Кристаллооптика и электронные оптические устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

Реферат

по дисциплине: Кристаллооптика и электронные оптические устройства

Выполнил Углов Ф.А.

Санкт-Петербург 2020

1. Классификация кристаллов

Кристаллическая решетка может обладать различными видами симметрии. Под симметрией кристаллической решетки понимается свойство решетки совпадать с самой собой при некоторых пространственных перемещениях.

Всякая решетка прежде всего обладает трансляционной симметрией, т. е. совпадает сама с собой при перемещении на величину периода идентичности. Из других видов симметрии отметим симметрию по отношению к поворотам вокруг некоторых осей, а также к зеркальному отражению относительно определенных плоскостей.

Если решетка совпадает сама с собой при повороте вокруг некоторой оси на угол (следовательно, за один полный поворот вокруг оси решетка совпадает сама с собой n раз), то эта ось называется осью симметрии n-го порядка. Можно показать, что, кроме тривиальной оси 1-го порядка, возможны только оси симметрии 2-го, 3-го, 4-го и 6-го порядка.

Примеры структур, обладающих такими осями симметрии, показаны схематически на рис. 1. (белыми кружками, чернымикружками и крестиками обозначены атомы разных сортов).

рис.1.

Плоскости, при зеркальном отражении от которых решетка совпадает сама с собой, называются плоскостями симметрии. Пример плоскости симметрии также дан на рис. 1.

Различные виды симметрии называются элементами симметрии кристаллической решетки. Кроме осей и плоскостей возможны другие элементы симметрии, в рассмотрение которых мы, однако, входить не станем.

Кристаллическая решетка, как правило, обладает одновременно несколькими видами симметрии. Однако не всякое сочетание элементов симметрии оказывается возможным. Как показал выдающийся русский ученый Е.С. Федоров, возможны 230 комбинаций элементов симметрии, получившие название пространственных групп. Эти 230 пространственных групп разбиваются по признакам симметрии на 32 класса. Наконец, по форме элементарной ячейки все кристаллы делятся на семь кристаллографических систем (или сингоний) + каждая из которых включает в себя несколько классов симметрии.

В порядке возрастающей симметрии кристаллографические системы располагаются следующим образом.

1. Триклинная система. Для нее характерно, что . Элементарная ячейка имеет форму косоугольного параллелепипеда.

рис.2. Триклинная система.

2. Моноклинная система. Два угла -- прямые, третий (в качестве которого принято выбирать угол в) отличен от прямого. Следовательно, Элементарная ячейка имеет форму прямой призмы, в основании которой лежит параллелограмм (т. е. форму прямого параллелепипеда).

рис.3. Моноклинная система

3. Ромбическая система. Все углы -- прямые, все ребра -- разные; Элементарная ячейка имеет форму прямоугольного параллелепипеда.

рис.4. Ромбическая система.

4. Тетрагональная система. Все углы -- прямые, два ребра -- одинаковые: Элементарная ячейка имеет форму прямой призмы с квадратным основанием.

рис.5. Тетрагональная система.

5. Ромбоэдрическая (или тригональная) система. Все ребра -- одинаковые, все углы также одинаковые и отличные от прямого; Элементарная ячейка имеет форму куба деформированного сжатием или растяжением вдоль диагонали.

рис.6. . Ромбоэдрическая система

6. Гексагональная система. Ребра и углы между ними удовлетворяют условиям: Если составить вместе три элементарные ячейки так, как показано на рис. 7, то получается правильная шестигранная призма.

рис.7. Гексагональная система

7. Кубическая система. Все ребра -- одинаковые, все углы -- прямые: Элементарная ячейка имеет форму куба.

рис.8. Кубическая система.

2. Оптические свойства кристаллов

Показатель преломления - отношение скорости распространения света в вакууме (на воздухе - V_вак / V_{воздуха} = 1.0003) к скорости распространения света в среде:

n_среды = V_вак / V_среды

В изотропных средах (воздух, стекло, вода, …) свет распространяется во все стороны с одинаковой скоростью. То есть пути, пройденные светом во всех направлениях от источника за одно и то же время, равны между собой.

Соединив концы этих путей получим поверхность в виде шара.

Поверхность, до всех точек которой свет от источника доходит за одинаковое время называется волновой поверхностью или индикатрисой.

Рис. 9

Кристаллы кубической сингонии (не имеющие единичных направлений) в оптическом отношении - изотропные тела.

В кристаллах средних сингоний - тригональной, тетрагональной и гексагональной (имеющих одно единичное направление) - волновая поверхность - комбинация шара и эллипсоида, где длина оси вращения эллипсоида равна диаметру шара.

Рис. 10

Единственное направление в кристалле, в котором скорости лучей о и е равны - оптическая ось Луч о (обыкновенный) - сфера; луч е (необыкновенный) - эллипсоид

Кристаллы средней категории - оптически одноосны. Луч света, идущий по оптической оси, не разбивается на два луча В оптически отрицательных кристаллах - Vo < Ve ; в положительных - Vo > Ve

В кристаллах низших сингоний - ромбической, моноклинной и триклинной (имеющих не меньше трех единичных направлений) - волновая поверхность состоит из вложенных друг в друга эллиптических поверхностей. В таких кристаллах нет волны обыкновенной (имеющей форму шара), а следоввательно оба луча будут «необыкновенные».

Оптическая ось - перпендикуляр к круговому сечению

Кристаллы низшей категории - оптически двуосны

В проходящем через систему специальных линз (скрещеных николей) и кристалл свете оптически анизотропные кристаллы обладают окраской. Окраска тем ярче, чем выше сила двупреломления минерала.

Рис. 11 Вытянутый эллписоид

Рис. 12

Силой двупреломления называется разность между наибольшим и наименьшим показателями преломления кристалла данного вещества: Д = d (ng - np) d - толщина препарата.

3. Электрооптические свойства кристаллов

Электрооптический эффект - изменение оптических свойств: показателя преломления, формы и ориентировки оптической индикатрисы под действием электрического поля.

Изменение поляризационных констант под действием электрического поля описывается тензорным уравнением, которое в общем случае имеет две составляющие:

· линейный электрооптический эффект

· квадратичный электрооптический эффект

Если измерение показателя преломления пропорционально первой степени напряженности электрического поля Е, то электрооптический эффект называют линейным электрооптическим эффектом или эффектом Поккельса.

Если наблюдается квадратичная зависимость от напряженности поля, то электрооптический эффект называют квадратичным или эффектом Керра.

Поскольку линейный электрооптический эффект осуществляется в кристаллах пьезоэлектрических материалов, ему всегда сопутствует обратный пьезоэлектрический эффект. Также во всех линейных пьезоэлектриках квадратичный эффект сопутствует линейному, но обычно квадратичным эффектом можно пренебречь по сравнению с линейным. Однако для нелинейных пьезоэлектрических материалов, так же как и для полярных жидкостей, вклад квадратиного эффекта может превышать вклад линейного.

Применение электрооптических кристаллов.

Оптические затворы и модуляторы для передачи информации с использование лазерного пучка, генерации гигантских импульсов излучения.

Модуляторы света применяются в световой связи, в светодальномерах, в устройствах звукозаписи, в цветном телевидении, в автоматических поляриметрах, в устройствах скоростного фото.

Электрооптические преобразователи используются в управляемых узкополосных интерференционно-поляризационных светофильтрах, в устройствах для измерения высоких напряжений, в оптических элементах счетно-решающих систем. Создавая неоднородное электрическое поле в электрооптическом кристалле, можно эффективно изменять направление распространяющегося в нем светового пучка.

симметрия кристалл электрооптический

Источники

1. В.Р. Бараз, В.П. Левченко, А.А. Повзнер Строение и физические свойства кристаллов. Учебное пособие

2. Савельев И.В. Курс общей физики, том I

3. Пунин Ю.О. курс кристаллографии СПБГУ.

4. Гуржий В.В Кристаллография с основами кристаллохимии

Размещено на Allbest.ru