固体光学晶体光学精.ppt

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1、固体光学晶体光学第1页，本讲稿共70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)：第2页，本讲稿共70页设设起起偏偏镜镜A与与检检偏偏镜镜P的的夹夹角角为为，起起偏偏镜镜A与与线线偏偏振光振动振光振动D(或或D”)方向成方向成。则。则o光和光和e光的振幅为光的振幅为o光和e光在检偏镜振动轴OP方向的投影为第3页，本讲稿共70页从晶片出射的振动方向互相垂

2、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：马吕斯定律第4页，本讲稿共70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当起起偏偏镜镜(或或检检偏偏镜镜)振振动动轴轴方方向向与与D或或D”)方方向向一一致致或或成成直直角角时时，透透过过检检偏偏镜镜的的干干涉涉强强度度为为零零，视视野野全全暗暗，称称为为消消光光现现象象。此此时时晶晶片片c所所处处的的位位置置称称为消光位置。晶片转为消光位置。晶片转360将出现四次消光。

3、将出现四次消光。第5页，本讲稿共70页晶片c 随转动载物台一周，视野将出现四次最亮位置。第6页，本讲稿共70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。第7页，本讲稿共70页第8页，本讲稿共70

4、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：第9页，本讲稿共70页当当沿沿Z方方向向外外加加电电场场E3，则则产产生生KDP晶晶体体的的 63纵纵向向电电光光效效向向，即即KDP晶晶体体变变为为双双轴轴晶晶体体。晶晶体体中中二二线线偏偏振振光光沿沿x1或或x2方方向向振振动动，45o。此此时时透透过检偏镜的光强为过检偏镜的光强为:相对透过率因为：第10页，本讲稿共70页所以：相对透过率 T是 加在KDP晶体Z-切片

5、上纵向电压V3的正弦平方的函 数，T将随V3周期性变化。第11页，本讲稿共70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V3V。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：第12页，本讲稿共70页a)外加电场的不均匀性。b)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。c)起偏镜或检

6、偏镜因质量问题使二者不能严格正交或平行。d)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。第13页，本讲稿共70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。第14页，本讲稿共70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

7、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。第15页，本讲稿共70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)。第16页，本讲稿共70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

8、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。第17页，本讲稿共70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。第1

9、8页，本讲稿共70页第19页，本讲稿共70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）第20页，本讲稿共70页 将将两两块块同同种种材材料料的的电电光光晶晶体体(如如KDP晶晶体体)按按图图所所示示的的形形式式贴贴在在一一起起，它它们们的的取取向向已已标标在在图

10、图上上，其其特特点点是是；它它们们的的x3轴轴方方向向相相反反。电电场场E3方方向向垂垂直直纸纸面面向向里里，构成了构成了KDP晶体晶体 63横向效应连续型电光偏转器。横向效应连续型电光偏转器。2、连续型电光偏转器第21页，本讲稿共70页假假设设有有一一束束线线偏偏振振光光沿沿x2方方向向正正交交入入射射到到左左侧侧电电光光晶晶体体A的的界界面面上上，振振动动方方向向沿沿x1，光光在在晶晶体体A中中的的折折射率射率:当当光光波波进进入入到到右右侧侧电电光光晶晶体体B中中，光光波波仍仍保保持持沿沿x1方方向向振振动动。由由于于电电场场E3在在A和和B中中的的方方向向恰恰相相反反，所所以在以在B晶

11、体中的折射率与在晶体中的折射率与在A中的不同中的不同: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。第22页，本讲稿共70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：第23页，本讲稿共70页由三块电光晶体组成的偏转器第24页，本讲稿共70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。在第一块和第二块棱镜的交界面上，入射1=/2，折射

12、角为2，有：第25页，本讲稿共70页在第二块和第三块棱镜的界面上，入射角3为所以：第26页，本讲稿共70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第27页，本讲稿共70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、电光调制器第28页，本讲稿共70

13、页 在正交偏振器之间加一个在正交偏振器之间加一个KDP晶体，为了改晶体，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波片，就构成了电光强度调制器(如上图所示如上图所示)。沿沿KDP晶体晶体x3轴通光，并利用轴通光，并利用 63纵向效应使其感纵向效应使其感应主轴应主轴x1和和x2与起偏镜和检偏镜的振动方向成与起偏镜和检偏镜的振动方向成45o.第29页，本讲稿共70页 在没有加纵向信号电压(Us=0)只加直流电压V 3时，得到光通过检偏镜的相对透过率如图曲线。第30页，本讲稿共70页若在电光晶体上加一个载有传递信息的交变信号

14、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：第31页，本讲稿共70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：第32页，本讲稿共70页第33页，本讲稿共70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

15、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。第34页，本讲稿共70页晶体光学第二部分：晶体其它非线性光学效应第二部分：晶体其它非线性光学效应1、弹光效应；弹光效应；2、声光效应；、声光效应；3、热光效应；、热光效应；4、旋光效应；、旋光效应；5、磁光效应；、磁光效应；第35页，本讲稿共70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(

16、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。第36页，本讲稿共70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：第37页，本讲稿共70页其矩阵形式：第38页，本讲稿共70页同理：应变弹光效应第39页，本讲稿共70页举例：立方晶系的弹光效应143m、432和m3m晶类的弹光效应第40页，本讲稿共70页立方晶系的43m、432和m3m晶类由原来的光学匀质体变为

17、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。第41页，本讲稿共70页223和m3晶类的弹光效应第42页，本讲稿共70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。第43页，本讲稿共70页第44页，本讲稿共70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

18、通常采用偏光干涉法。第45页，本讲稿共70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。第46页，本讲稿共70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

19、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。第47页，本讲稿共70页第48页，本讲稿共70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。第49页，本讲稿共70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 当当超超声声波波频频率率较较高高(一一般般在在20MHz以以上上)，声声光光作作用用较较大大(L 2 2/)时时，除除零零级级以以外外，只只得得到到最最强强的的第第级级序序衍衍射射光光，其其余余各各级级序序衍衍射射光

20、光强强几几乎乎为为零零。这这种衍射称为布喇格声光衍射。（正常布拉格衍射）种衍射称为布喇格声光衍射。（正常布拉格衍射）第50页，本讲稿共70页第51页，本讲稿共70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-.第52页，本讲稿共70页2喇曼-奈斯声光衍射 当当超超声声波波频频率率较较低低(20MHz)，声声

21、光光相相互互作作用用长长度度较较短短(L 2/2)，光光束束Ki与与超超声声波波面面平平行行(i=0)时时，产产生生喇喇曼曼奈奈斯斯声声光光衍衍射射。类类似似于于平平面面光光栅栅的的夫夫琅琅和和费费衍衍射射，喇喇曼曼奈奈斯斯声声光光衍衍射射中中平平行行光光束束垂垂直直通通过过超超声声波波柱柱相相当当于于通通过过一一个个很很薄薄的的声声光光栅栅，再再通通过过会会聚聚透透镜镜可可在在屏屏上上观观察察到到各各级级序的衍射条纹。序的衍射条纹。第53页，本讲稿共70页第54页，本讲稿共70页第55页，本讲稿共70页 喇曼喇曼奈斯声光衍射的特点：奈斯声光衍射的特点：(1)在在中中心心末末衍衍射射的的光光束

22、束(零零级级序序)两两侧侧对对称称形形成成第第一级和更高级的衍射光束。其强度逐级减弱。一级和更高级的衍射光束。其强度逐级减弱。(2)衍衍射射光光出出现现频频移移。这这是是因因为为“声声光光栅栅”是是运运动动的的，由由多多普普勒勒效效应应所所致致。超超声声波波在在介介质质中中为为行行波时，频率的变化己标在图中波时，频率的变化己标在图中 。(3)通通过过超超声声波波柱柱的的光光波波再再不不是是平平面面波波，其其波波面面出出现现皱皱折折(如如图图所所示示)。这这是是因因为为介介质质中中各各点点折折射射率随率随x轴（声速方向轴（声速方向)作周期变化所致。作周期变化所致。第56页，本讲稿共70页第57页

23、，本讲稿共70页(4)超声波在介质中以行波传播时，衍射光强基本不随时间变化。各级序的衍射光频率在图中已标出。如果介质中超声波形成驻波时，各级序衍射光强随时间作周期变化。各级序光束不再象行波光栅衍射时那样具有简单的多普勒频移的单色光，而是含有多种频率的复合光。第58页，本讲稿共70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(b

24、ij)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。第59页，本讲稿共70页 对于双轴晶体的热光效应，三个主折射率变化的对于双轴晶体的热光效应，三个主折射率变化的不同不仅导致光率体形状发生变化。而且光轴角也将不同不仅导致光率体形状发生变化。而且光轴角也将发生变化。这将引起发生变化。这将引起系列有趣的效应。系列有趣的效应。以石膏为例，在室温下它是一个正双轴晶体，随着温度升高光轴角将减小，到90o c时对于5893A的光、它成了单轴晶体。继续升高温度它又变为双轴晶体，这种现象称为交叉色散。通常发生于二个主折射率比较接近而光轴角较大的情况。第60页，本讲稿共7

25、0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、旋光现象第61页，本讲稿共70页实验发现，在固体介质中偏振面转动角度与样品厚度d成正比。第62页，本讲稿共70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。第63页，本讲稿共70页2、磁光效应 法拉弟发现线偏旅光的偏振面在磁场中的旋转，后来称为法拉弟效

26、应。这种非旋光物质在强磁场作用下，可变成具有旋光的现象称为磁光效应。除此之外，磁光效应还应包括入射的线偏振光在铁磁性材料表面反射时，反射光的偏振面发生旋转的现象以及与克尔效应相似的磁致双折射现象。第64页，本讲稿共70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，即第65页，本讲稿共70页 磁致旋光方向与磁场方向有关，对于绝大多数物质、磁致旋光方向都是右旋的(顺着磁场方向观察时)这种物质称为正旋体。反之称为负旋体。磁致旋光方向与光的传播方向无关。这与自然旋光不同。利用这一特性可以使光波在两反射镜之间多次穿越磁场以增强磁光效应。磁光隔离器是

27、利用法拉弟效应制作的使光束只能沿单方向前进，不能反向传播的光学器件。例如图所示的几个激光放大器之间的级间耦合就是利用了这种磁光隔离器。第66页，本讲稿共70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。第67页，本讲稿共70页1.2.按电光快门原理图回答第68页，本讲稿共70页第69页，本讲稿共70页3.8.4.5.6.7.第70页，本讲稿共70页