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1、固体光学晶体光学第1页，共70页，编辑于2022年，星期六一、平行光束的偏振光干涉一、平行光束的偏振光干涉 图图画画出出了了实实现现平平行行光光束束的的偏偏振振光光干干涉涉装装置置示示意意图图。一一束束平平行行的的自自然然光光束束通通过过起起偏偏镜镜A后后成成为为线线偏偏振振光光Io在在晶晶体体C中中分分解解为为振振动动方方向向互互相相垂垂直直、传传播播方方向向一一致致但但速速度度不不同同的的特特殊殊双双折折射射的的二二线线偏偏振振光光，即即o光光和和e光光。设设二二者者振振幅幅均均为为OA，过过c后后在在空空间间传传播播的的o光光和和e具具有有固固定定的的位位相相差差(或光程差或光程差)：第
2、2页，共70页，编辑于2022年，星期六设设起起偏偏镜镜A与与检检偏偏镜镜P的的夹夹角角为为，起起偏偏镜镜A与与线线偏偏振振光光振动振动D(或或D”)方向成方向成。则。则o光和光和e光的振幅为光的振幅为o光和光和e光在检偏镜振动轴光在检偏镜振动轴OP方向的投影为方向的投影为第3页，共70页，编辑于2022年，星期六从从晶晶片片出出射射的的振振动动方方向向互互相相垂垂直直的的o光光和和e光光在在检检偏偏镜镜P上上实实现现具具有有恒恒定定位位相相差差、振振动动方方向向相相同同、频频率率相相同同的的线线偏偏振振光光的的干涉。干涉后的强度为干涉。干涉后的强度为式中：式中：马吕斯定律马吕斯定律第4页，共
3、70页，编辑于2022年，星期六讨论：正交偏光镜讨论：正交偏光镜(=/2)下的偏光干涉下的偏光干涉如如果果将将晶晶片片c置置于于正正交交偏偏光光镜镜的的载载物物台台上上(不不能能沿沿光光轴轴方方向向通光通光)，调好焦距在检偏镜处发生正交偏光干涉。，调好焦距在检偏镜处发生正交偏光干涉。下面分析几种干涉极值情况下面分析几种干涉极值情况当当起起偏偏镜镜(或或检检偏偏镜镜)振振动动轴轴方方向向与与D或或D”)方方向向一一致致或或成成直直角角时时，透透过过检检偏偏镜镜的的干干涉涉强强度度为为零零，视视野野全全暗暗，称称为为消消光光现现象象。此此时时晶晶片片c所所处处的的位位置置称称为为消消光光位位置置。
4、晶片转晶片转360将出现四次消光。将出现四次消光。第5页，共70页，编辑于2022年，星期六晶片晶片c 随转动载物台一周，视野将出现四次最亮位置随转动载物台一周，视野将出现四次最亮位置。第6页，共70页，编辑于2022年，星期六二、电光开关二、电光开关 近近年年来来电电光光效效应应在在激激光光技技术术，光光信信息息处处理理和和光光通通信信技技术术等等近近代代工工程程技技术术中中有有着着广广泛泛的的应应用用。例例如如，利利用用晶晶体体的的电电光光效效应应可可以以制制成成电电光光快快门门、电电光光调调制制、电电光光偏偏转转器器、电电光光相相位位延延迟迟器器、电电光光调调Q激激光光器器以以及及大大屏
5、屏幕幕显显示示靶靶面面，还还可可以以用用于电光销模技术等。于电光销模技术等。电电光光开开关关就就是是利利用用电电信信号号来来控控制制光光路路通通断断的的装装置置，也也称电光快门。称电光快门。工工作作原原理理是是在在一一般般光光学学系系统统中中加加进进一一对对正正交交的的起起偏偏镜镜P和和检检偏偏镜镜A并并在在其其中中间间放放置置电电光光晶晶体体样样品品构构成成。我我们们现现用用KDP晶体的晶体的Z-切片来讨论电光快门的工作原理及其有关概念。切片来讨论电光快门的工作原理及其有关概念。第7页，共70页，编辑于2022年，星期六第8页，共70页，编辑于2022年，星期六 在在KDP晶晶体体Z-切切片
6、片上上没没加加电电场场时时，它它是是单单轴轴晶晶体体，Z-切切片片的的主主轴轴x1(或或x2)与与起起(检检)偏偏镜镜平平行行。通通光光方方向向垂垂直直Z-切切片片，无无双双折折射射现现象象垂垂直直z方方向向光光率率体体中中心心截截面面是一个圆，透过检偏镜的光强度满足：是一个圆，透过检偏镜的光强度满足：正交偏光镜正交偏光镜(=/2)下的偏光干涉：下的偏光干涉：第9页，共70页，编辑于2022年，星期六当当沿沿Z方方向向外外加加电电场场E3，则则产产生生KDP晶晶体体的的 63纵纵向向电电光光效效向向，即即KDP晶晶体体变变为为双双轴轴晶晶体体。晶晶体体中中二二线线偏偏振振光光沿沿x1或或x2方
7、方向向振振动动，45o。此此时时透透过过检检偏偏镜镜的的光光强为强为:相对透过率相对透过率因为：因为：第10页，共70页，编辑于2022年，星期六所以：所以：相相对对透透过过率率T是是 加加 在在KDP晶晶 体体Z-切切片片上上纵纵向向 电电 压压 V3的的 正正 弦弦 平平方方的的函函数数，T将将随随V3周周期性变化。期性变化。第11页，共70页，编辑于2022年，星期六相对透过率相对透过率T随着随着V3的增加而周期性的出现最大和最的增加而周期性的出现最大和最小，相当于快门的打开和关闭。如果外加瞬时脉冲电小，相当于快门的打开和关闭。如果外加瞬时脉冲电压压V3V。上。上图就变成了瞬时电光快门。
8、由于电光效应图就变成了瞬时电光快门。由于电光效应的响应时间短，这种电光快门的开关速度很快，可达的响应时间短，这种电光快门的开关速度很快，可达1010次次/秒，这是任何机械快门都不可能达到的。秒，这是任何机械快门都不可能达到的。电光快门的另一个重要参数是消光比，就是最大输电光快门的另一个重要参数是消光比，就是最大输出光强和最小输出光强之比。最小透过光强应该是零，出光强和最小输出光强之比。最小透过光强应该是零，但实际上最小光强很难达到零。这是由于以下几个因但实际上最小光强很难达到零。这是由于以下几个因家所决定：家所决定：第12页，共70页，编辑于2022年，星期六a)外加电场的不均匀性。外加电场的
9、不均匀性。b)晶体本身有内应力或内应力不均匀，由弹光效应晶体本身有内应力或内应力不均匀，由弹光效应 引引起轻微双折射而导致漏光。起轻微双折射而导致漏光。c)起偏镜或检偏镜因质量问题使二者不能严格正交或起偏镜或检偏镜因质量问题使二者不能严格正交或平行。平行。d)入射光束的发散度，使光束不能严格的平行光轴方向。入射光束的发散度，使光束不能严格的平行光轴方向。要想获得较大的消光比，应从以上几个方面提高电光开要想获得较大的消光比，应从以上几个方面提高电光开关的质量。关的质量。第13页，共70页，编辑于2022年，星期六三、电光偏转器三、电光偏转器 利利用用电电光光效效应应来来改改变变介介质质中中光光束
10、束的的传传播播方方向向的的技技术术通通称称为为电电光光偏偏转转。实实现现光光束束偏偏转转的的途途径径很很多多，除除电电光光效效应应外外，还还可可通通过过弹弹光光效效应应(包包括括声声光光效效应应)、磁磁光光效效应应等等办办法法控制光束实现数字型偏转或连续型偏转。控制光束实现数字型偏转或连续型偏转。光光束束偏偏转转在在激激光光应应用用技技术术、各各种种显显示示技技术术、光光信信息息处处理理与与存存储储技技术术中中有有着着广广泛泛的的应应用用。下下面面分分别别介介绍绍数数字字型型电电光偏转器和连续型电光偏转器的基本原理。光偏转器和连续型电光偏转器的基本原理。第14页，共70页，编辑于2022年，星
11、期六1、数字型电光偏转器、数字型电光偏转器 数数字字型型电电光光偏偏转转器器通通常常简简称称为为数数字字偏偏转转器器。它它是是在在普普通通光光学学系系统统中中加加进进起起偏偏器器、电电光光晶晶体体和和双双折折射射晶晶体体组组成。下图为一级数字型电光偏转器的原理图。成。下图为一级数字型电光偏转器的原理图。第15页，共70页，编辑于2022年，星期六 假假设设电电光光晶晶体体利利用用KDP晶晶体体Z-切切片片 63的的纵纵向向效效应应，双双折折射射晶晶体体采采用用方方解解石石或或硝硝酸酸纳纳。在在图图中中标标出出各各晶晶体体的的方方向向及及起起偏偏器器偏偏振振轴轴的的方方向向。没没对对电电光光晶晶
12、体体(KDP)加加电电场场V3时时，透透过过起起偏偏镜镜的的线线偏偏振振光光D/x2，且且沿沿光光轴轴c(x3)方方向向通通过过KDP晶晶体体正正交交入入射射到到双双折折射射晶晶体体方方解解石石的的界界面面上上。由由于于该该线线偏偏振振光光的的D恰恰好好平平行行方方解解石石的的光光轴轴方方向向，所所以以在在方方解解石石中中只只有有e光光，其其te偏偏离离原原入入射射方方向向在在晶晶体体中中传传播播并并射射出出(如如图图中中实实线线所示所示)。第16页，共70页，编辑于2022年，星期六 若若对对电电光光晶晶体体KDP加加电电场场V3使使之之变变为为双双轴轴晶晶体体，则则光光沿沿x3方方向向(不
13、不是是双双轴轴晶晶体体的的光光轴轴)行行进进，便便在在KDP晶晶体体中形成振动方向互相垂直的两束线偏振光。中形成振动方向互相垂直的两束线偏振光。一一般般情情况况下下，它它们们在在透透过过KDP后后将将合合成成由由KDP的的 63纵纵向向效效应应产产生生的的位位相相延延迟迟 决决定定的的不不同同椭椭圆圆线线偏偏振振光。光。第17页，共70页，编辑于2022年，星期六如果如果V3=V，从从KDP晶体出来的二线偏光晶体出来的二线偏光=，便合成为，便合成为线偏振光在空间传播，其振动方向与线偏振光在空间传播，其振动方向与V3=0(=0)时的线时的线偏光振动方向垂直。该线偏振光正交入射到图中双折偏光振动方
14、向垂直。该线偏振光正交入射到图中双折射晶体射晶体(方解石方解石)界面，在方解石中只有界面，在方解石中只有o光仍沿原来光仍沿原来入射光路传播并从方解石射出来入射光路传播并从方解石射出来(图中虚线所示图中虚线所示)。通过在电光晶体上是否外加半波电压通过在电光晶体上是否外加半波电压V 来控制光束来控制光束分别占据两个可能位置之一的目的。如果通过适当的组合分别占据两个可能位置之一的目的。如果通过适当的组合可以控制出射光占据更多的位置从而在二维空间中控制光可以控制出射光占据更多的位置从而在二维空间中控制光斑的位置。斑的位置。第18页，共70页，编辑于2022年，星期六第19页，共70页，编辑于2022年
15、，星期六二二级级数数字字型型电电光光偏偏转转器器，电电光光晶晶体体A1和和A2的的尺尺寸寸和和取取向向应应一一致致，而而双双折折射射晶晶体体B1和和B2的的取取向向一一致致。但但B2的的厚厚度度是是B1的的二二倍倍通通过过改改变变加加在在A1和和A2上上的的电电压压，就就可可以以使使光光束束偏偏转转到到相相应应的的位位置置上上，二二级级数数字字型型电电光光偏偏转转器器共共有有四四个个可可控控光光斑斑位位置置，如如图图所所示示，同同样样n级级电电光光偏偏转转器器，可可以以得得到到2n个个可可控控的的光光斑斑位位置置，如如果果要要使使可可控控位位置置作作二二维维分分布布，只只要要用用被被此此正正交
16、交的的两两组组电电光光偏偏转转器组合在一起就可以器组合在一起就可以(常称为常称为x-y偏转器）偏转器）第20页，共70页，编辑于2022年，星期六 将将两两块块同同种种材材料料的的电电光光晶晶体体(如如KDP晶晶体体)按按图图所所示示的的形形式式贴贴在在一一起起，它它们们的的取取向向已已标标在在图图上上，其其特特点点是是；它它们们的的x3轴轴方方向向相相反反。电电场场E3方方向向垂垂直直纸纸面面向向里里，构构成成了了KDP晶晶体体 63横向效应连续型电光偏转器。横向效应连续型电光偏转器。2、连续型电光偏转器、连续型电光偏转器第21页，共70页，编辑于2022年，星期六假假设设有有一一束束线线偏
17、偏振振光光沿沿x2方方向向正正交交入入射射到到左左侧侧电电光光晶晶体体A的界面上，振动方向沿的界面上，振动方向沿x1，光在晶体，光在晶体A中的折射率中的折射率:当当光光波波进进入入到到右右侧侧电电光光晶晶体体B中中，光光波波仍仍保保持持沿沿x1方方向向振振动动。由由于于电电场场E3在在A和和B中中的的方方向向恰恰相相反反，所所以以在在B晶晶体中的折射率与在体中的折射率与在A中的不同中的不同:于于是是在在A和和B之之间间出出现现了了折折射射率率梯梯度度，从从而而造造成成了了光光线线方向的偏转。方向的偏转。第22页，共70页，编辑于2022年，星期六举例：连续偏转器：举例：连续偏转器：将将三三块块
18、厚厚度度为为h的的电电光光棱棱镜镜组组合合到到一一起起，即即成成为为一一个个连连续续偏偏转转器器它它们们的的光光轴轴都都垂垂直直于于纸纸面面，与与棱棱镜镜的的厚厚度度方方向一致，而相邻的两块棱的向一致，而相邻的两块棱的x3轴是相反的。轴是相反的。在垂直于在垂直于x3轴的棱镜面上镀上电极，当加上电压轴的棱镜面上镀上电极，当加上电压V3时，时，各块棱镜的感应生轴方向如图中所示各块棱镜的感应生轴方向如图中所示nn其中：其中：第23页，共70页，编辑于2022年，星期六由三块电光晶体组成的偏转器由三块电光晶体组成的偏转器第24页，共70页，编辑于2022年，星期六 当当一一束束线线偏偏振振光光垂垂宜宜
19、人人射射到到棱棱镜镜组组时时，如如果果V3=0，则则光光束束不不偏偏转转，如如果果V3 0，则则光光束束发发生生偏偏转转。在在第第一一块块和和第第二二块块棱棱镜的交界面上，入射镜的交界面上，入射 1=/2，折射角为折射角为 2，有：，有：第25页，共70页，编辑于2022年，星期六在第二块和第三块棱镜的界面上，入射角在第二块和第三块棱镜的界面上，入射角 3为为所以：所以：第26页，共70页，编辑于2022年，星期六在棱镜组中，第三块棱镜右侧界面的入射角在棱镜组中，第三块棱镜右侧界面的入射角 5为为最后，经过第二三棱镜后，光束的偏转角为最后，经过第二三棱镜后，光束的偏转角为由此可知，偏转角随由此
20、可知，偏转角随V3连续变化，所以可以实现光束连续变化，所以可以实现光束的连续偏转的连续偏转第27页，共70页，编辑于2022年，星期六 在在外外加加交交变变信信号号场场(简简称称调调制制信信号号)作作用用下下，调调制制晶晶体体的的折折射射率率也也将将随随着着调调制制信信号号的的频频率率而而变变化化。若若有有一一束束光光波波通通过过该该晶晶体体，则则出出射射光光的的强强度度(或或位位相相)载载有有调调制制信信号号的的信信息息，称称为为光光强强度度(或或位位相相)调调制制。利利用用晶晶体体的的电电光光效效应应使使光光强强度度(或或位位相相)随随电电信信号号而而变变化化的的方方法法，称称为为电电光光
21、调调制制。下下面面简简要要介介绍绍常常用用的的电电光光强强空空(即振幅即振幅)调制。调制。四、电光调制器四、电光调制器第28页，共70页，编辑于2022年，星期六 在正交偏振器之间加一个在正交偏振器之间加一个KDP晶体，为了改善性能有晶体，为了改善性能有时在电光晶体和检偏镜之间插入一个时在电光晶体和检偏镜之间插入一个/4波片，就构成了波片，就构成了电光强度调制器电光强度调制器(如上图所示如上图所示)。沿。沿KDP晶体晶体x3轴通光，轴通光，并利用并利用 63纵向效应使其感应主轴纵向效应使其感应主轴x1和和x2与起偏镜和检与起偏镜和检偏镜的振动方向成偏镜的振动方向成45o.第29页，共70页，编
22、辑于2022年，星期六 在在没没有有加加纵纵向向信信号号电电压压(Us=0)只只加加直直流流电电压压V 3时时，得到光通过检偏镜的相对透过率如图曲线。得到光通过检偏镜的相对透过率如图曲线。第30页，共70页，编辑于2022年，星期六若在电光晶体上加一个载有传递信息的交变信号若在电光晶体上加一个载有传递信息的交变信号电压电压(简称电信号简称电信号)Us，则输出光强将随着电信号，则输出光强将随着电信号Us的大小而变化。的大小而变化。在光路中未加在光路中未加/4波片时，可得到波片时，可得到 63纵向效应的位纵向效应的位相延迟为：相延迟为：出射光与入射光强度之比出射光与入射光强度之比T用下式给出：用下
23、式给出：第31页，共70页，编辑于2022年，星期六 为了改善输出调制光的畸变现象，在电光晶体与检偏镜之为了改善输出调制光的畸变现象，在电光晶体与检偏镜之伺插入一个伺插入一个/4波片，使系统总的位相延迟增加波片，使系统总的位相延迟增加/2，此时：，此时：第32页，共70页，编辑于2022年，星期六第33页，共70页，编辑于2022年，星期六 由由上上式式绘绘制制出出的的强强度度输输出出曲曲线线如如图图(b)的的粗粗线线所所示示。由由此此可可知知，系系统统加加进进/4波波片片后后，调调制制电电压压相相当当于于将将图图(a)所所示示的的电电信信号号零零轴轴向向右右移移了了V/2。从从而而使使工工作
24、作点点选选在在(T)曲曲线线上上的的线线性性部部分分Q点点附附近近，输输出出光光强强在在T=50上上下下波波动动且且与与电电信信号号成成线线性性关关系系。也也就就是是说说输输出出光光波波被被调调制制成成含含有有电电信号且无失真地传播下去。信号且无失真地传播下去。如如果果在在图图中中不不用用/4波波长长，而而改改为为在在电电信信Us上上叠叠加加U/2直直流流电电压压(称称为为偏偏压压法法)同同样样可可以以实实现现将将电电光光调调制制器器的的工工作作点点选选择择在在曲曲线线的的线线性性部部分分Q点点附附近近与与在在系系统统中中加加进进/4波具有同样的效果。二者的原理基本相同。波具有同样的效果。二者
25、的原理基本相同。第34页，共70页，编辑于2022年，星期六晶体光学第二部分：晶体其它非线性光学效应第二部分：晶体其它非线性光学效应1、弹光效应；弹光效应；2、声光效应；、声光效应；3、热光效应；、热光效应；4、旋光效应；、旋光效应；5、磁光效应；、磁光效应；第35页，共70页，编辑于2022年，星期六一、弹光效应一、弹光效应 当当光光学学介介质质受受到到应应力力或或应应变变作作用用时时，介介质质的的折折射射率率发发生生变变化化，从从而而产产生生双双折折射射现现象象称称为为弹弹光光效效应应或或压压光光效效应应。例例如如，原原来来各各向向同同性性的的光光学学均均质质体体(立立方方晶晶系系晶晶体体
26、或或玻玻璃璃等等)受受到到应应力力作作用用时时会会变变成成单单轴轴晶晶或或双双轴轴晶晶体体。原原来来单单轴轴晶晶体体在应力作用下会变成双轴晶体。在应力作用下会变成双轴晶体。在只取一级效应的情况下，机械应力或应变对晶体折在只取一级效应的情况下，机械应力或应变对晶体折射率的影响仍可用光率体的变化来描述：射率的影响仍可用光率体的变化来描述：ijkl是应力弹光系数，是应力弹光系数，ijkl是应变弹光系数。是应变弹光系数。第36页，共70页，编辑于2022年，星期六 在在晶晶体体中中，由由于于其其结结构构各各向向异异性性，晶晶体体的的应应力力和和应应变变都都是是二二阶阶张张量量，因因而而胡胡克克定定律律
27、的的形形式式较较复复杂杂，可可写成写成则有：则有：第37页，共70页，编辑于2022年，星期六其矩阵形式：其矩阵形式：第38页，共70页，编辑于2022年，星期六同理：应变弹光效应同理：应变弹光效应第39页，共70页，编辑于2022年，星期六举例：立方晶系的弹光效应举例：立方晶系的弹光效应143m、432和和m3m晶类的弹光效应晶类的弹光效应第40页，共70页，编辑于2022年，星期六立方晶系的立方晶系的43m、432和和m3m晶类由原来的光学匀质体变晶类由原来的光学匀质体变为具有单轴晶体的各向异性光学性质，光轴沿单向应力为具有单轴晶体的各向异性光学性质，光轴沿单向应力 1的的x1轴方向。轴方
28、向。第41页，共70页，编辑于2022年，星期六223和和m3晶类的弹光效应晶类的弹光效应第42页，共70页，编辑于2022年，星期六立方晶系的立方晶系的23和和m3晶类由原来的光学匀质体变为具有晶类由原来的光学匀质体变为具有双轴晶体的光学性质。双轴晶体的光学性质。第43页，共70页，编辑于2022年，星期六第44页，共70页，编辑于2022年，星期六 观测弹光效应测装置：观测弹光效应测装置：图图中中A和和P是是一一对对正正交交偏偏振振器器，中中间间放放置置被被测测的的样样品品。若若观观测测弹弹光光效效应应，在在垂垂直直光光线线方方向向对对样样品品施施加加单单向向应应力力；样样品品可可以以是是
29、晶晶体体或或非非晶晶体体。没没加加应应力力时时，光光不不能能通通过过此此系系统统。加加应应力力后后，各各向向同同性性的的介介质质变变成成各各向向异异性性的的单单轴轴晶晶(或或双双轴轴晶晶)所所以以光光通通过过样样品品出出现现双双折折射射现现象象。从从样样品品出出来来的的光光是是具具有有一一定定位位相相差差 的的椭椭圆圆偏偏振振光光、通通过过检检偏偏镜镜P可可以以观观察察到到。要要精精确确测测量量弹弹光光系系数数通通常常采采用用偏偏光光干干涉法。涉法。第45页，共70页，编辑于2022年，星期六二、声光效应二、声光效应 超超声声波波是是弹弹性性波波，当当这这种种弹弹性性波波通通过过介介质质时时，
30、介介质质将将产产生生压压缩缩和和伸伸张张，这这相相当当于于介介质质中中存存在在着着随随时时空空周周期期变变化化的的弹弹性性应应变变。由由于于存存在在弹弹光光效效应应，介介质质中中各各点点的的折折射射率率也也将将随随该该点点的的弹弹性性应应变变而而发发生生相相应应的的变变化化，从从而而对对光光在在此此介介质质中中的的传传播播特特性性产产生生影影响响，即即产产生生衍衍射射和和散散射射。这这种种光光波波被被介介质质中中超超声声波波衍衍射射和和散散射射的的现现象象称称为为声声光光效效应。声光效应实质上是弹光效应的一种表现形式。应。声光效应实质上是弹光效应的一种表现形式。第46页，共70页，编辑于202
31、2年，星期六 假假设设用用压压电电晶晶体体作作成成的的换换能能器器产产生生波波长长为为、频频率率为为、宽宽度度为为L的的超超声声波波柱柱沿沿x方方向向加加在在声声光光介介质质上上(如如图图所所示示)；入入射射光光波波以以频频率率、波波长长 沿沿y方方向向在在介介质质中中传传播播。图图中中阴阴影影部部分分为为声声柱柱与与入入射射光光波波相相互互作作用用区区，D为为作作用用长长度度。在在此此作作用用区区内内由由于于超超声声波波的的激激发发而而使使介介质质存存在在着着随时空变化的弹性应变随时空变化的弹性应变Sx:称为超声波的波矢称为超声波的波矢由弹光效应可以证明光波通过介质时其折射率以声波波长由弹光
32、效应可以证明光波通过介质时其折射率以声波波长 为周期而变化。为周期而变化。第47页，共70页，编辑于2022年，星期六第48页，共70页，编辑于2022年，星期六右右图图给给出出由由正正弦弦应应变变波波引引起起介介质质内内折折射射率率的的正正弦弦变变化化以以及及介介质质密密度度变变化化的的示示意图。意图。第49页，共70页，编辑于2022年，星期六光波通过该声光栅与通过光学光栅类似，都可以发生衍光波通过该声光栅与通过光学光栅类似，都可以发生衍射，由光栅方程射，由光栅方程1、布喇格声光衍射布喇格声光衍射 当当超超声声波波频频率率较较高高(一一般般在在20MHz以以上上)，声声光光作作用用较较大大
33、(L 2 2/)时时，除除零零级级以以外外，只只得得到到最最强强的的第第级级序序衍衍射射光光，其其余余各各级级序序衍衍射射光光强强几几乎乎为为零零。这这种种衍衍射射称称为布喇格声光衍射。（正常布拉格衍射）为布喇格声光衍射。（正常布拉格衍射）第50页，共70页，编辑于2022年，星期六第51页，共70页，编辑于2022年，星期六 考考虑虑到到声声波波波波面面的的运运动动，衍衍射射光光的的频频率率因因多多普普勒勒效效应应要要产产生生频频移移。这这只只要要将将声声波波面面理理解解为为运运动动的的光光接接收收器器同同时时又又是是运运动动的的光光源源(反反射射光光)，根根据据其其运运动动速速度度vs就就
34、可可知道衍射光的频率是增加还是减少。知道衍射光的频率是增加还是减少。当声波面相对于静止的入射光源和静止的衍射光接当声波面相对于静止的入射光源和静止的衍射光接收器都是迎面运动引起正频移，即衍射光频率为收器都是迎面运动引起正频移，即衍射光频率为+，当当声波面背离入射光源和衍射光接收器而去，引起负频移，声波面背离入射光源和衍射光接收器而去，引起负频移，即衍射光频率为即衍射光频率为-.第52页，共70页，编辑于2022年，星期六2喇曼喇曼-奈斯声光衍射奈斯声光衍射 当当超超声声波波频频率率较较低低(20MHz)，声声光光相相互互作作用用长长度度较较短短(L 2/2)，光光束束Ki与与超超声声波波面面平
35、平行行(i=0)时时，产产生生喇喇曼曼奈奈斯斯声声光光衍衍射射。类类似似于于平平面面光光栅栅的的夫夫琅琅和和费费衍衍射射，喇喇曼曼奈奈斯斯声声光光衍衍射射中中平平行行光光束束垂垂直直通通过过超超声声波波柱柱相相当当于于通通过过一一个个很很薄薄的的声声光光栅栅，再再通通过过会会聚聚透透镜镜可可在在屏上观察到各级序的衍射条纹。屏上观察到各级序的衍射条纹。第53页，共70页，编辑于2022年，星期六第54页，共70页，编辑于2022年，星期六第55页，共70页，编辑于2022年，星期六 喇曼喇曼奈斯声光衍射的特点：奈斯声光衍射的特点：(1)在在中中心心末末衍衍射射的的光光束束(零零级级序序)两两侧侧
36、对对称称形形成成第第一一级级和更高级的衍射光束。其强度逐级减弱。和更高级的衍射光束。其强度逐级减弱。(2)衍衍射射光光出出现现频频移移。这这是是因因为为“声声光光栅栅”是是运运动动的的，由由多多普普勒勒效效应应所所致致。超超声声波波在在介介质质中中为为行行波波时时，频频率率的的变化己标在图中变化己标在图中 。(3)通通过过超超声声波波柱柱的的光光波波再再不不是是平平面面波波，其其波波面面出出现现皱皱折折(如如图图所所示示)。这这是是因因为为介介质质中中各各点点折折射射率率随随x轴轴（声声速速方向方向)作周期变化所致。作周期变化所致。第56页，共70页，编辑于2022年，星期六第57页，共70页
37、，编辑于2022年，星期六(4)超超声声波波在在介介质质中中以以行行波波传传播播时时，衍衍射射光光强强基基本本不不随随时时间间变变化化。各各级级序序的的衍衍射射光光频频率率在在图图中中已已标标出出。如如果果介介质质中中超超声声波波形形成成驻驻波波时时，各各级级序序衍衍射射光光强强随随时时间间作作周周期期变变化化。各各级级序序光光束束不不再再象象行行波波光光栅栅衍衍射射时时那那样样具具有有简简单单的的多多普普勒勒频频移移的单色光，而是含有多种频率的复合光。的单色光，而是含有多种频率的复合光。第58页，共70页，编辑于2022年，星期六三、晶体的热光效应三、晶体的热光效应当温度发生变化时，晶体的折
38、射率当温度发生变化时，晶体的折射率n发生变化的现发生变化的现象称为热光效应。象称为热光效应。除除单单斜斜、三三斜斜以以外外的的各各晶晶系系由由于于直直角角坐坐标标系系选选在在结结晶晶轴轴上上，故故这这些些晶晶系系(bij)只只存存在在不不为为零零的的主主分分量量，切切向向分分量量均均为为零零。因因此温度变化时只改变光率体各主轴的长度而不改变它们的取向。此温度变化时只改变光率体各主轴的长度而不改变它们的取向。对对于于单单斜斜晶晶系系和和三三斜斜晶晶系系的的晶晶体体由由于于结结晶晶轴轴与与直直角角坐坐标标系系不不一一致致故故这这些些晶晶系系的的(bij)矩矩阵阵切切向向分分量量不不为为零零，因因此
39、此当当温温度度变变化化时时光光率率体体的的主主轴轴长长度度改改变变，同同时时主主轴轴的的取取向向也也将将发发生变化。生变化。第59页，共70页，编辑于2022年，星期六 对于双轴晶体的热光效应，三个主折射率变化的不对于双轴晶体的热光效应，三个主折射率变化的不同不仅导致光率体形状发生变化。而且光轴角也将发生变同不仅导致光率体形状发生变化。而且光轴角也将发生变化。这将引起化。这将引起系列有趣的效应。系列有趣的效应。以以石石膏膏为为例例，在在室室温温下下它它是是一一个个正正双双轴轴晶晶体体，随随着着温温度度升升高高光光轴轴角角将将减减小小，到到90o c时时对对于于 5893A的的光光、它它成成了了
40、单单轴轴晶晶体体。继继续续升升高高温温度度它它又又变变为为双双轴轴晶晶体体，这这种种现现象象称称为为交交叉叉色色散散。通通常常发发生生于于二二个个主主折折射射率率比比较较接接近近而而光光轴轴角角较较大大的的情况。情况。第60页，共70页，编辑于2022年，星期六四、旋光现象和磁光效应四、旋光现象和磁光效应 线线偏偏振振光光在在光光学学匀匀质质体体中中或或沿沿单单轴轴晶晶体体光光轴轴 方方向向传传播播时，其偏振面发生旋转的现象称为旋光现象。时，其偏振面发生旋转的现象称为旋光现象。1、旋光现象、旋光现象第61页，共70页，编辑于2022年，星期六实验发现，在固体介质中偏振面转动角度实验发现，在固体
41、介质中偏振面转动角度 与与样样品厚度品厚度d成正比。成正比。第62页，共70页，编辑于2022年，星期六实实验验数数据据发发现现、偏偏振振面面旋旋转转的的角角度度随随照照射射波波长长而而改改变变。波长越短旋转角度越大。这种现象称为旋光色散。波长越短旋转角度越大。这种现象称为旋光色散。实实验验还还发发现现，对对于于同同一一种种物物质质制制成成的的晶晶片片迎迎着着光光线线方方向向观观察察，有有些些晶晶片片使使光光的的偏偏振振面面顺顺时时针针旋旋转转，称称为为右右旋旋晶晶体体；有有的的偏偏振振面面逆逆时时针针旋旋转转，称称为为左左旋旋晶晶体体。如右旋石英和左旋石英。它们的旋转本领都相同。如右旋石英和
42、左旋石英。它们的旋转本领都相同。第63页，共70页，编辑于2022年，星期六2、磁光效应、磁光效应 法法拉拉弟弟发发现现线线偏偏旅旅光光的的偏偏振振面面在在磁磁场场中中的的旋旋转转，后后来来称称为为法法拉拉弟弟效效应应。这这种种非非旋旋光光物物质质在在强强磁磁场场作作用用下下，可可变变成成具具有有旋旋光光的的现现象象称称为为磁磁光光效效应应。除除此此之之外外，磁磁光光效效应应还还应应包包括括入入射射的的线线偏偏振振光光在在铁铁磁磁性性材材料料表表面面反反射射时时，反反射射光光的的偏偏振振面面发发生生旋旋转转的的现现象象以及与克尔效应相似的磁致双折射现象。以及与克尔效应相似的磁致双折射现象。第6
43、4页，共70页，编辑于2022年，星期六 实验表明，由于法拉弟效应线偏振光的偏振面旋实验表明，由于法拉弟效应线偏振光的偏振面旋转角度转角度 与其在磁光介质内通过的长度与其在磁光介质内通过的长度L及磁感应强及磁感应强度度B成正比，即成正比，即第65页，共70页，编辑于2022年，星期六 磁磁致致旋旋光光方方向向与与磁磁场场方方向向有有关关，对对于于绝绝大大多多数数物物质质、磁磁致致旋旋光光方方向向都都是是右右旋旋的的(顺顺着着磁磁场场方方向向观观察察时时)这这种种物物质质称称为正旋体。反之称为负旋体。为正旋体。反之称为负旋体。磁致旋光方向与光的传播方向无关。这与自然旋光磁致旋光方向与光的传播方向
44、无关。这与自然旋光不同。利用这一特性可以使光波在两反射镜之间多次穿不同。利用这一特性可以使光波在两反射镜之间多次穿越磁场以增强磁光效应。越磁场以增强磁光效应。磁光隔离器是利用法拉弟效应制作的使光束只能沿单方向磁光隔离器是利用法拉弟效应制作的使光束只能沿单方向前进，不能反向传播的光学器件。例如图所示的几个激光前进，不能反向传播的光学器件。例如图所示的几个激光放大器之间的级间耦合就是利用了这种磁光隔离器。放大器之间的级间耦合就是利用了这种磁光隔离器。第66页，共70页，编辑于2022年，星期六P1和和p2为为偏偏振振轴轴夹夹角角45o的的一一对对偏偏振振器器，且且P2方方向向是是按按P1顺顺时时针
45、针转转过过45o方方向向设设置置。经经过过偏偏振振器器P1的的线线偏偏振振光光振振动动方方向向如如图图(在在纸纸面面竖竖直直方方向向)进进入入法法拉拉弟弟盒盒，调调节节磁磁场场强强度度使使磁磁致致旋旋光光角角也也恰恰为为顺顺时时针针转转45o。从从法法拉拉弟弟盒盒出出来来的的线线偏偏光光恰恰与与P2偏偏振振方方向向一一致致，可可以以顺顺利利通通过过偏偏振振器器P2。对对于于反反射射光光从从P2向向P1传传播播时时由由于于磁磁致致旋旋光光的的偏偏振振面面旋旋转转方方向向与与光光传传播播方方向向无无关关，所所以以在在原原来来已已转转过过45o基基础础上上再再次次通通过过法法拉拉弟弟盒盒仍仍沿沿顺顺时时针针力力向向又又转转了了450，从从而而使使偏偏振振面面恰恰与与P1偏偏振振轴轴方方向向垂垂直直，不不能能通通过过偏偏振振器器P1。这这佯佯就就达达到到了了光光学学隔隔离离的的目目的。的。第67页，共70页，编辑于2022年，星期六1.2.按电光快门原理图回答按电光快门原理图回答第68页，共70页，编辑于2022年，星期六第69页，共70页，编辑于2022年，星期六3.8.4.5.6.7.第70页，共70页，编辑于2022年，星期六