克尔电光效应 旋光现象
第4章_晶体光学C
4.9 电光效应4.9.1 泡克尔(Pockels)效应和克尔(Kerr)效应1. 电光效应二次电光效应( Kerr 效应):因外加电场使介质的光学性质（折射率）发生变化的效应。
2bE n =Δ线性电光效应( Pockels 效应)：aE n =Δ其中：a 为线性电光系数其中：b 为二次电光系数...)(20++=−=ΔbE aE n E n n 若晶体具有对称中心，则无一次电光效应4.9.2电光张量4.9.2 电光张量可以通过晶体的折射率椭球的大小、形状和取向的变化，来描述外电场对晶体光学特性的影响：1323222121=++εεεx x x 逆介电张量：ijij εβ1=(主轴坐标系下，无外电场)1=j i ij x x β外电场作用下：1230322022101=++x x x βββ4.9.2 电光张量可以表示折射率椭球的大小、形状和取向的变化，将其外电场E 为函数展开：ij βΔ...0++=−′=Δq p ijpq k ijk ij ij ij E E h E γβββ--Pockels 表述方法其中：是三阶张量，线性电光系数；是四阶张量，二阶电光系数；ijk γijpq h 线性电光效应：kijk ij E γβ=Δij ij εβ1=是二阶对称张量：1222133132232112233322222111=+++++x x x x x x x x x ββββββ外电场作用下4.9.2 电光张量ij β是二阶对称张量：与未加外电场的情况下比较可得：⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫=Δ=Δ=Δ−=Δ−=Δ−=Δ121231322323033333022222011111βββββββββββββββ654321123223332211ββββββββββββ二重下标简化为单个下标ji ij ββ=jikijk γγ=ijk γ的独立分量从27个减少到18个jij i E γβ=Δ4.9.2 电光张量⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡ΔΔΔΔΔΔ321632661532551432441332331232221131211654321 E E E γγγγγγγγγγγγγγγγγγββββββ是6 x 3的矩阵，有18个独立分量，当晶体具有不同的对称性时，独立分量数目还要减少。
个人小论文——磁光晶体的介绍
第一章磁光晶体的介绍1.1 磁光晶体材料的发现历史上对光和磁的关系的探索也是一个很重要的问题, 虽则这个问题没有电磁现象那样突出, 但是就其所达到的理论高度和为之所付出的努力而言, 前者是不逊于后者的。
人类对光磁的关系的认识, 是从晶体的自然旋光性现象开始的。
阿喇戈发现的偏振光通过石英晶体时的旋转现象(1811年)和法拉第发现的电磁旋转现象(1821年)是一组类似的现象。
后来经过一系列的实验与实践，磁光材料被开始应用于器件的制作，磁光晶体也在其中逐渐发现并加以应用。
1.2 磁光晶体的定义晶体在外磁场的作用下，线偏振光通过该晶体时光的偏振面发生旋转的现象称为法拉第效应。
此种晶体称为磁旋光晶体，简称磁光晶体。
1.3 磁光晶体的性质磁光晶体具有较大纯法拉第效应并有实用价值的磁光材料都具有磁光效应，而且多种磁光效应会同时存在。
有些晶体效应太复杂，而另一些效应则太小，没有实用价值。
特性在常温下有大而纯的法拉第效应，对使用波长的低吸收系数、大的磁化强度和高的磁导率是磁光晶体的主要性能要求。
这些要求与晶体的组成、结构和磁性能密切相关。
磁光晶体主要应用在光纤通信与集成光学器件、计算机存储、逻辑运算和传输功能、磁光显示、磁光记录、微波新型器件及激光陀螺等领域。
各种器件需要的磁光晶体材料都不同，随着磁光晶体材料的不断发现，可用以器件的范围也在不断扩大。
第二章基本性质的原理2.1 磁光效应磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。
包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等。
这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。
本论文着重介绍法拉第效应和克尔磁光效应。
2.1.1 法拉第效应1845年法拉第（Michal Faraday）发现玻璃在强磁场的作用下具有旋光性，加在玻璃棒上的磁场引起了平行于磁场方向传播的线偏振光偏振面的旋转。
此现象被称为法拉第效应。
法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系。
光纤传感器基本原理3
= ne。
对于KDP类晶体，晶体折射率的变化∆n与电场E的关 系由下式给定
3 ∆n = n0 γ 63 • E
两正交的平面偏振光穿过厚度为l的晶体后，光程差为
3 3 ∆L = ∆n • l = n0 γ 63 • E • l = n0 γ 63U
当折射率变化所引起的相位变化为Π时，则称此电压为 半波电压Uλ/2，并有
3 U λ 2 = λ0 / 2n0 γ 63
1-BGO调制器晶体；2-1/4 波长片；3-检偏器； 4-电压传感器测头；5-多模光导纤维；6-光检测器； 7-运算器；8-输出信号；9-光源；10-光耦合器； 11-起偏器
ϕ π
输出的光程为
I = I 0 sin 2 ( + ) 2 4
式中,φ是晶体中两正交平面偏振光的相位差：
π U 2 I = I 0 sin 2 [ ( ) ] 2 U
λ 2
3.法拉第效应 法拉第效应 法拉第效应(磁致旋光效应):物质在磁场的作用下可以使 穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转的现象。 光矢量旋转的角度： = V ∫ 0l Hdl ϕ
式中，V是物质的费尔德常数， l l是物质中的光程，H是磁场强度。 H
∆ = (no − ne )l = kpl 2π ϕ= ∆ = 2πkpl / λ0 λ0
七对光纤和光电器件的要求
光纤、激光器、探测器是构成光纤传感器的主要部件，其特 性的好坏对光纤传感器的灵敏度影响极大。光纤传感器的灵敏度 主要决定于系统中的内部噪声电平，因此在光纤传感器里分离出 噪声源，并设法降低它，对提高灵敏度是有实际好处的。 光纤多普勒系统光纤系统的主要噪声源是背向瑞利散射噪 声和偏振噪声。瑞利散射从根本上讲是不能消除的。瑞利散射 的大小与传输的模、纤芯尺寸无关，而与波长的四次方成反比， 因此，选用长工作波长是有利的。偏振噪声的出现，是由于不 同模式的波传播常数不同，导致模间的脉冲形成。保持单模光 纤偏振状态的稳定十分重要，这样做的结果，可使灵敏度提高 几个数量级。 光纤传感器对光源-激光器的一般要求是:有一定的功率输出、 输出的偏振相干性要好、寿命长。在目前研制的各类传感器中， 用He-Ne气体激光器做光源的比较多。但从发展看，体积小、性 能可靠的半导体激光器应具有宽广的应用前景。
成都理工大学光学教程课程设计
光学教程课程设计(论文)设计（论文）题目蔗糖溶液的旋光效应学院名称核技术与自动化工程学院专业名称学生姓名学生学号任课教师赵晓云设计（论文）成绩教务处制2015年7 月 4 日填写说明专业名称填写为专业全称，有专业方向的用小括号标明；格式要求：格式要求：用A4纸双面打印（封面双面打印）或在A4大小纸上用蓝黑色水笔书写。
打印排版：正文用宋体小四号，倍行距，页边距采取默认形式（上下，左右，页眉，页脚）。
字符间距为默认值（缩放100%，间距：标准）；页码用小五号字底端居中。
具体要求：题目（二号黑体居中）；摘要(“摘要”二字用小二号黑体居中，隔行书写摘要的文字部分，小4号宋体)；关键词（隔行顶格书写“关键词”三字，提炼3-5个关键词，用分号隔开，小4号黑体)；正文部分采用三级标题；第1章××(小二号黑体居中，段前行)×××××小三号黑体×××××（段前、段后行）小四号黑体（段前、段后行）参考文献（黑体小二号居中，段前行），参考文献用五号宋体，参照《参考文献著录规则（GB/T 7714－2005）》。
摘要：旋光性菲涅尔假设: 菲涅尔根据振动中的一个原理，即任何一个直线简谐运动可以看作是两个相反方向旋转的同频率的圆周运动的组合，认为：沿晶体光轴方向传播的直线偏振光也可以看作是由两个同频率、旋向相反的原偏振光组成。
在旋光晶体中，这两种偏振光有不同的传播速度。
这样一个假设，虽然不能说明现象的本质，但能令人信服的说明实验结果。
关键词：旋光，偏振，糖浓度1旋光问题的研究背景1811年,阿喇果（Jago)在研究石英晶体的双折射特性时发现:一束线偏振光沿石英晶体的光轴方向传播时,其振动平面会相对原方向转过一个角度。
由于石英晶体是单轴晶体,光沿着光轴方向传播不会发生双折射,因而阿喇果发现的现象应该属于另外一种新现象,这就是晶体中的旋光现象。
旋光效应
旋光效应一、实验原理偏振光通过某种物质后，其振动面将以光的传播方向为轴线转过一定的角度，这种现象叫做旋光现象。
旋转的角度称为旋光度。
凡能使线偏振光通过后将其振动面旋转一定角度的物质，称作旋光性物质。
旋光性物质不仅限于像石英、朱砂等固体，还包括糖溶液、松节油等具有旋光性质的液体。
不同的旋光性物质可使偏振光的振动面向不同方向旋转。
若面对光源，使振动面逆时针旋转的物质称为左旋物质；使振动面顺时针旋转的物质称为右旋物质。
旋光度：平面偏振光通过含有某些光学活性的化合物液体或溶液时，能引起旋光现象，使偏振光的平面向左或向右旋转，旋转的度数，称为旋光度（用α表示）。
比旋度：平面偏振光透过长1dm 并每1ml 中含有旋光性物质1g 的溶液，在一定波长与温度下测得的旋光度称为比旋度（用αD t表示）。
旋光度不仅与化学结构有关，还和测定时溶液的浓度、液层的厚度、温度、光的波长以及溶剂有关。
αDt L C100α=×D 为钠光谱的D 线 t 为测定时的温度 α为测得的旋光度 L 为测定管的长度（dm ）C 为每100ml 溶液中含被测物质的重量（g，按干燥品或无水物计算） 二、实验仪器WXG-4型圆盘旋光仪样品管：钠光灯源焦距调节旋钮样品管放置处调节旋光度数值旋钮调节旋光度数值旋钮 三分视场观察窗口示数刻度窗旋光仪的基本部件：单色光源、起偏镜、测定管、检偏镜、检测器等五个部分。
原理：在起偏镜与检偏镜之间未放入旋光物质之间，如起偏镜与检偏镜允许通过的偏振光方向相同，则在检偏镜后面观察的视野是明亮的；如在起偏镜与检偏镜之间放入旋光物质，则由于物质 旋光作用，使原来由起偏镜出来的偏振光方向旋转了一个角度α，结果在检偏镜后面观察时，视野就变得暗一些。
若把检偏镜旋转某个角度，使恢复原来的亮度，这时检偏镜旋转的解度及方向即是被测供试品的旋光度。
构造原理：晶轴晶轴目镜αα光源 起偏镜 偏振光 盛液管旋转后的 检偏镜 通过检偏镜 偏振光 的偏振光三分视场：旋光仪的起偏片后中部位置会安装有一个劳伦特石英片，穿过它的光大概占视野的三分之一，因为石英片在中部所以这束光出现在视野的中间位置。
液晶电光效应实验分析报告
液晶电光效应实验报告————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：液晶电光效应实验报告——应物02陈忠旺10093026一：基本要求1、了解液晶的特性和基本工作原理；2、掌握一些特性的常用测试方法；3、了解液晶的应用和局限。
二：实验原理：液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。
一般的液体内部分子排列是无序的，而液晶既具有液体的流动性，其分子又按一定规律有序排列，使它呈现晶体的各向异性。
当光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应。
液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。
棍的长度在十几埃，直径为4～6埃，液晶层厚度一般为5-8微米。
列方式和天然胆甾(音同淄)相液晶的主要区别是：扭曲向列的扭曲角是人为可控的，且“螺距”与两个基片的间距和扭曲角有关。
而天然胆甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人为控制。
扭曲向列排列的液晶对入射光会有一个重要的作用，他会使入射的线偏振光的偏振方向顺着分子的扭曲方向旋转，类似于物质的旋光效应。
在一般条件下旋转的角度(扭曲角)等于两基片之间的取向夹角。
由于液晶分子的结构特性,其极化率和电导率等都具有各向异性的特点，当大量液晶分子有规律的排列时,其总体的电学和光学特性,如介电常数、折射率也将呈现出各向异性的特点。
如果我们对液晶物质施加电场，就可能改变分子排列的规律。
从而使液晶材料的光学特性发生改变，1963年有人发现了这种现象。
这就是液晶的的电光效应。
为了对液晶施加电场，我们在两个玻璃基片的内侧镀了一层透明电极。
我们将这个由基片电极、取向膜、液晶和密封结构组成的结构叫做液晶盒。
当我们在液晶盒的两个电极之间加上一个适当的电压时我们来看一下液晶分子会发生什么变化。
根据液晶分子的结构特点。
我们假定液晶分子没有固定的电极。
但可被外电场极化形成一种感生电极矩。
这个感生电极矩也会有一个自己的方向，当这个方向以外电场的方向不同时，外电场就会使液晶分子发生转动，直到各种互相作用力达到平衡。
光在晶体中传播
IIo2Ie22Io2Ie2cos
Io2A o 2 2A 1 2sin2 sin2 Ie2A e 2 2A 1 2co s2 co s2
I A12(cos2 cos2 sin2 sin2 2cos cos sin sin cos )
2. 相位关系
e 1.516
e
So
68 0
710
o760
加拿大树胶 (紫外不透明)
方 解 石 （ 钠 黄 光 ） ： n 0 1 . 6 5 8 ； n e 1 . 4 8 6
加 拿 大 树 胶 ： n 1 .5 5
i > 临界角〔69〕，o 光全反射了，e 光可通过
限制：入射光的会聚角度有限，So Se的夹角小于28o
光轴方 向相切
负晶体：ne< no(ve> vo)
光轴
点vo波•源t vet
如：石英、冰
如：方解石、红宝石
三. 单轴晶体中光传播的惠更斯作图法
以负晶体〔ve > vo〕为例：〔速度面,次波面,能量面〕
1. 光轴平行晶体外表，平行入射面，自然光垂直界面入射
·· ··
光轴
e ··o e ··o
主截面、入射面、主平面 重合；且入射光线垂直界 面和光轴
波晶片产生的相 位延迟
输出面B
o相位
o入
2 o n0d
oB o入 o
e相位
e入
2 e ned
eB e入 e
o-e
入 o入 e入 o e 入
负晶体〔方解石〕 Ve Vo ; no ne 正晶体〔石英〕 Vo Ve; ne no
判断光通过波片后它的偏振态可归纳为以下几个步 骤： 1、将入射光的电矢量E按照波晶片的e轴和o轴分解 成Ee和Eo，其振幅Ae和Ao；并根据入射光的偏振 态确定在波晶片输入面上o光对e光的相位差
旋磁效应
当左、右旋圆偏振光在置于磁场中的媒质内传播而有不同的吸收系数时，入射的线偏振光传播一段距离后会变为椭圆偏振光，这个效应叫法拉第椭圆度效应或磁圆二向色性效应,简记为MCD。
法拉第椭圆度和法拉第旋转均由媒质的介电张量非对角组元的实部和虚部决定。
科顿－穆顿效应又称磁双折射效应，简记为MLB。
基于磁介质听传输短的边界矩阵处理方法，建立了多层旋磁介质材料耦合法拉第角计算模型，分析了BiDyIG多层石榴石旋磁薄法拉第角频谱、结果表明分层「Bi：DyIG/Al」材料在300－580nm波长范围具有中的法拉第效应，这有有利于短波高密度磁光记录和微波法拉第器件性能改善。
光与磁场中的物质，或光与具有自发磁化强度的物质之间相互作用所产生的各种现象，主要包括法拉第效应、科顿-穆顿效应、克尔磁光效应、塞曼效应和光磁效应。
法拉第效应线偏振光透过放置磁场中的物质，沿着磁场方向传播时，光的偏振面发生旋转的现象。
也称法拉第旋转或磁圆双折射效应,简记为MCB。
一般材料中，法拉第旋转（用旋转角θF表示）和样品长度l、磁感应强度B有以下关系θF=VlB,V是与物质性质、光的频率有关的常数,称为费尔德常数。
因为磁场下电子的运动总附加有右旋的拉莫尔进动，当光的传播方向相反时，偏振面旋转角方向不倒转，所以法拉第效应是非互易效应。
这种非互易的本质在微波和光的通信中是很重要的。
许多微波、光的隔离器、环行器、开关就是用旋转角大的磁性材料制作的。
图1是隔离器的原理。
利用法拉第效应，还可实现光的显示、调制等许多重要应用。
当左、右旋圆偏振光在置于磁场中的媒质内传播而有不同的吸收系数时，入射的线偏振光传播一段距离后会变为椭圆偏振光，这个效应叫法拉第椭圆度效应或磁圆二向色性效应,简记为MCD。
法拉第椭圆度和法拉第旋转均由媒质的介电张量非对角组元的实部和虚部决定。
科顿－穆顿效应又称磁双折射效应，简记为MLB。
是1907年A.科顿和H.穆顿发现的。
W.佛克脱对它进行了较仔细的研究，故也称佛克脱效应。
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二、旋光现象
线偏光通过某些透明介质后， 线偏光通过某些透明介质后，它的电振动方向将 绕着光的传播方向旋转过某一角度θ 称为旋光现象。 绕着光的传播方向旋转过某一角度θ，称为旋光现象。 这种介质称为旋光物质。如石英、 酒石酸钾钠等。 这种介质称为旋光物质。如石英、糖、酒石酸钾钠等。
F
M
C
N
是旋光物质， C 是旋光物质，例如是晶面与光轴垂直的石英片
θ = VlB
θ
B
右旋
θ
B
θ
左旋
反射面
θ
B
θθ
B
B
当线偏光沿磁场方向通过磁光物质时， 当线偏光沿磁场方向通过磁光物质时，在迎光 矢量图上电振动方向右旋，当反射光逆磁场通过时， 矢量图上电振动方向右旋，当反射光逆磁场通过时， 电振动方向左旋。所以， 电振动方向左旋。所以，如果线偏光往返两次通过 磁光物质，振动面旋转过2 磁光物质，振动面旋转过2θ，利用这一特性在激光 技术中，制成光隔离器。 技术中，制成光隔离器。使得反射光的振动方向改 避免了对前级的影响。 变，避免了对前级的影响。
M
c+
I0 2
N
•• I
0
光轴沿电场强度的方向
c'
当外电场撤消时，这种性质立即消失，因此，也称 当外电场撤消时，这种性质立即消失，因此， 为电致双折射现象。 为电致双折射现象。的液体时，光程差为： 两光通过厚度为 l 的液体时，光程差为：
l (ne − no ) = klE λ
2
若入射光的线偏振方向与外电场方向成45 若入射光的线偏振方向与外电场方向成 0角，且M与N 与 偏振方向相互垂直，调节电压使其发生相长干涉，则有： 偏振方向相互垂直，调节电压使其发生相长干涉，则有：
• 光弹现象
E M
F
o
现已成为光测弹性学基础。 现已成为光测弹性学基础。
N
•I •
0
I0 2
o' F
透明的各向同性介质在机械应力作用下， 透明的各向同性介质在机械应力作用下，显示出光 学上的各向异性， 为光轴的双折射类似， 学上的各向异性，与OO’为光轴的双折射类似，这种 为光轴的双折射类似 现象叫做光弹效应。 现象叫做光弹效应。
2 k '+ 1 l ( ne − no ) = klE λ = λ 2
2
k ' = 0, ± 1, ±2, ⋯
若去掉盒内电场，则没有光从 透出 透出。 若去掉盒内电场，则没有光从N透出。整个系统 光开关”的作用。 起“光开关”的作用。 通过控制外加电压， 通过控制外加电压，可调节输出的光脉冲的长短 和频率，把电讯号转变成光讯号。 和频率，把电讯号转变成光讯号。由于光电效应几乎 没有惯性，电讯号的控制速度可达10 没有惯性，电讯号的控制速度可达 -9 m/s。“光开 。 光开 ”“光断续器 关”,“光调制器”“光断续器”有极快的速度启闭光 “光调制器”“光断续器” 路或调制光强，目前广泛应用于高速摄影、电影、 路或调制光强，目前广泛应用于高速摄影、电影、电 视和激光通讯等许多领域。 视和激光通讯等许多领域。 在电场、磁场中，材料光学性质的研究， 在电场、磁场中，材料光学性质的研究，在实 际应用中有着广阔的前景。 际应用中有着广阔的前景。
F 实验表明，在一定胁强强范围内： 实验表明，在一定胁强强范围内： (ne − no ) = k S
S为材料 E受力的面积。 k 为胁强光学系数 为材料 受力的面积 受力的面积。
• 克尔效应 某些各向同性的透明介质（如非晶体和液体）， ），在外 某些各向同性的透明介质（如非晶体和液体），在外 电场的作用下，显示出双折射现象，称为克尔效应。 电场的作用下，显示出双折射现象，称为克尔效应。
F 为滤色片；M为起偏器；旋光物体放在两个正交的偏振片 为滤色片； 为起偏器 为起偏器；
M与N之间，将会看到视场由原来的零变亮，把检偏器 N 旋 与 之间 将会看到视场由原来的零变亮， 之间， 转一个角度，又可得到零视野。 转一个角度，又可得到零视野。
在迎光矢量图上， 在迎光矢量图上，电矢量振动方向逆时针方向旋转 的物质，称为左旋偏振光； 的物质，称为左旋偏振光；反之为右旋偏振光。
克尔电光效应 旋光现象
一、人为双折射
用人工的方法使某些非晶体物质呈现双折射现象。 用人工的方法使某些非晶体物质呈现双折射现象。 1.光弹效应 光弹效应 机械应力使非晶体产生双折射现象。 机械应力使非晶体产生双折射现象。 2.电光效应 克尔效应 电光效应----克尔效应 电光效应 在电场作用下非晶体显现双折射现象。 在电场作用下非晶体显现双折射现象。 3.磁光效应 法拉第效应 磁光效应----法拉第效应 磁光效应 在磁场作用下非晶体显现双折射现象。 在磁场作用下非晶体显现双折射现象。
实验证明：振动面旋转的角度θ 与材料的厚度d、 实验证明：振动面旋转的角度θ 与材料的厚度 、 浓度C 以及入射光的波长λ 有关。 浓度 以及入射光的波长λ 有关。 对于固体： 对于固体： = αd θ 定义α为旋光系数， 定义α为旋光系数，它是入射光波长的函数
M
B
N
对于液体： 对于液体： = Cαd 式中 为溶液的浓度。 θ 式中C为溶液的浓度。 为溶液的浓度 把磁性物质的样品，放在两个正交的偏振片之间， 把磁性物质的样品，放在两个正交的偏振片之间，沿 光传播方向加磁场 B，则发现线偏光通过样品后，振 ，则发现线偏光通过样品后， 实验表明： 动面旋转过一个角度 θ，实验表明： V叫做费尔德 叫做费尔德(Verdet)系数。 称为磁致旋光现象 系数。 称为磁致旋光现象。 叫做费尔德 系数