当前课程知识点:光学工程基础 > 下篇:物理光学——磁光、电光和声光效应 > 3.23.2 电光效应(一) > 3.23.2 电光效应(一)
大家好
这一讲我们讲电光效应
所谓电光效应
就是在外界强电场的作用下
晶体中的束缚电荷分布发生变化
影响介质微观结构的对称性
从而导致各向同性介质
会产生双折射现象
或者原来有双折射现象的晶体
双折射性质发生变化
这些都叫电光效应
电光效应分一级电光效应
和二级电光效应
这一节我们主要讲一级电光效应
一级电光效应又叫泡克耳斯效应
泡克耳斯效应又分两种
一种是纵向电光效应
一种是横向电光效应
这是纵向电光效应的基本光路图
前边一个起偏器P
入射光经过起偏器之后
经过这样一个电光效应晶体
完后后面是检偏器
电光效应晶体
我们这里以KDP晶体
也就是磷酸二氢钾为例
来讲纵向电光效应
所谓纵向电光效应
就是所加电场的方向
跟光波传播的时候
传播方向是一致的
光波的方向传播方向
跟电场的方向平行
这时候我们叫它纵向电光效应
纵向电光效应
在这个KDP晶体里头
它的光轴也是z轴方向
也就是我们这里
画的这个光的传播方向
光轴在这个方向
磷酸二氢钾所加的电场
也是沿着这个光轴的方向
就是这个晶体的前后端面
就是光束通过的前后端面
加上电压 产生一个电场
在这样一个电场作用下
原来的折射率椭球
就变成了这样一种形式等于1
这里Ez是加的电场的强度
γ是电光系数
是KDP晶体的电光系数
我们可以从这个
折射率椭球表达式看出
no ne是原来的
o光 e光的折射率
是原来就有双折射特性
现在加了电场之后
我们看到了多了这样一项
2倍的γEzxy
因为这里xy前头是平方
后面是2倍的xy
所以它们具有对称性
所以加了这个电场之后
实际上它的坐标对称轴
旋转了45度
我们可以得到这个折射率
椭球方程的表达式
就是下面这个表达式
这是新的折射率椭球方程
我们可以把它x的平方
前面这个系数命为新的折射率
nx'平方分之一
而y'平方前边这个系数
命名为n'平方分之一
就是新的y轴的折射率
然后nz的折射率
还是原来ne它是没有变的
这样一来我们就可以得到
感生折射率的差
就是由于加了电场之后
它产生的这个折射率差
x轴和y轴原来是都是no值
现在有了一个折射率的差
应该等于no立方γ倍的e
E就是所加电场的电场强度
γ是电光系数
在新的折射率椭球
这样一个坐标系下
我们可以得到
它沿着新的轴x'和y'
产生的这个相位差
δ等于
2π除以λ乘以nx'-ny'
等于2π除以λ乘以no立方γEl
E是电场强度
l是经过的距离
所以它俩相乘
E乘以l就应该是在这个l距离上
加了电压
我们用V表示
我们可以从刚才的干涉系统看出
它是一个典型的垂直
起偏器和检偏器互相垂直的
这样一个平面波干涉系统
它的强度
用我们前面求出来的I垂直
就是原来平面光互相垂直的
起偏器 检偏器的时候
它的强度分布公式
我们已经求出来了
把这个δ
针对这种系统
算出来的这个δ代入
就是I0sin二分之δ平方
也就是I0sinλ
分之πno立方γV括号的平方
这样一个表达式
就是它出射光光强的表达式
当δ等于π的时候
对应的这个电压值V
我们称它为半波电压
用Vπ表示半波电压
晶体的半波电压一般都比较大
都在几千伏的数量级
有了半波电压Vπ之后
我们这个δ就可以简写为
这个π倍的v除以Vπ
就是V是所加的电压
Vπ是一个半波电压
半波电压Vπ应该等于
λ除以n立方γ再除以r
下面再来讲横向电光效应
横向电光效应顾名思义
它所加的电场的方向是垂直于
是垂直于光的传播方向的
所以它这时候加的电场的方向
是跟我们光传播方向
是互相垂直的
所以它叫横向电光效应
这里我们仍然以KDP晶体
也就是磷酸二氢钾晶体为例
来讲这个横向电光效应
中间这个是KDP晶体
它的z轴 光轴方向
是垂直于我们的光路的
所以我们现在加的电场的方向
仍然是沿着光轴的方向
它现在横截面应该是z轴
应该是z轴的方向和y'方向
组成了这样一个平面
这是我们说的这个
光束传播这个横截面上的坐标
是y'跟z'
而现在传播这个
光的传播方向是x'
前面一个起偏器P
后面一个检偏器
它俩仍然是互相垂直的
经过这样一个加了电场的
加了电场这样一个KDP晶体
x轴和y轴的电场
它的折射率变成了no
减二分之一no立方γe3乘以Ez
而z轴方向的折射率
变成了ne减掉二分之一
ne立方γ33倍的Ez
Ez是这个z方向上
加的这个电场强度
γ1γ13分别是磷酸二氢钾的
沿着不同方向的电光系数
这我们可以通过查表得到
所以我们加了电场之后
它的轴原来主轴的方向
是没有变化的
主轴方向还是原来的主轴
现在它的变化的是
原来的no也变了
原来的ne也变了
就是o光和e光的折射率都变了
所以现在生成了一个
新的折射率椭球
但是这个新的折射率椭球
跟原来的折射率椭球的轴
是方位是没有变化的
我们把这个新的折射率代进去
就可以得到它的折射率的差
就是ny减nz
由于加入了电场
两个本征态yz方向的
感生的这样一个折射率的差
折射率的差有了
它的光程差 相位差
就很容易求出来
它的相位差就应该等于
2π除以λ0乘以ny减nz再乘以l
l是在这个晶体里头走过的距离
这样一来我们可以看出
横向电光效应它有两个缺点
一个是对波长很敏感
为什么对波长敏感呢
它有自然双折射
它本来的自然双折射
就是no减ne还在里头
还在里头
no减ne no ne都是波长的函数
所以它对波长是非常敏感的
第二个缺点它强烈依赖于l
就是在晶体里头走过的距离
走过的距离不一样
它这个产生的相位差也不一样
所以你必须用
准直的平行光束
入射到这个晶体里头
如果是一个
不同的汇聚角度的光
在晶体里头走的距离是不一样的
所以这时候
就会产生不同的相位差
所以它要用准直的平行光束
为了克服这个自然双折射
我们可以找一种补偿方案
就是用两块厚度相同的晶体连用
把原来的yz轴转个90°
第二块晶体跟它转90度
变成zy轴
就是把原来的
在第一块晶体里的o光
在第二块晶体里头是e光
第一块晶体里的e光
在第二晶体里头是o光
这样一来在这个两块晶体串联
用完之后我们就可以
把原来的自然双折射那项抵偿掉
我们就可以把原来自然双折射
和温度变化产生的
这个相位延迟抵消掉
这样一个系统它的半波电压
就把那个自然双折射那个去掉了
d是它这个横向的厚度
l是它纵向的长度
这样我们就可以得到
最终的出射光强
就是一个正焦偏振系统
这就是出射光光强的表达式
这一讲我们就讲到这里谢谢
-1.1.1 课程背景和内容简介
-1.1.2 光学工程的特点
--光学工程的特点
-1.1.3 本课程的学习方法
--本课程的学习方法
--外部链接
-1.2.1 微积分基础知识
--微积分基础知识
-1.2.2 光学工程中的常用函数
-1.2.3 常用函数的运算与变换
-扩展阅读
--SPIE课程:Light in Action-Lasers,Cameras&Other Cool Stuff
--SPIE课程:A Day Without Photonics-A Modern Horror Story
--SPIE课程:Advice to Students from Leaders in the Optics&Photonics Community
--版权说明
-2.1.1 基本概念和光线传播基本定律
-2.1.2 成像基本概念
--成像基本概念
-2.1.3 费马原理
--费马原理
-2.1.4 等光程成像
--等光程成像
-2.1.5 常用曲面形状
--常用曲面形状
-第一次作业--作业
-2.2.1 近轴光学基本概念
--近轴光学基本概念
-2.2.2 近轴球面成像
--近轴球面成像
-2.2.3 近轴球面成像放大率
-2.2.4 物像空间及光学不变量
-2.2.5 矩阵光学简介
--矩阵光学简介
-2.2.6 矩阵光学应用
--矩阵光学应用
-第二次作业--作业
-2.3.1 理想光学系统基本概念
-2.3.2 理想光学系统的基点与基面
-2.3.3 图解法求像
-2.3.4 解析法求像
-2.3.5 理想光学系统的放大率
-2.3.6 理想光学系统焦距关系
-2.3.7 理想光学系统组合
-2.3.8 透镜与薄透镜
-2.3.9 远摄型光组和反远距型光组
-第三次作业--作业
-2.4.1 平面反射镜及双平面反射镜
-2.4.2 反射棱镜及其展开和平行平板成像
-2.4.3 反射棱镜成像方向
-2.4.4 棱镜转动定理
-2.4.5 角锥棱镜和折射棱镜
-2.4.6 光学材料简介
-第四次作业--作业
-2.5.1 光阑简介与孔径光阑
-2.5.2 视场光阑与渐晕
-2.5.3 远心光路
-2.5.4 景深
--2.5.4 景深
-第五次作业--作业
-2.6.1 光度学与色度学基础
-2.6.2 视见函数和光度学
-2.6.3 光传播过程中光学量的变化规律
-2.6.4 色度学基本概念
-2.6.5 CIE标准色度学系统
-第六次作业--作业
-2.7.1 球差
--2.7.1 球差
-2.7.2 色差
--2.7.2 色差
-2.7.3 子午像差和弧矢像差
-2.7.4 彗差、像散、场曲、畸变
-2.7.5 垂轴像差、波像差
-2.7.6 光学传递函数
-第七次作业(像差)--作业
-2.8.1 人眼的光学模型
-2.8.2 人眼的缺陷与校正
-2.8.3 人眼的景深
-2.9.1 光学系统的分辨率
-上篇:应用光学——光学系统的分辨率(光学系统分辨率)
-2.9.2 人眼的分辨率
-上篇:应用光学——光学系统的分辨率--第八次作业(人眼)
-2.10.1 放大镜
-上篇:应用光学——放大镜--第八次作业(放大镜)
-2.10.2 放大镜的光束限制和视场及目镜
-2.11.1 望远系统
-2.11.2 望远镜的放大倍率
-2.11.3 望远镜的视觉放大率
-2.11.4 望远镜的分辨率
-第九次作业(望远镜)--作业
-2.12.1 显微镜及其放大率
-2.12.2 显微镜的视觉放大率
-2.12.3 显微镜的孔径光阑
-2.12.4 显微镜的机械筒长
-2.12.5 显微镜的分辨率及有效放大率
-2.12.6 显微镜的景深
-2.12.7 显微镜的照明系统
-第九次作业(显微镜)--作业
-3.1.1 电磁场的波动性
-3.1.2 平面电磁波及其性质
-3.1.3 球面波与柱面波,光波辐射与辐射能
-3.2.1 电磁场的连续条件(边界条件)
-3.2.2 光在两电介质分界面上的折射与反射
-3.2.3 菲涅耳公式
-3.2.4 全反射与倏逝波
-3.2.5 金属表面的反射
-3.2节课后习题--作业
-3.3.1 光的吸收、色散和散射
-3.4.1 光波的叠加
-3.5.1 干涉原理及相干条件
-3.5节课后习题--作业
-3.6.1 干涉图样计算
-3.6.2 分波阵面干涉装置的特点
-3.6节课后习题--作业
-3.7.1 时间相干性
-3.7.2 空间相干性
-下篇:物理光学——干涉条纹的对比度及其影响因素
-3.8.1 干涉条纹的定域
-3.8.2 平行平板产生的等倾干涉
-3.8.3 楔形平板产生的等厚干涉
-下篇:物理光学——平板的双光束干涉--3.8节课后习题
-3.9.1 斐索干涉仪
-3.9.2 迈克尔逊干涉仪
-下篇:物理光学——典型的双光束干涉系统及其应用
-3.10.1 平行平板的多光束干涉
-3.10.2 F-P 干涉仪
-3.10.3 光学薄膜基础
-3.10.4 单层膜与多层膜
-3.10课后习题--作业
-3.11.1 惠更斯—菲涅耳原理
-3.11.2 菲涅耳—基尔霍夫衍射公式及衍射分类
-3.11节习题--作业
-3.12.1 夫朗和费衍射公式的意义
-3.12.2 矩孔衍射和单缝衍射
-3.12.3 圆孔衍射
-3.12节习题--作业
-3.13.1 成像系统的分辨本领
-下篇:物理光学—— 光学成像系统的衍射和分辨本领
-3.14.1 双缝与多缝的夫朗和费衍射
-3.14.2 光栅的分光性能
-3.14.3 几种典型光栅
-3.14节习题--作业
-3.15.1 圆孔和圆屏(盘)的菲涅耳衍射
-3.15.2 菲涅耳透镜
-下篇:物理光学—— 菲涅耳衍射(菲涅耳衍射)
-3.16.1 平面波的复振幅分布和空间频率、复杂复振幅及其分解
--3.16.1 平面波的复振幅分布和空间频率、复杂复振幅及其分解
-3.16.2 光波衍射的傅里叶分析方法
-3.16.3 透镜的傅立叶变换性质
-3.16.4 相干成像系统分析及相干传递函数
-3.16节习题--作业
-3.17.1 非相干成像系统分析及光学传递函数
-3.17.2 阿贝成像理论、波特实验与光学信息处理
-3.17.3 全息术
-3.17节习题--作业
-3.18.1 偏振光概述
-3.18.2 光在晶体中的传播
-3.18.3 单色平面波在晶体中的传播
-3.18.4 单轴晶体中光的传播
-3.18节习题--作业
-3.19.1 光波在晶体表面的折射和反射
-3.20.1 偏振棱镜和相位延迟器(一)
-3.20.1 偏振棱镜和相位延迟器(二)
-3.20.2 偏振光和偏振态的琼斯矩阵表示
-3.20节课后作业--作业
-3.21.1 偏振光的变换
-3.21.2 偏振光的测定
-3.21节课后习题--作业
-3.22.1 平面偏振光的干涉
-3.22.2 会聚偏振光的干涉
-3.22节课后习题--作业
-3.23.1 旋光现象和磁致旋光效应(一)
-3.23.1 旋光现象和磁致旋光效应(二)
-3.23.2 电光效应(一)
-3.23.2 电光效应(二)
-3.23.3 声光效应
-下篇:物理光学——磁光、电光和声光效应--3.23节课后习题
-期末考试--作业







