2021-2022学年高二物理竞赛课件：光波在电光晶体中的传播 (1).pptx

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1、光波在电光晶体中的传播本章要求：本章要求：1 1）了了解解光光波波在在大大气气、磁磁光光介介质质、非非线线性性介介质质和和水水中的传播规律性；中的传播规律性；2 2）掌掌握握光光波波在在电电光光晶晶体体和和声声光光晶晶体体中中的的传传播播原原理理与规律与规律.一些晶体材料，当上施加电场之后，将引起束缚一些晶体材料，当上施加电场之后，将引起束缚电荷的重新分布，并可能导致离子晶格的微小形变，电荷的重新分布，并可能导致离子晶格的微小形变，其结果将引起介电性质变化，最终导致晶体折射率的其结果将引起介电性质变化，最终导致晶体折射率的变化，这就是变化，这就是电光效应电光效应.折射率的变化与电场折射率的变化

2、与电场E有关有关:线性电光效应线性电光效应或泡克或泡克耳（耳（Pockels）效应）效应二次电光效应二次电光效应或克尔或克尔（Kerr）效应。）效应。大多数大多数电光晶体电光晶体材料，材料，一次效应一次效应比比二次效应二次效应显著，只讨论线性显著，只讨论线性电光效应。电光效应。矩阵形式：矩阵形式：和和 之间可通过之间可通过介电张量介电张量联系起来，即：联系起来，即：晶体包括晶体包括双轴晶体、单轴晶体和各向同性晶体双轴晶体、单轴晶体和各向同性晶体.一电致折射率变化一电致折射率变化电电光光效效应应的的分分析析可可用用几几何何图图形形折折射射率率椭椭球球的的方方法，这种方法直观、方便。法，这种方法直

3、观、方便。1 折射率椭球的引入与意义折射率椭球的引入与意义(补充补充)(1)晶体的介电常数与折射率晶体的介电常数与折射率（下标（下标1,2,3表示表示xyz）分量形式：分量形式：注意注意:1）各向异性晶体中电位移各向异性晶体中电位移D的每一个分量的每一个分量Di都都与三个电场强度分量与三个电场强度分量Ej(j=1,2,3)存在着线性关系，存在着线性关系，D不不再与再与E同向同向.如图，波矢如图，波矢k D,能流能流S E,D与与E之间夹之间夹角角 称为离散角称为离散角。2)2)坐标系确定后坐标系确定后 均为常量，大小取决于均为常量，大小取决于晶体的结构晶体的结构和和三个坐标轴相对晶格结构的选择

4、情况三个坐标轴相对晶格结构的选择情况。这时这时xyzxyz坐标轴称为坐标轴称为介电主轴。介电主轴。分量分量Di只与一个电只与一个电场强度分量场强度分量Ei存在着线性关系存在着线性关系:Di=i iEi选择适当的坐标系选择适当的坐标系xyzxyz，可实，可实现介电张量现介电张量 ijij 的的对角化对角化：按对称性按对称性,双轴晶体双轴晶体有三个独立的有三个独立的 分量分量:Dx=xEx Dy=yEy Dz=zEz各向同性晶体各向同性晶体有一个独立的有一个独立的 分量分量:单轴晶体单轴晶体有两个独立的有两个独立的 分量分量:这时这时D与与E同向同向!Dx=xEx Dy=xEy Dz=xEz Dx

5、=xEx Dy=xEy Dz=zEz在介电主轴坐标系中，在介电主轴坐标系中，晶体的折射率晶体的折射率椭球为正椭椭球为正椭球，方程为：球，方程为：(2)(2)折射率椭球折射率椭球n nx x，n ny y，n nz z分别为沿分别为沿x x，y y，z z方向振动的线偏振光方向振动的线偏振光的折射率的折射率,称为这三个方向的主折射率。称为这三个方向的主折射率。双轴双轴:n nx xnny y n nz z，单轴单轴:n nx xn ny y n nz z，各向同性各向同性:n nx xn ny yn nz z，根据折射率的定义，可得出根据折射率的定义，可得出介电主轴坐标系下的折射率介电主轴坐标系

6、下的折射率:折射率椭球的性质：折射率椭球的性质：性质性质1 1：任一给任一给定波矢量定波矢量 ，对应着两个正交对应着两个正交偏振的电位移分偏振的电位移分量量D1和和D2，其确，其确定方法如下：定方法如下：D D1 1和和D D2 2的确定方法：的确定方法：过折射率椭球中心做与过折射率椭球中心做与 垂直的平面，此平面与椭球垂直的平面，此平面与椭球相交形成一椭圆，则：相交形成一椭圆，则：1 1）、椭圆的长、短轴方向就、椭圆的长、短轴方向就是是D1与与D2方方向。向。2）、沿、沿D1和和D2偏振的两个分量的折射率偏振的两个分量的折射率n1 和和n2 分别分别等于对应的椭圆主轴的半长度。等于对应的椭圆

7、主轴的半长度。性性质质2：矢矢量量与与椭椭球球面面交交点点处处的的法法线线方方向向就就是是 对对应应的电场强度的电场强度 的方向。的方向。单轴晶体单轴晶体：n nx x=n=ny y=n=n0 0，n nz z=n=ne e,单轴晶体折射率椭球是一个以单轴晶体折射率椭球是一个以z轴轴(光轴光轴)为对称轴的旋转椭球。为对称轴的旋转椭球。单轴晶体的光传播特性：单轴晶体的光传播特性：1)波矢波矢k与光轴与光轴(z轴轴)夹角夹角=0,时，即时，即光波平行光波平行于于z轴传播时，垂直于轴传播时，垂直于k的截面是一个圆，其半径为的截面是一个圆，其半径为no，表明只存在一种折射率，表明只存在一种折射率，两个

8、互相垂直的偏振，两个互相垂直的偏振分量的传播速度相同。分量的传播速度相同。2)波矢波矢k与光轴夹角与光轴夹角0,时，时，垂直于垂直于k的截面是一个的截面是一个椭圆，椭圆的一个主轴总垂直于椭圆，椭圆的一个主轴总垂直于z轴，长度为轴，长度为no，说说明沿该方向振动的偏振光的明沿该方向振动的偏振光的折射率与折射率与 无关，为寻常无关，为寻常光，其光，其D与与E方向一致。方向一致。椭圆的另一个主轴位于波矢椭圆的另一个主轴位于波矢k与光轴所在的平面内，与光轴所在的平面内，长度界于长度界于ne和和no之间。说明这种光波的之间。说明这种光波的折射率与折射率与 有有关，为非常光，其关，为非常光，其D与与E方向不同方向不同。双折射现象双折射现象