第七章信息处理材料

第七章信息处理材料2023/2/11电光调制材料声光调制材料磁光调制材料2023/2/12激光作为传递信息的有效工具，首先要解决的问题就是如何将信息加载到激光辐射上去，也就是要解决激光调制的问题。

激光调制：把欲传输的信息加载到激光辐射上的过程激光调制器：完成激光调制过程的装置解调：由已调制的激光辐射还原出所加载信息的过程载波：携载低频信号作用的激光调制信号：低频信号调制光：已被调制的激光激光调制技术2023/2/13光调制分类按载波被信号改变的参量振幅调制频率调制位相调制脉冲调制调制方法机械调制电光调制磁光调制声光调制电源调制调制器与激光器的关系内调制：在激光振荡过程中加载调制信号外调制：激光形成以后加载调制信号2023/2/14当激光束通过某些光学介质的时候，光学介质的光学性质（如折射率）会发生显著的变化，从而使通过介质的激光束的某些特性（如相位）随之变化。这种能使激光束实现调制的光学介质称为光调制材料。根据不同的调制机理，光调制材料分为：电光材料、磁光材料、声光材料和热光材料等几种。光调制材料2023/2/15电光材料－电光效应物质的光学特性受电场影响而发生变化的现象统称为电光效应。外加电场可以使单折射物质（光学各向同性）变为双折射物质（光学各向异性），也可使本来就具有双折射的物质进一步改变其各向异性性质，这类现象都属于电光效应。其中物质的折射率受电场影响而发生改变的电光效应分为普克尔效应和克尔效应。研究表明，材料的折射率与所加电场E之间的关系可以表示为

n=n0+aE+bE2+…其中n0为没加电场E时的折射率，a，b是常数。1-12023/2/16折射率的变化同电场强度有直线关系，称为普克尔效应。△n=n-n0=aE如图所示，当压电晶体受光照射并在与入射光垂直的方向上加上高电压时，晶体将呈现双折射现象，这种现象称为普克尔效应。电光材料－电光效应1-22023/2/17如果折射率的变化同电场平方有直线关系则称克尔效应。△n=n-n0=bE2

电光材料－电光效应它与普克尔效应的差别除表现在电场与物质折射率的变化成二次方关系外，还表现在所用的材料不是压电晶体，而是各向同性物质(有时是液体)。1-32023/2/18具有对称中心的晶体，式（1-1）中的奇次项为零，只存在偶次项；不具有对称中心的晶体，式（1-1）中的所有各项均不为零。这就是说，一次电光效应只存在于不具有对称中心的20类点群中（432点群不具有对称中心，但因对称性较高，仍无一次电光效应），故压电晶体一定具有一次电光效应，而二次电光效应则存在于一切透明介质中。一次电光效应比二次电光效应显著的多，对于压电晶体总是用其一次电光效应，利用二次电光效应的材料主要是立方晶系材料和某些液体（如硝基苯）。它们不具有一次电光效应，但二次电光效应较大。2023/2/19电光材料－材料举例

电光材料大部分是晶体，它们最重要的用途是用于制造光调制元件及用于光偏转、可变谐振滤波和电场的测定等方面。电光材料要求：电光系数大、折射率高、半波电压低、介电常数小（减小高频损耗）、使用的光波段透光性好、温度稳定性好和化学稳定性好。2023/2/110KDP型晶体包括磷酸二氢钾、磷酸二氘钾（KD*P）、磷酸二氢铵（ADP）、砷酸二氢铯（CDA）、砷酸二氘铯（CD*A）、砷酸二氢铷（RDA）、α-石英等。KD*P:光学均匀性好，在0.19~2.58μm波段透过率高，容易获得大尺寸。缺点：易潮解立方钙钛矿型晶体包括钽铌酸钾（KTN）、钛酸钡（BaTiO3）、钛酸锶（SrTiO3）等。优点:二次电光系数大，Vλ/2值低，不吸潮。缺点：不易获得大尺寸，光损伤阈值低。2023/2/111铁电性钙钛矿型晶体包括铌酸锂（LiNbO3）、钽酸锂（LiTaO3）等。优点:电光系数大，易生长大尺寸，居里点高。缺点：Vλ/2值高，光损伤阈值低。闪锌矿型晶体包括ZnS、ZnSe、ZnTe、GaAs、CuCl和Se等。用于中远红外的电光器件。钨青铜型晶体包括Sr0.75Ba0.25Nb2O6（SBN）、K3Li2Nb5O15（KLN）等。优点:半波电压低、光损伤阈值高。缺点：组分不易控制，难以得到优质单晶。2023/2/112主要电光晶体及其性质2023/2/113电光材料－材料举例陶瓷是将金属氧化物为主的粉末置于高温下烧结而成的，它的显微结构由细小的晶粒所构成，由于晶界的光散射，一般是接近于白色的不透明体。但近年来由于陶瓷制造工艺的发展，出现了热压法、微细粉末精制法等，可制成更致密的陶瓷，以及随着添加剂研究的进展，成功地研制出致密的、可控制光的界面散射的透光性陶瓷，其代表是PLZT陶瓷。

PLZT陶瓷材料可通过控制材料组成，自由地调整其电光性质。由于陶瓷材料很容易制成任意形状和大小的元件，故适合于大量生产和加工。与电光晶体相比，价格便宜，是一种性能优良的材料。锆钛酸铅通常简称PZT陶瓷，属二元系，是PbZrO3和PbTiO3的固溶体，具有钙钛矿型结构PLZT：指掺La的锆钛酸铅陶瓷，具有电光效应。在铁电陶瓷中，电畴状态的变化伴随着光学性质的改变，通过外加电场对透明陶瓷电畴状态的控制，可有电控双折射{细晶陶瓷}和电控光散射{粗晶陶瓷}等特性。

2023/2/114电光材料－材料应用电光效应最重要的应用是作电光快门。从光源发出的自然光通过起偏片变成纵向振动的线偏振光，如果电光晶体没有受外电场作用，这束偏振光通过晶体时将不发生振动方向的偏转，即仍是纵向振动的线偏振光。但检偏片只允许水平振动的偏振光通过，纵向振动的偏振光不能通过，因而此时没有光输出．相当快门关闭。2023/2/115如果在电光晶体上施加一个电压，由于电光效应使光的振动方向发生偏转，于是开始有光输出。随着施加电压大小的改变，光输出的大小也在变化。当所加电压调到某一电压值使光振动方向偏转到水平方向时，光输出达到最大，相当于快门全部打开。这个电压称为半波电压。当晶体上施加的电压为半波电压时，纵向振动的平面偏振光通过晶体后，变成了水平振动的平面偏振光，从而顺利地通过检偏片成为输出光。电光材料－材料应用2023/2/116声光材料－声光效应声波作用于某些物质之后，该物质光学特性发生改变，这种现象称为声光效应。

超声波引起的声光效应尤为显著，这是因为超声波能够引起物质密度的周期性疏密变化，因而可使正在该物质中传输的光改变行进方向。普通的衍射现象发生在光栅上，而声光效应所产生的衍射却是由于超声波的作用，在物质内形成密度疏密波(起光栅作用)。因此，也称声光效应为“活动性光栅”。2023/2/117声光材料－声光效应分类外加的超声波频率较高时产生布拉格衍射外加的超声波频率较低时产生拉曼—纳斯衍射2023/2/118布拉格衍射原理图1-41-5其中：

θ-布拉格角

λ-光波波长

λs-声波波长

Δ-超声光栅幅度

I0-入射光强

I1-一级衍射光强2023/2/119拉曼-奈斯声光衍射中的光频移2023/2/120声光材料要求：品质因素大、对激光波长透明、对光波和声波的吸收小、光学性质均匀、声速随温度变化小、物理化学性质稳定、机械强度高

声光材料主要分为晶体材料、玻璃材料和液体材料三种。声光材料－材料2023/2/121晶体材料单晶介质是最重要的一类声光材料，适宜制造频率高于l00MHz的高效率声光器件。单晶介质材料的物理性质是各向异性的。可通过选择声模和光模的最佳组合，获得从材料的平均性质所预想不到的有益的声光性能。声光材料－材料2023/2/122PbMoO4晶体：品质因素高，吸收损耗低，不易吸潮，晶体的生长、处理和加工容易。TeO2晶体：品质因素高，吸收损耗低，形成器件体积小、驱动功率小α-LiIO3晶体：品质因素高，具有旋光、倍频、压电、电光、声光等多种效应。2023/2/123主要声光晶体及其性能2023/2/124玻璃最常用的声光介质玻璃有熔融石英玻璃、Te玻璃、重火石玻璃等。玻璃介质的优点为：易于生产，可获得形状各异的大尺寸块体；退火后，光学均匀性好、光损耗小、易加工、价格低。缺点：在可见光谱区，难以获得折射率大于2.1的透明玻璃，玻璃的弹光系数小。一般来说，玻璃只适用于声频低于100MHz的声光器件。2023/2/125主要声光玻璃材料及其性能2023/2/126液态材料液态材料主要是水、有机碘化物、溴化物。水的品质因素较低，但声损耗小。其它一些液态声光材料，尽管品质因素高，但声频损耗过大，应用仅限于低频。2023/2/127液体声光材料特性2023/2/128声光材料－应用声光介质材料被广泛地用采研制声光偏转器、声光调制器和声光滤波器等各类声光器件。这些器件不仅广泛地用来调制激光束(方向和强度)，而且由于声光器件具有大带宽、大容量实时处理信号的能力，而被广泛地用于时域、频域实时信号处理，并形成一门新的信号处理技术——声光信号处理技术。2023/2/129声光调制器示意图2023/2/130磁光材料－磁光效应置于磁场中的物体，受磁场影响后其光学特性发生变化的现象称为磁光效应。磁光效应本质上是因为材料具有自发磁化特性。磁光克尔效应磁光法拉第效应磁致双折射效应光磁效应2023/2/131磁光法拉第效应1846年法拉第发现平面偏振光(直线偏振光)通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生偏转，这种现象称为磁光法拉第效应，或称磁致旋光效应。原因：物质内部原子或分子中的电子在强外磁场作用下引起的旋进式运动所致。2023/2/132一束偏振光透过置于强磁场中的物质时，若磁场方向与光束平行，则光偏振面的旋转角θ可表达为：1-6其中：

θ-偏振光旋转角度V

-维尔德（Verdet）常数

B-磁感应强度

L-样品长度2023/2/133磁光克尔效应克尔发现照射到强电磁铁表面上的直线偏振光反射时，其偏振面偏转角度随磁场强度而变化，这种现象称为磁光克尔效应。2023/2/134法拉第效应与克尔效应虽同是磁与光之间的物理效应，但二者的用法不同。当实验光对磁光敏感功能材料具有较好的穿透特性时，可应用法拉第效应制成敏感元器件；当实验光不能穿透所用磁光材料，而只能在材料表面反射时，则只能设法利用磁光克尔效应制成相应的敏感元件。2023/2/135磁致双折射效应在强磁场作用下，一些各向同性的透明磁介质呈现出双折射特性，这一现象称为磁致双折射效应，又称科顿-木顿效应。双折射率与磁场强度关系可表达为：1-7K′为科顿-木顿常数。原因：分子在强外磁场作用下产生定向排列所致。2023/2/136光磁效应物质受到光照后磁性能（如磁化率、磁晶各向异性、磁滞回线等）发生变化的现象称为光磁现象。原因：光使电子在二价和三价铁离子间发生转移从而产生磁性现象。2023/2/137磁光材料－磁光材料

磁光材料是在可见和红外波段具有磁光效应的光学功能材料。它是随着激光和光电子学技术的兴起与需要而发展起来的。磁光材料要求：维尔德系数大，光损耗系数小。各向同性、不存在结构因素产生的双折射、具有优良的物理、化学稳定性能。

磁光材料主要分为晶体材料、玻璃材料和液体材料三种。2023/2/138亚铁磁性石榴石、尖晶石铁氧体、正铁氧体、钡铁氧体、二价铕的化合物、铬的三卤化物和一些金属，其中亚铁磁石榴石研究得比较多。晶体材料特重铅火石玻璃、磷酸盐玻璃、硅硼酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、硫属化合物玻璃等。优点：成本低、易于获得大块、不同形状的器件。玻璃材料水、丙酮、氯仿、苯等。液体材料2023/2/139磁光材料－应用利用材料的磁光效应可制成许多磁光器件如磁光调制器、光