Введение
Изменения в оптических свойствах под воздействием электрических полей
Электрооптический эффект – это изменение оптических свойств материала в ответ на электрическое поле, изменяющееся медленно по сравнению с частотой света. Этот термин охватывает ряд различных явлений, которые можно подразделить на:
An electro–optic effect is a change in the optical properties of a material in response to an electric field that varies slowly compared with the frequency of light. The term encompasses a number of distinct phenomena, which can be subdivided into
a) change of the absorption
Electroabsorption: general change of the absorption constants
Franz–Keldysh effect: change in the absorption shown in some bulk semiconductors
Quantum confined Stark effect: change in the absorption in some semiconductor quantum wells
Electrochromic effect: creation of an absorption band at some wavelengths, which gives rise to a change in colour
b) change of the refractive index and permittivity
Pockels effect (or linear electro optic effect): change in the refractive index linearly proportional to the electric field. Only certain crystalline solids show the Pockels effect, as it requires lack of inversion symmetry
Kerr effect (or quadratic electro optic effect, QEO effect): change in the refractive index proportional to the square of the electric field. All materials display the Kerr effect, with varying magnitudes, but it is generally much weaker than the Pockels effect
electro gyration: change in the optical activity. Electron refractive effect or EIPM
In December 2015, two further electro optic effects of type (b) were theoretically predicted to exist but have not, as yet, been experimentally observed. Changes in absorption can have a strong effect on refractive index for wavelengths near the absorption edge, due to the Kramers–Kronig relation. Using a less strict definition of the electro optic effect allowing also electric fields oscillating at optical frequencies, one could also include nonlinear absorption (absorption depends on the light intensity) to category a) and the optical Kerr effect (refractive index depends on the light intensity) to category b). Combined with the photoeffect and photoconductivity, the electro optic effect gives rise to the photorefractive effect. The term "electro optic" is often erroneously used as a synonym for "optoelectronic".
a) изменение поглощения
Электропоглощение: общее изменение констант поглощения
Эффект Франца — Кельдиша: изменение поглощения, наблюдаемое в некоторых объемных полупроводниках
Квантово-размерный эффект Старка: изменение поглощения в некоторых полупроводниковых квантовых ямах
Электрохромный эффект: создание полосы поглощения на определенных длинах волн, приводящее к изменению цвета
An electro–optic effect is a change in the optical properties of a material in response to an electric field that varies slowly compared with the frequency of light. The term encompasses a number of distinct phenomena, which can be subdivided into
a) change of the absorption
Electroabsorption: general change of the absorption constants
Franz–Keldysh effect: change in the absorption shown in some bulk semiconductors
Quantum confined Stark effect: change in the absorption in some semiconductor quantum wells
Electrochromic effect: creation of an absorption band at some wavelengths, which gives rise to a change in colour
b) change of the refractive index and permittivity
Pockels effect (or linear electro optic effect): change in the refractive index linearly proportional to the electric field. Only certain crystalline solids show the Pockels effect, as it requires lack of inversion symmetry
Kerr effect (or quadratic electro optic effect, QEO effect): change in the refractive index proportional to the square of the electric field. All materials display the Kerr effect, with varying magnitudes, but it is generally much weaker than the Pockels effect
electro gyration: change in the optical activity. Electron refractive effect or EIPM
In December 2015, two further electro optic effects of type (b) were theoretically predicted to exist but have not, as yet, been experimentally observed. Changes in absorption can have a strong effect on refractive index for wavelengths near the absorption edge, due to the Kramers–Kronig relation. Using a less strict definition of the electro optic effect allowing also electric fields oscillating at optical frequencies, one could also include nonlinear absorption (absorption depends on the light intensity) to category a) and the optical Kerr effect (refractive index depends on the light intensity) to category b). Combined with the photoeffect and photoconductivity, the electro optic effect gives rise to the photorefractive effect. The term "electro optic" is often erroneously used as a synonym for "optoelectronic".
b) изменение показателя преломления и диэлектрической проницаемости
Эффект Покельса (или линейный электрооптический эффект): изменение показателя преломления, линейно пропорциональное электрическому полю. Эффект Покельса проявляется только в определенных кристаллических твердых телах, поскольку требует отсутствия инверсионной симметрии.
Эффект Керра (или квадратичный электрооптический эффект, эффект QEO): изменение показателя преломления пропорционально квадрату электрического поля. Все материалы демонстрируют эффект Керра, с различной величиной, но он, как правило, значительно слабее эффекта Покельса.
Электрогирация: изменение оптической активности. Электронный эффект преломления или ЭИПМ.
An electro–optic effect is a change in the optical properties of a material in response to an electric field that varies slowly compared with the frequency of light. The term encompasses a number of distinct phenomena, which can be subdivided into
a) change of the absorption
Electroabsorption: general change of the absorption constants
Franz–Keldysh effect: change in the absorption shown in some bulk semiconductors
Quantum confined Stark effect: change in the absorption in some semiconductor quantum wells
Electrochromic effect: creation of an absorption band at some wavelengths, which gives rise to a change in colour
b) change of the refractive index and permittivity
Pockels effect (or linear electro optic effect): change in the refractive index linearly proportional to the electric field. Only certain crystalline solids show the Pockels effect, as it requires lack of inversion symmetry
Kerr effect (or quadratic electro optic effect, QEO effect): change in the refractive index proportional to the square of the electric field. All materials display the Kerr effect, with varying magnitudes, but it is generally much weaker than the Pockels effect
electro gyration: change in the optical activity. Electron refractive effect or EIPM
In December 2015, two further electro optic effects of type (b) were theoretically predicted to exist but have not, as yet, been experimentally observed. Changes in absorption can have a strong effect on refractive index for wavelengths near the absorption edge, due to the Kramers–Kronig relation. Using a less strict definition of the electro optic effect allowing also electric fields oscillating at optical frequencies, one could also include nonlinear absorption (absorption depends on the light intensity) to category a) and the optical Kerr effect (refractive index depends on the light intensity) to category b). Combined with the photoeffect and photoconductivity, the electro optic effect gives rise to the photorefractive effect. The term "electro optic" is often erroneously used as a synonym for "optoelectronic".
В декабре 2015 года теоретически было предсказано существование двух дополнительных электрооптических эффектов типа (b), но на данный момент они экспериментально не наблюдались. Изменения поглощения могут сильно влиять на показатель преломления вблизи края поглощения из-за соотношения Крамерса — Кронига. Используя менее строгое определение электрооптического эффекта, допускающее также электрические поля, осциллирующие на оптических частотах, можно включить нелинейное поглощение (поглощение зависит от интенсивности света) в категорию a) и оптический эффект Керра (показатель преломления зависит от интенсивности света) в категорию b). В сочетании с фотоэффектом и фотопроводностью электрооптический эффект приводит к фоторефрактивному эффекту. Термин «электрооптика» часто ошибочно используется как синоним «оптоэлектроника».
An electro–optic effect is a change in the optical properties of a material in response to an electric field that varies slowly compared with the frequency of light. The term encompasses a number of distinct phenomena, which can be subdivided into
a) change of the absorption
Electroabsorption: general change of the absorption constants
Franz–Keldysh effect: change in the absorption shown in some bulk semiconductors
Quantum confined Stark effect: change in the absorption in some semiconductor quantum wells
Electrochromic effect: creation of an absorption band at some wavelengths, which gives rise to a change in colour
b) change of the refractive index and permittivity
Pockels effect (or linear electro optic effect): change in the refractive index linearly proportional to the electric field. Only certain crystalline solids show the Pockels effect, as it requires lack of inversion symmetry
Kerr effect (or quadratic electro optic effect, QEO effect): change in the refractive index proportional to the square of the electric field. All materials display the Kerr effect, with varying magnitudes, but it is generally much weaker than the Pockels effect
electro gyration: change in the optical activity. Electron refractive effect or EIPM
In December 2015, two further electro optic effects of type (b) were theoretically predicted to exist but have not, as yet, been experimentally observed. Changes in absorption can have a strong effect on refractive index for wavelengths near the absorption edge, due to the Kramers–Kronig relation. Using a less strict definition of the electro optic effect allowing also electric fields oscillating at optical frequencies, one could also include nonlinear absorption (absorption depends on the light intensity) to category a) and the optical Kerr effect (refractive index depends on the light intensity) to category b). Combined with the photoeffect and photoconductivity, the electro optic effect gives rise to the photorefractive effect. The term "electro optic" is often erroneously used as a synonym for "optoelectronic".
Электрооптические модуляторы
Электрооптические модуляторы обычно создаются на основе электрооптических кристаллов, проявляющих эффект Покельса. Передаваемый луч фазомодулируется электрическим сигналом, приложенным к кристаллу. Амплитудные модуляторы могут быть реализованы путем размещения электрооптического кристалла между двумя линейными поляризаторами или в одном плече интерферометра Маха — Цендера. Кроме того, амплитудные модуляторы могут быть сконструированы путем отклонения луча в небольшую апертуру, например, в оптическое волокно. Такая конструкция может обеспечивать низкие потери (<3 дБ) и быть независимой от поляризации, в зависимости от конфигурации кристалла.
Электрооптические дефлекторы
Электрооптические дефлекторы используют призмы из электрооптических кристаллов. Индекс преломления изменяется благодаря эффекту Покельса, что приводит к изменению направления распространения луча внутри призмы. Электрооптические дефлекторы имеют ограниченное количество различимых точек, но отличаются быстрым временем отклика. В настоящее время коммерчески доступно лишь небольшое количество моделей. Это обусловлено конкуренцией со стороны акустооптических дефлекторов, малым количеством различимых точек и относительно высокой стоимостью электрооптических кристаллов.
Датчики электрооптического поля
Электрооптический эффект Покельса в нелинейных кристаллах (например, KDP, BSO, K*DP) может быть использован для измерения электрического поля посредством методов модуляции состояния поляризации. В этом случае неизвестное электрическое поле вызывает вращение поляризации лазерного луча, проходящего через электрооптический кристалл. Путем использования поляризаторов для модуляции интенсивности света, падающего на фотодиод, можно восстановить измерение электрического поля с временным разрешением по полученной форме сигнала напряжения. Поскольку сигналы, получаемые от кристаллических зондов, являются оптическими, они изначально устойчивы к наводкам электрического шума, что позволяет проводить измерения с низким уровнем шума даже в областях с высоким уровнем электромагнитных помех вблизи зонда. Более того, поскольку вращение поляризации, обусловленное эффектом Покельса, линейно зависит от величины электрического поля, получаются абсолютные измерения поля, не требующие численного интегрирования для восстановления электрического поля, в отличие от традиционных зондов, чувствительных к производной электрического поля по времени. Электрооптические измерения сильных электромагнитных импульсов, возникающих при интенсивном взаимодействии лазера с веществом, были продемонстрированы как в наносекундном, так и в пикосекундном (субпетаватном) режимах импульсного лазера.