許多固體和液體材料均能夠顯示出電光效應，其中最為重要的一類是電光晶體材料，電光晶體的電光效 應主要表現為線性電光效應(泡克耳斯效應)和二階電光效應(克爾效應)。利用晶體的線性電光效應實現光 的調製，所需的調製電壓通常較低，因此研究和使用得較為廣泛。
基本介紹
- 中文名：電光晶體
- 外文名：electro-optical crystal
- 定義：具有電光效應的晶體材料
- 套用：製作光調製器、掃描器
- 材料要求：晶體的電光係數大
- 學科：材料科學
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介紹
外電場作用於晶體材料所產生的電光效應分為兩種，一種是泡克耳斯效應，產生這種效應的晶體通常是不具有對稱中心的各向異性晶體；另一種是克爾效應，產生這種效應的晶體通常是具有任意對稱性質的晶體或各向同性介質。已實用的電光晶體主要是一些高電光品質因子的晶體和晶體薄膜。在可見波段，常用電光晶體有磷酸二氫鉀、磷酸二氫銨、鈮酸鋰、鉭酸鋰等晶體。前兩種晶體有高的光學質量和光損傷閾值，但其半波電壓較高，而且要採用防潮解措施。後兩種晶體有低的半波電壓，物理化學性能穩定，但其光損傷閾值較低。在紅外波段，實用的電光晶體主要是砷化鎵和碲化鎘等半導體晶體。電光晶體主要用於製作光調製器、掃描器、光開關等器件。在大螢幕雷射顯示漢字信息處理以及光通信方面也有套用前景。
電光效應
各種外場，如電場、磁場、應力場和溫度場等，都會對晶體的光學性質產生影響，從而發生一些可為人們利用的互動效應，如電光效應、磁光效應、壓電效應、彈光（或稱壓光）效應、熱光效應或光折變效應等。
非線性介質電光效應產生的原因是光在介質中傳播時，光頻電場和外加電場共同引起介質的非線性極化。與非線性光學效應一樣，電光效應也是一種以二階張量描述的非線性效應。因此，電光效應也可看成是非線性效應的一種特殊情況。
電光效應就是晶體折射率隨外加電場而發生變化的現象。其中折射率與外電場成正比的改變稱為線性電光效應或普克爾（Pockels）效應；與外電場的二次方成正比的改變稱為二次電光效應或克爾（Kerr）效應。儘管在電場作用下，電光效應晶體的折射率一般變化不大，但已經足以引起光在晶體中傳播的特性發生改變，從而可以通過外場的變化達到光電信號互相轉換或光電相互控制、相互調製的目的。
分類
常用的是線性電光晶體，從結晶化學角度來看，可分為以下幾類。
（1）KDP型晶體：包括KDP，DKDP，ADP，KDA等。這類晶體的線性電光效應比較顯著，而且容易從水溶液中生長出尺寸巨大的高光學質量晶體，因此，這類晶體是已知電光晶體中套用最為廣泛的材料，在需特大型晶體的場合，如雷射受控熱核聚變，是唯一的選擇。其缺點是這類水溶性晶體易潮解，需特殊保護。
（2）ABO3型晶體：該類晶體中有許多是具有氧八面體結構的鐵電材料，具有較大的折射率和介電常數。鈣鈦礦晶體是典型的ABO3型晶體，這些晶體（如BaTiO3，SrTiO3，KTaO3，KNbO3等）有顯著的二次電光效應，在鐵電相，則有顯著的線性電光效應。鈣鈦礦型晶體的缺點是組成複雜，居里溫度低，不易生長出大尺寸和均勻的晶體，抗光傷性質也較差。
（3）AB型化合物晶體：大都是半導體，一般有較大折射率，即使其電光係數較小，但n3/Cij的數值仍較大。這類晶體透過波段也較寬，在紅外波段套用中起著重要作用。這類晶體中包括ZnS，CuC，lCdS，GaAs，GaP等。
（4）其他雜類晶體：這類晶體範圍較廣，其成分、性質、對稱性及生長方法等都有很大差別。例如六次甲基四胺，Td-43m對稱性，可在酒精溶液中生長；焦鈮酸鈣，對稱型C2-2，高溫下生長；草酸銨有較大電光係數；鉬酸釓用作電光快門有良好性能；La2Ti2O7不但和LiTaO3具有相同數量級的電光效應，且穩定性好，抗光性強。但是由於它們也各有缺點，都沒有被廣泛套用。
材料要求
二階電光效應的電光係數較大，儘管實現調 制所需的電壓較高，通常為幾千伏，在一些特殊領域，如光參量振盪器和雷射器中，仍發揮著重要的作用。對 於電光體調製器來講，關鍵在於生長出較好和較大的晶體，涉及光學質量的兩個主要問題是折射率的變化和 強雷射束對晶體的損傷。折射率的變化是由殘餘應力、所含雜質、化學計量的變化、生長的缺陷等這些因素 中的一個或幾個引起的。
電光晶體在現代光學和雷射技術中的套用對於電光晶體材料的性能提出了很高的要求，這些要求包括：（1）晶體的電光係數大，因此用於電光開關時其半波電壓低；（2）折射率大，光學均勻性好；（3）透明波段範圍寬，透光率高；（4）介質損耗小，導熱性好，耐電壓強度高，溫度效應小；（5）抗光損傷能力強；（6）物理化學性質穩定，易加工；（7）容易獲得高光學質量的大尺寸單晶。除此以外，在製作器件時可能還有由於對稱性引起的溫度補償或雙折射補償等問題。當然，全部滿足上述要求的晶體幾乎不存在，人們在具體套用中，可根據實際情況挑選綜合性能最佳的晶體。
