[科普中国]-电光晶体

许多固体和液体材料均能够显示出电光效应，其中最为重要的一类是电光晶体材料，电光晶体的电光效 应主要表现为线性电光效应(泡克耳斯效应)和二阶电光效应(克尔效应)。利用晶体的线性电光效应实现光 的调制，所需的调制电压通常较低，因此研究和使用得较为广泛。1

介绍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。已实用的电光晶体主要是一些高电光品质因子的晶体和晶体薄膜。在可见波段，常用电光晶体有磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、铌酸锂、钽酸锂等晶体。前两种晶体有高的光学质量和光损伤阈值，但其半波电压较高，而且要采用防潮解措施。后两种晶体有低的半波电压，物理化学性能稳定，但其光损伤阈值较低。在红外波段，实用的电光晶体主要是砷化镓和碲化镉等半导体晶体。电光晶体主要用于制作光调制器、扫描器、光开关等器件。在大屏幕激光显示汉字信息处理以及光通信方面也有应用前景。2

电光效应各种外场，如电场、磁场、应力场和温度场等，都会对晶体的光学性质产生影响，从而发生一些可为人们利用的交互效应，如电光效应、磁光效应、压电效应、弹光（或称压光）效应、热光效应或光折变效应等。

非线性介质电光效应产生的原因是光在介质中传播时，光频电场和外加电场共同引起介质的非线性极化。与非线性光学效应一样，电光效应也是一种以二阶张量描述的非线性效应。因此，电光效应也可看成是非线性效应的一种特殊情况。

电光效应就是晶体折射率随外加电场而发生变化的现象。其中折射率与外电场成正比的改变称为线性电光效应或普克尔（Pockels）效应；与外电场的二次方成正比的改变称为二次电光效应或克尔（Kerr）效应。尽管在电场作用下，电光效应晶体的折射率一般变化不大，但已经足以引起光在晶体中传播的特性发生改变，从而可以通过外场的变化达到光电信号互相转换或光电相互控制、相互调制的目的。

分类常用的是线性电光晶体，从结晶化学角度来看，可分为以下几类。

（1）KDP型晶体：包括KDP，DKDP，ADP，KDA等。这类晶体的线性电光效应比较显著，而且容易从水溶液中生长出尺寸巨大的高光学质量晶体，因此，这类晶体是已知电光晶体中应用最为广泛的材料，在需特大型晶体的场合，如激光受控热核聚变，是唯一的选择。其缺点是这类水溶性晶体易潮解，需特殊保护。

（2）ABO3型晶体：该类晶体中有许多是具有氧八面体结构的铁电材料，具有较大的折射率和介电常数。钙钛矿晶体是典型的ABO3型晶体，这些晶体（如BaTiO3，SrTiO3，KTaO3，KNbO3等）有显著的二次电光效应，在铁电相，则有显著的线性电光效应。钙钛矿型晶体的缺点是组成复杂，居里温度低，不易生长出大尺寸和均匀的晶体，抗光伤性质也较差。

（3）AB型化合物晶体：大都是半导体，一般有较大折射率，即使其电光系数较小，但n3/Cij的数值仍较大。这类晶体透过波段也较宽，在红外波段应用中起着重要作用。这类晶体中包括ZnS，CuC，lCdS，GaAs，GaP等。

（4）其他杂类晶体：这类晶体范围较广，其成分、性质、对称性及生长方法等都有很大差别。例如六次甲基四胺，Td-43m对称性，可在酒精溶液中生长；焦铌酸钙，对称型C2-2，高温下生长；草酸铵有较大电光系数；钼酸钆用作电光快门有良好性能；La2Ti2O7不但和LiTaO3具有相同数量级的电光效应，且稳定性好，抗光性强。但是由于它们也各有缺点，都没有被广泛应用。

材料要求二阶电光效应的电光系数较大，尽管实现调 制所需的电压较高，通常为几千伏，在一些特殊领域，如光参量振荡器和激光器中，仍发挥着重要的作用。对 于电光体调制器来讲，关键在于生长出较好和较大的晶体，涉及光学质量的两个主要问题是折射率的变化和 强激光束对晶体的损伤。折射率的变化是由残余应力、所含杂质、化学计量的变化、生长的缺陷等这些因素 中的一个或几个引起的。

电光晶体在现代光学和激光技术中的应用对于电光晶体材料的性能提出了很高的要求，这些要求包括：（1）晶体的电光系数大，因此用于电光开关时其半波电压低；（2）折射率大，光学均匀性好；（3）透明波段范围宽，透光率高；（4）介质损耗小，导热性好，耐电压强度高，温度效应小；（5）抗光损伤能力强；（6）物理化学性质稳定，易加工；（7）容易获得高光学质量的大尺寸单晶。除此以外，在制作器件时可能还有由于对称性引起的温度补偿或双折射补偿等问题。当然，全部满足上述要求的晶体几乎不存在，人们在具体应用中，可根据实际情况挑选综合性能最佳的晶体。

本词条内容贡献者为:

何星 - 副教授 - 上海交通大学