光是电磁波 事实上有一定的穿透性 比如伽马射线 就是电磁波 可以用于透视 但无法穿过金属 定义:光速在介质中减小的因子。
透明介质的折射率,是相速度vph相对于真空光速减小的因子:
这里假设平面波是线性传播的(光强比较低)。折射率通过相速度决定界面处的折射,反射和衍射现象。
介质中光的波长等于真空波长的n分之一。
根据材料的相对介电常数 ε 和相对磁导率 μ可以计算其折射率:
需要注意的是,这里ε和μ是处于光频率时的值,与其在低频时的值差别很大。普通的光学材料的磁导率约为1。
材料中折射率与光频率或波长有关的现象称为色散。普通的玻璃和晶体(例如,激光晶体)在可见光区域的折射率范围是1.4-2.8,并且波长越短时,折射率会增加(正常色散)。这是以下现象的一个结果,可见光区域(介质具有很大的透射率),在两个强吸收区域之间:紫外光区域光子能量大于带隙,而近红外或中红外光区域会发生振动共振。
图1:二氧化硅在温度分别为0 °C(蓝色),100 °C(黑色)和200 °C(红色)时折射率(实线)和群速度(虚线)随波长的变化。
半导体在透明区域具有更大的折射率。例如,砷化镓的折射率在1微米时约为3.5。这是由于当波长小于带隙波长(约870nm)时,发生强吸收现象。高折射率的结果就是菲涅尔反射很强,并且在半导体-空气界面处的全反射角比较大。
透明光学材料中折射率与波长有关的现象可以由Sellmeier方程描述,方程包含一些经验得到的参数。该方程的拓展版本可以描述温度特性,图1中即采用了这一方程。在非线性晶体材料中发生的非线性频率转换中的相位匹配需要知道折射率随温度和波长变化的具体情况。
在非各向同性介质中,折射率与偏振方向(参阅双折射)和传播方向(非各向同性)有关。如果介质具有光轴,光在该轴上传播时折射率与偏振方向无关。
复折射率不仅可以定量表示单位长度的相位变化,还可以表示(虚部)光学增益或传播损耗(例如,由于吸收产生)。
还有一种折射率为群折射率,可以量化群速度的减小。在共振情况下折射率会与群折射率差别很大,这在有些量子光学实验中可以看到。在群速度非常大或者非常小时会用到(慢光)。
有些光子超材料(通常包含金属-介电复合材料)可以实现负折射率,最早是在微波区域实现,现在光学领域也得到了。负折射率会引起很多非常规的现象。例如,在真空与该介质界面处的折射光束与入射光束位于法线的同一侧。
在波导中,每一个传播模式都对应一个有效折射率,与其相速度相关。
高强度的光通过介质传播时,会导致非线性效应。其中最简单的是克尔效应,其可以被描述为折射率对光强I的一个成比例的变化(通常是增加)其中n2为非线性折射率系数。其常用单位为m2/W或cm2/W。 通常情况下,非线性折射率系数是利用线性偏振光测量而得的。对于非双折射晶体而言,圆偏振下的非线性折射率系数通常会小1/3。
当光强非常高时,上述的非线性折射率系数的方程可能需要一个较高阶的校正。例如,需要一个一个与折射率平方成正比的箱,而其系数为负,从而使得克尔效应发生饱和。
除了克尔效应(纯粹的电子非线性),电致能也会显著的影响非线性指数的值。这种情况下,光束的电场会产生密度变化(声波),这会通过光d性效应影响的折射率。但是这一机制会涉及到一个显著的时间延迟,因此仅适用于变化相对缓慢的功率调制,不能用于超短脉冲。在光纤中这种低速(MHz)的电致伸缩的贡献是通常的克尔效应的10-20%。
对于透明的晶体和玻璃,n2为通常为10-16 cm2/W 到10-14 cm2/W 。例如,石英光纤在波长约为1.5um处其非线性折射率系数较低,为2.7•10-16 cm2/W ,而一些硫化玻璃的非线性折射率系数是其的几百倍甚至更高。半导体材料也具有很高的非线性折射率系数。研究表明,非线性折射率系数正比于带隙能量的四次方的倒数,此外还取决于测试光的波长。非线性折射率系数也可以是负的(自散焦非线性效应),特别是当光子能量高于带隙的能量的70%时。
具有高非线性折射率系数的材料通常具有小的带隙能量,因此也往往表现出较强的双光子吸收(TPA)。对于一些应用,例如电信系统的信道转换中,这是不利的。
样品的非线性折射率系数通常利用z扫描技术测量,它是基于克尔透镜的自聚焦效应的。
光纤的非线性可以通过测量自相位调制产生的频谱展宽来量化。然而,需要注意的是在非保偏光纤中光的偏振状态会发生改变,而这可能会影响测量结果。另外,这种测量结果是光纤纤芯和包层的材料特性的一种平均。
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