南京大学张学进光学chapt56

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1、15-10 感应光效应感应光效应(Induced optical effects) 各向同性物质外界作用各向异性物质外界作用各向异性的性质变化各向异性物质21. 机械感应机械感应-光弹效应光弹效应(Photoelasticity) 起偏器检偏器透明物加压加压3图示：检偏器旋转时的干涉色的变化起偏器检偏器透明物加压加压光弹演示1光弹演示24各向同性或异性材料在外力作用下产生各向异性的变化例如：玻璃或塑料 拉伸或压缩 各向异性 应力分析 - 光弹力学光弹力学 工程应用 干涉色的分布 应力分布 通常情况下，拉伸 成为正单轴材料； 压缩 成为负单轴材料； 应力变化大的地方,条纹密; 应力变化小的地方,

2、条纹疏.56光纤传感器 光弹的应用72. 电感应电感应-电光效应电光效应(Electro-optical effect) 在一些材料上加上电场 各向异性电致双折射, 其强弱程度与电场强度有关a. 电光 Kerr 效应（1875年）- 二次电光效应 （非线性）b. Pockels 效应（1893年）- 一次电光效应 （线性）8a. 电光Kerr 效应（1875年） - 某些各向同性透明介质（如硝基苯溶液)在电场下成为单轴双折射材料，光轴平行于电场，平行于电场的光振动的折射率为 n ，垂直于电场的光振动的折射率为 n Kerr盒盒（内装电致双折射材料）液体中的Kerr效应装置9图示：光轴平行于入射

3、面时的o光和e光的相对位相延迟 2|EnnnKerr 实验发现: 二次电光效应 22dVKKEKerr系数 2218/1044. 1Vmk硝基苯溶液：10o光和e光的相对位相差:2222dVKLnL0V0VP1 P2P2后消光 使得 P2后光强极大 高速Kerr 开关， 响应频率 1010Hz11b. Pockels 效应（1893年） 一些晶体（电光晶体），加上外电场后，单轴晶体成为双轴晶体，双折射大小与电场强度得一次方成正比 Pockels 效应（线性电光效应） 图示：Pockels实验12En - 一次电光效应 所需电压比Kerr效应要低，同样可做成高速开关 133. 磁光效应磁光效应(

4、Magneto-optical effect)直线偏振光通过放在磁场中的透明介质（如玻璃）时发生旋光现象 (1) 磁致旋光 -磁光Faraday 效应效应法拉第法拉第 （Michael Faraday，17911867） 伟大的英国物理学家、化学家。法拉第出身贫寒，自学成才，工作勤奋，热心科普工作，是实验大师。他发现了电磁感应现象、法拉第电解定律和磁致旋光效应，提出了力线和场的概念，主张自然界的各种力相互有关，反对超距作用的观点。J.C.麦克斯韦电磁场理论是在法拉第工作的基础上建立的。 法拉第的主要著作有电学实验研究、化学和物理学实验研究、日记。 1845年8月,法拉第研究电和磁对偏振光的影响

5、,9月用过去研制的重玻璃做实验，发现原来没有旋光性的重玻璃在强磁场的作用下产生旋光性，使偏振光的偏振面发生偏转。这是人类第一次认识到电磁现象和光现象之间的关系。磁致旋光效应后来称为法拉第效应。 磁致旋光效应磁致旋光效应 Opto-magnetic effectThe Faraday effect: the polarization rotation is proportional to the Verdet constant b b = V B dwhere b is the polarization rotation angle, B is the magnetic field streng

6、th,d is the distance, and V is the Verdet constant of the material.实验还表明，磁致旋光性与天然旋光性是有差别的。天然旋光性的右旋和左旋取决于物质的结构，与光的传播方向无关；磁致旋光性的右旋和左旋与光相对于磁场的传播方向有关，若光沿磁场方向传播是左旋的，则逆着磁场方向传播变为右旋。所以，线偏振光往返两次通过天然旋光物质，振动面将恢复到原先的方位。而线偏振光往返两次通过磁致旋光物质情况就不同了，如果光沿磁场方向通过，振动面左旋了q角，那么当它沿原路径逆着磁场返回时，物质变为右旋的，振动面又旋转了q角，这样往返两次通过同一物质振动面

7、共旋转了2q角。利用磁致旋光的这种性质，可以制成光隔离器、光调制器等器件。中国制法拉第旋转器17(1) 磁致旋光 -磁光Faraday 效应效应18实验发现：旋转角 Faraday 效应vBlVerdet 常数，与材料性质、 温度、波长等有关Verdet 常数 0 左旋； Verdet 常数 0 右旋； 如：玻璃Verdet 常数（500nm时）0.0166o/厘米/高斯19控制电压，即可控制旋光角的大小和方向，从而控制第二个偏振片后的光强光调制器20 光信号的调制通过光调制器，将携带信息的电信号通过光调制器转换成调制的光信号。 调制器被调制的光信号入射光束激光器电信号 包括：幅度调制、频率调

8、制、相位调制、偏振调制21正向通过 ：反向通过 ：图示：天然物质的旋光性 Faraday旋光效应与天然旋光物质的旋光的比较22上图示：天然物质的旋光性，旋转角方向与光的传播方向有关 下图示：Faraday效应中的旋光性，旋转角方向与传播方向无关，只与磁场方向有关。 23Faraday效应的非倒易性旋光特性XY偏振片透光轴前进返回反射镜磁场 BZ前进返回光纤通信系统中，激光器和光放大器等对来自连接点、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，会导致系统性能的恶化。因此需要用光隔离器来阻止光反射。(单向导光器) 光隔离器光隔离器不能通过Faraday rotator and isolator 25XY入射

9、光反射光磁光 Kerr 效应BXYZ(2). 磁光磁光 Kerr 效应效应 直线偏振光正入射到处于磁场中的磁性介质（如铁、钴、镍等领）表面反射时，反射光偏振面发生旋转 磁光磁光 Kerr 效应效应 注：反射光通常为椭圆偏振光26XY入射光反射光磁光 Kerr 效应XYZ磁光 Kerr 效应的应用： 磁光记录磁光盘； 材料的物性分析； 光调制元件。B27ZXY入射光透射光磁光 Faraday 效应XY入射光反射光磁光 Kerr 效应XYZBB28 光开关 - 控制外加的电磁场即可控制光路的开和关 光调制器 - 电磁信号转换为光信号 显示器件-电磁信号转换成显示画面，如液晶显示电光效应和磁光效应的

10、一些应用294. 液晶液晶( Liquid crystal ) 一些小分子有机化合物溶液，主要结构特征是棒状分子结构，在局部范围内由于相互作用，会有规则地排列 液晶液晶，从而产生类似于晶体的各向异性。 一种在一定温度范围内呈现既不同于固态、液态，又不同于气态的特殊物质态。 既具有晶体所具有的各向异性造成的双折射性，又具有液体所特有的流动性。3031导向层导向层 液晶由于它的各向异性而具有电光效应，尤其是具有扭曲向列效应，可以制造出不同类型的显示器件扭曲向列型液晶(twisted-nematic liquid crystal)的原理32 不加电压时，通光 （在导向层的作用下，液晶分子产生扭曲，使得透 射光发生90度的旋转）。 加电压时，通光强度随电压的变化而变化液晶显示导向层导向层33荧光灯管TFT-LCD截面343552英寸液晶电视 1920 x1080 像素