调制晶体及其应用

摘要：分别研究分析几种调制晶体（电光晶体、磁光晶体、弹光晶体和声光晶体）的性质及其应用，推导出要比较全面的研究晶体的情况，就要将晶体看成同时承受一系列外界作用而同时在许多方面作出响应的一个整体，综合考虑各种效应及其之间的相互耦合相互联系。

关键词：调制晶体；电光晶体；磁光晶体；弹光晶体；声光晶体

中图分类号：0734 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2012）0120015-01

0 引言

随着近代科学技术的飞速发展，各种晶体材料和晶体器件已广泛地应用于电子，激光、红外、超声以及其它科学技术领域。从近代光学发展历史来看，新的功能性晶体材料和晶体器件越来越多，性能越来越高，应用越来越广，这些发展要求我们对晶体的宏观物理性能及其测量和应用的物理基础具有比较系统、深入的基本知识，也要求从事晶体器件应用的科技人员对晶体的宏观物理性质有一定的了解。调制晶体（包括电光晶体、磁光晶体、弹光晶体和声光晶体等）是功能性晶体材料中的一种，本文就研究分析了几种调制晶体的性质及其应用。

1 电光晶体

电光晶体是指具有电光效应的晶体材料。在外电场作用下，晶体的折射率发生变化的现象称为电光效应。外电场作用于晶体材料所产生的电光效应分为两种，一种是泡克耳斯效应，产生这种效应的晶体通常是不具有对称中心的各向异性晶体；另一种是克尔效应，产生这种效应的晶体通常是具有任意对称性质的晶体或各向同性介质，例如原来为光学各向同性的立方晶系的晶体在外加电场作用下，具有单轴晶的性质，变成了光学各向异性体，而有些单轴晶体则变为具有双轴晶体的性质。电光晶体在近代光学和激光技术中主要用作Q开关、光强度调制器、光位相调制器、光束偏转器、激光锁模以及大屏幕显示的靶面等。常用电光晶体有KDP型晶体、AB03型晶体、AB型晶体以及杂类晶体。虽然电光晶体品种很多，但性能优良的并不多，实际上得到应用的仅有为数不多的几种。

2 磁光晶体

晶体在外磁场的作用下，偏振光通过该晶体时光的偏振态发生旋转，此种晶体称为磁旋光晶体，简称为磁光晶体，这种效应叫作磁光效应。在外磁场作用下，晶体呈现各向异性的种类很多，如法拉第效应、克尔效应、磁双折射效应和塞曼效应等。其中由透射引起的偏振面旋转叫法拉第效应，而由反射引起的偏振面旋转叫克尔效应。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。目前应用最多的是利用磁光晶体的法拉第旋转，将其用于激光系统作快速光开关、调制器、循环器及隔离器；同时，可以利用磁光材料作为磁光存储介质制作高密度存储器。目前应用最实际、最广泛的是制作光隔离器。对于正向入射的信号光，通过起偏器后成为线偏振光，磁光晶体与外磁场一起使信号光的偏振方向右旋45度，并恰好使低损耗通过与起偏器成45度放置的检偏器。对于反向光，出检偏器的线偏振光经过磁光晶体时，偏转方向也右旋转45度，从而使反向光的偏振方向与起偏器方向正交，完全阻断了反射光的传输。常用磁光晶体有磁性元素的铁氧体、稀土铁石榴石和钇镓石榴石等。

3 弹光晶体

因机械应力或应变引起晶体折射率发生改变，从而产生人工双折射的现象称为弹光效应也称应力双折射或压光效应，这一类晶体称为弹光晶体。例如，原来光学各向同性的立方晶体，如果受到应力作用，会具有单轴晶或双轴晶的性质，当具有单轴晶性质时，若加压力表观出负单轴晶的性质，则加张力时将表现出正单轴晶的性质；有的单轴晶在受到应力作用时将表现出双轴晶的性质等等。当外力或振动作用于弹性体产生应变时，弹性体的折射率发生变化，呈现双折射性质，这种有内应力的透明介质中o光和e光折射率不相等，它与应力分布有关。在工程技术中，研究材料的应力分布状态以及承受外力的能力，特别对一些难于计算其应力分布的不规则形状、不透明样品，可以切割出一个与该样品形状完全一致的塑料制品，加以相同的应力，利用弹光效应方法测出其应力分布即可。弹光晶体主要用来制作光强度（或位相）调制器、光开关、相关器、滤波器、光束偏转器及扫描器和作为激光基质或光学透镜等方面。

4 声光晶体

当超声波注入介质时，介质中便有声弹性波传播。在声传播过程中，组成介质的粒子将随超声波的起伏而产生压缩或伸张，这相当于介质中存在着随时空作周期性变化的弹性应变。这种应变通过弹光效应使介质各点的折射率随该点的弹性应变而发生相应的周期性的变化，从而对光在该介质中的传播特性产生影响，光束在通过这样的介质时将发生衍射或散射现象，这就是声光效应。因此，声光效应是弹光效应的一种表现形式。最早声光效应仅用于物理性质的测量，如声场的能量分布、声衰减系数、声速的弹性系数以及弹光系数的测量等。随着激光和超声波技术的发展，声光效应又在光电子学方面得到了广泛的应用。如声光调制器、声光调Q、声光锁模器和声光偏转器等。目前，声光效应已广泛地应用于光电子技术、激光技术、光信息处理技术等领域，以及用于研究物质的弹性性质、弹光性质、磁弹性质和磁光性质等方面。

利用声光效应产生的衍射可以改变光束的强度、方向和频率，因而可设计制造光强调制器、光束偏转器和激光Q开关等器件。电光效应和声光效应的应用领域几乎是相同的，二者各有优缺。例如，电光器件是通过镀在晶体表面上的电极直接驱动的，其响应速度几乎可与电子运动速度相比拟，故电光器件具有响应速度快、调制频带宽、信息容量大等优点，但是，电光晶体是各向异性的，晶体的半波电压一般较高，器件的驱动功率也较高，加之获得尺寸大、光学质量好的晶体比较困难等因素，使电光器件的成本大大提高。任何物质（包括均质体、气体和液体）都具有声光效应，故声光器件不受晶体的限制，器件所需的驱动功率较低（只有1-2W），但声光器件是通过压电换能器将信号施于声光介质，以在介质中激励超声弹性被，因而声光器件在响应速度、信息容量和调制带宽等方面有它的局限性。

5 结论

上文中分别研究分析了电光晶体、磁光晶体、弹光晶体及声光晶体的性质及其应用，但是晶体中的各种效应不是彼此孤立的，而是相互耦合、相互联系的。许多重要的晶体材料往往具有多种效应。若只考虑一种效应而忽略其他的效应，显然只反映了片面的情况。因此，要比较全面的研究晶体的情况，就要将晶体看成同时承受一系列外界作用而同时在许多方面作出响应的一个整体，综合考虑各种效应及其之间的相互耦合相互联系，这样有助于发展新的效应和功能性材料。

参考文献：

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