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外電場(chǎng)作用于晶體材料所產(chǎn)生的電光效應(yīng)分為兩種,一種是泡克耳斯效應(yīng),產(chǎn)生這種效應(yīng)的晶體通常是不具有對(duì)稱(chēng)中心的各向異性晶體;另一種是克爾效應(yīng),產(chǎn)生這種效應(yīng)的晶體通常是具有任意對(duì)稱(chēng)性質(zhì)的晶體或各向同性介質(zhì)。已實(shí)用的電光晶體主要是一些高電光品質(zhì)因子的晶體和晶體薄膜。在可見(jiàn)波段,常用電光晶體有磷酸二氫鉀、磷酸二氫銨、鈮酸鋰、鉭酸鋰等晶體。前兩種晶體有高的光學(xué)質(zhì)量和光損傷閾值,但其半波電壓較高,而且要采用防潮解措施。后兩種晶體有低的半波電壓,物理化學(xué)性能穩(wěn)定,但其光損傷閾值較低。在紅外波段,實(shí)用的電光晶體主要是砷化鎵和碲化鎘等半導(dǎo)體晶體。電光晶體主要用于制作光調(diào)制器、掃描器、光開(kāi)關(guān)等器件。在大屏幕激光顯示漢字信息處理以及光通信方面也有應(yīng)用前景。

各種外場(chǎng),如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)等,都會(huì)對(duì)晶體的光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響,從而發(fā)生一些可為人們利用的交互效應(yīng),如電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、壓電效應(yīng)、彈光(或稱(chēng)壓光)效應(yīng)、熱光效應(yīng)或光折變效應(yīng)等。

非線性介質(zhì)電光效應(yīng)產(chǎn)生的原因是光在介質(zhì)中傳播時(shí),光頻電場(chǎng)和外加電場(chǎng)共同引起介質(zhì)的非線性極化。與非線性光學(xué)效應(yīng)一樣,電光效應(yīng)也是一種以二階張量描述的非線性效應(yīng)。因此,電光效應(yīng)也可看成是非線性效應(yīng)的一種特殊情況。

電光效應(yīng)就是晶體折射率隨外加電場(chǎng)而發(fā)生變化的現(xiàn)象。其中折射率與外電場(chǎng)成正比的改變稱(chēng)為線性電光效應(yīng)或普克爾(Pockels)效應(yīng);與外電場(chǎng)的二次方成正比的改變稱(chēng)為二次電光效應(yīng)或克爾(Kerr)效應(yīng)。盡管在電場(chǎng)作用下,電光效應(yīng)晶體的折射率一般變化不大,但已經(jīng)足以引起光在晶體中傳播的特性發(fā)生改變,從而可以通過(guò)外場(chǎng)的變化達(dá)到光電信號(hào)互相轉(zhuǎn)換或光電相互控制、相互調(diào)制的目的。

常用的是線性電光晶體,從結(jié)晶化學(xué)角度來(lái)看,可分為以下幾類(lèi)。

1、KDP型晶體:包括KDP,DKDP,ADP,KDA等。這類(lèi)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(zhǎng)出尺寸巨大的高光學(xué)質(zhì)量晶體,因此,這類(lèi)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(chǎng)合,如激光受控?zé)岷司圩?是唯一的選擇。其缺點(diǎn)是這類(lèi)水溶性晶體易潮解,需特殊保護(hù)。

2、ABO3型晶體:該類(lèi)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)。鈣鈦礦晶體是典型的ABO3型晶體,這些晶體(如BaTiO3,SrTiO3,KTaO3,KNbO3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(zhǎng)出大尺寸和均勻的晶體,抗光傷性質(zhì)也較差。

3、AB型化合物晶體:大都是半導(dǎo)體,一般有較大折射率,即使其電光系數(shù)較小,但n/Cij的數(shù)值仍較大。這類(lèi)晶體透過(guò)波段也較寬,在紅外波段應(yīng)用中起著重要作用。這類(lèi)晶體中包括ZnS,CuC,lCdS,GaAs,GAP等。

4、其他雜類(lèi)晶體:這類(lèi)晶體范圍較廣,其成分、性質(zhì)、對(duì)稱(chēng)性及生長(zhǎng)方法等都有很大差別。例如六次甲基四胺,Td-43m對(duì)稱(chēng)性,可在酒精溶液中生長(zhǎng);焦鈮酸鈣,對(duì)稱(chēng)型C2-2,高溫下生長(zhǎng);草酸銨有較大電光系數(shù);鉬酸釓用作電光快門(mén)有良好性能;La2Ti2O7不但和LiTaO3具有相同數(shù)量級(jí)的電光效應(yīng),且穩(wěn)定性好,抗光性強(qiáng)。但是由于它們也各有缺點(diǎn),都沒(méi)有被廣泛應(yīng)用。

二階電光效應(yīng)的電光系數(shù)較大,盡管實(shí)現(xiàn)調(diào) 制所需的電壓較高,通常為幾千伏,在一些特殊領(lǐng)域,如光參量振蕩器和激光器中,仍發(fā)揮著重要的作用。對(duì) 于電光體調(diào)制器來(lái)講,關(guān)鍵在于生長(zhǎng)出較好和較大的晶體,涉及光學(xué)質(zhì)量的兩個(gè)主要問(wèn)題是折射率的變化和 強(qiáng)激光束對(duì)晶體的損傷。折射率的變化是由殘余應(yīng)力、所含雜質(zhì)、化學(xué)計(jì)量的變化、生長(zhǎng)的缺陷等這些因素 中的一個(gè)或幾個(gè)引起的。

電光晶體在現(xiàn)代光學(xué)和激光技術(shù)中的應(yīng)用對(duì)于電光晶體材料的性能提出了很高的要求,這些要求包括:

1、晶體的電光系數(shù)大,因此用于電光開(kāi)關(guān)時(shí)其半波電壓低;
2、折射率大,光學(xué)均勻性好;
3、透明波段范圍寬,透光率高;
4、介質(zhì)損耗小,導(dǎo)熱性好,耐電壓強(qiáng)度高,溫度效應(yīng)小;
5、抗光損傷能力強(qiáng);
6、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,易加工;
7、容易獲得高光學(xué)質(zhì)量的大尺寸單晶。

除此以外,在制作器件時(shí)可能還有由于對(duì)稱(chēng)性引起的溫度補(bǔ)償或雙折射補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題。當(dāng)然,全部滿(mǎn)足上述要求的晶體幾乎不存在,人們?cè)诰唧w應(yīng)用中,可根據(jù)實(shí)際情況挑選綜合性能最佳的晶體。