3.6 电光效应光折变效应非线性光学效应

www.themegallery.com LOGO 3 材料的光学性能 3.1 光传播的基本性质 3.2 光的反射和折射 3.3 材料对光的吸收和色散 3.4 光的散射 3.5 材料的不透明性和半透明性 3.6 电光效应、光折变效应、非线型光学效应 3.7 光的传输与光纤材料 3.8 特种光学材料及其应用 Materials Physics www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 3.6.1 电光效应及电光晶体 Materials Physics (1) 电光效应(electro-optical effect) 由于外加电场所引起的材料折射率的变化效应。 电场与折射率的关系： L+++= 2000 bEaEnn n0：没有加电场E0时介质的折射率 a, b：常数 泡克尔斯效应 克尔电光效应 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 3.6.1 电光效应及电光晶体 Materials Physics (a) 泡克尔斯效应(Pockels effect) 1893年 在没有对称中心的晶体中，外加电场与折射率的 关系具有一次电光效应。 旋转椭球折射率体 三轴椭球光折射率体 （双轴晶体） Ern 2 1n c 3=Δ rc：电光陶瓷的电光系数 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 3.6.1 电光效应及电光晶体 Materials Physics 偏振片1 透 明 电 极 透 明 电 极 压 电 晶 体 ΚDP 偏振片2 电光晶体：KDP 偏振片：P1⊥P2 电场∥光传播方向 光沿光轴方向传播 不加电场不加电场 P2不透光P2不透光 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 3.6.1 电光效应及电光晶体 Materials Physics 偏振片1 透 明 电 极 透 明 电 极 压 电 晶 体 ΚDP 偏振片2 电光晶体：KDP 偏振片：P1⊥P2 电场∥光传播方向 光沿光轴方向传播 原光轴方向附加 双折射效应，P2 透光 原光轴方向附加 双折射效应，P2 透光 加电场加电场 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 3.6.1 电光效应及电光晶体 Materials Physics (b) 克尔效应(Kerr effect) 1875年 在有对称中心的晶体中，在加强电场的作用下， 介质分子作定向排列而呈现出各向异性，其光学 性质与单轴晶体类似；外电场一旦撤除，这种各 向异性立即消失。 2Ekn λΔ = k：电光克尔常数 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 3.6.1 电光效应及电光晶体 Materials Physics 电光材料：硝基苯 偏振片：P1⊥P2 光沿光轴方向传播 电场⊥光传播方向 不加电场不加电场 P2不透光P2不透光 偏振片1 偏振片2 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 3.6.1 电光效应及电光晶体 Materials Physics 电光晶体：硝基苯 偏振片：P1⊥P2 光沿光轴方向传播 电场⊥光传播方向 偏振片1 偏振片2 液体呈单轴晶体性 质，光轴∥E, P2 透光 液体呈单轴晶体性 质，光轴∥E, P2 透光 加电场加电场 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 Materials Physics (2) 电光晶体(electro-optical crystal)及其应用 电光材料的要求： 1.在使用波长范围内对光的吸收、散射要好。 2. 电光系数和折射率要大 3. 折射率随温度变化不能太大 4.电阻率大而介电损耗角小 线性电光材料常用参量：半波电压Vπ 所加电压使诱发的寻常光和非常光的相位差达到 180ο时的电压值。 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 3.6.1 电光效应及电光晶体 Materials Physics (2) 电光晶体(electro-optical crystal)及其应用 磷酸二氢钾(KH2PO4), 磷酸二氢 氨(NH4H2PO4), LiNbO3, BaTiO3和 Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 3.6.1 电光效应及电光晶体 Materials Physics www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 3.6.1 电光效应及电光晶体 Materials Physics (2) 电光晶体(electro-optical crystal)及其应用 应用： M-Z型电光强度调制器 电光调制器，高速开关，眼睛防护器， 颜色过滤器等 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 3.6.2 光折变效应 Materials Physics (1) 现象和特点 20世纪60年代，LiNbO3晶体在强激光照射下出 现可擦除的“光损伤”———光致折射率变化效 应 光折变效应 材料在光辐射下通过电光效应形成空间电 荷场，由于电光效应引起折射随光强空间分布 而发生变化的效应。 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 Materials Physics 光折变效应的特点 （1）一定意义上讲，光折变效应与光强无关。 光折变效应是起因于光强的空间调制，而不是 光强作用于价键电子云发生形变造成的。因此入 射光的强度，只影响光折变过程进行的速度。 （2）光折变效应在时间响应上有惯性，而且在空间 分布上是非局域响应。 折射率改变的最大处并不对应于光辐射的最 强处。 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 Materials Physics 光折变效应的基本过程 （1）光折变材料吸收光子而产生自由载流子(空间 电荷)，这种电荷由于相干光束干涉而强度分布不 均匀。 （2）这些自由载流子在介质中的漂移、扩散和重新 俘获形成了空间电荷的重新分布，并产生空间电 荷场。 （3）通过电光效应，空间电荷场改变晶体中折射 率的空间分布，形成折射率光栅，从而产生光折 变效应。 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 Materials Physics (2) 光折变晶体(photorefractive crystal) 非铁电氧化物：Bi12(Si,Ge,Ti)O20，GaAs等 具有快的响应速度，但能够形成折射率光栅 的调比较小。 铁电氧化物：BaTiO3，KNbO3，铌酸锶钡等 可形成大的折射率光栅调制度，但其光折变 的灵敏度比较小。 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 Materials Physics 光折变晶体的应用 光放大、光学记忆、图象关系、空间光调制 器、光动态滤波器、光学时间微分器、光偏转 器等 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 3.6.3 非线性光学效应 Materials Physics (1) 基本概念 线性光学 研究弱光束 在介质中的 传播 20世纪60年代 红宝石激光器 非线性光学 研究强光束 在介质中的 传播 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 Materials Physics 与线性光学不同，当强光作用于物体后，征 光学特性的许多参量如折射率、吸收系数、散 射截面等不再是常数，而是一个与入射光有关 的量。 激光光波通过介质时由于极化率的非线性响应 而产生谐波、光的受激振荡、多光子吸收、光 束自聚焦和光致透明等现象，这种与光强有 关，不同于线性光学现象的效应称为非线性光 学效应。 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效 应、非线性光学效应 Materials Physics (2) 非线性光学效应 倍频 L+++= 32 EEEP γβα 原子 ＝＝＝ E 1Lβ γ α β其中 E原子：原子中的电场，～108V/cm www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 Materials Physics 当E<>E原子时，非线性项不可忽略 非线性光学 若E为单频简谐振荡， L++++= 3210 PPPPP 直流项 基波项 二次谐波项 三次谐波项 除P1中的αE0sinωt外，其余都是由极化强 度与光场强的非线性关系引起的非线性项。 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 3.6.3 非线性光学效应 tsinEtsinEE 202101 ωω += Materials Physics 光参量放大 若E为两种不同频率的振荡， 2 202101 2 2 )tsinEtsinE(EP ωωββ +== t)cos(EEt)cos(EE )t2cos1(E 2 1)t2cos1(E 2 1 210201210201 2 2 021 2 01 ωωωω ωω −++− +−+−= 和频 差频 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 3.6.3 非线性光学效应 2 20 En2 1nn += Materials Physics 自聚焦 弱光 强光 强光通过均匀的平板玻璃时, 会聚成直径为几个微米的细线 或细小的焦点，这一现象称为 光的自聚焦。 光强呈高斯分布 四周中心 nn > 折射率的不同使光线自然由四 周向中心轴会聚。 www.themegallery.com LOGO 3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 3.6.3 非线性光学效应 Materials Physics 自感应透明 强光通过光学介质时，可使介质由不透明 或部分透明变成完全透明，这种现象称为自 感应透明。 强光能在一瞬间使处于高能级的原子数与 处于低能级的原子数相当，此刻介质仿佛是 一个吃饱了的“大汉”，它不再吸收光能量， 因而变成透明介质。