电-光效应：探究光子学设计基础

将一个电场施加在光学介质上，电子就在电场方向（与垂直于电场的方向相比）产生有限运动，因此，在该电场作用下，材料会变成线性双折射，这就是众所周知的电-光效应。

下面讨论图3.16所示的结构布局。入射光与电场成45°线性偏振，电场在垂直于光传播的方向上作用在介质上。由电场感应的线性双折射将在与电场平行和正交方向的两个入射光分量间产生相移，形成椭圆偏振光。

当然，若偏振器的接受方向平行于入射的偏振方向，在没有电场时，所有光都能通过；如果施加上电场，通过的光能量的比例将取决于椭球的形式，之后还取决于电场引入的相位延迟，因此可以利用电场调制光强度。的确，电-光效应对于光的调制是非常有用的（见本书7.3.1节）。

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图3.16　电-光效应

产生的相位延迟正比于电场（普克尔斯（Pockels）效应）或电场的二次方（科尔（Kerr）效应）。所有材料都呈现出横向科尔效应；只有晶体材料才显现出普克尔斯效应，或者纵向（平行于传播方向的场E）科尔效应。从物理方面解释，其原因非常清楚：如果一种材料与电场线性响应相关，那么，当电场改变符号时，场效应也必然改变符号。这就意味着，该介质一定能够识别（例如）“上（up）”（正电场）和“下（down）”（负电场）。但是，只有材料本身具有某类方向性才能这样，否则所有电场方向的物理效应都一样。为了能够区别上和下，该材料必须具备本征不对称性，并且是晶体。类似地，如果介质是各向异性材料（即晶体），一种纵向的场E就只能在与自身正交的方向（即光学电场方向）产生方向效应，否则所有的横向方向都是一样的。除了进行光调制（相位或强度/能量），利用电-光效应还可以测量电场和电压的升高，以此思想为基础的调制和传感器将在本书第7章和第10章分别进行讨论。