第七章 光辐射的调制

1、1本课程评分方法本课程评分方法总成绩总成绩=平时平时成绩成绩 3040%+ 期末考试期末考试 7060% 缺席缺席 次数次数10平时平时成绩成绩 ：包括平时作业、课堂表现、讨论：包括平时作业、课堂表现、讨论及小论文等及小论文等缺席一次缺席一次 = 10分分每天提醒大家：每天提醒大家：我的个人信息：我的个人信息：手机：手机Q ：343931115 （天津的，没错！）（天津的，没错！）邮箱：邮箱：欢迎各位同学有事联系我！感谢！欢迎各位同学有事联系我！感谢！最后祝大家中秋、国庆最后祝大家中秋、国庆快乐！快乐！补充知识：补充知识：光波在晶体中的传播光波在晶体中的传播 0、晶体

2、光学的各向异性、晶体光学的各向异性 在许多晶体中，由于分子本身以及排列上的各向异性，必然地影响到晶体的物理性质。光波在晶体中传播时，其电场分量与物质相互作用也会随传播方向的不同而有所不同，表现为各向异性。晶体在光学上的各向异性，究其根源有两条。晶体在光学上的各向异性，究其根源有两条。1：组成晶体的各基元（原子、分子或离子），本：组成晶体的各基元（原子、分子或离子），本身就是各向异性的。当它们按照某种规则组合在一身就是各向异性的。当它们按照某种规则组合在一起的时候，在宏观上就可表现出各向异性来。起的时候，在宏观上就可表现出各向异性来。2：各向同性的基元，如果在晶体中的排列方式存：各向同性的基元，

3、如果在晶体中的排列方式存在着各向异性，也可以在宏观上表现出各向异性来。在着各向异性，也可以在宏观上表现出各向异性来。3：晶体的各向异性，其实就是晶体对入射光的作：晶体的各向异性，其实就是晶体对入射光的作用，在不同方向上有着不同的用，在不同方向上有着不同的反应能力反应能力-晶体中晶体中束缚电荷，在光波电场作用下的束缚电荷，在光波电场作用下的位移量位移量。不同的位。不同的位移量，对应着不同的移量，对应着不同的媒质极化媒质极化。表征媒质极化状态。表征媒质极化状态的客观量就是的客观量就是介电常数介电常数 。1 1、介电张量、介电张量jijjEP0在各向异性晶体中，极化强度与电场的关系为：:是电极化率二

4、阶张量其中ij. 3 , 2 , 1,ji333231232221131211其表明，极化强度分量不仅与同方向的电场分量有关，其表明，极化强度分量不仅与同方向的电场分量有关，还会受到另外两个方向的电场分量的影响。极化强度还会受到另外两个方向的电场分量的影响。极化强度与电场强度方向一般不一致与电场强度方向一般不一致PED0)1 (0jijjED333231232221131211)1 (0ijij 可以找到这样的方向，当电场沿可以找到这样的方向，当电场沿着这个方向时，晶体也在着这个方向时，晶体也在该方该方向向极化，电场强度和极化强度方向极化，电场强度和极化强度方向一致，介电张量的非对角元素为一致

5、，介电张量的非对角元素为零。这样的三个方向构成的坐标零。这样的三个方向构成的坐标系称为主介电坐标系（主坐标系称为主介电坐标系（主坐标系），这三个方向为晶体的主轴系），这三个方向为晶体的主轴方向。此时：方向。此时：zyxzyxEEEDDD332211000000jijjEP0准确描述出晶体的准确描述出晶体的介电常数介电常数 ，要给出一个椭球，要给出一个椭球方程：方程：介电常数，其取值是介电常数，其取值是E和和D之方向的函数，此方程之方向的函数，此方程正好能说明介电常数取值的空间分布。这样的量，正好能说明介电常数取值的空间分布。这样的量，叫晶体的叫晶体的介电张量介电张量。它是描述晶体光学各向异性的

6、。它是描述晶体光学各向异性的基本物理量。基本物理量。1222222zyxnznynx2、双折射、双折射（1）、双折射现象 同一束入射光射到晶体，折射后分成两束光的现象称为双折射。（冰洲石：CaCO3，方解石的一种）（2）、o光和e光一束平行光线照射到晶体表面，在晶体内的两条折射线中，一条总是符合普通的折射定律称为寻常光总是符合普通的折射定律称为寻常光o光，而另一条却常常违背它，称之为非寻常光另一条却常常违背它，称之为非寻常光e光.（o光、e光只是在晶体里面有意义）(ordinary exception)(3)、晶体的光轴晶体的光轴 在晶体中存在着一在晶体中存在着一个特殊的方向，光线沿个特殊的方

7、向，光线沿着这个方向传播时，着这个方向传播时，o光光和和e光不分开，这个特殊光不分开，这个特殊的方向称为晶体的光轴。的方向称为晶体的光轴。Note：光轴不是一条线，光轴不是一条线，而是一个方向而是一个方向。102AB光轴光轴787878102102（4）、主平面 晶体中某条光线与晶体光轴某条光线与晶体光轴构成的平面，称为主平面。 o光的偏振：电矢量的振动方向与主平面光的偏振：电矢量的振动方向与主平面垂直。垂直。 e光的偏振：电矢量的振动方向与主平面光的偏振：电矢量的振动方向与主平面平行。平行。(5)、单轴晶体、双轴晶体 只有一个光轴方向的晶体称为单晶体。 如：冰洲石、石英、红宝石、冰等。 有两

8、个光轴方向的晶体，称为双晶体。如：云母、兰宝石、橄榄石、硫磺等。 在单轴晶体中，o光传播规律与普通各向同性媒质中一样，沿各个方向的传播速度v0相同，其波面是球面。e光沿各个方向的传播速度不相同，沿光轴方向传播速度与o光一样，也是v0 ，沿垂直光轴方向的传播速度是另一数值ve，沿其它方向传播速度v介于v0与ve之间，其波面是一椭球面。（6）主折射率 对于o光晶体的折射率 no=c/ v0 ,但对e光，因为它不服从普通的折射定律，不能简单地用一个折射率来反映它折射的规律。通常仍把真空光速c与e光沿垂直于光轴传播时的速度ve之比也叫做它的折射率,用ne表示， ne=c/ve（7）、负晶体、正晶体负晶

9、体（冰洲石）: ve v0 no ne（内切球）正晶体（石英）: ve v0 none （外切球） 7.1 7.1 机械调制机械调制利用斩波器通断光通量，使利用斩波器通断光通量，使探测光成为调制光。探测光成为调制光。调制光并配上合适的有源带通滤波器，以调制光并配上合适的有源带通滤波器，以克服杂散光的干扰克服杂散光的干扰 。斩波器斩波器有源带通有源带通滤波器滤波器探测器输出的光电流探测器输出的光电流设计有源带通滤波器，设计有源带通滤波器，f f0 0为方波频率。通频带为方波频率。通频带f f窄，杂散光被滤去。窄，杂散光被滤去。 优点：容易优点：容易实现；能对实现；能对辐射的任何辐射的任何光谱成分

10、进光谱成分进行调制。行调制。缺点：有运缺点：有运动部分，寿动部分，寿命较短，体命较短，体积较大，调积较大，调制频率不高。制频率不高。一些机械调制装置一些机械调制装置7.2 7.2 电光调制电光调制在强电场作用下介质折射率改变而产在强电场作用下介质折射率改变而产生的光调制。生的光调制。适用于单色光源。适用于单色光源。一、电光效应一、电光效应 线性电光效应线性电光效应（PockelsPockels）nE二次电光效应二次电光效应（KerrKerr）2nE介质原本是单轴晶体。介质原本是单轴晶体。介质原本是各向同性晶体。介质原本是各向同性晶体。 电光调制基于线性电光效应。电光调制基于线性电光效应。631

11、. 1. 的纵向电光效应的纵向电光效应KDPKDP负单轴晶体负单轴晶体 切Z强电场强电场E/ZE/Z轴轴,KDP,KDP变为双轴晶体；变为双轴晶体；线偏振光沿线偏振光沿Z Z轴入射，分解成轴入射，分解成X X、Y Y方向上振幅相同的两个线偏振光。方向上振幅相同的两个线偏振光。光传播方向与光传播方向与电场方向一致电场方向一致与与X X轴对应的主折射率：轴对应的主折射率： Ennn63302101与与Y Y轴对应的主折射率轴对应的主折射率：Ennn63302102 式中，式中，n no o为为KDPKDP晶体晶体o o光折射率，光折射率， 为电光系数。为电光系数。63X X、Y Y方向两偏振光射出

12、晶体时有光程差方向两偏振光射出晶体时有光程差: :3321063063()nn LnELnU 则相位差为：则相位差为：306322nU 半波电压半波电压 : 320632Un造成光程差造成光程差2/ /2U2. 2. 的横向电光效应的横向电光效应63光传播方向与光传播方向与电场方向垂直电场方向垂直对对KDPKDP晶体采用晶体采用4545-Z-Z切。强电场切。强电场E/ZE/Z轴轴,KDP,KDP变为双轴晶体。变为双轴晶体。入射光沿入射光沿X X轴方向进入晶体，轴方向进入晶体，其偏振方向与其偏振方向与Z Z、Y Y成成4545，在晶体中分解为，在晶体中分解为Z Z、Y Y方向两个振幅相同的线偏振

13、光。方向两个振幅相同的线偏振光。与与Z Z轴对应的主折射率：轴对应的主折射率：enn 3与与Y Y轴对应的主折射率：轴对应的主折射率： Ennn63302102式中式中n ne e是晶体是晶体e e光折射率，光折射率，E=U/dE=U/d，U U为外加电压。为外加电压。两个线偏振光射出晶体时有光程差：两个线偏振光射出晶体时有光程差：32300631()()2ennLnnLnEL 则相位差为：则相位差为：3006322()eLnn LnUd 消除自然双折射消除自然双折射30632LnUd横向电光效应的优点：横向电光效应的优点：适当地增加适当地增加 L/d L/d ，就可以增强电光效应的作用，就可

14、以增强电光效应的作用而降低晶体上所需的电压；电极设在横向，不影而降低晶体上所需的电压；电极设在横向，不影响光的传播；在外加电压响光的传播；在外加电压 U U一定时，加长晶体通一定时，加长晶体通光长度并不影响晶体内的电场强度，因而可以加光长度并不影响晶体内的电场强度，因而可以加长晶体长度获得较大的相位延迟。长晶体长度获得较大的相位延迟。半波电压半波电压 为为:/2U320632dUnL通常，纵向通常，纵向 是数千伏，是数千伏，横向横向 只是数百伏。只是数百伏。/2U/2U3.3.电光晶体材料电光晶体材料 用于线性电光效应的电光晶体，除要求电光用于线性电光效应的电光晶体，除要求电光效应强以外，还需

15、综合考虑：效应强以外，还需综合考虑：对使用的波段要有较高的透过率；光学均匀对使用的波段要有较高的透过率；光学均匀性好、耐压高；对光波和调制波的损耗小；性好、耐压高；对光波和调制波的损耗小；折射率随温度的变化较小；折射率随温度的变化较小；化学性质稳定，易于获得大尺寸晶体等。化学性质稳定，易于获得大尺寸晶体等。 、在可见和近红外区主要有在可见和近红外区主要有KDPKDP类晶体、类晶体、LiTaOLiTaO3 3、LiNbOLiNbO3 3、KTNKTN等。等。在中红外区有在中红外区有GaAsGaAs、CuclCucl、CdTeCdTe等。等。 KDPKDP类晶体、类晶体、LiNbOLiNbO3 3

16、（LNLN）晶体应用广泛。）晶体应用广泛。见表见表2.12.1二、电光强度（或振幅）调制二、电光强度（或振幅）调制在在PockelsPockels效应中，通过晶体的两正交线效应中，通过晶体的两正交线偏振光形成了固定的相位差偏振光形成了固定的相位差。在晶体的在晶体的光输出端光输出端后置检偏后置检偏器器P P2 2，使使N N2 2NN1 1。透过检偏器透过检偏器P P2 2的光强的光强I I2 2便受到电信号的调制。便受到电信号的调制。横向电光调制装置横向电光调制装置分析横向电光调制：分析横向电光调制：入射光入射光( (光强光强I I1 1）进入晶体，）进入晶体，其振幅其振幅A A1 1分解成分

17、解成A Az z、A Ay y：45cos1AAAyz两线偏振光到达检偏器，能透过两线偏振光到达检偏器，能透过P P2 2的光振幅：的光振幅：2121cos45cos 452zzAAAA这两个线偏振光射出晶这两个线偏振光射出晶体，有固定相位差：体，有固定相位差：30632LnUd245cos45cos1212AAAAyy二者有固定相位差二者有固定相位差+，则通过则通过P P2 2的光强：的光强：2222222222222112cos()22cos(1 cos )sin22zyzyyyIAAA AAAAI 式中，式中， 2U21/IIU的关系曲线的关系曲线 21210.5sin0.5sinmmI

18、tIIIIt2121(,/0.5)2UUII选取工作点：选取工作点：若要得到光强随时间正弦变化的调制光若要得到光强随时间正弦变化的调制光,可使调制电压为：可使调制电压为：21sin2mUUUt则有：则有：式中，式中，1IImm可在光路中插入可在光路中插入4/波晶片，取代波晶片，取代 212U则只需在晶体上加调制电压则只需在晶体上加调制电压sinmUUt就可得到正弦调制光强。就可得到正弦调制光强。 是声音、图像、数据电信号，是声音、图像、数据电信号， mUU f t若若 f t 210.5mIII f t则有则有泡克尔斯（泡克尔斯（PockelsPockels）电光调制器线性好，）电光调制器线性

19、好，性能稳定，可得到很高的调制频率。性能稳定，可得到很高的调制频率。 三、电光相位调制三、电光相位调制在电光效应装置在电光效应装置图图2.62.6、图、图2.72.7中，中，若使起若使起偏器透光方向偏器透光方向N N1 1与双轴晶体的其中一个光与双轴晶体的其中一个光轴平行，轴平行，则仅是一个线偏振光通过晶体，则仅是一个线偏振光通过晶体，其位相被电信号调制。其位相被电信号调制。 YN /1在右图中，若在右图中，若 Y Y偏振光的偏振光的折射率折射率32006312nnnE， 在晶体入射面处光场为在晶体入射面处光场为cosyiEAt 则光通过晶体后的光场：则光通过晶体后的光场：300631cos(

20、)2yoLEAtnnEc式中，式中，略去常数相位因子：略去常数相位因子：0ncL30631cos2yoLEAtnUc d则则可见，该光波的位相因子受电压可见，该光波的位相因子受电压U影响。影响。设设U为正为正弦弦调制电压调制电压sinmmUUt 令令306312mlbnUc d 则有：则有： cossinyomEAtbt可见，该输出光波的位相受到电信号的调制。可见，该输出光波的位相受到电信号的调制。四、电光调制的频率特性四、电光调制的频率特性（不讲）（不讲） 实际应用中，需要电光调制器达到高的实际应用中，需要电光调制器达到高的调制频率和足够宽的调制带宽。调制频率和足够宽的调制带宽。影响调制影响

21、调制频率和调制带宽的主要因素为：频率和调制带宽的主要因素为： 1.1.光在晶体中的传输时间光在晶体中的传输时间cLnd0当调制频率很高时，在当调制频率很高时，在 的时间内，外电场的时间内，外电场会发生可观的变化。光通过晶体的不同部位时，会发生可观的变化。光通过晶体的不同部位时，其相位延迟不同，其相位延迟不同，这就限制了调制频率。这就限制了调制频率。d2.2.晶体谐振电路的带宽晶体谐振电路的带宽实用中，电光调制器构成谐振电路：实用中，电光调制器构成谐振电路：调制波与光波以相同速调制波与光波以相同速度在晶体中传播，调制度在晶体中传播，调制频率可达几个频率可达几个 。 为了适应高频率宽频带为了适应高

22、频率宽频带调制信号的要求，采用调制信号的要求，采用行波调制器。行波调制器。 01LC调制带宽仅在调制带宽仅在0附近的有限频带内。附近的有限频带内。 GHz 五、光波导调制器五、光波导调制器晶体制作的电光调制器属于体调制器，需要施加晶体制作的电光调制器属于体调制器，需要施加相当高的电压，才能实现电光调制。相当高的电压，才能实现电光调制。光波导调制器可以把光场限制在很小的区域里，光波导调制器可以把光场限制在很小的区域里，从而大大降低所需要的调制电压和调制功率。从而大大降低所需要的调制电压和调制功率。光波导宽度光波导宽度d 极极窄，远小于长度窄，远小于长度L。采用横向电采用横向电光调制，半波电光调制

23、，半波电压可为几伏。压可为几伏。调制频率可达调制频率可达100GHz100GHz。相位调制器相位调制器M-ZM-Z干涉型强度调制器干涉型强度调制器2cos2iII 定向耦合器型强度调制器定向耦合器型强度调制器在高速光通信中有在高速光通信中有很好的应用价值很好的应用价值 研究动向：研究动向：用聚合物来用聚合物来形成各向异形成各向异性材料。性材料。 7.3 7.3 声光调制声光调制利用超声波引利用超声波引起介质折射率起介质折射率变化而产生的变化而产生的光调制。光调制。一、声光效应一、声光效应适用于单色光源适用于单色光源驱动电源驱动电源电电- -声换能器声换能器声光介质声光介质 形成声光栅，栅距形成

24、声光栅，栅距s 声光效应分为两种类型：声光效应分为两种类型：入射光波被声光栅衍射，衍射光的强度、频率、入射光波被声光栅衍射，衍射光的强度、频率、方向等都随超声场变化。这就是声光效应。方向等都随超声场变化。这就是声光效应。拉曼拉曼- -奈斯衍射奈斯衍射 布拉格衍射布拉格衍射只有零级、只有零级、1 1级衍射光级衍射光产生多级衍射光产生多级衍射光声光调制器采用布拉格声光调制器采用布拉格（BraggBragg）衍射衍射布拉格衍射条件：布拉格衍射条件：022sL nBs0sin2零级、零级、1 1级衍射光强：级衍射光强：)2(sin)2(cos2120iiIIII21330)2(21cos2HLPSPS

25、nnLnssB式中，式中，为声光为声光效应产效应产生的附生的附加相移：加相移：有应用价值的有应用价值的是一级衍射光是一级衍射光 2M式中，式中， 为声光为声光介质的品质因数。介质的品质因数。 应选择应选择 大的材料，大的材料，常用声光介质见表常用声光介质见表2.22.2。2M二、声光调制二、声光调制布拉格声光调制器布拉格声光调制器 21sin ( ) ,22siIPI 36222021cos22)2(sinssBinPMPMHLIIsiPII1的关系曲线的关系曲线选取工作点：选取工作点：)2, 5 .0(1iII)2(若使若使 作正弦变化，作正弦变化，频率为频率为，10.5sinimmmiII

26、ItII则有则有2ssAP ssAP 要实现光强调制，超声波应是高频调幅波，则要实现光强调制，超声波应是高频调幅波，则电电- -声换能器上驱动信号应是高频调幅电信号声换能器上驱动信号应是高频调幅电信号. . 高频振荡（高频振荡（s）激发声光栅，产激发声光栅，产生生布拉格衍射。布拉格衍射。 振幅调制（振幅调制（）使衍射光成为使衍射光成为调制光。调制光。 将图像、声音信号加载到高频振荡（将图像、声音信号加载到高频振荡（s）上，）上，则衍射光就携带了图像、声音信号。则衍射光就携带了图像、声音信号。三、声光调制器的调制带宽三、声光调制器的调制带宽声波以比光波慢得多的速度在介质中传播。因此声波以比光波慢

27、得多的速度在介质中传播。因此声波通过宽度为声波通过宽度为b b的光束需要较长的渡越时间的光束需要较长的渡越时间：sb这就对最高的调制频率带来限制：这就对最高的调制频率带来限制： 1max Kf为了提高为了提高221MnMsmaxf 1Ml选取选取 大的声光介质：大的声光介质：l用细束（用细束（b b小）激光小）激光l用较高的用较高的s 声光调制器的调制带宽不如电光调制器声光调制器的调制带宽不如电光调制器, ,但它光能但它光能利用率高利用率高, ,所需要的驱动功率小。在激光打印机、所需要的驱动功率小。在激光打印机、激光印刷设备中得到广泛应用。激光印刷设备中得到广泛应用。7.4 7.4 磁光调制磁

28、光调制一、磁光效应一、磁光效应磁场也能使晶体产生光各向磁场也能使晶体产生光各向异性，称为磁光效应。异性，称为磁光效应。 1.1.法拉第效应法拉第效应光波通过磁光介质、平行于磁场方向传播，光波通过磁光介质、平行于磁场方向传播，线偏振光的偏振面发生旋转的现象。线偏振光的偏振面发生旋转的现象。 磁致旋光磁致旋光KHLK:VerdetK:Verdet常数，与常数，与材料、波材料、波长相关。长相关。306322nU 非互易性：非互易性：磁致旋光的方向决定于磁场方向磁致旋光的方向决定于磁场方向 而与光传播方向无关。而与光传播方向无关。以顺着磁场方向为基准，以顺着磁场方向为基准， 光矢右旋（光矢右旋（K0K

29、0），介质为正旋体，），介质为正旋体， 光矢左旋（光矢左旋（K0K0），介质为负旋体。），介质为负旋体。 非互易性的直接应用是光隔离器。非互易性的直接应用是光隔离器。在法拉第效应装置中，设计在法拉第效应装置中，设计N N1 1、N N2 2成成4545角，线圈角，线圈电流产生的磁场造成旋光角电流产生的磁场造成旋光角4545。入射线偏振光的光矢右旋入射线偏振光的光矢右旋4545，刚好通过检偏器，刚好通过检偏器，光从左向右导通光从左向右导通 ；若光从检偏器端射入，线偏若光从检偏器端射入，线偏振光通过介质仍然右旋振光通过介质仍然右旋4545，光矢与，光矢与N N1 1方向垂直，方向垂直，不能通过起偏器，从右向左不导通。不能通过起偏器，从右向左不导通。 光隔离器是光通信系统中必不可少的器件。光隔离器是光通信系统中必不可少的器件。 2.2.克尔效应克尔效应反射光的偏振方向随磁场改变的现象反射光的偏振方向随磁场改变的现象。克尔效应主要应用在光磁存储中。克尔效应主要应用在光磁存储中。光波在铁磁材料表面反射时，光波在铁磁材料表面反射时，铁磁材料（如铁磁材料（如YIGY