第章 晶体在外场作用下的光学性质 .pptVIP

3.1 晶体光学简介 1、晶体光学 光是一种电磁波，而光学晶体是一种各向异性的电磁介质。因此，晶体光学是各向异性的电磁介质中电磁波传播的问题。 由于大多数光学介质的相对导磁率非常接近于l，影响光学介质中电磁波传播的物理过程主要是电极化过程。 3.1 晶体光学简介 2、介电张量 在各向异性晶体中，如果在三维空间的一个轴x1方向施加电场E，所产生的极化强度不仅在x1方向有分量，而且在另外两个轴即x2和x3轴方向上都产生极化强度分量，即电位移矢量D与电场强度之间的关系是 3.1 晶体光学简介 式中k，l可取1，2，3三个值；介电系数εkl是一个二阶张量，共有3×3＝9个分量。由于晶体的对称性质，介电(系数)张量是对称的二阶张量，其各分量之间满足关系式εkl=εk。因而，其独立分量将由9个减少成6个，相应的双下标kl也可按如下规律简化成1～6的单下标：11→1，22→2，33→3，23、32→4，31、13→5，12、2l→6，即 3.1 晶体光学简介 εkl的数值与选取的坐标轴x、y和z相对于晶体结构的取向有关。实际上存在一个特殊的坐标系，在该坐标系中，非对角线上的介电张量为零，即仅存在对角元素ε1、ε2、ε3。这个特殊的坐标系称为晶体的介电主轴坐标系。在主轴坐标系中 3.1 晶体光学简介 3、晶系 在晶体学中，理想的晶体结构是由三个基本平移矢量a，b，c(它们三者的次序服从右旋法则)所确定的，三个基本平移矢量a，b，c代表重复单元的三个棱边之长与取向。 3.1 晶体光学简介 3.1 晶体光学简介 4、三大晶族及特性 1）高级晶族 立方晶系属于高级晶系，具有最高的对称性。立方晶系在光学上表现为各向同性，即ε1=ε2=ε3=n2。 3.1 晶体光学简介 2）中级晶族 三方晶系、四方晶系和六方晶系都属于中级晶族，它们的高次旋转轴就是光轴。中级晶族的介电张量具有旋转对称性(ε1=ε2 ε3)，在光频条件下，ε1=ε2＝ ，ε2＝ 。no称为寻常折射率；ne称为异常折射率。当光线具有不同的偏振方向时，寻常折射率不变。值得注意的是，不同偏振方向的电磁波对应的异常折射率并不等于ne，而是随偏振方向与光轴间夹角的变化而变化。 3.1 晶体光学简介 光线在中级晶族的晶体中传播时，会发生双折射现象。然而，存在一个特殊的传播方向；在这个方向，偏振方向互相垂直的任意两个线偏振光的折射率和位相速度都相同，这个特殊方向称为晶体的光轴。可见，沿着光轴方向传播的光不发生双折射。中级晶族对应的晶体都只有一个光轴，因此称为单轴晶体。如：冰洲石、石英、红宝石、冰等。 中级晶族对应的晶体都只有一个光轴，因此称为单轴晶体。在习惯上，又按单轴晶体no和ne的相对大小把单轴晶体分为正单轴晶体和负单轴晶体。 ne ＞ no的晶体称为正单轴晶体， ne ＜ no的晶体称为负单轴晶体。一般常用的晶体多数属于负单轴晶体，只有少数属于正单轴晶体。 3.1 晶体光学简介 3）低级晶族 单斜、三斜和正交晶系都属于低级晶族。低级晶族的晶体的二阶介电张量在主轴坐标系内的对角线分量各不相同，即ε1 ε2 ε3。低级晶族的晶体具有两个光轴，因此又称为双轴晶体。如：云母、兰宝石、橄榄石、硫磺等。 在集成光学中应用的晶体主要是单轴晶体，采用波导制作工艺以获得具有某种结构及折射率分布的光波导。 光波导的晶体材料的折射率在某些物理因素如外加电场、弹性形变等的作用下将发生改变，从而达到控制波导光的目的。 3.2 电光效应 1、电光效应及应用 外加电场引起介质折射率变化的现象称为电光效应。 电光效应改变了介质的介电系数，还可能使各向同性介质转变为各向异性。或者导致原有的各向异性性质的变化，产生人工双折射现象。 电光效应已经在激光技术、集成光学器件、光学信息处理和光通信等领域中有着广泛的应用。 3.2 电光效应 2、电光效应的唯象表示 在光频下，外加电场E通过电光效应引起的介质极化强度的变化。附加的极化造成的折射率变化，可用以下表达式描述： 式中n0是外加电场E趋于零时的折射率；aE是折射率变化的一次项，该项代表的折射率变化称为线性电光效应或泡克耳斯(Pockels)效应；二次项bE2代表的折射率变化称为二次电光效应或克尔(Kerr)效应。 3、线性电光效应 1875年克尔（Kerr）发现了第一个电光效应。某些各向同性的透明介质在外加电场作用下变为各向异性，表现出双折射现象，介质具有单轴晶体的特性，并且光轴在电场的方向上，这一现象又称为克尔效应（Keer effect）。某些液体的克尔效应比较显著。克尔效应最大的特点是几乎没有延迟时间，它随着电场的产生与消失很快地产生和消失，能追随非常快的交变外电场响应频