电-光效应

在电场的作用下，晶体的介电常数，即其折射率发生改变的效应

所谓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，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象。电光效应是在外加电场作用下，物体的光学性质所发生的各种变化的统称。与光的频率相比，通常这一外加电场随时间的变化非常缓慢。

效应定义

电光效应是指在电场的作用下，晶体的介电常数，即其折射率发生改变的效应。

假设极化强度P与所加电场有线性关系，但这是一级近似。事实上电场与材料的介电常量，对于光频场，也就是材料折射率n，有此关系：n=n0+aE0+bE02+···。式中：n0是没有加电场E0时介质的折射率；a、b是常数。这种由于外加电场所引起的材料折射率的变化效应，称为电光效应（electro-optical effect）。等式右边第二项aE0与n为线性关系，称为线性电光效应或称普克尔斯（Pockels）效应；第三项为二次电光效应，也称克尔（Kerr）电光效应。

一次电光效应：没有对称中心的晶体，如水晶、钛酸钡等，外加电场与n的关系具有一次电光效应。该是具有圆球的（光各向同性）折射率体。对于电光陶瓷，由于电场诱发的双折射的折射率差为：△n=n3rcE。式中rc为电光陶瓷的电光系数；n为折射率；E为所加电场。

二次电光效应：对于光各向同性的材料，在加上外加电场后，由于二次电光效应诱发的双折射的折射率差为：△n=ne-n0=ΚλE2。式中k为电光克尔常数；λ为人射光真空波长；E为外加电场强度。具有显著克尔效应的透明介质一般为液体，如硝基苯（C6H5NO2）、硝基甲苯（C7H7NO2）等。这些各向同性的液体的分子却是各向异性的，在足够强的电场作用下，分子作有序排列，致使整体呈现各向异性，光轴与电场方向一致。

介质因电场作用引起变化的现象称为电光效应。折射率和电场的关系可表示为：n=n0+ aE + bE2+……式中n0是 E=0 时折射率，a 和 b 是常数，其中电场一次项引起的变化称为线性电光效应，由 Pokels 于 1893 年发现，故也称为 Pokels 效应，一般发生于无对称中心晶体中。

研究简史

由电场的二次项引起的变化称为二次电光效应，由克尔（Kerr）在1875年发现，也称克尔效应，在无对称中心晶体中，一次效应比二次效应显著得多，所以通常讨论线性效应。

1893年普克尔斯（Pokells）发现，有些晶体，特别是压电晶体，在加了外电场后，也能改变它们的各向异性性质，人们称此种电光效应为普克尔斯效应。电光效应在工程技术和科学研究中有许多重要应用，它有很短的响应时间（可以跟上频率为10Hz的电场变化），因此被广泛用于高速摄影中的快门，光速测量中的光束斩波器等。由于激光的出现，电光效应的应用和研究得到了迅速发展，如激光通信、激光测量、激光数据处理等。

效应特点

某些晶体，特别是压电晶体，在外加电场的作用下，改变了原先各向异性的性质（如沿原先光轴的方向产生了附加的双折射效应），这种电光效应称为普克耳斯效应。普克尔斯效应与克尔效应相比，有以下特点：

a）具有泡克耳斯效应的透明介质一般为晶体；

b）普克尔斯效应是线性电光效应，由附加双折射效应所引起的o光和e光的相位差与外加电场强度（或电压）的一次方成正比，而在克尔效应中，o、e两光的相位差与外加电压的平方成正比，所以用普克尔斯盒代替克尔盒，更适合于制作光调制器等器件；

c）因为普克尔斯盒所需施加的电压比克尔盒低得多，前者只有后者的1/5～1/10，甚至更低，所以使用上十分方便。

举例说明，磷酸二氢钾（KH2PO4，简称为KDP）晶体原为单轴晶体，在电场作用下变为双轴晶体，于是就沿原来光轴的方向产生了附加的双折射效应。普克耳斯效应是线性电光效应，这就是说附加双折射效应所引起的相位差与外加电场的一次方成正比。在相同条件下，普克尔斯盒所需要施加的电压是克尔盒的1/5～1/10，所以近几年来克尔盒逐渐被普克尔斯盒代替。磷酸二氘钾（KD2PO4，简称为KD*P）晶体的性能比KDP又有很大提高，用于泡克耳斯盒可以进一步降低电压。

应用实例

尽管电场引起折射率的变化很小，但可用干涉等方法精确地显示和测定，并导致许多重要的应用。如广泛用于光通信，测距、显示、信息处理以及传感器等许多方面。

电光效应的运用在生活中也是随处可见的，特别是在电子摄影，数码摄影，以及通信领域的运用广泛。例如：

1、应用液晶电光效应设计的两种特殊的光学器件——液晶光快门和液晶透镜；

2、高速相位调制器可用于相干光纤通信系统，在密集波分复用光纤系统中用于产生多光频的梳形发生器，也能用作激光束的电光移频器，其中M－Z铌酸锂调制器有良好的特性，可用于光纤有线电视（CATV）系统、无线通信系统中基站与中继站之间的光链路和其他的光纤模拟系统。

3、液晶既表现出液体的流动性，又表现出晶体所特有的各向异性，其特征是受到外部电场、磁场、热、压力等的作用时，分子排列状态即其光学性质和电学性质随之发生变化。特别是液晶受电压作用而产生的分子取向效应———电光效应被广泛应用于显示器件。

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