固體光學(xué)晶體光學(xué)

固體光學(xué)晶體光學(xué)第一頁，共七十頁，2022年，8月28日一、平行光束的偏振光干涉圖畫出了實現(xiàn)平行光束的偏振光干涉裝置示意圖。一束平行的自然光束通過起偏鏡A后成為線偏振光Io在晶體C中分解為振動方向互相垂直、傳播方向一致但速度不同的特殊雙折射的二線偏振光，即o光和e光。設(shè)二者振幅均為OA，過c后在空間傳播的o光和e具有固定的位相差(或光程差)：第二頁，共七十頁，2022年，8月28日設(shè)起偏鏡A與檢偏鏡P的夾角為，起偏鏡A與線偏振光振動D’(或D”)方向成。則o光和e光的振幅為o光和e光在檢偏鏡振動軸OP方向的投影為第三頁，共七十頁，2022年，8月28日從晶片出射的振動方向互相垂直的o光和e光在檢偏鏡P上實現(xiàn)具有恒定位相差、振動方向相同、頻率相同的線偏振光的干涉。干涉后的強度為式中：馬呂斯定律第四頁，共七十頁，2022年，8月28日討論：正交偏光鏡(=/2)下的偏光干涉如果將晶片c置于正交偏光鏡的載物臺上(不能沿光軸方向通光)，調(diào)好焦距在檢偏鏡處發(fā)生正交偏光干涉。下面分析幾種干涉極值情況當(dāng)起偏鏡(或檢偏鏡)振動軸方向與D’〔或D”)方向一致或成直角時，透過檢偏鏡的干涉強度為零，視野全暗，稱為消光現(xiàn)象。此時晶片c所處的位置稱為消光位置。晶片轉(zhuǎn)360‘將出現(xiàn)四次消光。第五頁，共七十頁，2022年，8月28日晶片c隨轉(zhuǎn)動載物臺一周，視野將出現(xiàn)四次最亮位置。第六頁，共七十頁，2022年，8月28日二、電光開關(guān)近年來電光效應(yīng)在激光技術(shù)，光信息處理和光通信技術(shù)等近代工程技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。例如，利用晶體的電光效應(yīng)可以制成電光快門、電光調(diào)制、電光偏轉(zhuǎn)器、電光相位延遲器、電光調(diào)Q激光器以及大屏幕顯示靶面，還可以用于電光銷模技術(shù)等。電光開關(guān)就是利用電信號來控制光路通斷的裝置，也稱電光快門。工作原理是在一般光學(xué)系統(tǒng)中加進一對正交的起偏鏡P和檢偏鏡A并在其中間放置電光晶體樣品構(gòu)成。我們現(xiàn)用KDP晶體的Z-切片來討論電光快門的工作原理及其有關(guān)概念。第七頁，共七十頁，2022年，8月28日第八頁，共七十頁，2022年，8月28日在KDP晶體Z-切片上沒加電場時，它是單軸晶體，Z-切片的主軸x1(或x2)與起(檢)偏鏡平行。通光方向垂直Z-切片，無雙折射現(xiàn)象．垂直z方向光率體中心截面是一個圓，透過檢偏鏡的光強度滿足：正交偏光鏡(=/2)下的偏光干涉：第九頁，共七十頁，2022年，8月28日當(dāng)沿Z方向外加電場E3，則產(chǎn)生KDP晶體的63縱向電光效向，即KDP晶體變?yōu)殡p軸晶體。晶體中二線偏振光沿x’1或x’2方向振動，＝45o。此時透過檢偏鏡的光強為:相對透過率因為：第十頁，共七十頁，2022年，8月28日所以：相對透過率T是加在KDP晶體Z-切片上縱向電壓V3的正弦平方的函數(shù)，T將隨V3周期性變化。第十一頁，共七十頁，2022年，8月28日相對透過率T隨著V3的增加而周期性的出現(xiàn)最大和最小，相當(dāng)于快門的打開和關(guān)閉。如果外加瞬時脈沖電壓V3＝V。上圖就變成了瞬時電光快門。由于電光效應(yīng)的響應(yīng)時間短，這種電光快門的開關(guān)速度很快，可達1010次/秒，這是任何機械快門都不可能達到的。電光快門的另一個重要參數(shù)是消光比，就是最大輸出光強和最小輸出光強之比。最小透過光強應(yīng)該是零，但實際上最小光強很難達到零。這是由于以下幾個因家所決定：第十二頁，共七十頁，2022年，8月28日外加電場的不均勻性。晶體本身有內(nèi)應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力不均勻，由彈光效應(yīng)引起輕微雙折射而導(dǎo)致漏光。起偏鏡或檢偏鏡因質(zhì)量問題使二者不能嚴格正交或平行。入射光束的發(fā)散度，使光束不能嚴格的平行光軸方向。要想獲得較大的消光比，應(yīng)從以上幾個方面提高電光開關(guān)的質(zhì)量。第十三頁，共七十頁，2022年，8月28日三、電光偏轉(zhuǎn)器利用電光效應(yīng)來改變介質(zhì)中光束的傳播方向的技術(shù)通稱為電光偏轉(zhuǎn)。實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)的途徑很多，除電光效應(yīng)外，還可通過彈光效應(yīng)(包括聲光效應(yīng))、磁光效應(yīng)等辦法控制光束實現(xiàn)數(shù)字型偏轉(zhuǎn)或連續(xù)型偏轉(zhuǎn)。光束偏轉(zhuǎn)在激光應(yīng)用技術(shù)、各種顯示技術(shù)、光信息處理與存儲技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。下面分別介紹數(shù)字型電光偏轉(zhuǎn)器和連續(xù)型電光偏轉(zhuǎn)器的基本原理。第十四頁，共七十頁，2022年，8月28日1、數(shù)字型電光偏轉(zhuǎn)器數(shù)字型電光偏轉(zhuǎn)器通常簡稱為數(shù)字偏轉(zhuǎn)器。它是在普通光學(xué)系統(tǒng)中加進起偏器、電光晶體和雙折射晶體組成。下圖為一級數(shù)字型電光偏轉(zhuǎn)器的原理圖。第十五頁，共七十頁，2022年，8月28日假設(shè)電光晶體利用KDP晶體Z-切片63的縱向效應(yīng)，雙折射晶體采用方解石或硝酸納。在圖中標出各晶體的方向及起偏器偏振軸的方向。沒對電光晶體(KDP)加電場V3時，透過起偏鏡的線偏振光D//x2，且沿光軸c(x3)方向通過KDP晶體正交入射到雙折射晶體方解石的界面上。由于該線偏振光的D恰好平行方解石的光軸方向，所以在方解石中只有e光，其te偏離原入射方向在晶體中傳播并射出(如圖中實線所示)。第十六頁，共七十頁，2022年，8月28日若對電光晶體KDP加電場V3使之變?yōu)殡p軸晶體，則光沿x3方向(不是雙軸晶體的光軸)行進，便在KDP晶體中形成振動方向互相垂直的兩束線偏振光。一般情況下，它們在透過KDP后將合成由KDP的63縱向效應(yīng)產(chǎn)生的位相延遲決定的不同橢圓線偏振光。第十七頁，共七十頁，2022年，8月28日如果V3=V，從KDP晶體出來的二線偏光=，便合成為線偏振光在空間傳播，其振動方向與V3=0(=0)時的線偏光振動方向垂直。該線偏振光正交入射到圖中雙折射晶體(方解石)界面，在方解石中只有o光仍沿原來入射光路傳播并從方解石射出來(圖中虛線所示)。通過在電光晶體上是否外加半波電壓V來控制光束分別占據(jù)兩個可能位置之一的目的。如果通過適當(dāng)?shù)慕M合可以控制出射光占據(jù)更多的位置從而在二維空間中控制光斑的位置。第十八頁，共七十頁，2022年，8月28日第十九頁，共七十頁，2022年，8月28日二級數(shù)字型電光偏轉(zhuǎn)器，電光晶體A1和A2的尺寸和取向應(yīng)一致，而雙折射晶體B1和B2的取向一致。但B2的厚度是B1的二倍．通過改變加在A1和A2上的電壓，就可以使光束偏轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置上，二級數(shù)字型電光偏轉(zhuǎn)器共有四個可控光斑位置，如圖所示，同樣n級電光偏轉(zhuǎn)器，可以得到2n個可控的光斑位置，如果要使可控位置作二維分布，只要用被此正交的兩組電光偏轉(zhuǎn)器組合在一起就可以(常稱為x-y偏轉(zhuǎn)器）第二十頁，共七十頁，2022年，8月28日將兩塊同種材料的電光晶體(如KDP晶體)按圖所示的形式貼在一起，它們的取向已標在圖上，其特點是；它們的x’3軸方向相反。電場E3方向垂直紙面向里，構(gòu)成了KDP晶體63橫向效應(yīng)連續(xù)型電光偏轉(zhuǎn)器。2、連續(xù)型電光偏轉(zhuǎn)器第二十一頁，共七十頁，2022年，8月28日假設(shè)有一束線偏振光沿x’2方向正交入射到左側(cè)電光晶體A的界面上，振動方向沿x’1，光在晶體A中的折射率:當(dāng)光波進入到右側(cè)電光晶體B中，光波仍保持沿x’1方向振動。由于電場E3在A和B中的方向恰相反，所以在B晶體中的折射率與在A中的不同:于是在A和B之間出現(xiàn)了折射率梯度，從而造成了光線方向的偏轉(zhuǎn)。第二十二頁，共七十頁，2022年，8月28日舉例：連續(xù)偏轉(zhuǎn)器：將三塊厚度為h的電光棱鏡組合到一起，即成為一個連續(xù)偏轉(zhuǎn)器．它們的光軸都垂直于紙面，與棱鏡的厚度方向一致，而相鄰的兩塊棱的x3軸是相反的。在垂直于x3軸的棱鏡面上鍍上電極，當(dāng)加上電壓V3時，各塊棱鏡的感應(yīng)生軸方向如圖中所示．nn其中：第二十三頁，共七十頁，2022年，8月28日由三塊電光晶體組成的偏轉(zhuǎn)器第二十四頁，共七十頁，2022年，8月28日當(dāng)一束線偏振光垂宜人射到棱鏡組時，如果V3=0，則光束不偏轉(zhuǎn)，如果V30，則光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在第一塊和第二塊棱鏡的交界面上，入射1=/2，折射角為2，有：第二十五頁，共七十頁，2022年，8月28日在第二塊和第三塊棱鏡的界面上，入射角3為所以：第二十六頁，共七十頁，2022年，8月28日在棱鏡組中，第三塊棱鏡右側(cè)界面的入射角5為最后，經(jīng)過第二三棱鏡后，光束的偏轉(zhuǎn)角為由此可知，偏轉(zhuǎn)角隨V3連續(xù)變化，所以可以實現(xiàn)光束的連續(xù)偏轉(zhuǎn)第二十七頁，共七十頁，2022年，8月28日在外加交變信號場(簡稱調(diào)制信號)作用下，調(diào)制晶體的折射率也將隨著調(diào)制信號的頻率而變化。若有一束光波通過該晶體，則出射光的強度(或位相)載有調(diào)制信號的信息，稱為光強度(或位相)調(diào)制。利用晶體的電光效應(yīng)使光強度(或位相)隨電信號而變化的方法，稱為電光調(diào)制。下面簡要介紹常用的電光強空(即振幅)調(diào)制。四、電光調(diào)制器第二十八頁，共七十頁，2022年，8月28日在正交偏振器之間加一個KDP晶體，為了改善性能有時在電光晶體和檢偏鏡之間插入一個/4波片，就構(gòu)成了電光強度調(diào)制器(如上圖所示)。沿KDP晶體x3軸通光，并利用63縱向效應(yīng)使其感應(yīng)主軸x’1和x’2與起偏鏡和檢偏鏡的振動方向成45o.第二十九頁，共七十頁，2022年，8月28日在沒有加縱向信號電壓(Us=0)只加直流電壓V3時，得到光通過檢偏鏡的相對透過率如圖曲線。第三十頁，共七十頁，2022年，8月28日若在電光晶體上加一個載有傳遞信息的交變信號電壓(簡稱電信號)Us，則輸出光強將隨著電信號Us的大小而變化。在光路中未加/4波片時，可得到63縱向效應(yīng)的位相延遲為：出射光與入射光強度之比T用下式給出：第三十一頁，共七十頁，2022年，8月28日為了改善輸出調(diào)制光的畸變現(xiàn)象，在電光晶體與檢偏鏡之伺插入一個/4波片，使系統(tǒng)總的位相延遲增加/2，此時：第三十二頁，共七十頁，2022年，8月28日第三十三頁，共七十頁，2022年，8月28日由上式繪制出的強度輸出曲線如圖(b)的粗線所示。由此可知，系統(tǒng)加進/4波片后，調(diào)制電壓相當(dāng)于將圖(a)所示的電信號零軸向右移了V/2。從而使工作點選在(T)曲線上的線性部分Q點附近，輸出光強在T=50％上下波動且與電信號成線性關(guān)系。也就是說輸出光波被調(diào)制成含有電信號且無失真地傳播下去。如果在圖中不用/4波長，而改為在電信Us上疊加U/2直流電壓(稱為偏壓法)同樣可以實現(xiàn)將電光調(diào)制器的工作點選擇在曲線的線性部分Q點附近．與在系統(tǒng)中加進/4波具有同樣的效果。二者的原理基本相同。第三十四頁，共七十頁，2022年，8月28日晶體光學(xué)第二部分：晶體其它非線性光學(xué)效應(yīng)1、彈光效應(yīng)；2、聲光效應(yīng)；3、熱光效應(yīng)；4、旋光效應(yīng)；5、磁光效應(yīng)；第三十五頁，共七十頁，2022年，8月28日一、彈光效應(yīng)當(dāng)光學(xué)介質(zhì)受到應(yīng)力或應(yīng)變作用時，介質(zhì)的折射率發(fā)生變化，從而產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象稱為彈光效應(yīng)或壓光效應(yīng)。例如，原來各向同性的光學(xué)均質(zhì)體(立方晶系晶體或玻璃等)受到應(yīng)力作用時會變成單軸晶或雙軸晶體。原來單軸晶體在應(yīng)力作用下會變成雙軸晶體。在只取一級效應(yīng)的情況下，機械應(yīng)力或應(yīng)變對晶體折射率的影響仍可用光率體的變化來描述：ijkl是應(yīng)力彈光系數(shù)，ijkl是應(yīng)變彈光系數(shù)。第三十六頁，共七十頁，2022年，8月28日在晶體中，由于其結(jié)構(gòu)各向異性，晶體的應(yīng)力和應(yīng)變都是二階張量，因而胡克定律的形式較復(fù)雜，可寫成則有：第三十七頁，共七十頁，2022年，8月28日其矩陣形式：第三十八頁，共七十頁，2022年，8月28日同理：應(yīng)變彈光效應(yīng)第三十九頁，共七十頁，2022年，8月28日舉例：立方晶系的彈光效應(yīng)1．43m、432和m3m晶類的彈光效應(yīng)第四十頁，共七十頁，2022年，8月28日立方晶系的43m、432和m3m晶類由原來的光學(xué)勻質(zhì)體變?yōu)榫哂袉屋S晶體的各向異性光學(xué)性質(zhì)，光軸沿單向應(yīng)力1的x1軸方向。第四十一頁，共七十頁，2022年，8月28日2．23和m3晶類的彈光效應(yīng)第四十二頁，共七十頁，2022年，8月28日立方晶系的23和m3晶類由原來的光學(xué)勻質(zhì)體變?yōu)榫哂须p軸晶體的光學(xué)性質(zhì)。第四十三頁，共七十頁，2022年，8月28日第四十四頁，共七十頁，2022年，8月28日觀測彈光效應(yīng)測裝置：圖中A和P是一對正交偏振器，中間放置被測的樣品。若觀測彈光效應(yīng)，在垂直光線方向?qū)悠肥┘訂蜗驊?yīng)力；樣品可以是晶體或非晶體。沒加應(yīng)力時，光不能通過此系統(tǒng)。加應(yīng)力后，各向同性的介質(zhì)變成各向異性的單軸晶(或雙軸晶)．所以光通過樣品出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。從樣品出來的光是具有一定位相差的橢圓偏振光、通過檢偏鏡P可以觀察到。要精確測量彈光系數(shù)通常采用偏光干涉法。第四十五頁，共七十頁，2022年，8月28日二、聲光效應(yīng)超聲波是彈性波，當(dāng)這種彈性波通過介質(zhì)時，介質(zhì)將產(chǎn)生壓縮和伸張，這相當(dāng)于介質(zhì)中存在著隨時空周期變化的彈性應(yīng)變。由于存在彈光效應(yīng)，介質(zhì)中各點的折射率也將隨該點的彈性應(yīng)變而發(fā)生相應(yīng)的變化，從而對光在此介質(zhì)中的傳播特性產(chǎn)生影響，即產(chǎn)生衍射和散射。這種光波被介質(zhì)中超聲波衍射和散射的現(xiàn)象稱為聲光效應(yīng)。聲光效應(yīng)實質(zhì)上是彈光效應(yīng)的一種表現(xiàn)形式。第四十六頁，共七十頁，2022年，8月28日假設(shè)用壓電晶體作成的換能器產(chǎn)生波長為、頻率為、寬度為L的超聲波柱沿x方向加在聲光介質(zhì)上(如圖所示)；入射光波以頻率、波長沿y方向在介質(zhì)中傳播。圖中陰影部分為聲柱與入射光波相互作用區(qū)，D為作用長度。在此作用區(qū)內(nèi)由于超聲波的激發(fā)而使介質(zhì)存在著隨時空變化的彈性應(yīng)變Sx:稱為超聲波的波矢由彈光效應(yīng)可以證明光波通過介質(zhì)時其折射率以聲波波長為周期而變化。第四十七頁，共七十頁，2022年，8月28日第四十八頁，共七十頁，2022年，8月28日右圖給出由正弦應(yīng)變波引起介質(zhì)內(nèi)折射率的正弦變化以及介質(zhì)密度變化的示意圖。第四十九頁，共七十頁，2022年，8月28日光波通過該聲光柵與通過光學(xué)光柵類似，都可以發(fā)生衍射，由光柵方程1、布喇格聲光衍射當(dāng)超聲波頻率較高(一般在20MHz以上)，聲光作用較大(L22/)時，除零級以外，只得到最強的第—級序衍射光，其余各級序衍射光強幾乎為零。這種衍射稱為布喇格聲光衍射。（正常布拉格衍射）第五十頁，共七十頁，2022年，8月28日第五十一頁，共七十頁，2022年，8月28日考慮到聲波波面的運動，衍射光的頻率因多普勒效應(yīng)要產(chǎn)生頻移。這只要將聲波面理解為運動的光接收器同時又是運動的光源(反射光)，根據(jù)其運動速度vs就可知道衍射光的頻率是增加還是減少。當(dāng)聲波面相對于靜止的入射光源和靜止的衍射光接收器都是迎面運動引起正頻移，即衍射光頻率為+，當(dāng)聲波面背離入射光源和衍射光接收器而去，引起負頻移，即衍射光頻率為-.第五十二頁，共七十頁，2022年，8月28日2．喇曼-奈斯聲光衍射當(dāng)超聲波頻率較低(＜20MHz)，聲光相互作用長度較短(L＜2/2)，光束Ki與超聲波面平行(i=0)時，產(chǎn)生喇曼—奈斯聲光衍射。類似于平面光柵的夫瑯和費衍射，喇曼—奈斯聲光衍射中平行光束垂直通過超聲波柱相當(dāng)于通過一個很薄的聲光柵，再通過會聚透鏡可在屏上觀察到各級序的衍射條紋。第五十三頁，共七十頁，2022年，8月28日第五十四頁，共七十頁，2022年，8月28日第五十五頁，共七十頁，2022年，8月28日喇曼—奈斯聲光衍射的特點：(1)在中心末衍射的光束(零級序)兩側(cè)對稱形成第一級和更高級的衍射光束。其強度逐級減弱。(2)衍射光出現(xiàn)頻移。這是因為“聲光柵”是運動的，由多普勒效應(yīng)所致。超聲波在介質(zhì)中為行波時，頻率的變化己標在圖中。(3)通過超聲波柱的光波再不是平面波，其波面出現(xiàn)皺折(如圖所示)。這是因為介質(zhì)中各點折射率隨x軸（聲速方向)作周期變化所致。第五十六頁，共七十頁，2022年，8月28日第五十七頁，共七十頁，2022年，8月28日(4)超聲波在介質(zhì)中以行波傳播時，衍射光強基本不隨時間變化。各級序的衍射光頻率在圖中已標出。如果介質(zhì)中超聲波形成駐波時，各級序衍射光強隨時間作周期變化。各級序光束不再象行波光柵衍射時那樣具有簡單的多普勒頻移的單色光，而是含有多種頻率的復(fù)合光。第五十八頁，共七十頁，2022年，8月28日三、晶體的熱光效應(yīng)當(dāng)溫度發(fā)生變化時，晶體的折射率n發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為熱光效應(yīng)。除單斜、三斜以外的各晶系由于直角坐標系選在結(jié)晶軸上，故這些晶系(bij)只存在不為零的主分量，切向分量均為零。因此溫度變化時只改變光率體各主軸的長度而不改變它們的取向。對于單斜晶系和三斜晶系的晶體由于結(jié)晶軸與直角坐標系不一致．故這些晶系的(bij)矩陣切向分量不為零，因此當(dāng)溫度變化時光率體的主軸長度改變，同時主軸的取向也將發(fā)生變化。第五十九頁，共七十頁，2022年，8月28日對于雙軸晶體的熱光效應(yīng)，三個主折射率變化的不同不僅導(dǎo)致光率體形狀發(fā)生變化。而且光軸角也將發(fā)生變化。這將引起—系列有趣的效應(yīng)。以石膏為例，在室溫下它是一個正雙軸晶體，隨著溫度升高光軸角將減小，到90oc時對于＝5893A的光、它成了單軸晶體。繼續(xù)升高溫度它又變?yōu)殡p軸晶體，這種現(xiàn)象稱為交叉色散。通常發(fā)生于二個主折射率比較接近而光軸角較大的情況。第六十頁，共七十頁，2022年，8月28日四、旋光現(xiàn)象和磁光效應(yīng)線偏振光在光學(xué)勻質(zhì)體中或沿單軸晶體光軸方向傳播時，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象。1、旋光現(xiàn)象第六十一頁，共七十頁，2022年，8月28日實驗發(fā)現(xiàn)，在固體介質(zhì)中偏振面轉(zhuǎn)動角度與樣品厚度d成正比。第六十二頁，共七十頁，2022年，8月28日實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、偏振面旋轉(zhuǎn)的角度隨照射波長而改變。波長越短旋轉(zhuǎn)角度越大。這種現(xiàn)象稱為旋光色散。實驗還發(fā)現(xiàn)，對于同一種物質(zhì)制成的晶片迎著光線方向觀察，有些晶片使光的偏振面順時針旋轉(zhuǎn)，稱為右旋晶體；有的偏振面逆時針旋轉(zhuǎn)，稱為左旋晶體。如右旋石英和左旋石英。它們的旋轉(zhuǎn)本領(lǐng)都相同。第六十三頁，共七十頁，2022年，8月28日2、磁光效應(yīng)