3.6 电光效应光折变效应非线性光学效应

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

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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 (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：
n = n + aE0 + bE + L
0 2 0
泡克尔斯效应
克尔电光效应
n0：没有加电场E0时介质的折射率 a, b：常数

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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 (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） rc：电光陶瓷的电光系数
1 3 Δn = n rc E 2

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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
透 明 电 极
压 电 晶 体
透 明 电 极
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
ΚD
P
偏振片1
不加电场 不加电场
偏振片2
P P22 不透光 不透光

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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
透 明 电 极
压 电 晶 体
透 明 电 极
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
ΚD
P
加电场 加电场
偏振片1
偏振片2
原光轴方向附加 原光轴方向附加 双折射效应， 双折射效应，P P22 透光 透光

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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 (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。

Δn = kλE
2
k：电光克尔常数

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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 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
偏振片1
不加电场 不加电场
偏振片2
P P22 不透光 不透光

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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 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
加电场 加电场
液体呈单轴晶体性 液体呈单轴晶体性 质 质， ，光 光轴 轴∥ ∥E, E, P P 22 透光 透光

偏振片2
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3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应
(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。

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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 (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

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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

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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 (2) 电光晶体(electro-optical crystal)及其应用 应用：电光调制器，高速开关，眼睛防护器， 颜色过滤器等
M-Z型电光强度调制器

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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 (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。

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3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应
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。

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3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应
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。

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3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应
(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 的调制度比较小。

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。

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3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应
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

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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 (1) 基本概念 20世纪60年代 红宝石激光器 线性光学 研究弱光束 在介质中的 传播 非线性光学 研究强光束 在介质中的 传播

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3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应
与线性光学不同，当强光作用于物体后，表征 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。

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3.6 电光效应、光折变效 应、非线性光学效应
(2) 非线性光学效应 倍频
P = αE + β E + γE + L
2 3
其中
β γ 1 ＝ ＝ L＝ α β E 原子
E原子：原子中的电场，～108V/cm

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电光效应、光折变效应、非线性光学效应
线性光学
电光效应、光折变效应、非线性光学效应
时，非线性项不可忽略
sinω
t
L
电光效应、光折变效应、非线性光学效应
ω
t
2
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
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。