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泡克耳斯效应

某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性,物质的折射率因外加电场而发生变化的现象为电光效应。电光效应包括泡克耳斯(Pockels)效应和克尔(Kerr)效应。电光效应是指某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性的效应。折射率与所加电场强度的一次方成正比改变的为Pockels效应或线性电光效应,1893年由德国物理学家泡克耳斯发现。折射率与所加电场强度的二次方成正比改变的为Kerr效应或二次电光效应,1875年由英国物理学家克尔(John kerr,1824-1907)发现。

利用电光效应可以制作电光调制器,电光开关,电光光偏转器等,可用于光闸,激光器的Q开关和光波调制,并在高速摄影,光速测量,光通信和激光测距等激光技术中获得了重要应用.当加在晶体上的电场方向与通光方向平行,称为纵向电光调制(也称为纵向运用);当通光方向与所加电场方向相垂直,称为横向电光调制(也称为横向运用).利用电光效应可以实现对光波的振幅调制和位相调制。

泡克耳斯效应(Pockels):平面偏振光沿着处在外电场内的压电晶体的光轴传播时发生双折射现象,且两个主折射率之差与外电场强度成正比,这种电光效应即为泡克耳斯效应。

1893年由德国物理学家F.C.A.泡克耳斯发现。一些晶体在纵向电场(电场方向与光的传播方向一致)作用下会改变其各向异性性质,产生附加的双折射效应。例如把磷酸二氢钾晶体放置在两块平行的导电玻璃之间,导电玻璃板构成能产生电场的电容器,晶体的光轴与电容器极板的法线一致,入射光沿晶体光轴入射。与观察克尔效应一样,用正交偏振片系统观察。不加电场时,入射光在晶体内不发生双折射,光不能通过P2。加电场后,晶体感生双折射,就有光通过P2。泡克耳斯效应与所加电场强度的一次方成正比。大多数压电晶体都能产生泡克耳斯效应。泡克耳斯效应与克尔效应一样常用于光闸、激光器的Q开关和光波调制等。

一种电光效应。某些晶体在电场作用下会产生一个附加的双折射,这一双折射与外加电场强度成正比。1893年德国物理学家F.泡克耳斯首先研究了这种线性电光效应,由此而得名。对于晶体,常用折射率椭球描述其折射率特性。在主轴坐标系中可以写为。⑴

当有外加电场作用时,晶体的折射率发生改变,因而方程⑴各项的系数也有相应的改变,可以写为⑵

式中分别对应折射率椭球方程中x2,y2,z2,yz,xz,xy各项系数的改变量;Ej(j=1,2,3)分别表示电场各分量Ex,Ey,Ez;γj为电光张量,可用一个3×6的矩阵表示,共有18个矩阵元,其中有些可能为零,有些彼此相关。这些关系依赖于晶体的对称性,只是在无中心对称的晶体中才产生这种效应(见晶体物理性能的对称性)。若光沿光轴传播,无外加电场时,没有双折射;若同时有平行于 z轴的电场作用,则有双折射产生。由式⑵可得⑶

式中no为晶体固有的寻常光折射率,ny'与nx'分别表示加电场后在晶体的感生主轴y与x方向的折射率。为使光波在x与y两方向的偏振分量之间的位相差为π,所需加的电压值称为半波电压,记为Vλ/2或Vπ,而 ,⑷

式中λ为光在真空中的波长。 如上所述,光传播方向与电场方向平行的情况称为纵向电光效应。泡克耳斯盒就是利用纵向电光效应制成的一种快速电光开关。附图表示这种电光开关的一例。圆柱形电光晶体KD*P置于两偏振器P与A之间。圆柱的对称轴即为晶体的光轴方向。与光轴垂直的两端面是透明的。与分别表示线偏振光的偏振方向平行于纸面和垂直于纸面。通过环形电极给晶体施加半波电压Vπ。当偏振器P与A的主轴平行时,光路是关闭的,因为在半波电压作用下,两偏振分量的位相推迟为π,这相当于偏振面旋转了90°。透过P与晶体的偏振光正是 A所不允许通过的。如果突然退掉晶体上的电压,光路立即变为通路。这种电光开关的响应时间小于1纳秒。将泡克耳斯盒置于脉冲激光器的谐振腔内,可做为调Q元件。此时由于有全反射镜,激光两次通过电光晶体,可以省去一个偏振器。若光在晶体中的传播方向与电场垂直,则称为横向电光效应。在这种情况下,可通过增大纵宽比(通光方向长度/加电压方向的厚度)来降低有效半波电压。用于光波振幅调制的电光调制器常采用这种方式。利用泡克耳斯效应也可以做成电光偏转器,用以改变光束的传播方向。

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