電光材料與磁光材料

1、電光電光材料與磁光材料材料與磁光材料黑梅黑梅 材料科學(xué)與工程四班材料科學(xué)與工程四班電光材料21、電光材料的定義2、電光材料的原理簡(jiǎn)介3、電光材料的種類(lèi)4、電光材料的主要應(yīng)用及現(xiàn)狀什么是電光材料？ 電光材料：具有電光效應(yīng) 的光學(xué)功能材料 電光效應(yīng)：在外界電場(chǎng)（直流或交變場(chǎng)）作用下，材料的折射率發(fā)生感應(yīng)雙折射式變化的現(xiàn)象。3電光材料的原理 基于線性電光效應(yīng)（普克耳斯效應(yīng)），線性電光效應(yīng)的特點(diǎn)是感應(yīng)折射率變化正比于外界電場(chǎng)強(qiáng)度的一次方，n =b E 另一種基于二次電光效應(yīng)（光學(xué)克爾效應(yīng)）?？藸栃?yīng)的特點(diǎn)是感應(yīng)折射率變化正比于外加電場(chǎng)強(qiáng)度的二次方，其規(guī)律是折射率改變量么n 和所施加電場(chǎng)的強(qiáng)度E 的二次

2、方成正比, 即:n =b E4電光材料的原理 習(xí)慣上常使用=l/ n , 并稱(chēng)之為相對(duì)隔離率, 由于n = E/E0 所以有= E0/E.E0和E分別為真空和介質(zhì)中的介電常數(shù)。根據(jù)固體的量子論觀點(diǎn), 光學(xué)介質(zhì)的折射率n 或隔離率與晶體中的電荷分布有關(guān)。電光作用的實(shí)質(zhì)為, 當(dāng)對(duì)介質(zhì)施加電場(chǎng)作用時(shí), 鍵電荷將重新分布, 并導(dǎo)致離子點(diǎn)陣的輕變, 結(jié)果使光學(xué)介質(zhì)的折射率或隔離率發(fā)生相應(yīng)變化以此類(lèi)推, 我們可以寫(xiě)出電光效應(yīng)的劫= n 一n o = a E + b E + c E + 式中克爾效應(yīng)項(xiàng)及其以后諸項(xiàng)統(tǒng)稱(chēng)為非線性電光效應(yīng)項(xiàng)。5電光材料性能要求電光材料性能要求這些要求包括:晶體的電光系數(shù)大, 因此

3、用于電光開(kāi)關(guān)時(shí)其半波電壓低; 折射率大, 光學(xué)均勻性好;透明波段范圍寬,抗光損傷能力強(qiáng);物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定, 易加工;容易獲得高光學(xué)質(zhì)量的大尺寸單晶。6電光材料的種類(lèi)電光材料的種類(lèi)1、線性電光效應(yīng)材料：產(chǎn)生該效應(yīng)的材料必須是不具對(duì)稱(chēng)中心的各向異性晶體.常用的線性電光效應(yīng)的材料是諸如磷酸二氫鉀(KDP)、磷酸二氫銨（ADP）、鈮酸鋰(LiNbO)碘酸鋰(LiIO)等不具有中心對(duì)稱(chēng)性的晶體；2、二次電光效應(yīng)材料：這種材料可以是具有任意對(duì)稱(chēng)性質(zhì)的晶體或各向同性介質(zhì)。常用的二次電光效應(yīng)的材料是一些具有較大克爾常數(shù)的有機(jī)液體如硝基苯苯等。7 從結(jié)晶化學(xué)角度來(lái)看, 可分為以下幾類(lèi)：( 1)線性電光效應(yīng)：KD

4、P磷酸二氫鉀型晶體: 包括KDP, DKDP, ADP, KDA等。這類(lèi)晶體的線性電光效應(yīng)比較顯著, 而且容易從水溶液中生長(zhǎng)出尺寸巨大的容易從水溶液中生長(zhǎng)出尺寸巨大的高光學(xué)質(zhì)量晶體高光學(xué)質(zhì)量晶體, 因此, 這類(lèi)晶體是已知電光晶體中應(yīng)用最為廣泛的材料, 在需特大型晶體的場(chǎng)合, 如激光受控?zé)岷司圩? 是唯一的選擇。其缺點(diǎn)是這類(lèi)水溶性晶體易潮解, 需特殊保護(hù)。8 ( 2)二次電光效應(yīng)：ABO3 型晶體: 該類(lèi)晶體中有許多是具有氧八面體結(jié)構(gòu)的鐵電材料, 具有較大的折射率和介電常數(shù)較大的折射率和介電常數(shù)。鈣鈦礦晶體是典型的ABO3 型晶體, 這些晶體(如BaTiO3, SrTiO3, KTaO3, KN

5、bO3 等)有顯著的二次電光效應(yīng), 在鐵電相, 則有顯著的線性電光效應(yīng)。鈣鈦礦型晶體的缺點(diǎn)是組成復(fù)雜, 居里溫度低, 不易生長(zhǎng)出大尺寸和均勻的晶體, 抗光傷性質(zhì)也較差。910眾所周知, 光波在各向異性介質(zhì)中的傳播問(wèn)題可以通過(guò)折射率橢球來(lái)描述, 在主軸坐標(biāo)系中折射率橢球表現(xiàn)為最簡(jiǎn)單形式, 即:式中x 、y 、z 為主軸方向, 即在這個(gè)方向晶體中的E 和D 是平行的, 、n , 、幾為主軸折射率。折射率橢球法11折射率橢球法具體分析方法如下：寫(xiě)出常態(tài)( 主軸化) 折射率橢球方程。 寫(xiě)出( 電光作用下) 畸變的橢球方程進(jìn)行坐標(biāo)變換使之在新坐標(biāo)系中主軸化確定新主軸折射率明確快慢軸12電光材料的主要應(yīng)用

6、電光材料的主要應(yīng)用電光效應(yīng)的應(yīng)用外加電場(chǎng)通過(guò)電光效應(yīng)改變材料 的折射率，引起折射率橢球的主軸取向和長(zhǎng)度的改變， 這對(duì)應(yīng)于傳輸光束的特征模和特征值的改變，即產(chǎn)生透 過(guò)光束的偏振態(tài)和相位的變化，由此可產(chǎn)生一系列光功 能效應(yīng)。電光材料通常用來(lái)制成光開(kāi)關(guān)元件或光調(diào)制元件，由外加電場(chǎng)加以控制。13 電控光開(kāi)關(guān):原理：將電光晶體置于互成正交的一對(duì)偏 振器之間，并使晶體的電感生特征模方向與偏振器方位 成45度角，則一定幅度(相當(dāng)于半波電壓磯)的外加電 壓就能使晶體中兩個(gè)偏振模程差改變半個(gè)波長(zhǎng)，從而實(shí) 現(xiàn)對(duì)透過(guò)光的開(kāi)關(guān)控制。這種電光效應(yīng)的響應(yīng)可達(dá) 10一。秒，可制作超快速電光快門(mén)。 應(yīng)用： 光分組交換（OPS

7、） 光快速切換（OBS） 光交叉連接 光交換接入網(wǎng)絡(luò) 光學(xué)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器底板） 開(kāi)關(guān)延遲線（相控陣列天線，光學(xué)緩沖） 特性：該光開(kāi)關(guān)具有高效的電-光性能和高折射率，因其獨(dú)特的 PLZT 晶體材料（鋯鈦酸鉛鑭陶瓷( PLZT) 是屬PZT鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷）和完全沒(méi)有任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)的部件，該產(chǎn)品有著非常高的可靠性及環(huán)境適應(yīng)性。14 光強(qiáng)度的電調(diào)制:在類(lèi)似上述電光開(kāi)關(guān)的裝置 中，透過(guò)光強(qiáng)與外加電壓的關(guān)系可用貝賽爾函數(shù)展開(kāi)， 這是一種平方律光強(qiáng)度調(diào)制器。如果在外加調(diào)制電壓同 時(shí)加上半波電壓一半的直流偏壓，或用一個(gè)四分之一波 片插入光路以提供預(yù)置四分之一程差，那么在調(diào)制電壓 低于0.38

8、3磯(風(fēng)為約化半波電壓)時(shí)，可獲得近似線 性的光強(qiáng)調(diào)制，由此可制成光強(qiáng)度的線性調(diào)制器。 電光電光材料的主要應(yīng)用材料的主要應(yīng)用15 光偏振器:普克耳斯效應(yīng) 普克爾盒采用重氫磷酸鉀（KD*P）晶體，并在縱向方向施加電場(chǎng)。采用縱向方案可以使驅(qū)動(dòng)電壓與孔徑尺寸無(wú)關(guān)，這樣可以使用比橫向普克爾盒更大的孔徑。光的偏振方向是以電壓為變量對(duì)輸出光的偏振方向進(jìn)行快速、精確地調(diào)節(jié)。施加穩(wěn)定電壓后，普克爾盒可以看做一片電壓控制的波片。通過(guò)施加變化電壓，用戶(hù)可以使用普克爾盒來(lái)改變通過(guò)晶體后的位相延遲。由于其響應(yīng)比標(biāo)準(zhǔn)聲光也液晶器件更快，普克爾盒極其適合用于Q調(diào)制激光器。電光材料的主要應(yīng)用電光材料的主要應(yīng)用16光頻率調(diào)制

9、:又稱(chēng)光波長(zhǎng)調(diào)制外加頻率的電場(chǎng)在光強(qiáng)調(diào)制器中 必然產(chǎn)生不同于原頻率光波的混頻，從而產(chǎn)生光 波。一般調(diào)制電場(chǎng)頻率與光波線寬相比小得多，因而無(wú) 實(shí)用價(jià)值；但對(duì)微波電場(chǎng)，則可造成明顯的頻率調(diào)制。 這種調(diào)制可用外差法或鎖相技術(shù)靈敏檢出。電光材料的主要應(yīng)用電光材料的主要應(yīng)用17 光相位調(diào)制18磁光材料1、磁光材料的定義2、磁光材料的原理簡(jiǎn)介3、磁光材料的種類(lèi)4、磁光材料的主要應(yīng)用及現(xiàn)狀19什么是磁光材料？磁光材料是指在紫外到紅外波段，具有磁光效應(yīng)的光信息功能材料。 1.磁光效應(yīng)磁光效應(yīng)光與磁場(chǎng)中的物質(zhì)或光與具有自發(fā)磁化特性的物質(zhì)發(fā)生相互作用后所引起的光學(xué)特性變化的現(xiàn)象。（1）法拉第效應(yīng)）法拉第效應(yīng)平面的

10、偏振光通過(guò)帶磁性的物體時(shí)，其偏振光面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即呈現(xiàn)旋光性，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁光法拉第效應(yīng)，又稱(chēng)磁致旋光效應(yīng)。產(chǎn)生原因是由于物質(zhì)內(nèi)部原子或分子中的電子，在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下引起旋進(jìn)式運(yùn)動(dòng)所致20（2）.克爾效應(yīng)克爾效應(yīng)照射到強(qiáng)磁性的介質(zhì)表面的直線偏振光在反射時(shí)，其偏振面也會(huì)隨磁場(chǎng)的變化而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即旋光性，這一現(xiàn)象稱(chēng)為克爾效應(yīng)。比較法拉第效應(yīng)和克爾效應(yīng)，法拉第效應(yīng)是透射光呈旋進(jìn)性，克爾效應(yīng)是反射光呈旋進(jìn)性。21（3）科科頓頓-蒙頓效應(yīng)蒙頓效應(yīng)在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，一些各向同性的透明磁介質(zhì)會(huì)呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，即在與入射光垂直的方向上加上外磁場(chǎng)，則該磁場(chǎng)介質(zhì)中的一束入射光會(huì)變成兩束出射光-正常光（o光）和異常光（

11、e光），這種現(xiàn)象稱(chēng)為科頓-蒙頓效應(yīng)。 科頓-蒙頓效應(yīng)是由于分子在外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生定向排列所致。僅在少數(shù)液體中表現(xiàn)較明顯，而在一般固體中則不明顯。22磁光材料按其狀態(tài)主要有晶體材料，玻璃材料和液體材料三種。（1）.磁光晶體磁光晶體1.稀土石榴石 代表是釔鐵石榴石2.釓鎵石榴石 同時(shí)具有激光，超低溫磁制冷性質(zhì) 3.磁光單晶膜 用做小型緊固的互易元件，光隔離器，磁光存儲(chǔ)器和磁光顯示器。4.其他磁光晶體 硫?qū)倩衔顲dCr2S4,CoCrS4 （2）.磁光玻璃磁光玻璃常用的優(yōu)質(zhì)磁致旋光玻璃，主要是一些重要的原子鉛的氧化物玻璃，砷的三硫化物玻璃等。（3）.磁光液體磁光液體主要是一些呈現(xiàn)科頓-蒙頓效應(yīng)的液

12、體，如水，丙酮，氯仿，苯等。磁磁光材料的種類(lèi)光材料的種類(lèi)23磁光材料的應(yīng)用磁光材料的應(yīng)用光隔離器光隔離器當(dāng)激光束通過(guò)起偏鏡成為線偏振光，經(jīng)過(guò)磁光晶體后偏振面旋轉(zhuǎn)一角度（45）則可通過(guò)與其偏振反向相同的檢偏鏡，若此光被反射回來(lái)，則再次旋轉(zhuǎn)45兩次旋轉(zhuǎn)90不可能再通過(guò)起偏器 ，從而達(dá)到反射光與激光器隔離的目的。24磁光存儲(chǔ)器磁光存儲(chǔ)器原理：磁光存貯是通過(guò)激光加熱和施加反向磁場(chǎng)在稀土非晶合金薄膜上，產(chǎn)生磁化強(qiáng)度垂直于膜面的磁疇，利用該磁疇進(jìn)行信息的寫(xiě)入，利用克爾磁光效應(yīng)讀出。25相對(duì)于其他存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)：1、聚集效應(yīng)：異常強(qiáng)的抵抗塵埃和劃傷能力2、磁頭和介質(zhì)不接觸：不存在讀寫(xiě)頭的碰撞與磨損3、光盤(pán)可以取

13、出，可以在驅(qū)動(dòng)之間相互交換使用4、高矯頑性，面密度容量大5、垂直磁記錄，高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已于1988年將磁光盤(pán)系統(tǒng)推向市場(chǎng)，據(jù)報(bào)道，2000年僅日本的磁光盤(pán)系統(tǒng)市場(chǎng)將達(dá)1萬(wàn)億日元26磁光電流測(cè)試儀磁光電流測(cè)試儀磁光電流測(cè)試的工作原理如圖3所示磁光介質(zhì)放在高壓導(dǎo)線附近，由光源發(fā)出的平面偏振光穿過(guò)磁光介質(zhì)上并被后面的鏡子反射回來(lái)的平面偏振光由檢測(cè)器測(cè)得其偏振光的旋轉(zhuǎn)角，根據(jù)此光法拉第效應(yīng)，偏振光的旋轉(zhuǎn)角直接通外加磁場(chǎng)有關(guān)，而這一磁場(chǎng)是由高壓線中的電流所產(chǎn)生的，并同這一電流成正比。因此，由檢測(cè)的偏振光的磁光旋轉(zhuǎn)，就可以無(wú)接觸地測(cè)得高壓線的電流27磁光測(cè)量系統(tǒng)磁光測(cè)量系統(tǒng) 主要特點(diǎn)： 1、非常高的靈敏度和穩(wěn)定性，非常低的噪音，可以探測(cè)到低至 10-12 emu 的磁矩。 2、高度聚焦的激光，激光束斑達(dá)到 2 m，可以輕松進(jìn)行樣品的局部或單個(gè)結(jié)構(gòu)的性能檢測(cè)。 3、先進(jìn)的樣品定位技術(shù)。光路中集成光學(xué)顯微鏡以觀測(cè)激光束斑的聚焦點(diǎn)和大小；掃描克爾顯微鏡可以樣品的交流磁化率圖像以及反射率圖像，幫助用戶(hù)選擇樣品的精細(xì)測(cè)量區(qū)域。 4、任意的磁場(chǎng)波形控制?？梢赃x配多種電磁體：四極磁體、偶極磁體