电光材料与磁光材料

1、电光电光材料与磁光材料材料与磁光材料 黑梅黑梅 材料科学与工程四班材料科学与工程四班 电光材料 2 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 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。 3 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

2、n 和所 施加电场的强度E 的二次方成正比, 即:n =b E 4 电光材料的原理 习惯上常使用=l/ n , 并称之为相对隔离率, 由于n = E/E0 所以有= 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 + b E + c E + 式中克尔效应项及其以后诸项 统称为非线性电光效应项。 5 电光材料性能要

3、求电光材料性能要求 这些要求包括: 晶体的电光系数大, 因此用于电光开关时其 半波电压低; 折射率大, 光学均匀性好;透 明波段范围宽,抗光损伤能力强;物理化学性 质稳定, 易加工;容易获得高光学质量的大 尺寸单晶。 6 电光材料的种类电光材料的种类 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

4、机液体如硝 基苯苯等。 7 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容易从水溶液中生长出尺寸巨大的 高光学质量晶体高光学质量晶体, 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。 8 ( 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较大的折射率和

5、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。 9 10 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, 、n , 、 几为主轴折射率。 折射率椭球法 11 折射率椭球法 具体分析方法如下： 写出常态( 主

6、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 12 电光材料的主要应用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。 13 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

7、)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。 14 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

8、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。 电光电光材料的主要应用材料的主要应用 15 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

9、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。 电光材料的主要应用电光材料的主要应用 16 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。 电光材料的主要应用电光材料的主要应用 17 光相位调制 18 磁光材料 1、磁光材料的定义 2、磁光材料的原理简介 3、磁光材料的种类 4、磁光

10、材料的主要应用及现状 19 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）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 20 （2）.克尔效应克尔效应 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

11、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。 21 （3）科科顿顿-蒙顿效应蒙顿效应 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。 22 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

12、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 （2）.磁光玻璃磁光玻璃 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。 磁磁光材料的种类光材料的种类 23 磁光材料的应用磁光材料的应用 光隔离器光隔离器 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 ，

13、从而达到反射光与激光器隔离的目的。 24 磁光存储器磁光存储器 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。 25 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 26 磁光电流测试仪磁光电流测试仪 磁光电流测试的工

14、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 27 磁光测量系统磁光测量系统 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 m，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