弹光效应与声光效应

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1、5.3弹光效应与声光效应5.3.1弹光效应的基本概念5.3.2弹光效应和弹光系数5.3.3声光效应的基本概念5.3.4声光效应与声光衍射5.3.1弹光效应的基本概念各向同性的、均匀的、线性的、稳定光学介质，在不受任何外力作用时，其光学性质是稳定的。对该介质施加一个外力作用，介质在外力作用下就会发生形变。假定介质的形变在弹性限度范围以内，故介质不至于在力的作用下被损坏。在这种情况下，介质之中就会产生弹性应力和弹性形变；与之相应，介质的光学性质也会发生改变。光学性质的变化，主要表现在介质折射率的改变上，并且折射率的改变量与外力在介质内所产生的张应力的大小密切相关、并且是张应力的显函数。

2、就这样，原本属于各向同性的、均匀的、线性的、稳定光学介质，在足够大的外力作用下，因其光学性质发生改变而转变成为各向异性的非线性光学介质，其结果直接导致了这种介质能够产生光的双折射现象。实验研究表明：对于各向异性的光学晶体而言，在足够大的外力作用下，其光学各向异性性质也会进一步加剧。介质在足够大的外力作用下，其光学性质发生改变（即折射率发生变化）的这一现象，叫做弹光效应。5.3.2弹光效应和弹光系数1.弹光效应的理论描述2.弹光效应的计算示例弹光效应的理论描述弹光效应可以按照电光效应的方法进行处理，即应力或应变对介质光学性质(介质折射率)的影响，可以通过介质折射率椭球的形状和取向的改

3、变来描述。假设介质未受外力作用时的折射率椭球为：介质受到应力σ作用后的折射率椭球变为：或者式中，ΔBij为介质受应力作用后，折射率椭球各系数的变化量，它是应力的函数：ΔBij=f(σ)若考虑线性效应，略去所有的高次项，ΔBij可表示为ΔBij=Πijklσkli,j,k,l=1,2,3在此,考虑了介质光学性质的各向异性,认为应力[σkl］和折射率椭球的系数增量［ΔBij］都是二阶张量,［Πijkl］是压光系数，它是一个四阶张量，有81个分量。根据虎克(Hooke)定律，应力和应变有如下关系：σkl=Cklrssrsk,l,r,s=1,2,3式中，［srs］是弹性应变；

4、［Cklrs］是倔强系数。于是，ΔΒij可用应变参量描述：ΔBij=ΠijklCklrssrs=Pijrssrs式中，Pijrs=ΠijklCklrs［Pijrs］叫弹光系数，它也是四阶张量，有81个分量。由于［ΔΒij］和［σkl］都是对称二阶张量，有ΔΒij=ΔΒji，σkl=σlk，所以有Πijkl=Πjilk，故可将前后两对下标ij和kl分别替换成单下标，将张量用矩阵表示。相应的下标关系为:张量表示(ij)(kl)(rs)11223323,3231,1312,21矩阵表示(m)(n)123456且有：n=1,2,3时，Πmn=Πijkl,如Π21=Π2211n=4,5

5、,6时，Πmn=2Πijkl,如Π24=2Π2223采用矩阵形式后，则有：这样，压光系数的分量数由张量表示时的81个减少为36个。应指出，［Πmn］在分量形式上与二阶张量分量相似，但它不是二阶张量，而是一个6×6矩阵。类似地，对弹光系数［Pijkl］的下标也可以进行简化，于是可得矩阵(分量)形式如下：ΔBm=Pmnsnm,n=1,2,…,6与［Πmn］的差别是，［Pmn］的所有分量均有Pmn=Pijkl,并且有Pmn=ΠmrCrn(m,n,r=1,2,…,6)。ΔBm=Πmnσnm,n=1,2,…,62.弹光效应的计算示例(1).2m和m3立方晶体受到平行于立方体轴的单向应力作

6、用假设立方晶体的三个主轴为x1,x2、x3，应力平行于x1方向，则施加应力前的折射率椭球为旋转球面，方程式为：式中，B0=1/n02。在应力作用下，折射率椭球发生了变化，在一般情况下，方程式可表示如下：根据前述的有关公式及立方晶体的［Πmn］矩阵形式，有下列矩阵方程成立：由此可得：由此推得：可见，当晶体沿x1方向加单向应力时，折射率椭球由旋转球变成了椭球，主轴仍为x1、x2、x3，立方晶体变成双轴晶体，相应的三个主折射率为：(2).43m、432和m3m立方晶体受到平行于立方体轴(例如x1方向)的单向应力作用这种情况与上述情况基本相同，只是由于这类晶体的Π12=Π13，所以：即晶体

7、由光学各向同性变成了单轴晶体。5.3.3声光效应的基本概念各向同性的、均匀的、线性的、稳定光学介质，在不受任何声波场作用时，其光学性质是稳定的。但是，当它受到声波场（例如，超声波）作用时其光学性质就要发生变化。众所周知,超声波是一种弹性机械波,当它通过介质时,介质中各点就会出现随时间和空间呈周期性变化的弹性应变。进而导致了介质中随时间和空间呈周期性变化的弹光效应的产生，结果使得介质中各点的折射率也会产生相应的周期性变化。当光通过有超声波作用的介质时，相位就要受到调制，