5.1 电光效应及其应用
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。
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。
光电效应及其在技术中的应用
光电效应及其在技术中的应用光电效应是指当光束照射到金属表面时，金属中的自由电子受到光照射的能量，从而被激发出来形成电流的现象。
这一现象被广泛应用于技术领域，特别是光电器件和太阳能电池等方面。
本文将介绍光电效应的基本原理、光电器件和太阳能电池的应用。
一、光电效应的基本原理在光电效应中，入射光的能量会促使光照射到金属表面的自由电子获得足够的能量，从而跳出金属的束缚，形成电流。
光电效应的基本原理可以用以下几个重要概念来解释：1. 光子：光子是光的基本单位，具有粒子性和波动性。
光子的能量与光的频率成正比，表现为E=hν，其中E是光子的能量，h是普朗克常数，ν是光的频率。
2. 光电子：当光子照射到金属表面时，金属中的自由电子会受到光子的能量激发，从而跃迁到导带中形成自由电子。
3. 动能平衡：光电效应发生时，光子的能量必须大于或等于金属中自由电子的束缚能，才能使电子跃迁到导带中。
金属中的电子通过吸收光子能量，使能量平衡得到维持。
二、光电器件的应用光电器件是利用光电效应原理制造的具有特定功能的电子元件，广泛应用于通信、显示、传感和测量等领域。
下面我们将介绍几种常见的光电器件及其应用。
1. 光电二极管（Photodiode）：光电二极管是一种具有半导体材料构建的二极管结构，能够将光信号转变为电信号。
它常用于光通信、光量子传感器和光测量等领域，如光电二极管用作数字摄像机的感光器件。
2. 光电倍增管（Photomultiplier Tube）：光电倍增管是一种能够将光信号放大数千倍的器件。
它常用于弱光信号的探测，例如在科学研究、医学成像和天文学观测中，光电倍增管被广泛应用。
3. 光电三极管（Phototransistor）：光电三极管是一种在传统晶体三极管基础上添加光敏材料构成的光控开关。
它可以用于光电阻、自动调光和光电开关等应用，如在光敏传感器和光电控制系统中。
三、太阳能电池的应用太阳能电池是一种将阳光能直接转化为电能的装置。
电光效应 实验报告
电光效应实验报告电光效应实验报告引言：电光效应是指在高电压下，气体中发生的电离现象。
这一现象被广泛应用于照明、显示等领域。
本实验旨在通过观察电光效应的产生和变化，探究其原理及应用。
实验设备：1. 电源：提供高电压的直流电源；2. 电极：用来产生电场和激发电光效应的金属电极；3. 气体容器：用来装载气体的透明容器；4. 测量仪器：用于测量电压、电流和光强等参数的仪器。
实验步骤：1. 准备工作：将电源连接好，确保电源正常工作。
将电极放置于气体容器中，并将容器密封好。
2. 实验前准备：调整电源输出电压，使其逐渐升高，同时记录下电压和电流的数值。
3. 观察电光效应：当电压升高到一定程度时，气体容器内会发生电光效应。
观察电光效应的颜色、形态和亮度等特征，并记录下来。
4. 变化实验：保持电压不变，改变气体种类或浓度，观察电光效应的变化情况。
5. 参数测量：使用测量仪器测量电流、电压和光强等参数，并记录下来。
6. 结果分析：根据实验数据，分析电压、电流和光强之间的关系，探究电光效应的产生机理。
实验结果：通过实验观察和数据测量，我们得到了以下结果：1. 随着电压的升高，电光效应的亮度逐渐增强，颜色也发生了变化。
初期，电光呈现微弱的蓝色，随着电压的增加，逐渐变为鲜艳的紫色。
2. 在一定电压范围内，电流和光强呈正相关关系。
电流增大时，光强也相应增加；而在超过一定电压后，光强增加的速度变缓。
3. 改变气体种类或浓度会对电光效应产生影响。
不同气体的电光颜色会有所不同，浓度的增加会使电光效应更加明亮。
结果分析：根据实验结果，我们可以得出以下结论：1. 电光效应的产生是由于高电压下气体分子的电离和激发。
当电压足够高时，电场会使气体分子发生碰撞和电离，产生带电粒子和激发态分子。
这些带电粒子和激发态分子再与其它分子碰撞，释放出能量并产生光。
2. 电光效应的亮度与电流和光强呈正相关关系，但随着电压的增加，增加的速度逐渐减缓。
这是因为在初期，电场足够强大，使气体分子容易发生电离和激发，产生更多的光。
第22讲 电光效应
sin x` cos y`
代入计算
[ 1 1 1 2 2 2 E sin(2 )] x ` [ E sin(2 )] y ` z 2 63 Ez cos(2 ) x`y` 1 63 z 63 z 2 2 2 n0 n0 ne
2
2
2
1 3 n x n0 63 E z 2 1 3 n y n0 63 E z 2 n z 0
电致折射 率的变化
KDP晶体沿z轴方向夹电场，单轴晶变成双轴晶，折射率椭 球绕主轴旋转了45度，此转角与外加电场的大小无关，其 折射率的变化与电场成正比。 单轴晶体在Pockel效应的作用下，关于Z轴的旋转对称被 破坏， nx ny nz 变成的双轴晶体。
E 2 x' E 2 y ' 2 ( ) 0,即，E y ' ( A2 / A1 ) E x ' A1 A2
直线
22.3 偏振光的合成
偏振光的琼斯矢量表示
任一偏振光可以表示为沿x轴和y的两个线偏振光的叠加： i1 e cos e xa1e i1 ya2e i2， 可以将该矢量以琼斯矢量表示：e i 2 e sin a1 式中 arccos 为E与x轴夹角。 2 2 a1 a2 1 光矢量沿 x 轴 的线偏振光 : cos 0 偏振方向与x轴成 角的线偏振光： sin 光矢量沿y轴的线偏振光: 0 1 1 1 右旋圆偏振光： 2 i
不同的介质有相应的 ij ， ij 为6 3矩阵。
7
22.1 电光效应
KDP晶体的Pockel效应
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
其传输特性就受到影响而改变这种现象称为电光效应
略去式中相角旳常数项，因为它对调制效果没有影响，则上式写成
(3.2-39)
式中
称为相位调制系数。利用贝塞
尔函数展开上式，便得到(3.1-12)式旳形式。
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三、电光调制器旳电学性能
渡越时间： d
L (c / n)
激光经过长度为L旳晶体所需时间。
对电光调制器来说，总是希望取得高旳调制效率及满足要求旳 调制带宽。
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nx
n 0
1 2
n3 E 0 63 z
ny
n 0
1 2
n3 E 0 63 z
通光方向与z轴相垂n直z ，n并e 沿着y'方向入射(入射光偏振方向
与z袖成450角)，进入晶体后将分解为沿x’和z方向振动旳两
个分量，其折射率分别为nx’和nz；苦通光方向旳晶体长度
后一步考虑了(3.2-19)式和(3. 2-20)式旳关系。
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(3.2-30)
n x
ny
2
Ln03 63Ez
2
n03 63V
(3.2 19)
V 2
2n03 63
c0 n03 63
(3.2 20)
Vπ和Vλ/2 是一回事。
(3.2-30)式中旳T称为调制器旳透过率。根据上述关 系能够画出光强调制特征曲线。在一般情况下，调 制器旳输出特征与外加电压旳关系是非线性旳。
ExL A Ey L Aexp i
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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。
电光效应
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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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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。
02-51.1 电光效应的描述
折射率椭球的系数[Bij]是二阶对称张量，有 Bij＝Bji 。因而 [Bij]只有六个 独立分量，(8)式可简化为
B11x12 B22 x22 B33x32 2B23x2 x3 2B31x3x1 2B12 x1x2 1 (9)
B11x12 B12 x1x2 B13x1x3 B21x2 x1 B22 x22 B23x2 x3 B31x3x1 B32 x3x2 B33x32 1 (8)
第5章晶体的感应双折射
第四章学的晶体的双折射现象是由于晶体结构自身的各向异性 决定的，称为自然双折射。
当晶体受到应力、电场、磁场等外界作用，其结构发生变化时， 将产生与外场作用有关的双折射现象，叫做感应双折射。
5.1 电光效应
电光效应：因外加电场使介质光学性质发生变化的效应。
当外加电场足以将原子内场( 3×l08 V/ cm)扰乱到有效程度， 就可以使本来是立方晶体或单轴晶体变为双轴晶体。
如果将没有外加电场的晶体折射率椭球记为
Bi0j xi x j 1
(4)
外加电场后，晶体的感应折射率椭球记为
Bij xi x j 1
则折射率椭球的变化可很方便地用系数的变化 Bij 描述，上式可写成
(Bi0j ΔBij )xi x j 1
(5)
Bij 是由外加电场引起的，它应与外加电场有关系。一般情况下，Bij 可以表示成
(7) B23x2 x3
Hale Waihona Puke 2 B31 x3 x12B12 x1x2
1
(9)
[Bij]是二阶对称张量，将下标 i 和 j 交换其值不变，可将它的二重下标简 化成单个下标，其对应关系为
B11 B22 B33 B23 B31 B12 B1 B2 B3 B4 B5 B6
实验七晶体的电光效应及其应用
实验七晶体的电光效应及其应用——用相位补偿法测量双折射晶体的微小相位差物理学院物理系00004037 贾宏博1 实验目的1.1 研究KD*P晶体的一次电光效应，用光强极小、光强极大和调制法三种方法测定一组KD*P晶体的半波电压。
1.2 用相位补偿法测量双折射云母样品的相位差和折射率差。
2 实验原理2.1 磷酸二氘钾（KD*P）类型晶体的纵向电光效应。
KD*P晶体为负单轴晶体，如图7-1。
它的折射率椭球为旋转椭球，如（7-1）式图7-1 图7-2122222=++eonznyx（7-1）在KD*P晶体的光轴z方向加上电场后，（7-1）式变为126322222=+++xyErnznyxzeo（7-2）经过坐标变换⎪⎩⎪⎨⎧=+=-='45cos'45sin'45sin'45cos'zzyxyyxx（7-2）式转化为1'''2'22'22'2=++z y x n z n y n x ，其中⎪⎩⎪⎨⎧=-=+=--ez z o o y z o o x n n E r n n n E r n n n '2/1632'2/1632')1()1( （7-3）通常1632<<z o E r n ，则（7-3）式化为⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=+=-=e z zo oy z o ox n n E r n n n E r n n n '633'633'22 （7-4）从图7-2中可以看出在加了电场后折射率椭球的变化。
折射率椭球的x-y 截面变成了椭圆，且长、短轴变成了'x 、'y 轴，并且与x 、y 轴夹角45。
'x 、'y 轴称为感应轴。
当线偏光在KD*P 晶体中沿着z 轴方向传播时，'x 、'y 方向的偏振光的折射率不一样，经过长度为L 的晶体后，产生的相位差为D o z o x y V r n LE r n L n n 633633''22)(2λπλπλπφ==-=（7-5）其中L E V z D =，即加在晶体两端的电压。
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。
#5.1 电光效应及其应用
B 1 0 ( x 1 2 x 2 2 ) B 3 0 x 3 2 2 6 E 3 3 x 1 x 2 1
或者
x12x22
no2
nx3e2 2
263E3x1x21
18
为了讨论晶体的电光效应，首先应确定感应折射率椭球 的形状，也就是找出感应折射率椭球的三个主轴方向及相应 的长度。
41
0
0
41
0 0
0
0
0
0
0
63
E1
E
2
E 3
15
因此：
B1 0
B2 0
B3 B4
0
41
E
1
B5
41
E
2
B 6 63 E 3
16
由此，可得KDP型晶体的感应折射率椭球表示式：
可以看出，这个方程的x23项相对无外加电场时的折射
率椭球没有变化，说明感应折射率椭球的一个主轴与原折射
率椭球的x3轴重合，另外两个主轴方向可绕x3轴旋转得到。
假设感应折射率椭球的新主轴方向为 x1'、x2'、x3' ， 则 由 x1'、x2'、x3' 构成的坐标系可由原坐标系(O-x1x2x3)绕x3轴
B 1 0(x 1 2x 2 2)B 3 0x 3 2 1
式中，B 1 0 1 /n 1 2 1 /n o 2 B 2 0 ;B 3 0 1 /n 3 2 1 /n e 2 ;no 和 ne 分 别 为
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。
光电效应及其现代应用
光电效应及其现代应用1.什么是光电效应？光电效应是指当光照射到金属表面时，即使光的强度很弱，也会引起电子的发射现象。
这个发现有着重要的科学意义，深刻地改变了人们对光与物质相互作用的认识。
光电效应的基本原理是光子与原子中的电子相互作用，光子的能量被传递给电子，当光子的能量大于某个阈值时，电子获得足够的能量来克服束缚力，从而从物质表面逃逸出来。
2.光电效应的实际应用光电效应不仅在科学研究中有着重要的地位，而且在现实生活中也有许多实际应用。
2.1光电通信光电通信是一种利用光电效应传输信息的技术。
通过将光信号转换为电信号，再通过电路传输，可以实现高速和远距离的信息传输。
光电通信已经广泛应用于互联网、无线通信、数据中心等领域，极大地提高了信息传输的速度和可靠性。
2.2太阳能电池太阳能电池是利用光电效应将光能转换为电能的装置。
当太阳光照射到太阳能电池上时，光子的能量被电池中的半导体材料吸收，并导致电子从原子中释放出来。
这些自由电子可以在电池中形成电流，从而产生电能。
太阳能电池是一种清洁、可再生的能源技术，被广泛应用于无线电力传输、航天器和家庭电力供应等领域。
2.3光电传感器光电传感器是一种利用光电效应测量和检测光信号的装置。
它通常由光源、光探测器和信号处理电路组成。
光电传感器具有高灵敏度、高分辨率和快速响应的特点，广泛应用于工业、医疗、安防等领域。
例如，在自动门控制系统中，光电传感器可以检测到人体的动态，实现自动开关门的功能。
2.4光电显示器光电显示器是一种利用光电效应显示图像和文字的装置。
它利用光电效应将电信号转化为可见光，从而产生清晰明亮的显示效果。
光电显示器广泛应用于电子设备、计算机显示器、电视等领域，成为现代信息显示技术的重要组成部分。
光电效应是一项重要的科学发现，不仅深刻改变了人们对光与物质相互作用的认识，而且在现实生活中有着广泛的应用。
从光电通信、太阳能电池、光电传感器到光电显示器，光电效应为我们的生活带来了便利和创新。
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，
电光效应在光电器件中的应用
电光效应在光电器件中的应用电光效应是指某些材料在电场的作用下，会发生光的折射现象。
因此，电光效应在光学、光通信和光电子学中得到广泛应用。
特别是在光电器件中，电光效应有着非常重要的应用价值。
一、电光效应的基本原理电光效应的基本原理是将一定电压加到光学材料上，使其发生电场改变，从而引起材料光学性质的变化。
在电场作用下，材料最终产生的折射率变化，也成为了电光系数。
电光系数通常用r表示，当电场作用下，折射率的变化率为：$\frac{\Delta n}{n} = rE$其中，E表示电场的强度，n是不加电场时的折射率，$\Deltan$表示折射率的变化。
二、电光效应的应用1. 光调制器光调制器是光通信中不可或缺的一部分，主要作用是对光信号进行调制。
通过加电来改变材料的折射率，从而使得光学相位改变，达到调制目的。
其中，Pockels效应是最常用的电光效应之一。
Pockels效应是基于双折射现象，即在材料中，入射光线在电场的作用下，被分成来自两个不同的极性的线偏振光。
因此，研究人员通过利用Pockels效应，制造了一些高性能光调制器，这种光调制器可以产生高稳定性、低驱动电压的光信号。
2. 光开关光开关在光通信和光计算中都有着重要的应用。
利用电光效应，我们可以调整光学材料的折射率，从而改变光子在其中的传播方向和路径。
这样，我们便可以通过修改光线的传播路径，来控制光信号的流动。
3. 光闪存器光闪存器是光电子学领域中的一种重要器件。
利用电光晶体制成的光闪存器，可以实现高速光计算和分析。
电光材料在电场的作用下，可以实现快速的折射率变化，使得光信号流动更加顺畅，从而提高了设备的响应速度和稳定性。
4. 激光器激光器是一种重要的激光器件。
通过利用电光效应，我们可以控制激光器内部的光场分布和光学强度，调整激光的波长和功率，从而制造出高品质的激光器件。
三、结语电光效应在光电器件中有着极为重要的应用价值，在光学、光通信和光电子学领域都得到广泛的应用。
光电效应及其现代应用
光电效应及其现代应用光电效应是指在金属表面或其他材料上，当光照射到材料表面时，能够使表面的电子跃迁到自由状态的现象。
这一现象首次由物理学家爱因斯坦在1905年进行理论解释，并因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。
光电效应不仅在原子物理和量子力学的发展中起到了重要作用，而且在现代科技中也有着广泛的应用。
光电效应的基本原理光电效应的基本原理可归结为以下几个方面：光的粒子性：根据量子论，光可以被看作是由许多粒子（光子）组成的。
当光照射到金属表面时，光子的能量与金属中的电子发生相互作用。
能量阈值：只有当光子的能量大于某一特定值（即金属的功函数）时，才能使电子从金属中逸出。
这一特定值依赖于材料的性质。
电子发射：当满足能量条件后，逸出的电子会具有与入射光频率有关的动能。
具体而言，动能与入射光频率的关系可以用爱因斯坦方程表示： [ E_k = hf - ] 其中 (E_k) 是电子的动能，(h) 是普朗克常数，(f) 是光频率，() 是材料的功函数。
电流产生：在实验装置中，这些自由电子能形成电流。
通过量测由此产生的电流，可以得出有关素材特性的许多信息。
光电效应的重要实验为了证实光电效应的存在，多位著名物理学家进行了系列实验。
最具代表性的实验如哈特利实验、盖尔曼实验等，这些实验不仅验证了光电效应，更推动了量子力学的发展。
例如，在哈特利实验中，他成功地观察到了在不同频率下，光照对金属表面电子释放的影响。
这些实验为后来对光电效应的研究提供了深刻的基础。
光电效应的现代应用随着科技的发展，光电效应被广泛应用于多个领域。
以下几个方面展示了其典型的现代应用：太阳能电池太阳能电池是利用光电效应将太阳能转化为电能的一种装置。
在太阳能电池中，当阳光照射到半导体材料（如硅）上时，会使得吸收能量后的电子从价带跃迁至导带，从而形成自由移动的电子和空穴。
这些自由电子和空穴在电场的作用下分离，从而形成电流。
太阳能电池被视为可再生能源的重要组成部分，推动了全球能源结构的绿色转型。
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可以看出，这个方程的x23项相对无外加电场时的折射
率椭球没有变化，说明感应折射率椭球的一个主轴与原折射 率椭球的x3轴重合，另外两个主轴方向可绕x3轴旋转得到。 假设感应折射率椭球的新主轴方向为 x'、x' 、x' ， 则 1 2 3
' ' 由 x1'、x2、x3 构成的坐标系可由原坐标系(O-x1x2x3)绕x3轴
介质在足够强的外电场作用下，其光学性质
发生改变（即折射率发生变化）的这一现象，叫
做电致感应双折射，或者称为电光效应。
6
由前面的讨论已知，光在晶体中的传播规律遵从光的电
磁理论，利用折射率椭球可以完整而方便地描述出表征晶体 光学特性的折射率在空间各个方向的取值分布。显然，外加 电场对晶体光学特性的影响，必然会通过折射率椭球的变化 反映出来。因此，可以通过晶体折射率椭球的大小、形状和
5.1
3
5.1 电光效应
5.1.1 电光效应的描述
5.1.2 晶体的线性电光效应 5.1.3 晶体的二次电光效应 5.1.4 晶体电光效应的应用举例
4
5.1.1 电光效应的描述
各向同性的、均匀的、线性的、稳定光学介质，在不受
任何外电场作用时，其光学性质是稳定的。
现对该介质施加一个外电场，当加到介质上的外电场足 够强、以致于强到足以和原子的内电场（≈3×10 8V/cm）
n3 n2 n1 no 63 E
2
决定，为
(n n )d
' 2 ' 1
2
3 no 63 Ed
23
式中，Ed恰为晶片上的外加电压U, 故上式可表示为：
做“电光延迟”。
2
3 no 63U
通常把这种由外加电压引起的二偏振分量间的相位差叫
由上式可见，γ 63纵向运用所引起的电光延迟正比于外
0 1 2 1 2 0 0 2 0 3 2 3 2 e
分别为单轴晶体的寻常光和非常光的主折射率。
14
当晶体外加电场时，折射率椭球发生形变。通过查阅手 册，可以得到KDP(42 m晶类)型晶体的线性电光系数矩阵其 ［Δ Ｂi］为：
0 0 B1 B 0 0 2 B3 0 0 B4 41 0 B5 0 41 B6 0 0
相比拟时，则在这种情况下，原子的内电场就会受到强烈的
影响，原子的形状和能级结构等等就会发生一系列畸变；与 之相应，介质的光学性质也会发生改变——即介质的折射率 会发生改变，折射率的改变量与外加电场密切相关、并且是 外电场的显函数。
5
实验研究的结果还表明：各向异性的光学晶体， 在足够强的外电场作用下，其光学各向异性性质 会进一步加剧。
加电压，与晶片厚度d无关。当电光延迟φ =π 时，相应于两 个偏振光分量的光程差为半个波长，相应的外加电压叫半波 电压，以Uπ 或Uλ /2表示。由此可以求得半波电压为：
U /2
3 2no 63
24
它只与材料特性和波长有关，在实际应用中，它是表征
晶体电光效应特性的一个很重要的物理参量。 例如，在λ =0.55μ m的情况下，KDP晶体的no=1.512, γ
29
经比较得到：
(U / 2 ) 横
d (U / 2 )纵 l
显然，横向运用时的半波电压一般均比纵向运用时低， 通过改变晶体的长厚比，可以降低横向运用的半波电压。但
由于横向运用必须采取补偿措施，结构复杂，对两块晶体的
加工精度要求很高，所以，一般只有在特别需要较低半波电 压的场合才采用。
5.1.2 晶体的线性电光效应
按照介质折射率改变量与外加电场之间的函数关系的不
同，可将电光效应划分为以下两个大的类型：
1）.线性电光效应
介质折射率改变量与外加电场的一次方成正比。
2）.非线性电光效应
介质折射率改变量不仅与外加电场的一次方有关，而且 还与外加电场的二次方（即平方）、三次方、乃至任意的高 次方有关，并且是它们的显函数。
Δ Bij=γ
ijkEk+hijpqEpEq+…
i, j, k, p, q=1, 2, 3
上式中，等号右边第一项描述了Δ Bij与Ek的线性关系， ［ ijk］是三阶张量，称为线性电光系数，由这一项所描述的 电光效应叫做线性电光效应， 或普克尔(Pockels)效应；等号 右边第二项描述了Δ Bij与外加电场的二次关系，［hijpq］是四阶 张量，称为二次非线性电光系数，由这一项所描述的电光效应 叫作二次电光效应，或克尔(Kerr)效应。 9
晶体的x3-切割晶片在外加电场E3后，由原来的单轴晶体变成 了双轴晶体。其折射率椭球与x1Ox2面的交线由原来的r=no的 圆，变成现在的主轴在45°方向上的椭圆，如图 5-2 所示。
21
图 5-2 折射率椭球与x1Ox2面的交线
22
①.光沿x3′方向传播
在外加电场平行于x3轴(光轴)，而光也沿x3(x3′)轴 方向传播时，由γ 63贡献的电光效应，叫γ 63的纵向运用。 由第4章的讨论知道，在这种情况下，相应的两个特许 偏振分量的振动方向分别平行于感应折射率椭球的两个主 轴方向(x1′和x2′)，它们的折射率由n1′和n2′给出，这 两个偏振光在晶体中以不同的折射率(不同的速度)沿x3′轴 传播，当它们通过长度为d的晶体后，其间相位差由折射率 之差： ' ' ' 3
A. KDP型晶体的线性电光效应 KDP(KH2PO4,磷酸二氢钾)晶体是水溶液培养的一种人工 晶体，由于它很容易生长成大块均匀晶体，在0.2～1.5 μm 波长范围内透明度很高，且抗激光破坏阈值很高，所以在光 电子技术中有广泛的应用。它的主要缺点是易潮解。 KDP晶体是单轴晶体，属四方晶系。属于这一类型的晶体 还有ADP(磷酸二氢氨)、KD*P(磷酸二氘钾)等，它们同为42 m晶体点群，其外形如图 5-1所示，光轴方向为x3轴方向。
0 2 2 0 2 B1 ( x1 x2 ) B3 x3 2 63 E3 x1 x2 1
或者
x x x 2 63 E3 x1 x2 1 2 no n
2 1 2 2 2 3 2 e
18
为了讨论晶体的电光效应，首先应确定感应折射率椭球
的形状，也就是找出感应折射率椭球的三个主轴方向及相应
16
由此，可得KDP型晶体的感应折射率椭球表示式：
B x B x B x
0 1 2 1 0 2 2 2 0 3
2 3
2 41 ( E1 x2 x3 E2 x3 x1 ) 2 63 E3 x1 x2 1
17
(2) 外加电场平行于光轴的电光效应
相应于这种工作方式的晶片是从KDP型晶体上垂直于光 轴方向(x3轴)切割下来的， 通常称为x3 -切割晶片。在未 加电场时，光沿着x3方向传播不发生双折射。当平行于x3方 向加电场时，感应折射率椭球的表示式为：
10
1. 线性电光系数
对于线性电光系数［γijk］，因其前面两个 下标i, j互换时，对［ΔBij］没有影响，所 以也可将这两个下标简化为单个下标。经 过这些简化后，只计线性电光效应，可得 如下结果： ΔBi=γijEj i = 1, 2, …, 6; j = 1, 2, 3
11
2.几种晶体的线性电光效应
第5章 晶体的感应双折射
1
自然双折射：由于晶体结构自身的各向异 性决定，光在其内传播时产生的双折射现 象。又叫晶体的固有双折射。 感应双折射：当光通过有加电场、超声场 或磁场的晶体时，将产生与外场作用有关 的双折射现象。又叫晶体的感应各向异性。
2
Contents
电光效应 5.2 声光效应 5.3 磁光效应（法拉第效应）
0 0 0 0 63 0
E1 E 2 E3
15
因此：
B1 0 B2 B3 B4 B5 B6
0 0 41 E1 41 E2 63 E3
晶片的长和宽与x1、x2轴成 45°方向。光沿晶体的［110］
方向传播，晶体在电场方向上的厚度为d，在传播方向上的 长度为l。 如前所述，当沿x3方向外加电压时，晶体的感应折射率 椭球的主轴方向系由原折射率椭球主轴绕x3轴旋转45°得 到，因此，光沿感应折射率椭球的主轴方向x2′传播时，相 应的两个特许线偏振光的折射率为n1′和n3′，该二光由晶 片射出时的相位差(“电光延迟”)为：
26
图 5-3 用于γ63横向运用的KDP晶片
27
2
2 2
' ' ( n1 n3 )l
1 3 l ( no ne ) no 63 E3 2 l 3 ( no ne )l no 63U d
上式中，等号右边第一项表示由自然双折射造成的相位
B xi x j 1
0 ij
则外加电场后，晶体的感应折射率椭球可记为：
Bij xi x j 1
8
则折射率椭球的变化，可以很方便地用系数的变化Δ Bij 描述，上式可写成 ：
( B Bij ) xi x j 1
0 ij
在这里，仅考虑Δ Bij是由外加电场引起的，它应与外加电 场有关系。一般情况下，Δ Bij可以表示成 ：
30
B. LiNbO3型晶体的线性电光效应
LiNbO3(铌酸锂)以及与之同类型的LiTaO3(钽酸锂)、 BaTaO3(钽酸钡)等晶体，为单轴晶体。它们在 0.4～5μ m 波长范围内的透过率高达98%，光学均匀性好，不潮解，因 此在光电子技术中经常采用。其主要缺点是光损伤阈值较 低。 LiNbO3型晶体未加电场时的折射率椭球为旋转椭球,即：