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第12页!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．nn其中：固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第13页!当一束线偏振光垂宜人射到棱镜组时，如果V3=0，则光束不偏转，如果V30，则光束发生偏转。在块和第二块棱镜的交界面上，入射1=/2，折射角为2，有：固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第14页!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固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第15页!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x3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45o.固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第16页!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：固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第17页!固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第18页!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；固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第19页!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：固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第20页!同理：应变弹光效应固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第21页!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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第22页!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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第23页!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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第24页!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Sx: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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第25页!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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第26页!固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第27页!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Ki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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第28页!固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第29页!固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第30页!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(bij)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(bij)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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第31页!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、旋光现象固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第32页!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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第33页!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，即固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第34页!P1和p2为偏振轴夹角45o的一对偏振器，且P2方向是按P1顺时针转过45o方向设置。经过偏振器P1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45o。从法拉弟盒出来的线偏光恰与P2偏振方向一致，可以顺利通过偏振器P2。对于反射光从P2向P1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45o基础上再次通过法拉弟盒仍沿顺时针力向又转了450，从而使偏振面恰与P1偏振轴方向垂直，不能通过偏振器P1。这佯就达到了光学隔离的目的。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第35页!固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第36页!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：马吕斯定律固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第37页!晶片c随转动载物台一周，视野将出现四次最亮位置。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第38页!固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第39页!当沿Z方向外加电场E3，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，＝45o。此时透过检偏镜的光强为:相对透过率因为：固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第40页!相对透过率T随着V3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V3＝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1010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：固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第41页!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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第42页!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te偏离原入射方向在晶体中传播并射出(如图中实线所示)。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第43页!如果V3=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V3=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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第44页!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2n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）固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第45页!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x’1方向振动。由于电场E3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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第46页!由三块电光晶体组成的偏转器固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第47页!在第二块和第三块棱镜的界面上，入射角3为所以：固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第48页!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、电光调制器固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第49页!在没有加纵向信号电压(Us=0)只加直流电压V3时，得到光通过检偏镜的相对透过率如图曲线。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第50页!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：固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第51页!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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第52页!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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第53页!其矩阵形式：固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第54页!举例：立方晶系的弹光效应1．43m、432和m3m晶类的弹光效应固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第55页!2．23和m3晶类的弹光效应固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第56页!固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第57页!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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第58页!固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第59页!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(L22/)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）固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第60页!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vs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-.固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第61页!固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第62页!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。固体光学-晶体光学共70页，您现在浏览的是第63页!(4)超声波在介质中以行波