固体光学晶体光学.ppt

1.平行光束的偏振光干涉。绘制了实现平行光束的偏振光干涉装置的示意图。平行的自然光束通过偏振器A并变成线偏振光Io，线偏振光Io被分解成两种特殊的双折射线偏振光，即0光和E光，它们在晶体C中具有相互垂直的振动方向、一致的传播方向和不同的速度。那么，0光和E光的振幅为，0光和E光在检偏器的振动轴OP方向上的投影为，并且从晶片发出的振动方向相互垂直的0光和E光在检偏器P上实现了具有恒定定位相位差、相同振动方向和相同频率的线偏振光的干涉。干涉后的强度，在公式：马里乌斯定律中，讨论：交叉偏振器下的偏振干涉(=/2)。如果晶片C被放置在交叉偏振器的平台上(光不能沿着光轴方向通过)，焦点被调整以在分析器处产生正交偏振干涉。下面分析几种干涉极值情况，当偏振器(或检偏器)的振动轴方向与D 或D 方向相同或成直角时，通过检偏器的干涉强度为零，视野变暗，称为消光现象。此时晶片C所处的位置称为熄灭位置。当晶片旋转360时，将出现四次消光时间。在旋转平台一周后，晶片C将在视场中具有四个最亮的位置。近年来，电光效应已广泛应用于激光技术、光信息处理和光通信技术等现代工程技术中。例如，电光快门、电光调制、电光偏转器、电光相位延迟器、电光调Q激光器和大屏幕显示靶面都可以利用晶体的电光效应制成，也可以用在电光针模技术等方面。电光开关是一种利用电信号控制光路打开和关闭的装置，也称为电光快门。其工作原理是在普通光学系统上增加一对正交偏振器P和检偏器A，并在它们之间放置一个电光晶体样品。我们用KDP晶体的Z片讨论了电光快门的工作原理及其相关概念。当没有电场施加到KDP晶体的Z切片时，它是单轴晶体，并且Z切片的主轴x1(或x2)平行于偏振镜。光传输方向垂直于Z切片，无折射现象。在垂直Z方向上光学指标的中心部分是圆，并且通过分析器的光强度满足：交叉偏振器下的偏振干涉(=/2):当沿着Z方向施加电场E3时，产生KDP晶体的63个纵向电光效率方向，即，KDP晶体变成双轴晶体。晶体中的线偏振光在x1或x2方向振动，=45o。此时，通过分析器的光强度是：相对透射率是因为：相对透射率T是施加到KDP晶体的Z切片上的纵向电压V3的正弦平方的函数，并且T将随着V3周期性地变化。随着V3的增加，相对透射率T周期性地出现最大值和最小值，这相当于快门的打开和关闭。如果施加瞬时脉冲电压v3=v。上面的图像变成了瞬间电光快门。由于电光效应的响应时间短，这种电光快门的开关速度非常快，达到每秒1010次，这是任何机械快门都不可能做到的。电光快门的另一个重要参数是消光比，即最大输出光强与最小输出光强的比值。最小透射光强度应该为零，但实际上很难达到零。这是由于以下因素：所施加电场的不均匀性。水晶本身有内部光束偏转广泛应用于激光应用技术、各种显示技术、光学信息处理和存储技术。数字电光偏转器和连续电光偏转器的基本原理描述如下。数字电光偏转器数字电光偏转器通常被称为数字偏转器。它由偏振器、电光晶体和双折射晶体组成，加入到普通光学系统中。下图是第一级数字电光偏转器的示意图。假设电光晶体使用KDP晶体的Z切片63的纵向效应，双折射晶体使用方解石或硝酸钠。每个晶体的方向和偏振器的偏振轴的方向在图中标出。当没有电场V3施加到电光晶体(KDP)时，穿过偏振器的线偏振光D/x2沿着光轴c(x3)方向通过KDP晶体正交入射到双折射晶体方解石的界面上。由于线偏振光的D与方解石的光轴方向完全平行，所以方解石中只存在E光，线偏振光的te偏离原来的入射方向，在晶体中传播和出射(如图中实线所示)。如果电场V3被施加到电光晶体KDP以将其改变为双轴晶体，则光在x3方向(不是双轴晶体的光轴)上传播，并且在KDP晶体中形成具有相互垂直的振动方向的两个线性偏振光束。一般来说，它们将合成不同的椭圆线性偏振光，这是由KDP 63纵向效应在通过KDP后引起的相位延迟决定的。如果v3=v，则来自KDP晶体的线偏振光=被合成为在空间中传播的线偏振光，并且当v3=0 (=0)时，其振动方向垂直于线偏振光振动方向。线性偏振光垂直入射到图中的双折射晶体(方解石)界面上，只有方解石中的0光仍沿原始入射光路传播，并从方解石中射出(如图中虚线所示)。控制光束占据两个可能位置之一的目的是控制半波电压V是否施加到电光晶体。如果通过适当的组合可以控制出射光占据更多的位置，那么光斑的位置就可以在二维空间中得到控制。电光晶体A1和A2的尺寸和取向应该相同，而双折射晶体B1和B2的取向应该相同。然而，B2的厚度是B1的两倍。通过改变施加到A1和A2的电压，光束可以偏转到相应的位置。两级电光偏转器具有四个可控光点位置。如图所示，相同的n级电光偏转器可以获得2n个可控光点位置。如果可控位置是二维分布的，那么只有两组相互正交的电光偏转器可以组合在一起(通常称为x-y偏转器)，并且相同材料的两个电光晶体(例如KDP晶体)可以以图中所示的形式粘贴在一起，并且它们的方向已经被标记。他们的x3轴方向相反。电场E3的方向垂直于纸面向内，形成一个KDP晶体63横向效应连续电光偏转器。一种连续电光偏转器，假设一束线偏振光沿x2方向正交入射到左电光晶体A的界面上，振动方向沿x1，晶体A中的光的折射率为：当光波进入右电光晶体B时，光波仍然沿x1方向振动。由于电场E3在A和B中的方向正好相反，所以B晶体中的折射率与A中的折射率相差：因此折射率梯度出现在A和B之间，导致光方向的偏转。例如：连续偏转器：三个厚度为h的电光棱镜组合在一起形成连续偏转器。它们的光轴垂直于纸面，与棱镜的厚度方向一致，而相邻两个棱镜的x3轴相反。在垂直于x3轴的棱镜表面上，电镀电极。当施加电压V3时，感应轴指向在第一和第二棱镜的界面上，入射角为1=/2，折射角为2，在第二和第三棱镜的界面上，入射角为3，因此，在棱镜组中，第三棱镜的右界面的入射角为5，最后，光束通过第二棱镜后的偏转角为，因此，偏转角随V3连续变化， 因此可以实现光束的连续偏转，并且调制晶体的折射率也将在所施加的交变信号场(简称调制信号)的作用下随着调制信号的频率而变化。 如果光波通过晶体，出射光的强度(或相位)携带调制信号的信息，这称为光强(或相位)调制。利用晶体的电光效应用电信号改变光强(或相位)的方法称为电光调制。以下是对常用电光强零(即振幅)调制的简要介绍。4.电光调制器。在正交偏振器之间添加KDP晶体。为了提高性能，有时在电光晶体和分析器之间插入四分之一波片以形成电光强度调制器(如上图所示)。光沿KDP晶体的x3轴传播，利用63纵向效应，其感应主轴x1和x2以及偏振器和检偏器的振动方向为45o。当没有施加纵向信号电压(Us=0)并且仅施加DC电压V3时，通过分析器的光的相对透射率被获得，如图所示。如果将携带传输信息的交流信号电压(电信号)Us施加到电光晶体上，输出光强将随着电信号Us的大小而变化。为了改善输出调制光的失真，在电光晶体和检偏器之间插入一个/4波片，使系统的总相位延迟增加/2。此时，由上述公式绘制的强度输出曲线如图(b)中的粗线所示。由此可以看出，在系统添加了a/4波片后，调制电压相当于将图(a)所示电信号的零轴向右移动了v/2。因此，工作点被选择在(t)曲线上的线性部分Qpoint附近，并且输出光强度在t=50%上下波动，并且与电信号具有线性关系。也就是说，输出光波被调制成包含电信号并无失真地传播。如果不是使用图中的/4波长，而是将U/2 DC电压(称为偏置方法)叠加在电信用户上，电光调制器的工作点也可以选择在曲线的线性部分Qpoint附近。它具有与在系统中添加/4波相同的效果。两者的原理基本相同。晶体光学，第2部分：晶体的其他非线性光学效应1，弹性光学效应；2.声光效应；3.热光效应；4.旋光效应；5.磁光效应；首先，光弹性效应，当光学介质受到应力或应变时，介质的折射率发生变化，导致双折射现象，称为光弹性效应或压延效应。例如，原始的各向同性光学各向同性体(立方晶体或玻璃等。)在受到应力时将变成单轴晶体或双轴晶体。事实证明，单轴晶体在应力作用下会变成双轴晶体。当只考虑一阶效应时，机械应力或应变对晶体折射率的影响仍可用光学指标的变化来描述：IJKL是应力光弹性系数，IJKL是应变光弹性系数。在晶体中，由于其结构的各向异性，晶体的应力和应变是二阶张量，因此胡克定律在形式上更复杂，可以写成：它的矩阵形式：类似地：应变弹光效应，例如：立方系统的弹光效应，1.43米、432米和3米晶体的弹光效应，从原始光学均质体到单轴晶体的立方系统43米、432米和3米的各向异性光学性质，光轴沿着单向应力的x1轴，2.23和m3晶体，23和m3的立方晶体从原来的光学均质体转变成双轴晶体的光学性质。用于观察光弹性效应的测量装置：在图a和p中是一对带有mea的正交偏振器施加应力后，各向同性介质变成各向异性单轴晶体(或双轴晶体)。因此，当光穿过样品时会出现双折射现象。来自样品的光是具有定位相位差的椭圆偏振光，可以通过检偏器进行观察。偏振干涉法通常用于精确测量光弹性系数。第二，声光效应，超声波是弹性波。当弹性波穿过介质时，介质会压缩和膨胀，这相当于介质中的弹性应变在空间中周期性变化。由于光弹性效应，介质中每个点的折射率也会随着该点的弹性应变而相应变化，从而影响光在介质中的传播特性，即衍射和散射。光波在介质中被超声波衍射和散射的现象称为声光效应。声光效应本质上是弹性光学效应的一种表现形式。假设由压电晶体制成的换能器产生波长、频率和宽度为L的超声波列，该超声波列沿着X方向施加到声光介质(如图所示)。入射光波以频率和波长在介质中沿Y方向传播。在图中，阴影部分是声柱和入射光波之间的相互作用区域，d是相互作用长度。弹性应变Sx:被称为超声波的波矢，由于超声波在该作用区域的激发，它在介质中随时间和空间而变化。从弹性光学效应可以证明，光波通过介质时，其折射率随声波波长的周期而变化。右图显示了由正弦应变波引起的介质折射率和密度的正弦变化。穿过声学光栅的光波与穿过光学光栅的光波相似，并且可以被衍射。通过光栅方程，1。布拉格声光衍射，当超声频率较高(一般在20兆赫兹以上)且声光效应较大(L22/)时，除了零级衍射光外，只获得最强的一级衍射光，其他级的光强几乎为零。这种衍射称为布拉格声光衍射。(正常布拉格衍射)考虑到声波表面的运动，衍射光的频率将由于多普勒效应而偏移。只要声波表面被理解为移动光接收器和移动光源(反射光)，就可以根据其移动速度vs来知道衍射光的频率是增加还是减少。当声波表面相对于固定的入射光源和固定的衍射光接收器两者迎面移动时，引起正的频率偏移，即衍射光频率是， 当声波表面偏离入射光源和衍射光接收器时，产生负频移，即衍射光频率为-2。 当超声频率低(20兆赫)、声光相互作用长度短(1 2/2)、光束Ki平行于超声表面(1=0)时，产生拉曼-奈斯声光衍射。与平面光栅的夫琅和费衍射相似，在拉曼-奈斯声光衍射中，平行光束垂直通过超声柱相当于通过非常薄的声光栅，通过会聚透镜可以在屏幕上观察到各种级次的衍射条纹。拉曼-奈斯声光衍射的特征：(1)一阶和高阶衍射光束对称地形成在中心末端(零阶)衍射光束的两侧。它的强度逐渐降低。(2)衍射光的频移。这是因为“声栅”是运动的，是由多普勒效应引起的。当超声波在介质中传播时，频率的变化如图所示。(3)通过超声波柱的光波不再是平面波，其波面是褶皱的(如图所示)。这是因为介质中每个点的折射率随x轴(声速方向)周期性变化。(4)超声波作为行波在介质中传播时，衍射强度基本不随时间变化。图中显示了各种级别的衍射光频率。如果超声波在介质中形成驻波，d对于单斜和三斜晶体，这些晶体系统的(bij)矩阵的切向分量不为零，因为结晶轴与直角坐标系不一致。因此，当温度变化时，时间-速率体的主轴长度也发生变化，主轴的方向也将发生变化。对于双轴晶体的热光效应，三种主要折射率的差异变化不仅导致光学指标线形状的变化。而且光轴角度也会改变。这将引起一系列有趣的效果。以石膏为例，室温下为正双轴晶体，光轴角随温度的升高而减小，在90光=5893A时为单轴晶体。随着温度继续上