电光材料与磁光材料

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磁光测量系统
主要特点： 1、非常高的灵敏度和稳定性，非常低的噪音， 可以探测到低至 10-12 emu 的磁矩。 2、高度聚焦的激光，激光束斑达到 2 μm，可 以轻松进行样品的局部或单个结构的性能检测。 3、先进的样品定位技术。光路中集成光学显 微镜以观测激光束斑的聚焦点和大小；扫描克尔 显微镜可以样品的交流磁化率图像以及反射率图 像，帮助用户选择样品的精细测量区域。 4、任意的磁场波形控制。可以选配多种电 磁体：四极磁体、偶极磁体以及螺线管磁体，能 够轻松地在样表面产生各种复杂的磁场。
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电光材料的主要应用
②光强度的电调制: 在类似上述电光开关的装置 中，透过光强与外加电压的关 系可用贝赛尔函数展开， 这是一种平方律光强度调制器。 如果在外加调制电压同 时加上半波电压一半的直流偏压， 或用一个四分之一波 片插入光路以提供预置四分之一程差， 那么在调制电压 低于0.383矶(风为约化半波电压)时，可 获得近似线 性的光强调制，由此可制成光强度的线性调制 器。
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课后习题
1 什么是电光材料？ 具有电光效应的材料，称为电光材料。 电光效应：在外界电场（直流或交变场）作用下， 材料的折射率发生感应双折射式变化的现象。 2 什么是磁光材料？ 磁光材料是指在紫外到红外波段，具有磁光效应的 光信息功能材料。 磁光效应：光与磁场中的物质或光与具有自发磁化 特性的物质发生相互作用后所引起的光学特性变化 的现象。 3 举例磁光材料的应用： 磁光存储器，磁光电流测试系统
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（2）.克尔效应
照射到强磁性的介质表面的直线偏振光在反射时，其偏振面也会随 磁场的变化而发生偏转，即旋光性，这一现象称为克尔效应。
比较法拉第效应和克尔效应，法拉第效应是透射光呈旋进性， 克尔效应是反射光呈旋进性。
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（3）科顿-蒙顿效应
在强磁场作用下，一些各向同性的透明磁介质会呈现双折射现象， 即在与入射光垂直的方向上加上外磁场，则该磁场介质中的一束 入射光会变成两束出射光----正常光（o光）和异常光（e光），这 种现象称为科顿-蒙顿效应。 科顿-蒙顿效应是由于分子在外磁场作用下产生定向排列所致。 仅在少数液体中表现较明显，而在一般固体中则不明显。
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• 从结晶化学角度来看, 可分为以下几类：
( 1)线性电光效应：KDP磷酸二氢钾型晶体: 包括 KDP, DKDP, ADP, KDA等。这类晶体的线性电光效应 比较显著, 而且容易从水溶液中生长出尺寸巨大的 高光学质量晶体, 因此, 这类晶体是已知电光晶体 中应用最为广泛的材料, 在需特大型晶体的场合, 如激光受控热核聚变, 是唯一的选择。其缺点是这 类水溶性晶体易潮解, 需特殊保护。
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电光材料的主要应用
④光频率调制:又称光波长调制 外加频率的电场在光强调制器中 必然产生不同于原 频率光波的混频，从而产生光 波。一般调制电场频 率与光波线宽相比小得多，因而无 实用价值；但对 微波电场，则可造成明显的频率调制。 这种调制可 用外差法或锁相技术灵敏检出。
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⑤光相位调制
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1、磁光材料的定义 2、磁光材料的原理简介 磁光材料 3、磁光材料的种类 4、磁光材料的主要应用及现状
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磁光电流测试仪 磁光电流测试的工作原理如图3所示磁光介质放在高压导线附近， 由光源发出的平面偏振光穿过磁光介质上并被后面的镜子反射回 来的平面偏振光由检测器测得其偏振光的旋转角，根据此光法拉 第效应，偏振光的旋转角直接通外加磁场有关，而这一磁场是由 高压线中的电流所产生的，并同这一电流成正比。因此，由检测 的偏振光的磁光旋转，就可以无接触地测得高压线的电流
（2）.磁光玻璃
常用的优质磁致旋光玻璃，主要是一些重要的原子铅的氧化物玻璃， 砷的三硫化物玻璃等。
（3）.磁光液体
主要是一些呈现科顿-蒙顿效应的液体，如水，丙酮，氯仿，苯等。
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磁光材料的应用
光隔离器
当激光束通过起偏镜成为线偏振光，经过磁光晶体后偏振面 旋转一角度（45°）则可通过与其偏振反向相同的检偏镜， 若此光被反射回来，则再次旋转45°两次旋转90°不可能再 通过起偏器 ，从而达到反射光与激光器隔离的目的。
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• ( 2)二次电光效应：ABO3 型晶体: 该类晶 体中有许多是具有氧八面体结构的铁电材 料, 具有较大的折射率和介电常数。钙钛 矿晶体是典型的ABO3 型晶体, 这些晶体( 如BaTiO3, SrTiO3, KTaO3, KNbO3 等)有 显著的二次电光效应, 在铁电相, 则有显 著的线性电光效应。钙钛矿型晶体的缺点 是组成复杂, 居里温度低, 不易生长出大 尺寸和均匀的晶体, 抗光伤性质也较差。
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磁光材料的种类
磁光材料按其状态主要有晶体材料，玻璃材料和液体材料三种。
（1）.磁光晶体
1..稀土石榴石 代表是钇铁石榴石 2.钆镓石榴石 同时具有激光，超低温磁制冷性质 3.磁光单晶膜 用做小型紧固的互易元件，光隔离器，磁光存储器和 磁光显示器。 4.其他磁光晶体 硫属化合物CdCr2S4,CoCrS4
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① 电控光开关:
原理：将电光晶体置于互成正交的一对偏 振器之间，并使晶体的电感生特征模 方向与偏振器方位 成45度角，则一定幅度(相当于半波电压矶)的外加电 压就能 使晶体中两个偏振模程差改变半个波长，从而实 现对透过光的开关控制。这种 电光效应的响应可达 10一’。秒，可制作超快速电光快门。 应用： 光分组交换（OPS） 光快速切换（OBS） 光交叉连接 光交换接入网络 光学互联网络（数据中心网络，服务器底板） 开关延迟线（相控阵列天线，光学缓冲） 特性：该光开关具有高效的电-光性能和高折射率，因其独特的 PLZT 晶体材料 （锆钛酸铅镧陶瓷( PLZT) 是属PZT锆钛酸铅系压电陶瓷）和完全没有任何机械 运动的部件，该产品有着非常高的可靠性及环境适应性。
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电光材料性能要求
这些要求包括: ①晶体的电光系数大, 因此用于电光开关时其 半波电压低; ②折射率大, 光学均匀性好;③透 明波段范围宽,抗光损伤能力强;④物理化学性 质稳定, 易加工;⑤容易获得高光学质量的大 尺寸单晶。
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电光材料的种类
1、线性电光效应材料：产生该效应的材料必须是不 具对称中心的各向异性晶体.常用的线性电光效应的 材料是诸如磷酸二氢钾(KDP)、磷酸二氢铵（ADP） 、铌酸锂(LiNbO)碘酸锂(LiIO)等不具有中心对称性 的晶体； 2、二次电光效应材料：这种材料可以是具有任意对 称性质的晶体或各向同性介质。常用的二次电光效 应的材料是一些具有较大克尔常数的有机液体如硝 基苯苯等。
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电光材料的主要应用
电光效应的应用外加电场通过电光效应改变材料 的折射率，引起折射率椭球的主轴取向和长度的 改变， 这对应于传输光束的特征模和特征值的 改变，即产生透 过光束的偏振态和相位的变化， 由此可产生一系列光功 能效应。 电光材料通常用来制成光开关元件或光调制元件， 由外加电场加以控制。
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折射率椭球法
众所周知, 光波在各向异性介质中的传播问题可以通过折射率椭球来描述, 在主 轴坐标系中折射率椭球表现为最简单形式, 即:
式中x 、y 、z 为主轴方向, 即在这个方向晶体中的E 和D 是平行的, ƞ、n , 、 几为主轴折射率。
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折射率椭球法
具体分析方法如下： 写出常态( 主轴化) 折射率椭球方程。 写出( 电光作用下) 畸变的椭球方程 进行坐标变换使之在新坐标系中主轴化 确定新主轴折射率明确快慢轴
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电光材料的原理
• 基于线性电光效应（普克耳斯效应），线性电光 效应的特点是感应折射率变化正比于外界电场强 度的一次方，△n =b E • 另一种基于二次电光效应（光学克尔效应）。克 尔效应的特点是感应折射率变化正比于外加电场 强度的二次方，其规律是折射率改变量么n 和所 施加电场的强度E 的二次方成正比, 即:△n =b E²
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电光材料的原理
习惯上常使用ƞ=l/ n , 并称之为相对隔离率, 由于n = E/E0 所以有ƞ= E0/E.E0和E分别为真空和介质中的 介电常数。根据固体的量子论观点, 光学介质的折射 率n 或隔离率ƞ与晶体中的电荷分布有关。 电光作用的实质为, 当对介质施加电场作用时, 键电 荷将重新分布, 并导致离子点阵的轻变, 结果使光学 介质的折射率或隔离率发生相应变化 以此类推, 我们可以写出电光效应的劫= n 一n o = a E+bE² + c E ³+ ⋯式中克尔效应项及其以后诸项 统称为非线性电光效应项。
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什么是磁光材料？
磁光材料是指在紫外到红外波段，具有磁光效应的光信息功能材料。 1.磁光效应 光与磁场中的物质或光与具有自发磁化特性的物质发生相互作用后 所引起的光学特性变化的现象。
（1）法拉第效应
平面的偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生偏转，即呈 现旋光性，这种现象称为磁光法拉第效应，又称磁致旋光效应。 产生原因是由于物质内部原子或分子中的电子，在强磁场作用下引 起旋进式运动所致
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磁光存储器
原理： 磁光存贮是通过激光加热和施加反向磁场在稀土非晶合金薄膜 上，产生磁化强度垂直于膜面的磁畴，利用该磁畴进行信息的写入， 利用克尔磁光效应读出。
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相对于其他存储的优点： 1、聚集效应：异常强的抵抗尘埃和划伤能力 2、磁头和介质不接触：不存在读写头的碰撞与磨损 3、光盘可以取出，可以在驱动之间相互交换使用 4、高矫顽性，面密度容量大 5、垂直磁记录，高数据稳定性 日本等发达国家已于1988年将磁光盘系统推向市场， 据报道，2000年仅日本的磁光盘系统市场将达1万亿 日元
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电光材料的主要应用
③光偏振器:普克耳斯效应
普克尔盒采用重氢磷酸钾（KD*P）晶体，并在纵向方向施加电场。采 用纵向方案可以使驱动电压与孔径尺寸无关，这样可以使用比横向普 克尔盒更大的孔径。 光的偏振方向是以电压为变量对输出光的偏振方向进行快速、精确地 调节。施加稳定电压后，普克尔盒可以看做一片电压控制的波片。通 过施加变化电压，用户可以使用普克尔盒来改变通过晶体后的位相延 迟。由于其响应比标准声光也液晶器件更快，普克尔盒极其适合用于 Q调制激光器。
电光材料与磁光材料
黑梅 材料科学与工程四班
电光材料
1、电光材料的定义 2、电光材料的原理简介 3、电光材料的种类 4、电光材料的主要应用及现状
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什么是电光材料？
• 电光材料：具有电光效应 的光学功能材料 • 电光效应：在外界电场（直流或交变场） 作用下，材料的折射率发生感应双折射式 变化的现象。