固體光學(xué)晶體光學(xué)1課件

晶體光學(xué)主要內(nèi)容一、晶體的宏觀特征二、張量的基本知識三、介電晶體的電學(xué)性質(zhì)四、晶體的線性光學(xué)性質(zhì)五、晶體的非線性光學(xué)性質(zhì)六、晶體的電光效應(yīng)和彈光效應(yīng)七、晶體光學(xué)參數(shù)的測量八、幾種典型晶體晶體光學(xué)（一）第一部分：晶體的宏觀特征張量的基本知識主要內(nèi)容

晶體的主要特征晶體的宏觀對稱性點、線、面指數(shù)標(biāo)量、矢量、張量介電晶體的電學(xué)性質(zhì)1、自范性（自限性）自范性是指晶體具有自發(fā)地形成封閉的幾何多面體外形，并以此為其占有空間范圍的性質(zhì)。晶面、晶棱、頂角；自范性是晶體內(nèi)部粒子規(guī)則排列的反映。KLTNCrystalGrowninHITKNTNCrystalGrowninHIT4、對稱性晶體的性質(zhì)在某一方向上的有規(guī)律地周期的出現(xiàn)。5、穩(wěn)定性二、晶體的宏觀對稱性晶體的對稱性：宏觀上的旋轉(zhuǎn)對稱性：點對稱性微觀上的平移對稱性點對稱操作的數(shù)學(xué)描述：以晶胞的晶軸為單位矢，表示為a,b,c，坐標(biāo)系為OXYZ。主動算符：在對稱算符R的作用下，使空間所有的點都相對固定的參考軸移動。被動算符：在對稱算符作用下，使參考軸移動而保持空間所有點不動。點對稱操作可以分成兩類：第一類點對稱操作：沒有手性變化，軸上所有點都保持不動。第二類點對稱操作：被作用的操作對象有手性變化，是像旋轉(zhuǎn)，至少有一點是不動的。n重旋轉(zhuǎn)對稱軸：晶體繞某一對稱軸旋轉(zhuǎn)而復(fù)原的操作，成為n重旋轉(zhuǎn)對稱軸操作。

n=1,2,3,4,6.像旋轉(zhuǎn)操作：是旋轉(zhuǎn)與反演相結(jié)合的操作。像轉(zhuǎn)軸操作有獨立的3個操作，i,m,點對稱操作共有8中獨立對稱操作，晶體的任何操作都可以由這8種對稱操作合成。晶體共有32種對稱操作，分屬7個晶系。三、點、線、面表示方法1、點表示方式：晶體中取一原點，取晶軸方向為坐標(biāo)系單位矢，則晶體中某一點可以表示為：則點指數(shù)可以表示為：[x，y，z]，如有負值，則寫在數(shù)字頂上。四、量、矢量、張量1、標(biāo)量在物理學(xué)中一些物理量沒有方向，只用一個數(shù)值即可描述，如溫度、密度等，這類物理量稱作標(biāo)量。部分物理量在做第二類點操作時數(shù)值不變，而符號發(fā)生改變，這類物理量稱作贗標(biāo)量。2、矢量一些物理量是有方向的，如力、電場等，只有指出其大小和方向才能正確描述，這類物理量稱為矢量。贗矢量：在做坐標(biāo)變換時，與矢量相比多了一個符號。如磁場、磁感應(yīng)強度等軸矢量。3、張量對于均勻?qū)w電流密度與電場強度滿足線性關(guān)系：是電導(dǎo)率，標(biāo)量。但對于晶體，由于各相異性，電流密度與電場不是線性關(guān)系：五、張量的數(shù)學(xué)定義描述物理量的矢量和張量應(yīng)與坐標(biāo)軸的選擇無關(guān)．就是說，當(dāng)坐標(biāo)軸變換時，矢量和張量的所有分量都隨之變換，但作為描述物理量的矢量和張量本身是不變的．因此，分量的變換必有一定的規(guī)律．這就是現(xiàn)在要討論的1、坐標(biāo)變換或?qū)懗煽梢越o出電導(dǎo)率張量的變換關(guān)系：2、張量的運算此外還有張量的收縮運算和分解運算（2）對稱性對張量的限制對于晶體，由于對稱性，導(dǎo)致對其物理性質(zhì)的某些限制，沿晶體一定方向測定的某種物理性質(zhì)，當(dāng)晶體按其對稱操作旋轉(zhuǎn)、反映或反演到新的取向時，其物理性質(zhì)應(yīng)有相同的數(shù)值和符號，就是說，由晶體對稱性聯(lián)系起來的等價方向上，具有完全相同的物理性質(zhì)。例如，具有二次軸的晶體，我們沿任一給定的方向測其熱導(dǎo)率，而后將晶體繞其二次軸旋轉(zhuǎn)180。再測其熱導(dǎo)率，兩次結(jié)果相同。第二部分：介電晶體的電學(xué)性質(zhì)主要內(nèi)容：1、晶體材料的分類、各種電致效應(yīng)2、晶體的介電性質(zhì)3、晶體的壓電性和電致伸縮4、晶體的熱釋電效應(yīng)5、晶體的鐵電性3、介電晶體各種效應(yīng)：（1）壓電效應(yīng)（壓電模量，三階張量，非中心對稱晶體）（2）電致伸縮效應(yīng)（電致伸縮稀疏，四階張量，所有晶體）（3）熱釋電效應(yīng)（熱釋電稀疏，一階張量，極性晶體，可以自發(fā)極化）（4）鐵電晶體（自發(fā)極化能隨外加電場改變的晶體）介電晶體（32）壓電晶體（20）熱釋電晶體（10）鐵電晶體各種介電晶體（數(shù)字表示可能具有此類性質(zhì)的晶類數(shù)）二、晶體的介電性質(zhì)1、電極化強度單位體積內(nèi)感應(yīng)點和電偶極矩，大小等于等量而異號電荷與它們之間距離的乘積，方向為由負電荷指向正電荷）。當(dāng)電場強度較小：對于各向同性晶體，P和E方向相同，電極化率和介電常數(shù)都是標(biāo)量。電極化可以分為三種貢獻：2、電極化率和介電常數(shù)張量晶體的電極化率和介電常數(shù)是二階張量，當(dāng)電場強度不大時，取一級近似：ij和ij都是二階對稱張量，是晶體的固有屬性，可由能量守恒定律證明。（作業(yè)）由于ij和ij都是二階對稱張量，則經(jīng)過主軸化后可以得到三個主介電常數(shù)和三個主極化率。常見晶體的介電常數(shù)晶體室溫下對稱性室溫下的介電常數(shù)112233SBN四方340TGS單斜9504硫酸銨正交1099鈮酸鋰三方84.684.628.6鈦酸鋇四方50005000160KDP四方626262三、晶體的壓電性和電致伸縮1、壓電效應(yīng)晶體在受到機械盈利作用時，在其表面會出現(xiàn)電荷，稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)應(yīng)力較小時，可以取一級近似，晶體感應(yīng)的電極化強度和施加應(yīng)力成線性關(guān)系。應(yīng)力是二階對稱張量，其兩個下標(biāo)可以對調(diào)，電極化強度是矢量，壓電模量是三階張量。從而導(dǎo)致壓電模量中的后兩個下標(biāo)可以對調(diào)。因此壓電模量的獨立分量只有18個?？梢圆捎煤喕鴺?biāo)，jkn,n=1,2,3,4,5,6。并規(guī)定：此時壓電效應(yīng)可以寫成：這里Din不是張量，n也不是矢量。逆壓電效應(yīng)：當(dāng)電場加到具有壓電效應(yīng)的晶體上時，晶體將發(fā)生應(yīng)變。2、晶體對稱性對壓電模量的影響（1）中心對稱性的晶體（11種中心對稱晶體）：全部壓電模量分量都為零。（2）其他21種非中心對稱的晶體中屬于O群的晶體其壓電模量全部分量也為零。另外20種非中心對稱的晶體可能具有壓電性。3、次級壓電效應(yīng)4、電致伸縮效應(yīng)當(dāng)作用在晶體上的電場很強時，晶體的應(yīng)變與電場不是線性關(guān)系，必須考慮平方項，引起應(yīng)變中的平方項稱為電致伸縮效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)是應(yīng)變與電場成線性關(guān)系而電致伸縮是應(yīng)變與電場的平方項的關(guān)系，這類效應(yīng)的總稱為電場——應(yīng)變效應(yīng)。Viljk稱為電致伸縮系數(shù)。由于對稱性，電致伸縮系數(shù)可以簡化，有36個分量。式中n,m=1,2,3,4,5,6;i=1,2,3。5、晶體的熱釋電效應(yīng)某些晶體在溫度發(fā)生變化時，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，或其極化強度發(fā)生變化，稱為熱釋電效應(yīng)。當(dāng)溫度變化較小時，晶體電極化強度變化與溫度變成線性關(guān)系：pi稱為熱釋電系數(shù)，是一階張量既矢量。熱釋電晶體（10種點群）是壓電晶體（20種點群）的一部分，其特點是極軸是單向的極軸，不會通過晶體所屬點群的操作而和另外方向重合。電熱效應(yīng)：熱釋電效應(yīng)的逆效應(yīng)，即將某種熱釋電晶體置于電場中，會觀察到溫度變化。熱釋電材料主要用于紅外探測。AR光照A面積，電壓正比熱釋電系數(shù)。四、晶體的鐵電性質(zhì)1、鐵電晶體的定義：在外場作用下，自發(fā)極化的方向可以逆轉(zhuǎn)或可以重新取向的熱釋電晶體。在光存儲、圖像顯示、聲光器件等方面有廣泛的應(yīng)用。2、鐵電晶體的分類（按相變機制來分）（1）無序——有序型鐵電晶體（軟鐵電體）都含有氫鍵，又稱為氫鍵型鐵電體，如硫酸三甘肽、磷酸二氫鉀等等性質(zhì)交叉存在（2）位移型鐵電體（硬鐵電體）含有氧八面體構(gòu)造基元者，也稱鈣鐵礦型鐵電體，如鈮酸鋰，鈦酸鋇等。3、鐵電體的宏觀特性：（1）電滯回線：鐵電體與非鐵電體的判據(jù)。OEPOEP非鐵電晶體的P—E關(guān)系鐵電體的電滯回線（2）居里溫度：晶體的鐵電性質(zhì)在一