電光材料與磁光材料

1、電光電光材料與磁光材料材料與磁光材料黑梅黑梅 材料科學(xué)與工程四班材料科學(xué)與工程四班電光材料21、電光材料的定義2、電光材料的原理簡介3、電光材料的種類4、電光材料的主要應(yīng)用及現(xiàn)狀什么是電光材料？ 電光材料：具有電光效應(yīng) 的光學(xué)功能材料 電光效應(yīng)：在外界電場（直流或交變場）作用下，材料的折射率發(fā)生感應(yīng)雙折射式變化的現(xiàn)象。3電光材料的原理 基于線性電光效應(yīng)（普克耳斯效應(yīng)），線性電光效應(yīng)的特點(diǎn)是感應(yīng)折射率變化正比于外界電場強(qiáng)度的一次方，n =b E 另一種基于二次電光效應(yīng)（光學(xué)克爾效應(yīng)）?？藸栃?yīng)的特點(diǎn)是感應(yīng)折射率變化正比于外加電場強(qiáng)度的二次方，其規(guī)律是折射率改變量么n 和所施加電場的強(qiáng)度E 的二次

2、方成正比, 即:n =b E4電光材料的原理 習(xí)慣上常使用=l/ n , 并稱之為相對隔離率, 由于n = E/E0 所以有= E0/E.E0和E分別為真空和介質(zhì)中的介電常數(shù)。根據(jù)固體的量子論觀點(diǎn), 光學(xué)介質(zhì)的折射率n 或隔離率與晶體中的電荷分布有關(guān)。電光作用的實(shí)質(zhì)為, 當(dāng)對介質(zhì)施加電場作用時(shí), 鍵電荷將重新分布, 并導(dǎo)致離子點(diǎn)陣的輕變, 結(jié)果使光學(xué)介質(zhì)的折射率或隔離率發(fā)生相應(yīng)變化以此類推, 我們可以寫出電光效應(yīng)的劫= n 一n o = a E + b E + c E + 式中克爾效應(yīng)項(xiàng)及其以后諸項(xiàng)統(tǒng)稱為非線性電光效應(yīng)項(xiàng)。5電光材料性能要求電光材料性能要求這些要求包括:晶體的電光系數(shù)大, 因此

3、用于電光開關(guān)時(shí)其半波電壓低; 折射率大, 光學(xué)均勻性好;透明波段范圍寬,抗光損傷能力強(qiáng);物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定, 易加工;容易獲得高光學(xué)質(zhì)量的大尺寸單晶。6電光材料的種類電光材料的種類1、線性電光效應(yīng)材料：產(chǎn)生該效應(yīng)的材料必須是不具對稱中心的各向異性晶體.常用的線性電光效應(yīng)的材料是諸如磷酸二氫鉀(KDP)、磷酸二氫銨（ADP）、鈮酸鋰(LiNbO)碘酸鋰(LiIO)等不具有中心對稱性的晶體；2、二次電光效應(yīng)材料：這種材料可以是具有任意對稱性質(zhì)的晶體或各向同性介質(zhì)。常用的二次電光效應(yīng)的材料是一些具有較大克爾常數(shù)的有機(jī)液體如硝基苯苯等。7 從結(jié)晶化學(xué)角度來看, 可分為以下幾類：( 1)線性電光效應(yīng)：KD

4、P磷酸二氫鉀型晶體: 包括KDP, DKDP, ADP, KDA等。這類晶體的線性電光效應(yīng)比較顯著, 而且容易從水溶液中生長出尺寸巨大的容易從水溶液中生長出尺寸巨大的高光學(xué)質(zhì)量晶體高光學(xué)質(zhì)量晶體, 因此, 這類晶體是已知電光晶體中應(yīng)用最為廣泛的材料, 在需特大型晶體的場合, 如激光受控?zé)岷司圩? 是唯一的選擇。其缺點(diǎn)是這類水溶性晶體易潮解, 需特殊保護(hù)。8 ( 2)二次電光效應(yīng)：ABO3 型晶體: 該類晶體中有許多是具有氧八面體結(jié)構(gòu)的鐵電材料, 具有較大的折射率和介電常數(shù)較大的折射率和介電常數(shù)。鈣鈦礦晶體是典型的ABO3 型晶體, 這些晶體(如BaTiO3, SrTiO3, KTaO3, KN

5、bO3 等)有顯著的二次電光效應(yīng), 在鐵電相, 則有顯著的線性電光效應(yīng)。鈣鈦礦型晶體的缺點(diǎn)是組成復(fù)雜, 居里溫度低, 不易生長出大尺寸和均勻的晶體, 抗光傷性質(zhì)也較差。910眾所周知, 光波在各向異性介質(zhì)中的傳播問題可以通過折射率橢球來描述, 在主軸坐標(biāo)系中折射率橢球表現(xiàn)為最簡單形式, 即:式中x 、y 、z 為主軸方向, 即在這個(gè)方向晶體中的E 和D 是平行的, 、n , 、幾為主軸折射率。折射率橢球法11折射率橢球法具體分析方法如下：寫出常態(tài)( 主軸化) 折射率橢球方程。 寫出( 電光作用下) 畸變的橢球方程進(jìn)行坐標(biāo)變換使之在新坐標(biāo)系中主軸化確定新主軸折射率明確快慢軸12電光材料的主要應(yīng)用

6、電光材料的主要應(yīng)用電光效應(yīng)的應(yīng)用外加電場通過電光效應(yīng)改變材料 的折射率，引起折射率橢球的主軸取向和長度的改變， 這對應(yīng)于傳輸光束的特征模和特征值的改變，即產(chǎn)生透 過光束的偏振態(tài)和相位的變化，由此可產(chǎn)生一系列光功 能效應(yīng)。電光材料通常用來制成光開關(guān)元件或光調(diào)制元件，由外加電場加以控制。13 電控光開關(guān):原理：將電光晶體置于互成正交的一對偏 振器之間，并使晶體的電感生特征模方向與偏振器方位 成45度角，則一定幅度(相當(dāng)于半波電壓磯)的外加電 壓就能使晶體中兩個(gè)偏振模程差改變半個(gè)波長，從而實(shí) 現(xiàn)對透過光的開關(guān)控制。這種電光效應(yīng)的響應(yīng)可達(dá) 10一。秒，可制作超快速電光快門。 應(yīng)用： 光分組交換（OPS

7、） 光快速切換（OBS） 光交叉連接 光交換接入網(wǎng)絡(luò) 光學(xué)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器底板） 開關(guān)延遲線（相控陣列天線，光學(xué)緩沖） 特性：該光開關(guān)具有高效的電-光性能和高折射率，因其獨(dú)特的 PLZT 晶體材料（鋯鈦酸鉛鑭陶瓷( PLZT) 是屬PZT鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷）和完全沒有任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)的部件，該產(chǎn)品有著非常高的可靠性及環(huán)境適應(yīng)性。14 光強(qiáng)度的電調(diào)制:在類似上述電光開關(guān)的裝置 中，透過光強(qiáng)與外加電壓的關(guān)系可用貝賽爾函數(shù)展開， 這是一種平方律光強(qiáng)度調(diào)制器。如果在外加調(diào)制電壓同 時(shí)加上半波電壓一半的直流偏壓，或用一個(gè)四分之一波 片插入光路以提供預(yù)置四分之一程差，那么在調(diào)制電壓 低于0.38

8、3磯(風(fēng)為約化半波電壓)時(shí)，可獲得近似線 性的光強(qiáng)調(diào)制，由此可制成光強(qiáng)度的線性調(diào)制器。 電光電光材料的主要應(yīng)用材料的主要應(yīng)用15 光偏振器:普克耳斯效應(yīng) 普克爾盒采用重氫磷酸鉀（KD*P）晶體，并在縱向方向施加電場。采用縱向方案可以使驅(qū)動(dòng)電壓與孔徑尺寸無關(guān)，這樣可以使用比橫向普克爾盒更大的孔徑。光的偏振方向是以電壓為變量對輸出光的偏振方向進(jìn)行快速、精確地調(diào)節(jié)。施加穩(wěn)定電壓后，普克爾盒可以看做一片電壓控制的波片。通過施加變化電壓，用戶可以使用普克爾盒來改變通過晶體后的位相延遲。由于其響應(yīng)比標(biāo)準(zhǔn)聲光也液晶器件更快，普克爾盒極其適合用于Q調(diào)制激光器。電光材料的主要應(yīng)用電光材料的主要應(yīng)用16光頻率調(diào)制

9、:又稱光波長調(diào)制外加頻率的電場在光強(qiáng)調(diào)制器中 必然產(chǎn)生不同于原頻率光波的混頻，從而產(chǎn)生光 波。一般調(diào)制電場頻率與光波線寬相比小得多，因而無 實(shí)用價(jià)值；但對微波電場，則可造成明顯的頻率調(diào)制。 這種調(diào)制可用外差法或鎖相技術(shù)靈敏檢出。電光材料的主要應(yīng)用電光材料的主要應(yīng)用17 光相位調(diào)制18磁光材料1、磁光材料的定義2、磁光材料的原理簡介3、磁光材料的種類4、磁光材料的主要應(yīng)用及現(xiàn)狀19什么是磁光材料？磁光材料是指在紫外到紅外波段，具有磁光效應(yīng)的光信息功能材料。 1.磁光效應(yīng)磁光效應(yīng)光與磁場中的物質(zhì)或光與具有自發(fā)磁化特性的物質(zhì)發(fā)生相互作用后所引起的光學(xué)特性變化的現(xiàn)象。（1）法拉第效應(yīng)）法拉第效應(yīng)平面的

10、偏振光通過帶磁性的物體時(shí)，其偏振光面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即呈現(xiàn)旋光性，這種現(xiàn)象稱為磁光法拉第效應(yīng)，又稱磁致旋光效應(yīng)。產(chǎn)生原因是由于物質(zhì)內(nèi)部原子或分子中的電子，在強(qiáng)磁場作用下引起旋進(jìn)式運(yùn)動(dòng)所致20（2）.克爾效應(yīng)克爾效應(yīng)照射到強(qiáng)磁性的介質(zhì)表面的直線偏振光在反射時(shí)，其偏振面也會隨磁場的變化而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即旋光性，這一現(xiàn)象稱為克爾效應(yīng)。比較法拉第效應(yīng)和克爾效應(yīng)，法拉第效應(yīng)是透射光呈旋進(jìn)性，克爾效應(yīng)是反射光呈旋進(jìn)性。21（3）科科頓頓-蒙頓效應(yīng)蒙頓效應(yīng)在強(qiáng)磁場作用下，一些各向同性的透明磁介質(zhì)會呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，即在與入射光垂直的方向上加上外磁場，則該磁場介質(zhì)中的一束入射光會變成兩束出射光-正常光（o光）和異常光（

11、e光），這種現(xiàn)象稱為科頓-蒙頓效應(yīng)。 科頓-蒙頓效應(yīng)是由于分子在外磁場作用下產(chǎn)生定向排列所致。僅在少數(shù)液體中表現(xiàn)較明顯，而在一般固體中則不明顯。22磁光材料按其狀態(tài)主要有晶體材料，玻璃材料和液體材料三種。（1）.磁光晶體磁光晶體1.稀土石榴石 代表是釔鐵石榴石2.釓鎵石榴石 同時(shí)具有激光，超低溫磁制冷性質(zhì) 3.磁光單晶膜 用做小型緊固的互易元件，光隔離器，磁光存儲器和磁光顯示器。4.其他磁光晶體 硫?qū)倩衔顲dCr2S4,CoCrS4 （2）.磁光玻璃磁光玻璃常用的優(yōu)質(zhì)磁致旋光玻璃，主要是一些重要的原子鉛的氧化物玻璃，砷的三硫化物玻璃等。（3）.磁光液體磁光液體主要是一些呈現(xiàn)科頓-蒙頓效應(yīng)的液

12、體，如水，丙酮，氯仿，苯等。磁磁光材料的種類光材料的種類23磁光材料的應(yīng)用磁光材料的應(yīng)用光隔離器光隔離器當(dāng)激光束通過起偏鏡成為線偏振光，經(jīng)過磁光晶體后偏振面旋轉(zhuǎn)一角度（45）則可通過與其偏振反向相同的檢偏鏡，若此光被反射回來，則再次旋轉(zhuǎn)45兩次旋轉(zhuǎn)90不可能再通過起偏器 ，從而達(dá)到反射光與激光器隔離的目的。24磁光存儲器磁光存儲器原理：磁光存貯是通過激光加熱和施加反向磁場在稀土非晶合金薄膜上，產(chǎn)生磁化強(qiáng)度垂直于膜面的磁疇，利用該磁疇進(jìn)行信息的寫入，利用克爾磁光效應(yīng)讀出。25相對于其他存儲的優(yōu)點(diǎn)：1、聚集效應(yīng)：異常強(qiáng)的抵抗塵埃和劃傷能力2、磁頭和介質(zhì)不接觸：不存在讀寫頭的碰撞與磨損3、光盤可以取

13、出，可以在驅(qū)動(dòng)之間相互交換使用4、高矯頑性，面密度容量大5、垂直磁記錄，高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性日本等發(fā)達(dá)國家已于1988年將磁光盤系統(tǒng)推向市場，據(jù)報(bào)道，2000年僅日本的磁光盤系統(tǒng)市場將達(dá)1萬億日元26磁光電流測試儀磁光電流測試儀磁光電流測試的工作原理如圖3所示磁光介質(zhì)放在高壓導(dǎo)線附近，由光源發(fā)出的平面偏振光穿過磁光介質(zhì)上并被后面的鏡子反射回來的平面偏振光由檢測器測得其偏振光的旋轉(zhuǎn)角，根據(jù)此光法拉第效應(yīng)，偏振光的旋轉(zhuǎn)角直接通外加磁場有關(guān)，而這一磁場是由高壓線中的電流所產(chǎn)生的，并同這一電流成正比。因此，由檢測的偏振光的磁光旋轉(zhuǎn)，就可以無接觸地測得高壓線的電流27磁光測量系統(tǒng)磁光測量系統(tǒng) 主要特點(diǎn)： 1、非常高的靈敏度和穩(wěn)定性，非常低的噪音，可以探測到低至 10-12 emu 的磁矩。 2、高度聚焦的激光，激光束斑達(dá)到 2 m，可以輕松進(jìn)行樣品的局部或單個(gè)結(jié)構(gòu)的性能檢測。 3、先進(jìn)的樣品定位技術(shù)。光路中集成光學(xué)顯微鏡以觀測激光束斑的聚焦點(diǎn)和大?。粧呙杩藸栵@微鏡可以樣品的交流磁化率圖像以及反射率圖像，幫助用戶選擇樣品的精細(xì)測量區(qū)域。 4、任意的磁場波形控制?？梢赃x配多種電磁體：四極磁體、偶極磁體