光輻射的調(diào)制

1、2024/3/28,1,本課程評分方法總成績=平時成績 30～40%+ 期末考試 70～60% －缺席 次數(shù)×10平時成績 ：包括平時作業(yè)、課堂表現(xiàn)、討論及小論文等缺席一次 = 10分,每天提醒大家：,我的個人信息：手機：15992149165QQ ：343931115 （天津的，沒錯?。┼]箱：insidesun51@163.com歡迎各位同學(xué)有事聯(lián)系我！感謝！最后祝大家中秋、國慶快樂！,補充

2、知識：光波在晶體中的傳播,0、晶體光學(xué)的各向異性,在許多晶體中，由于分子本身以及排列上的各向異性，必然地影響到晶體的物理性質(zhì)。光波在晶體中傳播時，其電場分量與物質(zhì)相互作用也會隨傳播方向的不同而有所不同，表現(xiàn)為各向異性。,晶體在光學(xué)上的各向異性，究其根源有兩條。1：組成晶體的各基元（原子、分子或離子），本身就是各向異性的。當(dāng)它們按照某種規(guī)則組合在一起的時候，在宏觀上就可表現(xiàn)出各向異性來。2：各向同性的基元，如果在晶體中的排列方式存

3、在著各向異性，也可以在宏觀上表現(xiàn)出各向異性來。3：晶體的各向異性，其實就是晶體對入射光的作用，在不同方向上有著不同的反應(yīng)能力-----晶體中束縛電荷，在光波電場作用下的位移量。不同的位移量，對應(yīng)著不同的媒質(zhì)極化。表征媒質(zhì)極化狀態(tài)的客觀量就是介電常數(shù) 。,1、介電張量,在各向異性晶體中，極化強度與電場的關(guān)系為：,其表明，極化強度分量不僅與同方向的電場分量有關(guān)，還會受到另外兩個方向的電場分量的影響。極化強度與電場強度方向一般不一致,

4、可以找到這樣的方向，當(dāng)電場沿著這個方向時，晶體也在該方向極化，電場強度和極化強度方向一致，介電張量的非對角元素為零。這樣的三個方向構(gòu)成的坐標(biāo)系稱為主介電坐標(biāo)系（主坐標(biāo)系），這三個方向為晶體的主軸方向。此時：,準(zhǔn)確描述出晶體的介電常數(shù) ，要給出一個橢球方程：介電常數(shù)，其取值是E和D之方向的函數(shù)，此方程正好能說明介電常數(shù)取值的空間分布。這樣的量，叫晶體的介電張量。它是描述晶體光學(xué)各向異性的基本物理量。,2、雙折射,（1）、雙折

5、射現(xiàn)象 同一束入射光射到晶體，折射后分成兩束光的現(xiàn)象稱為雙折射。（冰洲石：CaCO3，方解石的一種）,（2）、o光和e光,一束平行光線照射到晶體表面，在晶體內(nèi)的兩條折射線中，一條總是符合普通的折射定律稱為尋常光——o光，而另一條卻常常違背它，稱之為非尋常光——e光.（o光、e光只是在晶體里面有意義）(ordinary \exception),,,(3)、晶體的光軸 在晶體中存在著一個特殊的方向，光線沿

6、著這個方向傳播時，o光和e光不分開，這個特殊的方向稱為晶體的光軸。Note：光軸不是一條線，而是一個方向。,(5)、單軸晶體、雙軸晶體 只有一個光軸方向的晶體稱為單晶體。 如：冰洲石、石英、紅寶石、冰等。 有兩個光軸方向的晶體，稱為雙晶體。如：云母、蘭寶石、橄欖石、硫磺等。,在單軸晶體中，o光傳播規(guī)律與普通各向同性媒質(zhì)中一樣，沿各個方向的傳播速度v0相同，其波面是球面。e光沿各個方向的傳播速度不相同，沿光

7、軸方向傳播速度與o光一樣，也是v0 ，沿垂直光軸方向的傳播速度是另一數(shù)值ve，沿其它方向傳播速度v介于v0與ve之間，其波面是一橢球面。,（6）主折射率 對于o光晶體的折射率 no=c/ v0 ,但對e光，因為它不服從普通的折射定律，不能簡單地用一個折射率來反映它折射的規(guī)律。通常仍把真空光速c與e光沿垂直于光軸傳播時的速度ve之比也叫做它的折射率,用ne表示， ne=c/ve,（7）、負晶體、正晶體,負晶體（冰洲石）:

8、 ve ＞ v0 no ＞ne（內(nèi)切球）,正晶體（石英）: ve ＜ v0 no＜ne （外切球）,,（4）、主平面 晶體中某條光線與晶體光軸構(gòu)成的平面，稱為主平面。 o光的偏振：電矢量的振動方向與主平面垂直。 e光的偏振：電矢量的振動方向與主平面平行。,第七章 光輻射的調(diào)制,7.1 機械調(diào)制7.2 電光調(diào)制7.3 聲光調(diào)制7.4 磁光調(diào)制

9、,光輻射的調(diào)制是用數(shù)字或模擬信號改變光波波形的幅度、頻率或相位的過程,在光通信系統(tǒng)中， 需要把聲音、圖像、數(shù)據(jù)信息加載到光波上進行傳輸。,在光電檢測系統(tǒng)中， 使探測光為調(diào)制光，可以比非調(diào)制光 具有更強的抗干擾能力。,光輻射的調(diào)制方法：,內(nèi)調(diào)制：即LD和LED的直接調(diào)制,外調(diào)制：將光源與調(diào)制器分開設(shè)立,外調(diào)制器：,機械調(diào)制、電光調(diào)制聲光調(diào)制、磁光調(diào)制,外調(diào)制技術(shù)適用于所有光源。,7.1 機械調(diào)制,利用斬波器通斷光通

10、量，使探測光成為調(diào)制光。,調(diào)制光并配上合適的有源帶通濾波器，以克服雜散光的干擾 。,斬波器,有源帶通濾波器,探測器輸出的光電流,設(shè)計有源帶通濾波器，f0為方波頻率。通頻帶△f窄，雜散光被濾去。,優(yōu)點：容易實現(xiàn)；能對輻射的任何光譜成分進行調(diào)制。缺點：有運動部分，壽命較短，體積較大，調(diào)制頻率不高。,一些機械調(diào)制裝置,7.2 電光調(diào)制,在強電場作用下介質(zhì)折射率改變而產(chǎn)生的光調(diào)制。適用于單色光源。,一、電光效應(yīng),線性電光效應(yīng)（Pockels）

11、,二次電光效應(yīng)（Kerr）,介質(zhì)原本是單軸晶體。,介質(zhì)原本是各向同性晶體。,電光調(diào)制基于線性電光效應(yīng)。,1. 的縱向電光效應(yīng),KDP負單軸晶體,強電場E//Z軸,KDP變?yōu)殡p軸晶體；線偏振光沿Z軸入射，分解成X、Y方向上振幅相同的兩個線偏振光。,光傳播方向與電場方向一致,與X軸對應(yīng)的主折射率：,,與Y軸對應(yīng)的主折射率：,,式中，no為KDP晶體o光折射率， 為電光系數(shù)。,X、Y方向兩偏振光射出晶體時有光程差:,,則相位差為：,半波電

12、壓 :,,造成光程差,,,2. 的橫向電光效應(yīng),光傳播方向與電場方向垂直,對KDP晶體采用45°-Z切。強電場E//Z軸,KDP變?yōu)殡p軸晶體。入射光沿X軸方向進入晶體，其偏振方向與Z、Y成45°，在晶體中分解為Z、Y方向兩個振幅相同的線偏振光。,,與Z軸對應(yīng)的主折射率：,,與Y軸對應(yīng)的主折射率：,,式中ne是晶體e光折射率，E=U/d，U為外加電壓。,兩個線偏振光射出晶體時有光程差：,則相位差為：,

13、消除自然雙折射,橫向電光效應(yīng)的優(yōu)點：適當(dāng)?shù)卦黾?L/d ，就可以增強電光效應(yīng)的作用而降低晶體上所需的電壓；電極設(shè)在橫向，不影響光的傳播；在外加電壓 U一定時，加長晶體通光長度并不影響晶體內(nèi)的電場強度，因而可以加長晶體長度獲得較大的相位延遲。,半波電壓 為:,,通常，縱向 是數(shù)千伏，橫向 只是數(shù)百伏。,3.電光晶體材料,用于線性電光效應(yīng)的電光晶體，除要求電光效應(yīng)強以外，還需綜合考慮：對使用的波段要有較高的

14、透過率；光學(xué)均勻性好、耐壓高；對光波和調(diào)制波的損耗??；折射率隨溫度的變化較??；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易于獲得大尺寸晶體等。,、,在可見和近紅外區(qū)主要有KDP類晶體、LiTaO3、LiNbO3、KTN等。在中紅外區(qū)有GaAs、Cucl、CdTe等。,KDP類晶體、LiNbO3（LN）晶體應(yīng)用廣泛。,見表2.1,二、電光強度（或振幅）調(diào)制,在Pockels效應(yīng)中，通過晶體的兩正交線偏振光形成了固定的相位差δ。,在晶體的光輸出端后置檢偏器P2，

15、使N2⊥N1。,透過檢偏器P2的光強I2便受到電信號的調(diào)制。,橫向電光調(diào)制裝置,分析橫向電光調(diào)制：,入射光(光強I1）進入晶體，其振幅A1分解成Az、Ay：,,兩線偏振光到達檢偏器，能透過P2的光振幅：,這兩個線偏振光射出晶體，有固定相位差：,,二者有固定相位差π+δ，,則通過P2的光強：,式中，,,,的關(guān)系曲線,選取工作點：,若要得到光強隨時間正弦變化的調(diào)制光,,可使調(diào)制電壓為：,則有：,式中，,可在光路中插入,波晶片，取代,,則只

16、需在晶體上加調(diào)制電壓,就可得到正弦調(diào)制光強。,是聲音、圖像、數(shù)據(jù)電信號，,若,則有,泡克爾斯（Pockels）電光調(diào)制器線性好，性能穩(wěn)定，可得到很高的調(diào)制頻率。,三、電光相位調(diào)制,在電光效應(yīng)裝置圖2.6、圖2.7中，若使起偏器透光方向N1與雙軸晶體的其中一個光軸平行，則僅是一個線偏振光通過晶體，其位相被電信號調(diào)制。,在右圖中，若,,Y偏振光的折射率,，,在晶體入射面處光場為,,則光通過晶體后的光場：,式中，略去常數(shù)相位因子：,,,則,可

17、見，該光波的位相因子受電壓U影響。,設(shè)U為正弦調(diào)制電壓,,令,則有：,,可見，該輸出光波的位相受到電信號的調(diào)制。,四、電光調(diào)制的頻率特性（不講）,實際應(yīng)用中，需要電光調(diào)制器達到高的調(diào)制頻率和足夠?qū)挼恼{(diào)制帶寬。影響調(diào)制頻率和調(diào)制帶寬的主要因素為：,1.光在晶體中的傳輸時間,,當(dāng)調(diào)制頻率很高時，在 的時間內(nèi)，外電場會發(fā)生可觀的變化。光通過晶體的不同部位時，其相位延遲不同，這就限制了調(diào)制頻率。,2.晶體諧振電路的帶寬,實用中，電

18、光調(diào)制器構(gòu)成諧振電路：,調(diào)制波與光波以相同速度在晶體中傳播，調(diào)制頻率可達幾個 。,為了適應(yīng)高頻率寬頻帶調(diào)制信號的要求，采用行波調(diào)制器。,,調(diào)制帶寬僅在ω0,附近的有限頻帶內(nèi)。,,五、光波導(dǎo)調(diào)制器,晶體制作的電光調(diào)制器屬于體調(diào)制器，需要施加相當(dāng)高的電壓，才能實現(xiàn)電光調(diào)制。,光波導(dǎo)調(diào)制器可以把光場限制在很小的區(qū)域里，從而大大降低所需要的調(diào)制電壓和調(diào)制功率。,光波導(dǎo)寬度d 極窄，遠小于長度L。采用橫向電光調(diào)制，半波電壓可為幾伏。調(diào)

19、制頻率可達100GHz。,相位調(diào)制器,,M-Z干涉型強度調(diào)制器,,定向耦合器型強度調(diào)制器,在高速光通信中有很好的應(yīng)用價值,研究動向：用聚合物來形成各向異性材料。,7.3 聲光調(diào)制,利用超聲波引起介質(zhì)折射率變化而產(chǎn)生的光調(diào)制。,一、聲光效應(yīng),適用于單色光源,驅(qū)動電源電-聲換能器聲光介質(zhì),,,形成聲光柵，柵距,,聲光效應(yīng)分為兩種類型：,入射光波被聲光柵衍射，衍射光的強度、頻率、方向等都隨超聲場變化。這就是聲光效應(yīng)。,拉曼-奈斯衍射

20、,布拉格衍射,只有零級、1級衍射光,產(chǎn)生多級衍射光,聲光調(diào)制器采用布拉格（Bragg）衍射,布拉格衍射條件：,,,零級、1級衍射光強：,,,式中，為聲光效應(yīng)產(chǎn)生的附加相移：,有應(yīng)用價值的是一級衍射光,,式中， 為聲光介質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)。,應(yīng)選擇 大的材料，常用聲光介質(zhì)見表2.2。,二、聲光調(diào)制,布拉格聲光調(diào)制器,,,的關(guān)系曲線,選取工作點：,若使 作正弦變化，頻率為ω，,則有,,,要實現(xiàn)光強調(diào)制，超

21、聲波應(yīng)是高頻調(diào)幅波，則電-聲換能器上驅(qū)動信號應(yīng)是高頻調(diào)幅電信號.,高頻振蕩（ωs）激發(fā)聲光柵，產(chǎn)生布拉格衍射。,振幅調(diào)制（ω）使衍射光成為調(diào)制光。,將圖像、聲音信號加載到高頻振蕩（ωs）上，則衍射光就攜帶了圖像、聲音信號。,三、聲光調(diào)制器的調(diào)制帶寬,聲波以比光波慢得多的速度在介質(zhì)中傳播。因此聲波通過寬度為b的光束需要較長的渡越時間τ：,,這就對最高的調(diào)制頻率帶來限制：,,為了提高,,選取 大的聲光介質(zhì)：,用細束（b小）激光

22、用較高的ωs,聲光調(diào)制器的調(diào)制帶寬不如電光調(diào)制器,但它光能利用率高,所需要的驅(qū)動功率小。在激光打印機、激光印刷設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。,7.4 磁光調(diào)制,一、磁光效應(yīng),磁場也能使晶體產(chǎn)生光各向異性，稱為磁光效應(yīng)。,1.法拉第效應(yīng),光波通過磁光介質(zhì)、平行于磁場方向傳播，線偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。,磁致旋光,,K:Verdet常數(shù)，與材料、波長相關(guān)。,非互易性：磁致旋光的方向決定于磁場方向 而

23、與光傳播方向無關(guān)。,以順著磁場方向為基準(zhǔn)， 光矢右旋（K>0），介質(zhì)為正旋體， 光矢左旋（K<0），介質(zhì)為負旋體。,非互易性的直接應(yīng)用是光隔離器。在法拉第效應(yīng)裝置中，設(shè)計N1、N2成45°角，線圈電流產(chǎn)生的磁場造成旋光角45°。入射線偏振光的光矢右旋45°，剛好通過檢偏器，光從左向右導(dǎo)通 ；若光從檢偏器端射入，線偏振光通過介質(zhì)仍然右旋45°，光矢與N1方向垂直，不能

24、通過起偏器，從右向左不導(dǎo)通。,光隔離器是光通信系統(tǒng)中必不可少的器件。,2.克爾效應(yīng),反射光的偏振方向隨磁場改變的現(xiàn)象。克爾效應(yīng)主要應(yīng)用在光磁存儲中。,光波在鐵磁材料表面反射時，,鐵磁材料（如YIG）的磁化強度比非鐵磁介質(zhì)強得多。,二、磁光調(diào)制,：飽和磁化強度,,基于法拉第效應(yīng)。θ隨電信號改變，從而使出射光被調(diào)制。,目前只在紅外波段（1～5）μm實現(xiàn)，調(diào)制頻率不高。,1、請證明橫向電光調(diào)制 的半波電壓為：,,2、請推導(dǎo)橫向電

25、光調(diào)制輸出光強比與調(diào)制電壓的關(guān)系：,并簡要畫出其的關(guān)系曲線,3、在半波電壓對KDP晶體縱向電光調(diào)制中，一束激光波長為1.06μm時，計算縱向半波電壓。（10分）,解：由,5分得,5分,倘若要減小半波電壓值為14.5 V，晶體通光長度為0.05m，則采用橫向電光調(diào)制，晶體的厚度至少為多少？,4、一縱向運用的KDP電光調(diào)制器，長為 2cm，折射率為2.5，,，工作頻率為1000kHz，則此時光在晶體中的渡越時間

26、為,是多少?,渡越時間為：,,5、一束線偏振光經(jīng)過長L=25cm，直徑D=1cm的實心玻璃，玻璃外繞N=250匝導(dǎo)線，通有電流I=5A。取韋爾德常數(shù)為V=0.25?10-5（?）/cm·T，試計算光的旋轉(zhuǎn)角?。解：由公式,（3分）,和 （3分）,（2分）計算得到,（2分）。,張永林版本P52 2.2 說明利用線性的橫向電光調(diào)制的原理。畫出橫向電光調(diào)制的裝置圖，說明其中各個器件的作用。倘若在K