物理光学-第5章-晶体的感应与双折射

第五章

晶体的感应与双折射物理光学主要研究内容5.1电光效应5.2声光效应5.3旋光效应5.4磁光效应第五章晶体的感应与双折射在强电场的作用下，原本是各向同性的介质也可以产生双折射现象；对于有双折射性质的晶体，其双折射性质也会发生变化，这种外加电场引起折射率变化的现象称为电光效应。3

为外加电场引起的折射率的变化量，

和b是常数。其中

项引起的折射率变化与电场成正比，称为一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔效应；

项引起的折射率变化与电场平方成正比，称为二次电光效应，也称平方电光效应或克尔效应。

一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应可出现在中心对称晶体、各向同性介质和某些液体中。一般来说，一次电光效应比二次电光效应显著。5.1电光效应5.1.1晶体的线性电光效应KDP晶体的外形KDP晶体的线性电光效应中间放一块KDP（磷酸二氢钾）晶体。KDP是单轴晶体，晶体切成长方体，两个端面与光轴垂直。起偏器与检偏器的透光轴正交，且晶体端面两边分别与两偏振器透光轴平行。从起偏器透出的线偏振光沿KDP光轴（Z轴）通过，出射光仍为线偏振光，其光矢量方向不变，与检偏器透光轴垂直，因此不能通过检偏器，视场是暗的。先看一个未加电压的实验：现在在晶体两端面镀透明电极，并加约4000V强电场，发现检偏器的视场立即变亮；改变外电场的强度，透过检偏器的光强也随着变化。这是由于外电场使KDP晶体的光学性质发生改变，由单轴转化为双轴晶体，原来的光轴（z轴）不再是光轴了。实验和晶体光学理论指出，这时在XY平面上存在两个互成90º的主振动方向。当光矢量平行于X轴时，传播速度为，相应的主折射率为；当光矢量方向平行于Y轴时，传播速度为，相应的主折射率为。称为感生折射率差，它与电场强度E成正比式中no为KDP晶体的o折射率，是一个常数，称为电光系数。5.1.1晶体的线性电光效应在一般情况下，两个分量合成为一束椭圆偏振光。半波电压

（

）是指两分量相位差达到

所需的外加电压。

越小越好即外加电压很小就可引起较大的相位变化。外加电场方向与光的传播方向平行时，称为纵向电光效应。外加电场方向与光的传播方向垂直时，称为横向电光效应。

电场加在Z轴方向KDP晶体的横向电光效应

5.1.1晶体的线性电光效应KDP晶体的纵向电光效应的透过率曲线其中l为光传播方向上的晶体长度，h

为电场方向上的晶体厚度。加横向电场时，也有双折射现象3o

n

n

n

Ehl优点：l>>h，可以通过增加长宽比降低半波调制电压。缺点：会由自然双折射引起的相移，对温度敏感，需要精确温控。75.1.1晶体的线性电光效应二次电光效应—克尔(Kerr)效应介质：硝基苯（C6H5NO2）液体现象：（1）无外加电场时，没有光线射出正交的偏振片，表明无双折射效应。（2）有外加强电场时（E~104V/cm），有光线透过。结

论：外加电场使盒内液体出现了双折射现象。典型值：弛豫时间为10-9s量级，可以用于高速光调制。缺

点：硝基苯有毒、纯度要求高、液体介质封装和使用不便。h电场垂直于光传播方向（横向电场）l85.1.2晶体的二次电光效应 只有那些不具有对称中心的晶体才能产生一级电光效应；具有对称中心的晶体和一些液体，则通常表现为为克尔效应。5.1.2晶体的二次电光效应 条件：当线偏振光沿着与电场垂直的方向通过介质时，会分解为两束线偏振光。一束的光矢量沿着电场方向，另一束的光矢量与电场方向垂直,两束线偏振光的折射率之差：1.激光的光强调制克尔效应（二次电光效应）纵向线性电光效应横向线性电光效应0

V

V

/4II半波电压1/4波长电压V

/4

V

/2线性区间105.1.3晶体电光效应的应用举例1.激光的光强调制

5.1.3晶体电光效应的应用举例若工作点位于透射率曲线的非线性部分，输出信号波形会失真。因此应选择合适的工作点，即将静态偏置点选在透过率曲线斜率较大、线性度较好的近线性区，以保证输出信号能真实反映输入信号。是常见正交偏置点2.电光开关未加电压时，光被检偏器所阻挡，电光开关处于关闭状态；接通电源并加上半波电压后，偏振光的光矢量便由于电光效应旋转了90º（入射线偏振与晶体主轴成45°时）电光开关处于全通状态。5.1.3晶体电光效应的应用举例2.电光开关

高速光闸

电光晶体以及具有电光效应的溶液对电场的响应时间很短，约10-9s，在这一时间内可以达到半波电压，打开或截止光路。N1N2I0I

V

0

I

0λ/4

V

V

I

I0

/2

135.1.3晶体电光效应的应用举例5.2.1弹光效应5.2

声光效应弹光效应：在力的作用下，各向同性的介质也会表现出各向异性的光学性质，通常称为光测弹性效应或应力双折射效应。对于平面物体，当其受到应力作用时每点存在两个主应力方向。当光线入射到这样的透明物体上时，会分解为两束线偏振光，它们的光矢量分别沿着这两个主应力方向，并且这两束光的折射率之差与应力之差成正比。即应力改变介质折射率张量，主折射率差与主应力差在适用范围内成正比。如果将受应力的透明薄片C放置在两个正交偏振片P1和P2之间，则会在屏幕M上出现由于偏振光干涉而产生的干涉图样。如果使用白光照明，则干涉图样是彩色的。条纹的形状由光程差相等，也就是主应力差相等的那些点的轨迹所决定。物体应力越集中的地方，主应力差变化得越快，因此干涉条纹会越密集。应用：根据干涉条纹的这些特征，可以对物体的应力分布进行定性和定量的分析。5.2.2声光衍射超声波作为一种弹性波，当其传播于介质中时，会导致介质各点产生随时间和空间变化的周期性弹性应变。由于弹光效应，介质中的折射率也会发生相应的周期性波动。当光波通过这些受超声波作用的介质时，其相位将被调制。这种效应使得光波仿佛通过了一个衍射光栅，其中衍射光栅的周期等于声波的波长，从而使光束产生衍射现象，这就是我们通常所说的声光效应。L为声光相互作用的长度；

为通过声光介质的光波长；

为超声波长。

时，为拉曼-奈斯衍射；

时，为布拉格衍射；布拉格衍射

内，衍射现象较为复杂，并且通常的声光器件均不工作在这个范围内，故不作讨论。5.3.1旋光现象

当光在普通非旋光各向同性媒质中传播，或在单轴晶体中沿光轴方向传播时，都不发生双折射现象。而且一般情况下，线偏振光通过这些媒质后，其光振动方向也不改变。但在有些晶体中（如水晶），单色线偏振光沿光轴方向通过晶体后，其光振动面会转动，这就是晶体中的旋光现象。

实验表明，一定波长的线偏振光通过旋光物质时，光矢量转过的角度与在该物质中通过的距离l成正比.5.3旋光效应

l

(

)旋光本领，或旋光率单位为°/mm。

对于旋光的溶液，光矢量转过的角度还与溶液的浓度成正比。因此，可以根据光矢量转过的角度来测定溶液的浓度。旋光糖量计正是根据这个原理来测定糖溶液的浓度。

5.3.1旋光现象右旋：迎着光传播方向看，振动面顺时针方向旋转（如葡萄糖、右旋石英）左旋：迎着光传播方向看，振动面逆时针方向旋转（如果糖、左旋石英）

lθ:单色线偏振光沿旋光晶体光轴方向传播后，其振动面相对于入射振动面的转角。l:

光波在溶液中的传播距离；

(

)：旋光本领（又称旋光率）。18

5.3.1旋光现象蔗糖溶液的旋光效应蔗糖溶液具有旋光性，与浓度有关注：浓溶液可能出现非线性浓度依赖。旋光异构体酒石酸晶体的旋光异构体

石英的旋光异构体195.3.1旋光现象同一化学成分可形成互为镜像的旋光异构晶体（对映/手性晶体形态），其旋光方向相反。

5.3.1旋光现象20

(

)介质的旋光率与入射光波长有关。白光照射下，不同颜色光的振动面旋转角不同。透过检偏器观察时，各种颜色的光不能在同一检偏器方位同时消光，因此旋转检偏器时观察不到完全消光，而会看到色彩变化。不同波长下石英的旋光率石英的旋光本领随波长的变化5.3.1旋光现象旋光效应的菲涅耳解释1.线偏振光可以分解为两列反方向旋转的圆偏振光：两束同向传播的同频率、同振幅、且初相位相同的左旋和右旋圆偏振光的叠加结果，形成一束振动方向恒定的线偏振光。进入晶片的线偏振光在石英晶体中沿光轴方向传播时，分解成左旋和右旋圆偏振光。菲涅耳进一步假定，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在旋光物质中的传播速度不同，因此折射率也不同。它们的波矢分别为当两圆偏振光在晶体中沿光轴（z）传播时，可由矢量分别表示为5.3.1旋光现象代表光矢量与水平方向成

角的线偏振光。这说明入射的线偏振光的光矢量转过了

角，即

λ₀为真空波长如果左旋圆偏振光传播得快，

说明光矢量沿逆时针方向旋转。如果右旋圆偏振光传播得快，

说明光矢量沿顺时针方向旋转。组成：左旋石英三棱镜与右旋石英三棱镜交替胶合构成，其光轴均平行于棱镜底面。原理：通过双折射效应实现圆偏振态高效分离：当光通过相邻棱镜界面时，左旋圆偏振光经历从光疏介质到光密介质的折射，右旋圆偏振光从光密介质到光疏介质的路径反向偏折，类似拉斯顿棱镜对线偏振态的分离原理，典型的空间发散角约为3°~5°。菲涅耳棱镜证实了左右旋圆偏振光传播速度不同的假设。5.3.2

旋光效应应用举例作用：其作用是利用左右旋石英的相反旋光性，使左旋和右旋圆偏振光在界面处发生不同折射，从而在空间上分离。1．菲涅耳组合棱镜该设计类比拉斯顿棱镜对线偏振态的分离，典型空间发散角约为3∘∼5∘3∘∼5∘。菲涅耳棱镜由此证实了左右旋圆偏振光传播速度不同的假设。5.3.2

旋光效应应用举例2．科纽棱镜原理：科纽棱镜其原理是让光在最小偏向角附近通过时，右旋半棱镜的圆双折射效应被左旋半棱镜的相反效应所补偿，从而消除石英晶体沿光轴方向圆双折射造成的谱线加倍，使出射光束恢复为单一方向。方法：科纽棱镜由一块左旋石英30°棱镜与一块右旋石英30°棱镜镜像胶合而成，总顶角60°，晶轴平行于底边。应用：该棱镜在紫外石英棱镜光谱仪和摄谱仪中具有重要历史地位。随着光栅成为现代光谱系统的主流色散元件，它已不再是普遍意义上的“标准化器件”。5.3.2

旋光效应应用举例2．科纽棱镜原理：光在最小偏向角附近通过时，右旋半棱镜的圆双折射效应被左旋半棱镜的相反效应所补偿，从而消除石英晶体沿光轴方向的圆双折射造成的谱线重影，使出射光束恢复为单一方向。方法：科纽棱镜由一块左旋石英30°棱镜与一块右旋石英30°棱镜镜像胶合而成，总顶角60°，晶轴平行于底边。应用：该棱镜在紫外石英棱镜光谱仪和摄谱仪中具有重要历史地位。随着光栅成为现代光谱系统的主流色散元件，它已不再是普遍意义上的“标准化器件”。法拉第效应1846年，法拉第发现在磁场的作用下，本来不具有旋光性的物质也产生了旋光性，即光矢量发生旋转。这种现象称为磁致旋光效应或法拉第效应。

典型的磁致旋光效应是法拉第效应。5.4.

磁光效应实验发现，对于一定波长的光，振动面旋转的角度θ与为沿光传播方向的磁感应强度分量B和样品厚度d的乘积成正比。式中V是比例系数，称为维尔德（Verdet）常数，其单位通常为（o/cm·Gs）,一般物质V值都很小。5.4.1法拉第效应θ：旋转角度；B：沿光传播方向的磁感应强度分量；d：介质长度。V：维尔德（Verdet）常数，与介质、波长、温度有关。光沿磁场作用方向传播时，本教材规定正值表示左旋。对一定介质，法拉第旋转方向由磁场方向和该介质的Verdet常数符号共同决定。在磁场方向不变时，旋转方向不随光传播方向反向而反向，这是磁致旋光与自然旋光的重要区别。自然旋光：光波正、反两次通过旋光物质时，相对于固定坐标系的旋转角大小相等、方向相反，因而互相抵消。磁致旋光：在磁场方向不变时，往返通过介质后的旋转角同向累加。这说明法拉第效应是一种非互易效应。应用：利用这一特点，可通过两平行端面的反射使光束多次通过同一介质，从而增大总旋转角；实际应用中需考虑反射镜的偏振保持和损耗。光隔离器（单通光闸）5.4.2磁光效应的应用举例在激光打靶核聚变实验装置中，有多级光放大单元，用以获得高功率密度的定向强光束，其每个单元均为一个能产生光放大的晶体棒，如钇铝石榴石晶体（YAG）。利用磁光效应隔离器可以避免前后级之间因端面反射引起的光束反馈震荡。5.4.2磁光效应的应用举例磁光效应：指光与磁化介质相互作用时，导致光的偏振态、强度、相位或传播方向发生改变的各种光学现象的总称。它是一个宏观的效应集合，核心根源是磁场破坏材料的光学各向同性或时间反演对称性。常见的包括：法拉第效应（透射）科顿-穆顿效应（磁致