第八节光调制器件

第八节光调制器件1第一页，共四十页，2022年，8月28日一、概述

光调制器件（光控器件）是指利用各种物理效应能够对光的振幅、频率、相位、偏振状态和传播方向等参量进行调制的器件。

光调制器件的工作基础是物质对外来作用，产生各种物理效应。例如，电光效应、声光效应、磁光效应等。2第二页，共四十页，2022年，8月28日二、电光器件1、电光调制器的工作原理

电光器件是指利用某些物质的电光效应可以制成的器件。

电光效应是指某些光学介质，当受到外电场作用时，它的折射率将随着外加电场变化，介电系数和折射率都与方向有关，在光学性质上变为各向异性；当不受外电场作用时，介电系数和折射率都是标量，与方向无关，在光学性质上是各向同性的。3第三页，共四十页，2022年，8月28日迄今已发现的电光效应有两种：

一种是折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例，称为泡克耳斯(Pockels)效应；利用泡克耳斯效应制成的调制器，称为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。泡克耳斯盒分为纵向调制器和横向调制器两种。

另一种是折射率的变化量与外电场强度的平方成比例，称为克尔(Kerr)效应。利用克尔效应制成的调制器，称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。4第四页，共四十页，2022年，8月28日5第五页，共四十页，2022年，8月28日

当不给克尔盒加电压时，盒中的介质是透明的，各向同性的非偏振光经过起偏器P后变为振动方向平行于P光轴的平面偏振光，通过克尔盒时其振动方向不变。在光路中起偏器P和检偏器Q的光轴安装时调成彼此垂直，当光到达检偏器Q时，因光的振动方向垂直于Q的光轴而被阻挡，所以Q没有光输出。非偏振光振动方向平行于P光轴的平面偏振光检偏器Q起偏器P6第六页，共四十页，2022年，8月28日

当给克尔盒加电压时，盒中的介质则因有外电场的作用而具有单轴晶体的光学性质，光轴的方向平行于电场。通过它的平面偏振光则改变其振动方向。经过起偏器P产生的平面偏振光，通过克尔盒后，振动方向就不再与Q光轴垂直，而是在Q光轴方向上有光振动的分量，此时Q就有光输出了。Q的光输出强弱，与盒中介质的性质、几何尺寸、外加电压的大小等因素有关。非偏振光振动方向平行于P光轴的平面偏振光检偏器Q起偏器P7第七页，共四十页，2022年，8月28日如果外加电压是周期性变化，对于结构已确定的克尔盒来说，则Q的光输出必然也是周期性变化的，因此可实现对输出光偏振和强度的调制。8第八页，共四十页，2022年，8月28日几个偏振量的方位关系如图所示。其中，光的传播方向平行于z轴；M和N分别为起偏器P和检偏器Q的光轴方向，二者彼此垂直；α为M与y轴的夹角，β为N与y轴的夹角。y9第九页，共四十页，2022年，8月28日晶体的双折射现象 当一束单色光在各向同性介质的界面折射时，折射光线只有一条，遵守折射定律。 当一束单色光在各向异性介质的界面折射时，一般可以产生两束折射光线，这种现象就叫双折射 有一束总是遵循折射定律，即不论入射光线方位如何，折射光线总是在入射面内，并且入射角的正弦与折射角的正弦之比等于常数。我们把这束折射光称为寻常光，用o表示。另一条折射光线则不同，一般情况下，入射角的正弦与折射角的正弦之比不等于常数，且折射光线不在入射面内，即不遵循折射定律，因此称它为非常光，用e表示。10第十页，共四十页，2022年，8月28日设自然光经过起偏器P后所产生的平面偏振光为：y11第十一页，共四十页，2022年，8月28日平面偏振光的传播方向垂直于介质光轴，它通过介质时会产生双折射，o光垂直于xz面，e光在xz面内。o光的振动方向垂直于主截面(光轴与光线所构成的平面)，e光的振动方向在主截面内，o光和e光在介质中的折射率不同。o光和e光在介质中的传播速度不同。这两种光在介质的输入端是同相位的，通过一定厚度的介质达到输出端时，将要有一定的相位差。y12第十二页，共四十页，2022年，8月28日o光和e光在介质输出端的光波振幅表达式为：式中，l下标代表介质厚度；φ代表o、e光通过厚度为的介质后所产生的相位差。y13第十三页，共四十页，2022年，8月28日当o、e光达到检偏器Q时，只有平行于检偏器Q光轴N的分量能通过，垂直于N的分量则被阻挡。所以，通过检偏器Q的光波振幅为:它们在N方向的合量为:14第十四页，共四十页，2022年，8月28日由于发光强度正比于振幅的平方，于是有对于具有克尔效应的介质，理论分析指出：o光和e光通过厚度为l的介质后，所产生的相位差为式中，k称为克尔系数；U为加到克尔盒两电极板上的电压；d为两电极板间的距离。可见，克尔盒中φ与U的平方成线性关系。改变P与Q的相对方位设置，可以控制输出AN。可以证明，当α=β=π/4时输出最强，此时上式变为:15第十五页，共四十页，2022年，8月28日2、电光调制器的主要性能参量（1）半波电压Uλ/2（或Uπ）

半波电压是使调制器光输出达到最大时所需的电压。这个电压自然是越小越好，这样既便于操作，又可减少电功率损耗和发热。16第十六页，共四十页，2022年，8月28日（2）透过率 调制器的光输出与光输入之比称为透过率。17第十七页，共四十页，2022年，8月28日（3）调制带宽 调制带宽与调制器的等效电容有关，低频时调制带宽与调制功率成正比。要求光波在晶体中的渡越时间t1要远小于调制信号的周期T，即式中，l为晶体长度；n为晶体的折射率；c为真空中的光速；f为调制频率。对于一定的调制器有一最高调制频率，即18第十八页，共四十页，2022年，8月28日（4）消光比

消光比是检偏器的最大输出与最小输出之比，即Imax/Imin

由于吸收、反射、散射等损耗，Imax总是小于入射光强，Imin是与光束的发散角、晶体的剩余双折射、晶体的厚度和均匀性、电场的均匀性以及对偏振器的调整等因素有关。目前对单色、小发散角的激光束来说，消光比可达100～10000。19第十九页，共四十页，2022年，8月28日20第二十页，共四十页，2022年，8月28日21第二十一页，共四十页，2022年，8月28日22第二十二页，共四十页，2022年，8月28日三、声光器件1、概述 声波在介质中传播时，会引起介质折射率发生周期性变化，可将此声波引起的介质折射率周期性变化的现象称为声光栅，声光栅的栅距等于声波的波长。当光波入射于声光栅时，发生光的衍射，这种现象称为声光效应。

声光器件是基于声光效应的原理来工作的，他分为声光调制器和声光偏转器两类，它们的原理、结构、制造工艺相同，只是在尺寸上有所区别。23第二十三页，共四十页，2022年，8月28日声光器件由声光介质和换能器两部分组成。声光介质有钼酸铅晶体(PM)、氧化碲晶体、熔石英等。换能器即超声波发生器，它是利用压电晶体使电压信号变为超声波，并向声光介质中发射的一种能量变换器。24第二十四页，共四十页，2022年，8月28日声光相互作用有两种情形：一种是正常的声光相互作用，另一种是反常的声光相互作用。（1）正常的声光相互作用

介质的光学性质是各向同性的，介质的折射率与入射光的方向、偏振状态无关。入射光的折射率、偏振状态与衍射光的折射率、偏振状态相同。能用声光栅来说明光在介质中的衍射现象。25第二十五页，共四十页，2022年，8月28日（2）反常的声光相互作用

介质在光学性质上的各向异性。介质的折射率与入射光的方向、偏振状态有关，入射光的折射率、偏振状态与衍射光的折射率、偏振状态不同。不能用声光栅来说明光在介质中的衍射现象。

目前，多数的声光器件都是利用正常声光相互作用原理来制作的，所以可用声光栅来分析。26第二十六页，共四十页，2022年，8月28日2、声光调制器的工作原理 在超声场中，由于介质密度周期性的疏密分布而形成声光栅，栅距等于1个超声波的波长。如果有一束光入射于声光栅，则出射光即是衍射光。当满足以下条件时，衍射光强最大。27第二十七页，共四十页，2022年，8月28日当掠射角i=0时，声光栅所产生的衍射光图案在零级条纹两侧，对称地分布着各级衍射光的条纹，而且衍射光强逐级减弱。这种衍射称为喇曼一奈斯衍射。28第二十八页，共四十页，2022年，8月28日理论分析指出： 衍射光强和超声波的强度成正比。这就是声光调制器的原理。实现喇曼一奈斯衍射的条件是：式中，L称为声光相互作用长度。29第二十九页，共四十页，2022年，8月28日当掠射角i0时，一般情况下，衍射光都很弱，只有在满足：的条件下，衍射光最强。上式称为布拉格条件，θB称为布拉格角。此时的衍射光是不对称的，只有正一级或负一级。衍射效率可接近100％，这种衍射称为布拉格衍射。30第三十页，共四十页，2022年，8月28日3、声光偏转器的原理 掠射角与衍射角之和，也称为偏转角。即由此可知： 偏转角正比于超声波的频率。故改变超声波的频率，即可改变光束的出射方向，这就是声光偏转器的原理。31第三十一页，共四十页，2022年，8月28日32第三十二页，共四十页，2022年，8月28日四、磁光器件1、法拉第旋光效应 原来没有旋光性的透明介质，如水、铅玻璃等，放在强磁场中，可产生旋光性，这种现象称为法拉第效应。

具体的现象是：把磁光介质放到磁场中，使光线平行于磁场方向通过介质时，入射的平面偏振光的振动方向就会发生旋转，转移角度的大小与磁光介质的性质、光程和磁场强度等因素有关。其规律为：式中，φ为振动面旋转的角度；l为光程；H为磁场强度；α为光线与磁场的夹角；V为比例常数，称费尔德常数。33第三十三页，共四十页，2022年，8月28日 不同介质，振动面的旋转方向不同。顺着磁场方向看，使振动面向右旋的，称为右旋或正旋介质，V为正值。反之，则称为左旋或负旋介质，V为负值。 对于给定的磁光介质振动面的旋转方向只决定于磁场方向，与光线的传播方向无关，这一点是磁光介质和天然旋光介质之间的重要区别。34第三十四页，共四十页，2022年，8月28日 天然旋光性物质的振动面旋转方向，不只是与磁场方向有关，而且还与光的传播方向有关。光线两次通过天然性的旋光物质，一次是沿着某个方向，另一次是与这个方向相反，观察结果，振动面并没旋转。可是磁光物质则不同，光线以相反的两个方向两次通过磁光物质时，其振动面的旋转角是叠加的。35第三十五页，共四十页，2022年，8月28日在磁致旋光的情况下，使光线多次通过磁光物质可得到旋转角累加。在强磁场中放一块磁光物质ab，ab呈平行六面体状。其相对的两表面除留有一个很窄的缝隙外皆涂以银，光线从狭缝进入磁光介质，然后经过在镀银表面上的多次反射，从另一个狭缝射出。这时，出射的偏振光振动面的旋转角，将与光线在介质中多次反射的总光程成正比。36第三十六页，共四十页，2022年，8月28日2、磁光器件工作原理

磁光调制器就是根据法拉第效应制成的。将磁光介质置于激磁线圈中。在它的左右两边，各加一个偏振片。安装时，使它们的光轴彼此垂直。

没有磁场时，自然光通过起