第十一讲 电光效应
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LOGO Materials Physics3.6 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 + L0 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LOGO Materials Physics3.6 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 2LOGO Materials Physics3.6 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ΚDP偏振片1不加电场 不加电场偏振片2P P22 不透光 不透光LOGO Materials Physics3.6 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ΚDP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LOGO Materials Physics3.6 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。
物理效应及其应用—电光效应
• I = I 0 sin2Δφ/ 2 = I 0 sin2 [π/ 2 • V/Vλ/2]
(2-3)
• 这就是利用泡克尔斯效应进行电光强度或振 幅调制和光开关的原理。
２、电光双稳器
光学双稳器是指具有 两个稳定光强输出的装 置。如图2-5（a）所示， 输出究竟取那个值，由 输入光强Ｉi控制。
•入当ＩＩi大i小于于Ｉ某c，域输值出Ｉ光c，强则突输跳出到光Ｉ强2值Ｉ。t取实Ｉ际1；的当光输学 双稳器没有这种可逆性，其输入－输出特性如图2-5 （ 输b出）由所I1示转。变当为输稳入定光值强I2由；小若变输大入，由在大输变入小为，I并b处不， 会 Ｉ 回线在a时。Ib,处输输出出才由由IＩ２值2变转为变Ｉ为1Ｉ，1很值象，铁而磁是物在质输的入磁降至滞
一、按运输工具分类
• （二）铁路运输 • 1、铁路货物运输按照运输条件的不同分为按普通运输条件办
理的货物运输和按特殊运输条件办理的货物运输两种。
（1）普通货物指在铁路运送过程中，按一般条件办理的货物， 如煤、粮食、木材、钢材、矿建材料。 （2）按特殊条件运送的货物指由于货物的性质、体积、状态 等需要在运输过程中使用特别的车辆装运或需要采取特殊运输 条件和措施，才能保证货物完整和行车安全的货物，如超长、 集重、超限、危险和鲜活易腐等货物。具体分为3类： ① 超长、集重和超限的货物。 ② 危险货物。 ③ 鲜活货物。
Lesson晶体的电光效应
晶体的电光效应及光波在电光晶体中的传播晶体的电光效应⏹晶体的电光效应是一种人工双折射现象⏹由于人为施加外力场或电场引起⏹改变晶体内原子的排列方式和分布⏹本质上是改变电子云的分布引起介电系数的改变－进而改变晶体的折射率椭球参数⏹可以人工控制－用于电光调制、电光偏转、调Q等应用领域晶体的电光效应电光效应－晶体在外电场作用下，其光学性质（折射率）的变化。
电磁场在介质中应满足物质关联方程，对光波来说在各向同性晶体中传播时，其电位移矢量D和电场强度E 之间的关联方程为D=ε·E其中ε为晶体的介电常数张量。
晶体的电光效应1、晶体的介电系数随电场强度的变化而变化，是电场强度的函数•我们在波动光学中利用的公式是弱电场近似公式•在外加强电场条件下，介电系数（折射率）随电场强度发生变化•由于折射率变化，光波传输规律也发生变化，我们可以通过研究电场对晶体介电系数的影响，研究电场对光波传输的影响2、介电系数与电场强度之间不是简单的线性关系外加电场与介电系数之间的关系⏹晶体的介电系数可以用二阶张量描述；⏹利用晶体电光系数表征晶体介电系数同电场之间的关联；⏹晶体电光系数可以表征为－三阶张量⏹三阶张量只存在于没有对称中心的晶体中，⏹所以只有无对称中心的晶体才有电光效应(,,1,2,3)ij ijk kC D A i j k==(,,1,2,3)ij ijk kB E i j kγ==外加电场与介电系数之间的关系⏹取无对称中心晶体作为研究对象⏹为了研究方便，我们取外加电场沿晶体的主轴方向，这时电位移矢量同电场强度方向一致。
⏹通过测量表明电位移矢量同电场强度之间满足下列线性关系023...D E aE E εβ=+++0ε为线性介电系数外加电场与介电系数之间的关系外加电场与介电系数之间的关系外加电场与介电系数之间的关系外加电场与介电系数之间的关系外加电场与介电系数之间的关系任意方向的外加电场引起的折射率变化⏹上面给出了沿晶体主轴施加外加电场引起折射率变化的情况；⏹对于任意方向电场我们可以通过下面方式处理：1、研究电场对晶体主轴折射率的影响进而获得新的折射率椭球方程（很复杂）2、直接考虑电场对折射率椭球的影响电场对折射率椭球的影响电场对折射率椭球的影响电场对折射率椭球的影响电场对折射率椭球的影响线性电光系数与外加频率之间关系⏹晶体在外加电场作用下发生受迫振动；⏹当外加电场频率与晶体自身固有频率相同时，振动幅度最大发生共振。
电光效应
晶体的电光效应介质因电场作用而引起折射率变化的现象称为电光效应，介质折射率和电场的关系可表示为：+++=20bEaE n n (1)式中n 0是没有外加电场（E =0）时的折射率，a 和b 是常数，其中电场一次项引起的变化称为线性电光效应，由Pokels 于1893年发现，故也称为Pokels 效应；由电场的二次项引起的变化称为二次电光效应，由Kerr 在1875年发现，也称Kerr 效应，在无对称中心晶体中，一次效应比二次效应显著得多，所以通常讨论线性效应。
尽管电场引起折射率的变化很小，但可用干涉等方法精确地显示和测定，而且它有很短的响应时间，所以利用电光效应制成的电光器件在激光通信、激光测距、激光显示、高速摄影、信息处理等许多方面具有广泛的应用。
[实验目的]研究铌酸锂晶体的横向电光效应，观察锥光干涉图样，测量半波电压； 学习电光调制的原理和实验方法，掌握调试技能； 了解利用电光调制模拟音频光通信的一种实验方法；[实验原理]1． 晶体的电光效应按光的电磁理论，光在介质中传播的速度为210)(-==μεn c c ，ε为介电系数，是对称的二阶张量，即ji ij εε=，由此建立的D 和E 的关系为：j j i i E D ε= （3,2,1,=j i ) (2) 即：333232131332322212323132121111E E E D E E E D E E E D εεεεεεεεε++=++=++= 在各向同性的介质中，εεεε===332211，D 和E 成简单的线性关系，光在这类介质中以某一确定速度传播；但在各向异性的介质中，一般情况下各方向的折射率却不再相同，所以各偏振态的光传播速度也不同，将呈现双折射现象。
如果光在晶体中沿某方向传播时，各个方向的偏振光折射率都相等，则该方向称为晶体的光轴。
若晶体只含有一个这样的方向，则称为单轴晶体。
通常用折射率椭球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的关系。
电光效应
电光效应
泡克尔斯效应引起的相位差： 泡克尔斯效应引起的相位差：
∆ϕ p =
其中
2π
λ
3 no rV
—— 线性电光效应
no—o 光在晶体中的折射率； 光在晶体中的折射率； V —电压； 电压； r — 电光常数。 电光常数。
• 优点 ：响应时间短，外加电压低，克尔效应的 响应时间短，外加电压低， 十分之一。 十分之一。 • 应用 : 电光开关、电光调制器。 电光开关、电光调制器。 如军用固体激光测距机。 如军用固体激光测距机。
电光效应
泡克尔斯效应(1893年 (2) 泡克尔斯效应(1893年)
P1 K K′ P2 ′
·
电光晶体
·
泡克尔斯盒
+ 。 。-
• 不加电场→ P2 无透射光 不加电场→ • 加电场→晶体变双轴晶体→原光轴方向附 加电场→晶体变双轴晶体→
加了双折射效应→ 有透射光。 加了双折射效应→ P2 有透射光。
电光效应
3. 磁致双折射效应
在外磁场作用下， 在外磁场作用下，某些非晶体也会显示出双 折射性质， 人为磁致双折射效应。 折射性质，称人为磁致双折射效应。 佛克脱效应： 佛克脱效应：发生于蒸汽中 科顿-穆顿效应：发生于液体中 科顿-穆顿效应：
ne − no = cλ0H
λo—光在真空中的波长； 光在真空中的波长； 光在真空中的波长 H—磁场强度； 磁场强度； C— 常数。 常数。
F ne − no = k S
光弹性效应
人为双折射产生的e光与 光与o光的位相差为 经人为双折射产生的 光与 光的位相差为
k⋅d ⋅2 π F ne − no + π = ∆ϕ = ⋅ +π λ λ S F 不同→ 不同→ 各处 不同→各处 ∆ϕ 不同→出现干涉条纹 S F 变→ ∆ϕ →干涉情况变。 变 干涉情况变。 S
电光效应产生的原因
电光效应产生的原因
电光效应是指在真空或稀薄气体中，当射击电子或其他带电粒子到金属或其他材料表面时，会产生光辐射的现象。
其产生的原因可以归结为以下几点：
1. 光电效应：电光效应最主要的原因是光电效应。
根据光电效应的原理，当光照射到金属表面时，光子激发了金属表面的电子，使之脱离束缚，从而形成自由电子。
当这些自由电子重新与原子结合时，会释放出能量，形成光子，并产生可见光。
2. 加速电子：除了光电效应，电光效应还涉及到电子的加速。
在电子被加速前，它们具有一定的动能。
当它们撞击目标表面时，这些动能转化为热和光能。
3. 碰撞激发：电子在撞击目标表面时，会与目标表面的原子或分子发生碰撞。
这些碰撞会激发目标表面的原子或分子，使其跃迁到一个更高的能级，而后从高能级回跃到低能级时释放出光能。
需要注意的是，电光效应的具体机制与材料的性质以及射击粒子的能量有关。
不同的材料和能量可以产生不同波长的光辐射，导致不同的电光效应。
电光效应及其应用
电光效应及其应用摘要：电光晶体在外加电场中，随电场强度变化改变折射率的现象称为电光效应。
利用电光效应进行的调制称为电光调制。
关键词：电光效应、电光调制、电致折射率变化1.电光效应某些晶体（固体或液体）在外加电场中，随着电场强度E 的改变，晶体的折射率会发生改变，这种现象称为电光效应。
通常将电场引起的折射率的变化用下式表示:+++=2000bE aE n n （1）式中a 和b 为常数，0n 为00=E 时的折射率。
由一次项0aE 引起折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔电光效应（pokells ）；由二次项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（kerr ）。
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，一次效应要比二次效应显著。
光在各向异性晶体中传播时，因光的传播方向不同或者是电矢量的振动方向不同，光的折射率也不同。
通常用折射率椭球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的关系，在主轴坐标中，折射率椭球方程为1232222212=++n z n y n x （2） 式中1n ，2n ,3n 为椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。
如图一所示，从折射率椭球的坐标原点O 出发，向任意方向作一直线OP ，令其代表光波的传播方向k 。
然后，通过O 垂直OP 作椭圆球的中心截面，该截面是一个椭圆，其长短半轴的长度OA 和OB 分别等于波法线沿OP ，电位移矢量振动方向分别与OA 和OB 平行的两个线偏振光的折射率n ′和n ′′。
显然k ，OA ，OB 三者互相垂直，如果光波的传播方向k 平行于x 轴，则两个线偏光波的折射率等于2n 和3n 。
同样当k 平行于y 轴和z 轴时，相应的光波折射率亦可知。
当晶体上加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球的方程变为1222212213223233222222112=+++++n xy n xz n yz n z n y n x （3） 只考虑一次电光效应，上式与式（2）相应项的系数之差和电场强度的一次方成正比。
高等光学-光在各向异性介质中的传播2-电光效应
1二、主要内容电光效应：由电场引起的折射率变化； 磁光效应：由磁场引起的折射率变化； 弹光效应：由应力引起的折射率变化。
—>外界的各种因素引起晶体介电系数ε变化—>引起折射率n变化—>改变光的传播性质感应双折射：rr n με=++221E n ε()2312n n bE aE ++=二次电光效应/克尔效应（KDP(磷酸二氢钾)晶体外形图●光轴方向：x3轴；●四次旋转-反演对称轴：●二次旋转对称轴：KDP晶体外形图KDP晶体的线性电光张量：外加电场E 后，KDP晶体的折射率椭球方程为222222++n z n y n x eo oKDP晶体外形图由偏振光干涉理论：()hUdn d n n oe o λγπλπ32+-=纵向泡克尔斯效应横向泡克尔斯效应()hUdn d n n oe o λγπλπ32+-=光波传播方向与外电场方向垂直，无需透明电极有关，可提高d/h 来降低半波电压；存在自然双折射引起的相位差，易受温度影响。
-光波x’1x’1x’3DV yz yx zV通过检偏器输出的光强I与通过起偏器输入的光强I0之比I/I0为：δI光束通过玻璃光楔后的偏转若光线沿x 2′轴方向入射，振动方向为x 1′轴方向，则根据前面的分析可知：光在下面棱镜中的折射率为：在上面棱镜中，由于电场与该棱镜的x 3方向相反，所以折射率为：因此，上下光的折射率之差为：光束穿过偏振器后的偏转角为:式中，h 为x 3方向晶体宽度，l 为光线传播方向晶体的长度。
3633'121E n n n o o γ+=↓3633'121E n n n o o γ-=↑3633'1'1E n n n n o γ-=-=∆↓↑36333633U n Dhl E n D l o o γγθ==41The end。
电光效应
UP
DOWN
BACK
1. 纵向电光调制(通光方向与电场方向一致) 通光方向与电场方向一致)
x P1 Ii 入射光 L Io 起偏器
~V
z y x′ y′
P2 调制光
λ/4波片 波片
检偏器
纵向电光强度调制
电光晶体(KDP)置于两个成正交的偏振器之间,其中起偏器P1的偏振方向 平行于电光晶体的x轴,检偏器P2的偏振方向平行于y轴,当沿晶体z轴方向加 电场后,它们将旋转45o变为感应主轴x',y'.因此,沿z轴入射的光束经起偏器 变为平行于x轴的线偏振光,进入晶体后(z=0)被分解为沿x'和y'方向的两个分 量,两个振幅(等于入射光振幅的1/ 2 )和相位都相等.分别为:
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UP
DOWN
BACK
通光方向与z轴相垂直,并沿着 方向入射 方向入射(入射光偏振方向 通光方向与 轴相垂直,并沿着y'方向入射 入射光偏振方向 轴相垂直 袖成45 与z袖成 0角),进入晶体后将分解为沿 和z方向振动的两 袖成 ,进入晶体后将分解为沿x'和 方向振动的两 个分量,其折射率分别为n 和 个分量,其折射率分别为 x'和nz;苦通光方向的晶体长度 两电极间距离)为 ,外加电压V 为L,厚度 两电极间距离 为d,外加电压 =Ezd,则从晶体 ,厚度(两电极间距离 , 出射两光波的相位差
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E x′ (0 ) = A cosω c t
E y′ (0) = A cosω c t
电光效应的原理及应用
电光效应的原理及应用概述电光效应是指在某些物质中由于电场的作用而引发的光学现象。
这种现象最早是由法国物理学家亨利·贝克勒尔于1888年发现的，他观察到在一些晶体中，当施加电场时，晶体会发出光线。
电光效应在科学和工程领域中有着广泛的应用，特别是在光电信息技术和光电器件中。
原理电光效应的原理基于晶体的电光效应，晶体是一类特殊的材料，具有非线性光学特性。
当施加电场时，晶体中的正负电荷分布会发生变化，从而使晶体的光学性质也发生改变。
具体来说，电光效应的原理可以通过以下几个方面来解释：1.库仑效应：库仑效应是电光效应的基础，它描述了电场对晶体中电子和离子的相互作用。
根据库仑效应，电场会使晶体中的正负电荷发生位移，从而产生极化效应。
2.变折射率效应：电场的作用会影响晶体的折射率，即光线在晶体中传播时的方向和速度。
当施加电场时，晶体的折射率会发生变化，从而使光线的传播方向产生偏转。
3.双折射效应：某些晶体在电场作用下会表现出双折射现象，即光线在晶体中会分裂成两束，并且传播方向发生变化。
这种双折射效应可以用来制造波片和光电器件。
应用电光效应在光电信息技术和光电器件中有着广泛的应用，以下列举一些常见的应用：1.电光调制器：电光调制器是一种利用电光效应来调制光信号的器件。
它可以根据施加的电场强弱来调节光的强度和相位，从而实现光信号的调制和控制。
2.晶体光学器件：电光效应可以用来制造各种各样的晶体光学器件，如波片、光栅、光纤光开关等。
这些器件在光通信、光谱分析等领域中有重要的应用。
3.光学传感器：利用电光效应可以制作各种光学传感器，用于检测和测量光信号的强度、相位和频率等。
光学传感器广泛应用于环境监测、生物医学、工业检测等领域。
4.光电调制器：电光效应可以用来制造光电调制器，用于将电信号转换成光信号，或将光信号转换成电信号。
光电调制器在光通信和光电信号处理中发挥着重要的作用。
5.光存储器件：电光效应可以用来制造光存储器件，用于存储和读取光信息。
电光效应的实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解电光效应的基本原理，包括线性电光效应和二次电光效应。
2. 掌握利用偏振片和液晶显示器等设备观察电光效应现象的方法。
3. 通过实验数据，验证电光效应的规律，加深对光与物质相互作用的理解。
二、实验原理电光效应是指当液晶分子受到外加电场的作用时，其分子排列发生变化，从而引起光在液晶中的传播方向发生改变的现象。
根据液晶分子排列的变化，电光效应可分为线性电光效应和二次电光效应。
1. 线性电光效应：当液晶分子在外加电场作用下发生转动时，其光轴方向发生变化，导致光在液晶中的传播方向发生改变。
这种现象称为线性电光效应。
2. 二次电光效应：当液晶分子在外加电场作用下发生扭曲时，其光轴方向和传播方向同时发生变化，导致光在液晶中的传播方向发生更大的改变。
这种现象称为二次电光效应。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：- 液晶显示器- 偏振片- 电源- 电极板- 电压调节器- 光源- 显微镜2. 实验材料：- 液晶样品四、实验步骤1. 将液晶显示器与电源、电极板和电压调节器连接。
2. 将偏振片分别贴在液晶显示器的两侧，使偏振片的透光轴与液晶分子的定向方向相同。
3. 打开电源，调节电压，观察液晶显示器中的光束变化。
4. 通过显微镜观察液晶分子在电场作用下的排列变化。
5. 改变电压，观察光束的变化，记录不同电压下的光束位置。
6. 比较不同电压下的光束变化，分析电光效应的规律。
五、实验结果与分析1. 在低电压下，液晶分子排列基本不变，光束通过液晶显示器后基本保持原方向。
2. 随着电压的增加，液晶分子开始发生转动，光束在液晶显示器中的传播方向发生改变。
3. 当电压达到一定值时，液晶分子发生扭曲，光束在液晶显示器中的传播方向发生更大的改变。
4. 通过实验数据，可以验证电光效应的规律，即电光效应与外加电压成正比。
六、实验结论1. 电光效应是液晶显示器等设备工作的基础。
2. 通过调节外加电压，可以控制光束在液晶显示器中的传播方向，实现光束的开关和调制。
何谓光电效应以及电光效应
何謂光電效應以及電光效應，其代表性的元件有那些？並說明其物理意義。
光電效應是將光能換成電能的一種物理效應，其代表性的元件是太陽能電池，可應用發電系統。
電光效應是將電能換成光能的一種物理效應，其代表性的元件是發光二極體，可應用照明系統。
請說明太陽電池元件的光電轉換效率以及形狀因子的定義及其物理意義。
太陽能電池元件的理想光電轉換效率或能量轉換效率為= Pm/Pin x 100% = (Im)(Vm)/Pin x 100%= (FF)(I L)(Voc)/(Pin) x 100%其中Pin 為太陽電池的輸入功率，Pm 為最大輸出功率，Im 為最大輸出功率電流，Vm 為最大輸出功率電壓。
形狀因子(Fill Factor，FF)的定義為FF = (Im)(Vm)/(IL)(Voc) (2.15)事實上，太陽能電池元件的電流-電壓(I-V)特性以及能量轉換效率，並不是所預設的理想化狀態，而是有所偏差的而呈現非理想化狀態或實際狀態。
就實際的太陽能電池元件而言，非理想化狀態電流-電壓特性以及能量轉換效率的產生，是存有許多的影響因素，而串聯電阻、並聯或分流電阻以及空乏區的再復合電流是主要的因素之一。
串聯電阻、並聯或分流電阻以及空乏區的再復合電流產生，將使太陽能電池元件的能量轉換效率降低了25.0 30.0%。
在矽的半導體材料方面，依其結晶形態而區分，有那些？請陳述太陽能電池用多晶矽原材料的主要生產廠商。
在塊狀型太陽能電池材料方面，依其結晶形態而區分，則有單晶矽的以及多晶矽的等兩種半導體。
太陽能電池的元件種類，因其外觀形態的不同，而有塊狀型的(Bulk)太陽能電池元件以及薄膜型的(Thin Film)太陽能電池元件等兩種；目前，太陽能電池用多晶矽原材料的主要生產廠商，有德國Socmic 公司、挪威REC 公司、美國Hemlock Semiconductor 公司、日本Tokuyama 公司、德國Wacker Chemie 公司、日本Mitsubishi Materials 公司、美國MEMC Electronic Materials 公司、美國ASiMi 公司(Advanced Silicon Materials LLC)等。
电光效应和电光调制
电光效应和电光调制当给晶体或液体加上电场后，该晶体或液体的折射率发生变化，这种现象成为电光效应。
1875年克尔（Kerr）发现了第一个电光效应。
即某些各向同性的透明介质在外电场作用下变为各向异性，表现出双折射现象，介质具有单轴晶体的特性，并且其光轴在电场的方向上，人们称这种光电效应为克尔效应。
1893年普克尔斯（Pokells）发现，有些晶体，特别是压电晶体，在加了外电场后，也能改变它们的各向异性性质，人们称此种电光效应为普克尔斯效应。
电光效应在工程技术和科学研究中有许多重要应用，它有很短的响应时间（可以跟上频率为1010Ｈｚ的电场变化），因此被广泛用于高速摄影中的快门，光速测量中的光束斩波器等。
由于激光的出现，电光效应的应用和研究得到了迅速发展，如激光通信、激光测量、激光数据处理等。
一．实验目的1．掌握晶体电光效应和电光调制的原理和实验方法。
2．观察电光效应所引起的晶体光性的变化和会聚偏振光的干涉现象。
3．学会用简单的实验装置测量LN（LiNbO3铌酸锂）晶体半波电压。
观察电光调制的工作性质。
二．仪器用具电光效应实验仪，电光调制电源,LN晶体横向电光调制器，接收放大器,He-Ne激光器,二踪示波器和万用表。
三．实验装置与原理（一）实验装置（1）电光效应实验仪面板如图所示。
（2）晶体电光调制电源：调制电源由-200V—+200V之间连续可调的直流电源、单一频率振荡器（振荡频率约为1kHz）、音乐片和放大器组成，电源面板上有三位半数字面板表，可显示直流电压值。
晶体上加的直流电压的极性可以通过面板上的“极性”键改变，直流电压的大小用“偏压”旋钮调节。
调制信号可由机内振荡器或音乐片提供，此调制信号是用装在面板上的“信号选择”键来选择三个信号中的任意一个信号。
所有的调制信号的大小是通过“幅度”旋钮控制的。
通过前面板上的“输出”插孔输出的参考信号，接到二踪示波器的一个通道与被调制后的接收信号比较，观察调制器的输出特性。
光电子学中的电光效应及其应用
光电子学中的电光效应及其应用随着科技的不断发展，光电子学的研究也越来越深入。
光电子学是关于光与电子的相互作用的研究，而电光效应就是其中一项关键内容。
一、什么是电光效应电光效应是指在某些晶体物质中，当电场作用在其表面或内部时，会使一些电子受激发而跃迁到更高的能级，从而产生偏极化现象，使该物质的折射率发生变化。
这个现象也叫作“电光 Kerr 效应”。
电光 Kerr 效应可以分为线性和非线性两种：线性 Kerr 效应是指电场之间的响应是线性的，而非线性 Kerr 效应则发生在高强度电场下，其响应是非线性的。
二、电光效应的应用1. 激光通信激光通信中，光脉冲需要在通信线路中传输，因此需要解决光速度受到介质折射率影响的问题。
利用电光 Kerr 效应可实现光速控制和光相位调制，从而减轻传输过程中光速的影响。
2. 光存储电光 Kerr 效应也可用于光存储器件中。
制造一种高负度的Kerr 晶体，可用于制造快速、高分辨率的光存储器件。
光子在Kerr 晶体中的传输速度约为真空中的光速的 0.5 倍，可以极大地加快数据传输速度。
3. 光开关利用电光 Kerr 效应，可以制造光开关，即将电信号转换成光信号的器件。
光开关可以用在光纤通信系统中，有效降低光信号的噪声。
同时，其快速、稳定、精确的开合速度使其可以被应用在分子电路中。
4. 高分辨率显微镜电光 Kerr 效应可用于实现高分辨率显微镜。
在传统显微镜中，焦点仅能在轴向上调整，而沿侧向偏移时需要重新聚焦。
利用Kerr 玻璃可制造具有光学性能的非线性透镜，使焦点可以在轴向和侧向上进行控制。
5. 光学计算机电光 Kerr 效应也可用于光学计算机的实现。
传统的计算机需要耗费大量电力进行数据处理，但光学计算机可以在使用光传输信号时避免耗费力量。
利用 Kerr 效应，可以实现光学计算器件，加速数据处理速度。
三、总结电光 Kerr 效应具有广泛的应用前景，在光通信、光存储、光开关、显微镜等领域都有重要的应用。
光弹性效应和电光效应
next
3
把克尔盒放在两个正交的偏振片之间，就构成一 个偏振干涉装置，出射光强与∆ϕ 有关，即与V有关。
next
∆ϕ
=
2π λ
κ
⋅
V2 d2
⋅
L
应用： ①电光开关
出射光强为0，为“关”：干涉极小 ，∆ϕ =？0，V=0， 出射光强最强，为“开”：干涉极大，∆ϕ =π，VV=?( λd2 )1/ 2,
2κL 优点：响应时间短，有电场就开，无电场就关，开 关速度可达109次/秒。
规律：沿单轴晶体的光轴方向加电场后，在单轴晶 体内垂直于电场方向的平面上，存在着两个互相垂直 的方向；光沿光轴方向传播时，光振动沿这两个方向 的分振动的传播速度不同，通过长度为L的电场E后， 两个振动之间出现光程差：
γ
n
3 o
EL
其中，γ为电光系数，no为o光折射率
相位差为：∆ϕ
=
2π λ
no3
γEL
装置：
这种实验装置 叫做克尔盒。
next
next
1
场强：E=V/d,
no − ne = κE2
通过长为L的克尔盒后，o光、e光产生的光程差为:
δ = κ ⋅ V2 ⋅L d2
与电场的正负无关
相位差：
∆ϕ =
2π λ
κ
⋅
V2 d2
⋅
L
因为克尔盒的光轴方向为竖直方向，平行于克尔 盒的侧表面，它与波片的作用相同。
5-10 光弹性效应和电光效应 一、光弹性效应——人为双折射现象 1、现象 物体内部存在应力时，出现各向异性光的学性 质，产生双折射。 例如：塑料膜拉紧后放在两偏振片之间，白光 入射时可以看到彩色，这种色偏振现象，说明拉 紧后的塑料膜有双折射。
电光效应(Induced-推荐精选PPT
Kerr 实验发现: nn||nE2 光o光轴和平e光行的于相入对射位面相时差的:o光和e光的相对位相延迟
应力分析 ------ 光弹力学 电致双折射, 双折射大小与电场强度有关 电致双折射, 双折射大小与电场强度有关
高速Kerr 开关， 响应频率~1010Hz
二次电光效应
KE2 KV2
d
Kerr系数
效 应 装 置
Kerr盒（内装电致双折射材料）
Kerr
Kerr 效应（1875年）
o光和e光的相对位相差:
压缩
成为负单轴材料；
压缩
成为负单轴材料；
在Po一cke些ls各效向应同（性线材性料电上光加效上应电）场
各向异性
o电光致和双e光折的射相, 双对折位射相大差小: 与电场强度有关
应Ke力rr 分效析应（---1--8-7光5年弹）力学
实 验
Pockels
nkE2 ---- 一次电光效应
所需电压比Kerr效应要低，同样可做成高速开关
成为正单轴材料；
压缩
成为负单轴材料；
干涉色的分布
受力分布
工程应用 应力分析 ------ 光弹力学
2. 电感应---电光效应(Electro-optical effect)
在一些各向同性材料上加上电场
各向异性
电致双折射, 双折射大小与电场强度有关
a. Kerr 效应（1875年） 各向同性透明介质在电场下成为单轴双折射
5-10电光效应(Induced optical effects)
各向同性物质
外界作用
各向异性物质
各向异性物质
外界作用
物质的 各向异性变化
1. 机械感应---光弹效应(Photoelasticity) 各向同性或异性材料在外力作用下可产生各向异性的变化，
电光效应
2
电光效应
• 当介质中存在足够大的外加电场时，会扰 乱原子内场，导致介质光学性质的显著变 化，当光波通过此介质时，其传输特性就 受到影响而改变，这种现象称为电光效应 • 在晶体未加外电场时，主轴坐标系中，折 射率椭球由如下方程描述：
x2 y2 z2 + 2 + 2 =1 2 nx ny nz
3 ϕn = 2π nx′ L = 2π L (n0 − 1 n0 γ 63 Ez ) 2 λ λ 3 ϕn = 2π ny′ L = 2π L (n0 + 1 n0 γ 63 Ez ) λ λ 2
x′ y′
20122012-4-1
17
电光相位延迟
• 相位差为 3 3 ∆ϕ = ϕn − ϕ n = 2π Ln0γ 63E z = 2π n0γ 63V λ λ • 式中的 V = Ez L 是沿 z 轴加的电压； • 当电光晶体和通光波长确定后，相位差的变 化仅取决于外加电压，即只要改变电压，就 能使相位成比例地变化 • 当相位差为π时加的电压值，称为“半波电 V 压”，通常用 π 或Vλ /2 表示：
1 1 ′2 + ( 2 − γ 63 Ez ) y′2 = 1 ( 2 + γ 63 Ez ) x n0 n0
20122012-4-1
16
电光相位延迟
• 当一束线偏振光沿着 z 轴方向入射晶体，且 E 矢量 沿 x 方向，进入晶体 (z=0) 后即分解为沿 x’ 和 y’方 向的两个垂直偏振分量。由于二者的折射率不同， 则沿x’ 方向振动的光传播速度快，而沿 y’ 方向振动 的光传播速度慢，当它们经过长度 L 后所走的光程 分别为 nx’L 和ny’L，这样，两偏振分量的相位延迟 分别为
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未加外场时： bij bij 0
在主坐标系中： b110x2 b22 0y2 b33 0z 2 1
nx ny nz
主折射率
1
1
1
nx2
ny2
nz 2
加外场后： bij E bij 0 bij E
在主坐标系
1 nx2
b11 x2
第十一讲 电光效应
一、电场作用下材料的非线性极化 二、电光系数张量 三、折射率椭球的形变
电光效应：介质在外加直流或低频电场作用下出现的光 学特性（各向异性）改变
1 第十一讲 电光效应
一、电场作用下材料的非线性极化
• 介质受光频电场（入射光场）和射频电场（外加电场，低频或直流）的共 同作用，应同时考虑电子的受迫振动和离子的受迫振动；
1 ny2
b22
y
2
1 nz 2
b33
z 2
2b23 yz
2b13 xz
2b12 xy
1
5 第十一讲 电光效应
三、折射率椭球的形变
1 nx 2
b11 x2
1 ny2
b22
y
2
加射频场 未加射频场 射频
射频
其中第一项：线性电光效应（Pockels 效应，1893年），
ijk 为线性电光系数，三阶张量；
只有非中心对称晶体才有
第二项：二次电光效应（Kerr效应，1875年），
sijkl 为二次电光系数，四阶张量；
任何介质
注意区别光学 Kerr 效应
3 第十一讲 电光效应
• 电光系数的物理性质
1
no 2
x2 y2
1 ne 2
z2
2 41Ex yz 2 41Ey zx 2 63Ez xy
1
未加电场的原有部分
加电场后增加的部分
no , ne ：o光、e光主折射率
7 第十一讲 电光效应
三、折射率椭球的形变
1
• 同时存在射频和光频时，相当于工作点 设在 Eo ，并对光频产生响应。
（' 折射率）随 Eo 的大小改变 电光效应
光频Eo E若Fra bibliotek加电场不在主轴
方向， ' 是张量。
2 第十一讲 电光效应
二、电光系数张量
定义：(用材料的相对介电抗渗张量的变化量来表示介质对外场的响应)
bij bij E bij 0 ijk Ek sijkl Ek El
d
kmn
Ek
s P s
E
ijkl
ijmn klmn
Ek El
ijk
sijkl
4 第十一讲 电光效应
研究电光效应
耦合波分析法 折射率椭球法
三、折射率椭球的形变 b P A
b r n
折射率椭球：
bij xi x j 1 任意坐标系 方程的展开式？
应变 压电效应 电致伸缩效应 张量 压电系数 电致伸缩系数
介质形变引起的折射率改变——弹光效应（声光效应）：
bij
bij
s
bij
0
P
E ijmn
Smn
上标“E” 表示恒电
场
于是，在恒应力条件下（包括电场造成和形变造成）：
bij
s ijk
P
E ijmn
（位能函数，运动方程）
• 考虑 D ~ E 关系，（为简化，设外加电场
// 晶体某主轴，则D // E ，标量关系）；
D
D E E2 E3
' dD 2E 3E2
dE
线性 射频
斜率，代表介质材料对电场响应的大小
• E 为光频时， ' 相当于光频折射率； • E 为射频时， ' 相当于射频介电系数；
no 2
x2 y2
1 ne 2
z2
2 41Ex yz 2 41Ey zx 2 63Ez xy 1
• 若 E Ez, Ex Ey 0
1
no 2
x2 y2
1 ne 2
z2
2 63Ez xy
1
方程关于 x, y 对称，将坐
标系绕 z 轴转 角：
1 nz 2
b33 z2
2b23 yz
2b13xz
2b12 x y
1
使用加电场后的新折射率椭球，按照通常研究光在晶体中 传播的方法研究光的传播规律。
一般，在原主坐标系 (x, y, z) 中， bij E 不是对角张量（存在
交叉项），需要寻找新的主坐标系 (x', y', z') ；
（线性代数）找本征值，本征矢——构成新的坐标系 找新坐标系
（解析几何）通过坐标变换，消去交叉项
6 第十一讲 电光效应
线性电光效应
三、折射率椭球的形变
bij ijkEk sijklEk El
以KDP晶体为例， 42m ，查表，找出 ijk 矩阵的形式
b1
0
b2
bb43
41
b5
41
Ex Ey
E
z
0 0 41Ex 41E y
b6
63
63Ez
折射率椭球方程（在原主坐标系中）：
cos2x'
y' 1
令 cos2 0, 即 45, sin 2 1
消除了交叉项（非对角项），即找到了新的主坐标系！
8 第十一讲 电光效应
新主折射率：
1 no 2
63Ez
x'2
二、电光系数张量
恒应变条件下：（射频电场频率 > 介质声谐振频率，晶体不发生形变）
bij
E s
ijk k
ssijkl Ek El
上标“s” 表示恒应
恒应力条件下：（射频电场频率 < 介质声谐振频率变，晶体发生形变）
外场引起的形变： （比如压电陶瓷）
Smn d kmnEk klmnEk El
（坐标变换法）
代入原方程，整理得到：
老新
x x'cos y'sin y x'sin y'cos
z z'
1 no 2
63Ez
sin 2 x'2
1 no 2
63Ez
sin 2 y'2
1 ne 2
z2
2 63Ez