第五章光调制技术单倍间距

1、第五章光调制技术光信息系统的信号加载与控制1.高级晶族、中级晶族、低级晶族的折射率椭球各有何特点？低级晶族的折射率椭球具有，因而在其波振面截面图上可以发现有两条光轴，这种晶体称为双轴晶体；中级晶族三个主折射率中有两个主折射率相等，一般取相等的两折射率为、，于是，这种晶体仅有一条光轴，称为单轴晶体，单轴晶体的波氏面由一个球面和一个旋转椭球面组成，旋转椭球面的旋转轴即为光轴；高级晶族，其两个波振面重合，晶体不再呈现双折射，在线性情况下，其特性与各向同性晶体一样，但是在非线性下，会出现高阶介电张量，其情况就与各向同性晶体不同。2.什么叫双折射现象？如何确定单轴与双轴晶体的光轴？ 所谓双折射现象是指光

2、在各向异性介电晶体中传播时，分为两束偏折方向不同的光，向两个方向折射。 确定晶体的光轴可由波氏面确定，波氏面由两层曲面组成。两层曲面通常有四个公共点，通过原点和这些公共点连线方向传播的两个波有相同的相速度，这些方向就是光轴的方向。3.说明波氏图、折射率图及折射率椭球之间的区别 ；简述折射率椭球的性质。波氏面图是由波氏K与传播方向的关系决定的一个K空间的三维曲面，在这个表面上的任意给定点离开原点的距离等于沿着该方向传播的光波波氏大小。这一波氏面由两层曲面组成。与波氏面图对应的就有折射率面，它表示折射率随传播方向的变化，在这一表面上，任意给定点离开原点的距离等于沿着这个方向传播的光波的折射率。折射

3、率椭球是晶体光学各向异性的几何表示，也叫光率体。它可以确定两个允许传输波的偏振方向及其相速度。在直角主介电坐标系中，两个波面沿三个主轴的分量可用通式表示。式中、为沿三个主坐标轴的主折射率，在xyz主介电坐标系中常用、来直观地表示。有性质：折射率椭球任一矢径的方向，表示光波电位移矢量D的一个方向。矢径长度表示D沿矢径方向振动的光波的折射率。对于任意给定的波氏k，利用折射率椭球可求光波D的偏振方向及相应折射率：通过原点作k的垂面，与折射率椭球相交得一椭圆截面，则这一椭圆截面的两个轴即为两个偏振允许方向，两个轴的长度、为相应的折射率，对应的相速度为、。4.给定折射率椭球和光波波氏方向，如何确定主折射

4、率方向？通过原点作k的垂面，与折射率椭球相交得一椭圆截面，则这一椭圆截面的两个轴即为两个偏振允许方向，两个轴的长度、为相应的折射率，对应的相速度为、。.5.晶体波正单轴晶体的折射率、的大小关系如何？写出其折射率椭球表达式，并画出正单轴氏面截面图。 正单轴晶体，其折射率椭球方程为.6.简述电光衍射与声光衍射发生的物理机制。通常我们认为一个材料的介电常量与外场无关，为恒值，但理论和试验均证明，介电常量是随电场强度而变化的，只不过一般情况下外加电场较弱，我们可以作弱场近似，认为介电常量与电场强度无关；但当光介质的两端所加外加电场较强时，介质内的电子分布状态将发生变化，以致介质的极化强度以及折射率也各

5、向异性地发生变化。此外，这种效应迟豫时间很短，仅有量级，外加电场地施加或撤销导致地折射变化或恢复瞬间即可完成。 声波的应变场也能改变某些类型晶体地折射率，由于声波的周期性，会引起折射率的周期性变化，产生类似于光栅的光学结构，超声波引起晶体的应变场，使射入晶体中的光波被这种弹性波衍射。.7.简述磁光偏转与天然双折射之间的区别。天然旋光效应与磁光效应的本质区别在于：光束返回通过天然旋光介质时，旋转角度与正向入射时相反，因而往返通过介质的总效果是偏转角为零；而由于磁致旋光方向与磁场方向有关，而与光的传播方向无关，因而光往返通过法拉第旋光物质时，偏转角度增加一倍。.8.什么叫声光调制？分哪几种类型？其

6、判据是什么？声波的应变场也能改变某些类型晶体地折射率，由于声波的周期性，会引起折射率的周期性变化，产生类似于光栅的光学结构，从而对入射的光波产生调制，这种调制称为声光调制。按照超声波频率的高低和光波相对声场的入射角度及两者相互作用的长度，将声光衍射分为拉曼奈斯衍射和布拉格衍射两类。拉曼奈斯衍射与布拉格衍射的判断依据用声光相互作用特征长度来表示 拉曼奈斯衍射 布拉格衍射 过渡区 9.用镜面反射模型分析形成声光布拉格衍射的条件。参考图5-17。为简单起见，暂且不考虑这些反射镜的移动。在某一给定方向上发生衍射的必要条件是：在同一镜面上的各点对该方向衍射有贡献的反射波必须同相，以产生相长干涉。考虑图中

7、的C和B两点，欲在角方向产生衍射，则要求光程差是光波波长的整数倍，即 ()显然，只有当时，同一镜面上的所有点才能同时满足这一条件，由此得 即要求入射角等于衍射角。除此以外，还要求从光波穿过的任意两等价声波波阵面的反射光沿该方向同相叠加。在图中，欲使从相隔的两个声波波阵面上的反射波形成同一光波波面，其光程差必须等于光波波长的整数倍，在条件下，即有 （） 当一定时，若角满足1级（m=1）衍射光条件，就不可能出现其他高级衍射光。于是，在式中取m=1,便得到布拉格衍射条件式中即称为布拉格角。.10.若给KDP晶体加以x向电场，试求其折射率椭球表达式。给KDP晶体加以x向电场，则,代入新折射率椭球方程得

8、 设新主轴相对于旧主轴旋转了角度，则新旧坐标系之间有关系，将此式代入上式中，并整理得 要使上述方程主轴化，则需令交叉项系数为零，即 解之得 由于，因而 将之代入椭球方程，得新主轴坐标系中的折射率椭球方程变为11.要想用KDP晶体做成z向加电场，45x向偏振光沿y向传播的横向电光强度调制器，推导折射率椭球表达式及输出光强表达式，画出调制器原理图，说明调制原理，并画出其调制特性曲线。外加电场平行于光轴也就是E的三个分量中只有不为零，即 于是新折射率椭球为 设新主轴相对旧主轴旋转了角度，则新旧坐标系之间有关系 将此式代入上式并整理得要使成为新主轴，则需令交叉项为零，即，由此可得，也就是说施加z向电场

9、时，在新主轴坐标系中，折射率椭球方程变为 根据与n的关系，并考虑线性电光效应引起的折射率引起的折射率变化相对于原折射率应是一个无穷小量，可近似得：外加电场方向沿Z轴方向，晶体的主轴x,y轴也将旋转至，方向，入射光沿轴方向入射并与z轴垂直，偏振方向如图所示，沿x轴。设入射光经起偏片后强度为， 于是 经过长的晶体后，z两偏振分量间有相位延迟，于是 再经过波片，又引入的相位延迟 于是检偏器出射光总场强为、沿 垂直于x方向分量的总和 出射光强 于是出射光强与入射光强之比为 又 将此式代入上式，得：在KDP晶体横向调制器中，自然双折射的影响会导致调制光发生畸变，甚至使调制器不能正常工作。在实际应用中，主

10、要采用一种“组合调制器”的结构予以补偿。例如：两块晶体的z轴和轴互相反相平行排列，中间放置波片。当线偏振光沿轴方向入射第一块晶体时，电矢量分解为沿z轴方向的光和沿方向的光两个分量，当它们经过第一块晶体后，两束光的相位差：经过波片后，两束光的偏振方向各旋转，经过第二块晶体后，原来的光变成了光，光变成了光，则它们经过第二块晶体后，其相位差于是，通过两块晶体之后的总相位差为：因此，若两块晶体的尺寸、性能及受外界影响完全相同，则自然的双折射影响即可得到补偿。根据上式，当时，半波电压为将此式代入上式，得：由于调制电压幅值一般远小于半波电压，即，因而上式可近似为 设输入电压为正弦调制电压，即 式中，为调制

11、电压幅值，为调制频率，于是有画出与的关系曲线参看教材附图。12.某晶体在550nm时的，无外场时的主折射率为1.58，求其半波电压。13.一个拉曼奈斯声光调制器，晶体折射率为n=1.46，声波速度,频率为，光波波长，证明最大声光耦合长度为，并求该晶体的最大声光耦合长度。 由拉曼奈斯衍射判断依据得，故最大耦合长度 将数据代入得： 注：此题解答中与题目证明结果不一样。.14.有一声光偏转器，以重火石玻璃为声光介质，声波中心频率为，带宽是，入射光束直径是，查得声速，求偏转器的偏转时间和分辨点数N。注：此题没有用上中心频率为条件。第六章 光电探测技术1.列出光探测器的基本参数并说明其含义。量子效率，又

12、称量子产率，是指一个入射光子所释放的平均电子数。它与入射光子能量（即入射光波长）有关。其表达式为，式中是入射到探测器上的光功率，是入射光产生的平均光电流大小，是单位时间内入射光子平均数，是单位时间产生的光电子平均数，是电子电荷。响应度R，为探测器输出信号电压与输入光功率P之比 单位为。灵敏度S，为探测器输出信号电流与输入光功率之比 R和S均用来描述探测器输出电信号与输入光功率的关系，均是波长的函数。入射光波长一定，则响应度与灵敏度确定。光谱响应，就是表征R（或S）随波长变化的特性参数。光谱响应中还有一个重要参量，称为响应峰值波长，它指相对光谱响应曲线中对应于最高响应率的辐射波长。噪声等效功率，

13、定义为相应于单位的信噪比的入射光功率，用来表征探测器探测能力，定义式为 越小，探测能力越强。探测度D，是的倒数，即单位辐射功率相应的信噪比 通常归一化探测度比前述D更能体现探测器性能。表示单位探测器面积、单位带宽的探测度，定义式为 式中，为探测器面积，为放大器带宽。频率响应，是描述光探测器响应度在入射光波长不变时，随入射光调制频率变化的特性参数。它是光探测器对加在光载波上的电调制信号的响应能力的反映，是表征光探测器频率特性的重要参数。除了以上7个基本参数以外，在使用探测器时还会遇到一下参数： 暗电流，指没有信号和背景辐射时通过探测器的电流； 工作温度，对于非冷却型探测器指环境温度，对于冷却型探

14、测器指冷却源标称温度； 响应时间，指探测器将入射辐射转变为信号电压或电流的驰豫时间； 光敏面积，指灵敏元的几何面积。2. 光探测器的物理效应主要有哪几类？每类有哪些典型效应？光电探测器的物理效应可以分为三大类：光电效应、光热效应和波相互作用效应。光电效应是入射光的光子与物质中的电子相互作用并产生载流子的效应，此处所指的是一种光子效应，也就是单个光子的性质对产生的电子直接作用的一类光电效应。根据效应发生的部位和性质，习惯上将其分为外光电效应和内光电效应。外光电效应是指发生在物质表面上的光电转换现象；内光电效应指发生在物质内部的光电转换现象。光热效应是物体吸收光，引起温度升高的一种效应。光热效应中

15、典型的有温差电效应和热释电效应。温差电效应指当两种不同的导体或半导体材料两端并联熔接时，在接点处可产生电动势，这种电动势的大小和方向与该接点处两种不同材料的性质和接点处温差有关，如果把这两种不同材料连接成回路，当两接头温度不同时，回路中即产生电流的现象，又称塞贝克效应。热释电效应指热点晶体的自发极化矢量随温度变化，从而使入射光可引起电容器改变的现象。波相互作用效应是指激光与某些敏感材料相互作用过程中产生的一些参量效应，包括非线性光学效应和超导量子效应等。3. 比较光子探测器和光热探测器在作用机理、性能及应用特点等方面的差异。在受到光的照射后，材料的电学性质发生了变化，（电导率改变、发射电子、产

16、生感应电动势等）的现象称为光电效应。某些物质在收到光照射后，由于温度变化而造材料性质发生变化的现象称为光热效应。在光电效应中，光子的能量直接变为光电子的能量。而在光热效应中，光能量与晶格相互作用，使其振动加剧，造成温度的升高。光热效应主要是通过对辐射能量的吸收来改变材料的某些物理性质，这种改变总是与温度的变化相联系的，而材料温度的变化仅取决于光功率（或其变化速率）而与入射光的光谱成分的关系不大。所以热探测基本属于无选择性的探测。另一方面热效应具有积累的特性，与探测器件的热容量及散热的快慢都有关。这也决定了热探测的另一特点，响应时间比较长，达到毫秒数量级。两者相比起来，光电探测方法对光波长的测量

17、是有选择的，这由光电效应的本质所决定。因此，光电探测的一大特点是选择性好，用一种材料制作的探测器，一般都由吸收峰值波长存在。另一方面，光电材料对入射光子的响应几乎是瞬间完成（微秒以至纳秒量级），因此，光电探测器的另一特点就是响应速度快。一般说来，光电探测方式由于其相对于热探测器的优越性（选择性高、响应快）而用途更广，但热探测器在某些领域的作用是光电探测器无法取代的。对热探测器，提高灵敏度及响应速度是努力的方向。4.说明内光电效应和外光电效应的差别。根据效应发生的部位和性质，习惯上将其分为外光电效应和内光电效应。外光电效应是指发生在物质表面上的光电转换现象,主要包括光阴极直接向外部放出电子的现象，典型的例子是物质表面的光电发射；内光电效应指发生在物质内部的光电转换现