《光学》课程教学资源（课件讲稿）第六章 晶体偏振光学 第四节 电光、旋光效应

Optics6-04电光、旋光效应1.电光效应2.旋光效应

6-04 电光、旋光效应 1. 电光效应 2. 旋光效应 1

Optics偏振光干涉的基本原理在偏振片之间放置波片时的分析电矢量的分解EoEAy2 = A, sinα sinβEHxLtoEx2PP2EAx2 = A, cosα cos βeABaI = A2 + A2 +2Ax2A,2 cos△pEH302= A(cos? αcos? β+sin’ α sin’ βLe2+2cosαcosβsinαsinβcos0

偏振光干涉的基本原理 在偏振片之间放置波片时的分析 E x2 E x Eo E1 e o E y  e x o y o e   P1 P2 E1 Ee Eo2 Ee2 0 I 1 I E y2  x y  2 1 cos cos A A x =   2 1 sin sin A A y =   2 2 2 2 2 2 2 cos x y x y I A A A A = + +  2 2 2 2 2 1 = + A (cos cos sin sin     +  2cos cos sin sin cos )      电矢量的分解

Optics溶液的Kerr效应光轴电极Ox+外电场-C,H,NO-硝基苯-VNN.V-克尔盒V2rn=n。n =KaE?=KEK：Kerr常数h?tne22元V21En元h2元KV2Ae10sinsinEh?2223

溶液的Kerr效应 x y Eo Ee o n e n E 2 o e  = − = n n n K E 2 2 V K h =  K：Kerr常数 2 o e 2 2 ( ) 2 c V l n n l K h      = − = 2 0 0 2 2 2 sin sin ( ) 2 2 2 c I I KV l I h   = = 3 硝基苯 N1 N2 0 I I C H NO 6 5 2 h l 克尔盒 电极 z x y N N 1 2 ⊥ + − E 光 轴 Eo 外 Ee 电 场 N2 N1 x y Eo Ee Eo2 Ee2

Optics1.电光效应Kerr效应·某些各向同性的物质，在外电场x作用下，具有双折射特性，这是ENe一种电光效应（Kerrelectro-opticn。Veffect, or DC Kerr effect E.·电场中介质中的光波沿两个方向E偏振，具有不同的折射率，感生折射率差△n与电场成二次方关系（二阶电光效应）△n=B()E2=KE2

1.电光效应 Kerr效应 • 某些各向同性的物质，在外电场 作用下，具有双折射特性，这是 一种电光效应（Kerr electro-optic effect, or DC Kerr effect ） • 电场中介质中的光波沿两个方向 偏振，具有不同的折射率，感生 折射率差Δn与电场成二次方关系 （二阶电光效应） 2 2  = = n B E K E ( )   x y Eo Ee o n e n E 4

OpticsKerr常数 △n=B(a)E2= KaE有不尽相同的表示·与介质、波长、温度有关材料K589.3nm/mV-2Bs89.3nm/e.s.u.0.67 X 10-14苯C,H61.23 X 10-73.56 X 10-14二硫化碳CS,水H04.7 X 10-75.22 X 10-141.37 X 10-12硝基甲苯C,H,NO2346 X 10-72.44 X 10-12硝基苯C,H,NO2-3.90 X 10-14三氯甲烷CHCl5

Kerr常数 • 有不尽相同的表示 • 与介质、波长、温度有关 2 2  = = n B E K E ( )   材料 B589.3nm/e.s.u. K589.3nm/mV-2 苯C6H6 0.67×10-14 二硫化碳CS2 1.23×10-7 3.56×10-14 水H2O 4.7×10-7 5.22×10-14 硝基甲苯C7H7NO2 1.37×10-12 硝基苯C6H5NO2 346×10-7 2.44×10-12 三氯甲烷CHCl3 -3.90×10-14 5

Optics一阶电光效应和二阶电光效应n=n+aE+bE+.....折射率和电场的关系也可以表示为式中no是没有外加电场(E=0)时的折射率，a和b是常数。一次项aE.引起的折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔效应（1893年由Pokels发现）；由二次项bE.2引起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也称平方电光效应或克尔效应（1875年由Kerr发现）。一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应则可能存在于任何物质中。一般来说，一次效应要比二次效应显著。采用压电晶体时一般用其一次电光效应。立方晶体虽无一次电光效应，但其二次电光效应较强，因此采用立方晶系时可用其二次电光效应。6

6 一阶电光效应和二阶电光效应 折射率和电场的关系也可以表示为 式中n0是没有外加电场(E=0)时的折射率，a和b是常数。一次项 aE0引起的折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电 光效应或普克尔效应（1893年由Pokels发现）；由二次项bE0 2引 起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也称平方电光效应或 克尔效应（1875年由Kerr发现）。一次电光效应只存在于不具有 对称中心的晶体中，二次电光效应则可能存在于任何物质中。一 般来说，一次效应要比二次效应显著。采用压电晶体时一般用其 一次电光效应。立方晶体虽无一次电光效应，但其二次电光效应 较强，因此采用立方晶系时可用其二次电光效应。 2 0 n n aE bE = + + +

Optics二阶电光效应一克尔（Kerr）效应(J.Kerr, 1875)介质：硝基苯（C,H,NO2）液体电场垂直于光传播方向（横向电场）现象：M（1）无外加电场时，没有光线射出正交的偏振片，表明无双K折射效应。（2）有外加强电场时（E~104V/cm），有光线透过。结论：外加电场使盒内液体出现了双折射现象。特点：弛豫时间为10-s量级，可以用于高速光调制缺点：硝基苯有毒、纯度要求高、液体不便于携带

7 二阶电光效应—克尔(Kerr)效应（J. Kerr, 1875） 介质：硝基苯（C6H5NO2）液体 现象： （1）无外加电场时，没有光线 射出正交的偏振片，表明无双 折射效应。 （ 2 ） 有 外 加 强 电场时 （ E~104V/cm），有光线透过。 结论：外加电场使盒内液体出现了双折射现象。 缺点：硝基苯有毒、纯度要求高、液体不便于携带。 特点：弛豫时间为10-9 s量级，可以用于高速光调制。 电场垂直于光传播方向（横向电场） h l

OpticsPockels效应，一些单轴晶体在外电场中，光沿着晶体光轴传播，也能发生双折射（一阶电光效应n=n,-n,=n.yE2元2元2元AOY元元元-n.yVxN2NKDP晶体主要成分磷酸二氢钾（KH2PO4）8

Pockels效应 • 一些单轴晶体在外电场中，光沿着晶体光 轴传播，也能发生双折射（一阶电光效应 ） 3 x y o  = − = n n n n E E E 0 I I KDP晶体 N1 N2 x y l z 3 3 o o 2 2 2 ( ) c x y n n l n El n V           = − = = 2 3 0 o 1 sin ( ) 2 I I n V    = 8 主要成分磷酸二氢钾（KH2PO4）

Optics纵向泡克尔斯调制的优缺点优点：响应时间快，且可在外加电场消失后消失一无记忆性。所需电压比克尔效应要低电光延迟量和所加电压U有关，和晶体长度无关(增加长度以降低电场强度为代价，而不会增加延迟量）。工作稳定、无自然双折射影响，无需补偿。缺点：大部分重要的电光晶体的半波电压都很高，由于和波长成正比当光源波长较长时更高，使控制电路的成本大大增加为了沿光轴加电场，必须使用透明电极，或带中心孔的环形金属电极。9

9 缺点： • 大部分重要的电光晶体的半波电压都很高，由于和波长成正比， 当光源波长较长时更高，使控制电路的成本大大增加。 • 为了沿光轴加电场，必须使用透明电极，或带中心孔的环形金属 电极。 优点： • 响应时间快，且可在外加电场消失后消失—无记忆性。 • 所需电压比克尔效应要低。 • 电光延迟量 δ 和所加电压 U 有关，和晶体长度无关（增加长度以 降低电场强度为代价，而不会增加延迟量）。 • 工作稳定、无自然双折射影响，无需补偿。 纵向泡克尔斯调制的优缺点

Optics横向Pockels效应·加横向电场，也有双折射现象2元2元n'-n"=n.r'EAQ元元·由于}>>h，可以降低电压优点：>>h，可以通过增加长宽比降低半波调制电压。缺点：会由自然双折射引起相移，对温度敏感，需要精确温控。10

横向Pockels效应 • 加横向电场，也有双折射现象 • 由于l>>h，可以降低电压 3 o n n n E    − =  3 3 c o o 2 2 ( ) l n El n V h         = =   l h 10 优点：l>>h，可以通过增加长宽比降低半波调制电压。 缺点：会由自然双折射引起相移，对温度敏感，需要精确温控