光电测试技术光调制PPT讲稿.ppt

光电测试技术光调制第1页，共30页，编辑于2022年，星期四光调制器件n n概念：利用各种物理效应对光的振幅振幅，频率，相位，偏振状态和传播方向等参量进行调制的器件，又称为光控器件n n对光的振幅进行调制也就是对光强进行调制性能稳定、调制度高，损耗小、相位均匀 有一定的带宽工作基础：物质对外来作用产生的各种物理效应电光效应声光效应磁光效应第2页，共30页，编辑于2022年，星期四n n电光器件 n n一类光学介质受到外电场作用时，它的折射率将随着外电场变化，介电系数和折射率都和方向有关，在光学性质上变为各向异性。第3页，共30页，编辑于2022年，星期四电光效应电光效应(Induced optical effects)外界作用外界作用第4页，共30页，编辑于2022年，星期四1.机械感应机械感应-光弹效应光弹效应(Photoelasticity)各向同性或异性材料在外力作用下可产生各向异性的变化，各向同性或异性材料在外力作用下可产生各向异性的变化，例如：玻璃或塑料例如：玻璃或塑料 拉伸或压缩拉伸或压缩各向异性各向异性 应力分析应力分析-光弹力学光弹力学 工程应用工程应用干涉色的分布干涉色的分布受力分布受力分布 通常情况下，拉伸通常情况下，拉伸 成为正单轴材料；成为正单轴材料；压缩压缩 成为负单轴材料；成为负单轴材料；第5页，共30页，编辑于2022年，星期四2.电感应电感应-电光效应电光效应(Electro-optical effect)在一些各向同性材料上加上电场在一些各向同性材料上加上电场 各向异性各向异性电致双折射电致双折射,双折射大小与电场强度有关双折射大小与电场强度有关a.Kerr 效应（效应（1875年）年）各向同性透明介质在电场下成为单轴双折射材各向同性透明介质在电场下成为单轴双折射材料，光轴平行于电场，平行于电场的光振动的折射料，光轴平行于电场，平行于电场的光振动的折射率为率为 n|，垂直于电场的光振动的折射率为，垂直于电场的光振动的折射率为 n折射率变化量与外电场强度平方成比例第6页，共30页，编辑于2022年，星期四液晶空间光调制器液晶空间光调制器(了解)有些物质不是直接由固态变为液态，而是经过一个过渡相态，这时，它一方面具有液体的流动性质，同时又有晶体的特性(如光学、力学、热学的各向异性)，这种过渡相态称之为这种过渡相态称之为“液晶液晶”。液晶是一种有机化合物，一般由棒状柱形对称的分子构成，具有很强的电偶极矩和容易极化的化学团。对这种物质施加外场(电、热、磁等)，液晶分子的排列方向和液晶分子的流动位置就会发生变化，即改变液晶的物理状态。如对液晶施加电场，它的光学性质就发生变化，这就是液晶的电光效应。第7页，共30页，编辑于2022年，星期四-各向同性透明介质在电场下成为单轴双折射材料，光轴平各向同性透明介质在电场下成为单轴双折射材料，光轴平行于电场，平行于电场的光振动的折射率为行于电场，平行于电场的光振动的折射率为 n|，垂直于电场的光，垂直于电场的光振动的折射率为振动的折射率为 n Kerr盒盒 利用利用kerr效应制成的调制器效应制成的调制器（内装电致双折射材料（内装电致双折射材料 有电光效应的液体有机化合物）有电光效应的液体有机化合物）液液体体中中的的Kerr效效应应装装置置第8页，共30页，编辑于2022年，星期四b.Pockels 效应（效应（1893年）年）一些晶体（电光晶体），加上外电场后，单轴晶体成为双轴晶体，双折射大一些晶体（电光晶体），加上外电场后，单轴晶体成为双轴晶体，双折射大小与电场强度得一次方成正比小与电场强度得一次方成正比 Pockels 效应（线性电光效应）效应（线性电光效应）Pockels实实验验第9页，共30页，编辑于2022年，星期四-一次电光效应一次电光效应 所需电压比所需电压比Kerr效应要低，同样可做成高速开关效应要低，同样可做成高速开关 第10页，共30页，编辑于2022年，星期四 声波是一种弹性波声波是一种弹性波(纵向应力波纵向应力波)，在介质中传播时，它使，在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿声波的传介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。超声场作用的这介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。超声场作用的这部分如同一个光学的部分如同一个光学的“相位光栅相位光栅”，该光栅间距，该光栅间距(光栅常数光栅常数)等等于声波波长于声波波长 s。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。13 声光调制声光调制吸声装置Laser inLaser out第11页，共30页，编辑于2022年，星期四 按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光互作用可以分为拉曼声光互作用可以分为拉曼纳斯纳斯(RamanNath)衍射和布拉衍射和布拉格格(Bragg)衍射两种类型。衍射两种类型。二、声光相互作用的两种类型二、声光相互作用的两种类型 当超声波频率较当超声波频率较低，光波平行于声波低，光波平行于声波面入射面入射(即垂直于声场即垂直于声场传播方向传播方向)，声光互作，声光互作用长度用长度L较短时，产生较短时，产生拉曼拉曼纳斯衍射。纳斯衍射。第16页，共30页，编辑于2022年，星期四 当超声波频率较低频率较低，光波平行于声波面入射(即垂直于声场垂直于声场传播方向传播方向)，声光互作用长度L较较短短时，产生拉曼纳斯衍射。由于声速比光速小很多，故声光介质可视为一个静止的平面相位光栅。而且声波长s比光波长大得多，当光波平行通过介质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制，即通过光学稠密(折射率大)部分的1拉曼拉曼-纳斯衍射纳斯衍射第17页，共30页，编辑于2022年，星期四光波波阵面将推迟，而通过光学疏松(折射串小)部分的光波波阵面将超前，于是通过声光介质的平面波波阵面出现凸凹现象，变成一个折皱曲面，如图1.3-3所示。由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光，这就是拉曼纳斯衍射。第18页，共30页，编辑于2022年，星期四 当声波频率较高频率较高，声光作用长度L较大较大，而且光束与声波波面间以一定的角度斜入射以一定的角度斜入射时，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有“体光栅”的性质。当入入射光与声波面间夹角满足一定条件射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+l级(或-1级)(视入射光的方向而定)衍射光，即产生布拉格衍射(类似于闪耀光栅），如图1.3-5所示。因此，若能合理选择参数，超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到+1级(或-1级)衍射极值上。因而光束能量可以得到充分利用，因此，利用布拉格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率。2.布拉格（布拉格（Bragg)衍射衍射(1)各向同性介质中的正常布拉格衍射。第19页，共30页，编辑于2022年，星期四 声光体调制器是由声光介质声光介质、电电声换能器声换能器、吸声吸声(或反射或反射)装置装置及驱驱动电源等动电源等所组成，如图1.311所示。(1)声光介质，声光介质是声光互作用的场所。当一束光通过变化的超声场时，由于光和超声场的互作用，其出射光就具有随时间而变化的各级衍射光，利用衍射光的强度随超声波强度的变化而变化的性质，就可以制成光强度调制器。图 1.3-11 声光调制器结构吸声装置Laser inLaser out三、声光体调制器三、声光体调制器1声光体调制器的组成声光体调制器的组成(2)电声换能器(又称超声发生器)(3)吸声(或反射)装置(放置在超声源的对面)。(4)驱动电源 它用以产生调制电信号施加于电声换能器的两端电极上，驱动声光调制器(换能器)工作。第20页，共30页，编辑于2022年，星期四三、磁致双折射三、磁致双折射科顿科顿 穆顿效应：穆顿效应：某些透明液体在磁场某些透明液体在磁场H作用下变为各向异性作用下变为各向异性二次效应二次效应磁场很强磁场很强 才能观察到才能观察到性质类似于单轴晶体性质类似于单轴晶体 光轴平行磁场光轴平行磁场HC第21页，共30页，编辑于2022年，星期四n n法拉弟发现，许多物质在磁场的作用下可使穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转（在光的传播方向上加上强磁场时）一、法拉弟效应（磁致旋光效一、法拉弟效应（磁致旋光效应）应）d第22页，共30页，编辑于2022年，星期四振动面旋转的角度 由经验公式给出：式中 为静磁通量，为光所穿越的媒质长度，是比例因子，称费尔德常数，一种特定媒质的费尔德常数随频率和温度而变。第23页，共30页，编辑于2022年，星期四实 际 例 子对于气体，约为 ，固体和液体为 的量级。如对于1厘米长的 样品，高斯的磁场，此时 振动面将转动 。第24页，共30页，编辑于2022年，星期四显然，法拉弟效应可用来设计光调制器，欲提高效率必须每单位长度的材料对光的吸收要尽量小，而偏振面旋转的角度要尽量大，为此，人们研制了许多奇特的铁磁材料，如 eCraw 利用人工生长的钇铁石榴石（YIG）磁性晶体，它的费尔德数可以达到 (对 波长，温度范围)。第25页，共30页，编辑于2022年，星期四 利用法拉第效应测磁场 实实 验验 装装 置置 图图 调制电压恒定磁场起偏器起偏器第26页，共30页，编辑于2022年，星期四 线线偏偏振振光光从从左左面面进进入入晶晶体体，横横向向的的直直流流磁磁场场使使YIG晶晶体体在在此此方方向向上上引引起起磁磁化化饱饱和和，而而总总的的磁磁化化强强度度矢矢量量（由由恒恒定定磁磁场场和和线线圈圈磁磁场场所所引引起起）可可以以改改变变方方向向，它它对对晶晶体体轴轴的的倾倾斜斜角角度度正正比比于于线线圈圈中中的的调调制制电流。电流。因因为为法法拉拉弟弟旋旋转转依依赖赖于于磁磁化化强强度度的的轴轴向向分分量量，所所以以线线圈圈电电源源控控制制了了 角角，检检偏偏器器按按照照马马吕吕定定律律把把这这一一偏偏振振调调制制转转换换为为振振幅幅调调制制。也也就就是是说说，要要传传递递的的信信息息作作为为调调制制电电压压加加在在线线圈圈上上，则则出出射射的的激激光光束束以以振振幅幅变变化化的的形式携带着信息。形式携带着信息。第27页，共30页，编辑于2022年，星期四这样，为了获得更大的法拉弟效应，可以将放在磁场中的法拉弟材料做成平行六面体，使通光面对光线方向稍偏离垂直位置，并将两面镀层反射膜，只留入口和出口，这样，若光束在其间反射 次后出射，则有效旋光厚度为 ，则偏振面的旋转角度将提高 倍。高反射膜第28页，共30页，编辑于2022年，星期四 磁致旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关，而与光线传播方向的正逆无磁致旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关，而与光线传播方向的正逆无关，这是磁致旋光现象与晶体的关，这是磁致旋光现象与晶体的自然旋光现象自然旋光现象不同之处不同之处(即当光束往返通过自然旋光物质时，因旋转角相等方向相反而相互抵消)。但通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转角都朝一个方向增加，此现象表明磁致旋光效应是一个不可逆的光学过程磁致旋光效应是一个不可逆的光学过程，因而可利用来制成光学隔离器或单通光闸等器件。第29页，共30页，编辑于2022年，星期四光隔离器光隔离器 为了避免各界面的反射光对激光光源产生干扰为了避免各界面的反射光对激光光源产生干扰,可利用法拉第效应制成光隔离器可利用法拉第效应制成光隔离器,只允许光从一个只允许光从一个方向通过而不能从反方向通过方向通过而不能从反方向通过 单向闸门单向闸门电极电极P2P145 光光 隔隔 离离 器器 第30页，共30页，编辑于2022年，星期四