2022-2023学年高二物理竞赛课件：电光效应

电光效应 1 2 目前，对电介质光学性质及其应用的研究是电介质各种性质及其应用的研究中最为活跃的领域之一。电介质的光学性质主要包括三个最基本的光学效应—电光效应、弹光效应和非线性光学效应。本章将分别介绍它们的基本概念以及数学描述。 3 此外，还将讨论透明铁电陶瓷的电光效应，包括电控双折射效应和电控光散射效应，以及场致相变电控光散射效应和光铁电效应。 这些效应广泛地应用于激光的调制、偏转、锁模、光倍频、光参量放大和震荡以及光学存储、显示等等方面。 4 电光效应 electro-optical 外加电场引起电介质折射率改变的现象称为电光效应。外加电场可以使单折射物质（光学各向同性）变为双折射物质（光学各向异性），也可使本来就具有双折射的物质进一步改变其各向异性性质，这类现象都属于电光效应。 5 从光的电磁理论可知，介质折射率完全决定于它的光频介电常数。在通常情况下，电场较小，介电方程用下述线性关系描述: 6 此时介电常数mn=Dm/En是一个与电场无关的常数，因而折射率: 也与电场无关。 但是当电场强度较大时，D和E之间呈现出非线性关系。 7 在介电主轴系中，某一主轴方向上，D和E之间的非线性关系可以展成下列幂级数形式: （9-1） 8 所以，在电场较大时，介电常数以及折射率都是电场的函数。折射率对电场的函数关系常写成以下幂级数形式: （9-2） 式中第一项n0与电场无关，为弱电场下的折射率； 9 Pockels效应和Kerr效应 第二项表示折射率与电场的一次方成正比，称为一次电光效应，或玻克尔斯（Pockels）效应； 第三项表示折射率与电场二次方成正比，称为二次电光效应，或克尔（Kerr）效应。 10 具有对称中心的晶体，式（9-2）中的奇次项为零，只存在偶次项；不具有对称中心的晶体，式（9-2）中的所有各项均不为零。这就是说，一次电光效应只存在于不具有对称中心的20类点群中（432点群不具有对称中心，但因对称性较高，仍无一次电光效应），故压电晶体一定具有一次电光效应，而二次电光效应则存在于一切透明介质中。 11 一次电光效应比二次电光效应显著的多，对于压电晶体总是用其一次电光效应，利用二次电光效应的材料主要是立方晶系材料和某些液体（如硝基苯）。它们不具有一次电光效应，但二次电光效应较大。 12 有些铁电晶体如KTaO3、BaTiO3、KTN等，在居里点以上属于立方晶系m3m点群，具有较大的二次电光效应，也是常用的二次电光效应材料。但在居里点温度以下，它们的对称性降低，变为铁电晶体，克尔效应不显著。 $