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光电子技术与应用第第4章章 光辐射的传播与光调制技术光辐射的传播与光调制技术2023/3/31第一页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用（一）光辐射的电磁理论（一）光辐射的电磁理论o光辐射是电磁波，服从电磁场基本规律。光辐射是电磁波，服从电磁场基本规律。o为什么光辐射电磁理论主要研究光辐射中电为什么光辐射电磁理论主要研究光辐射中电场分量的变化规律？场分量的变化规律？n生理视觉效应、光化学效应、探测器响应的光生理视觉效应、光化学效应、探测器响应的光频分量主要是电场矢量。频分量主要是电场矢量。2023/3/32第二页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用光辐射的波动方程光辐射的波动方程讨论：讨论：1、产生电磁辐射的源是什么？、产生电磁辐射的源是什么？2、不同导电性能的材料产生电磁辐射的源是不同的。、不同导电性能的材料产生电磁辐射的源是不同的。3、如果电场是简谐波，可将上述方程化为、如果电场是简谐波，可将上述方程化为亥姆霍兹亥姆霍兹方程方程2023/3/33第三页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用光辐射的光辐射的亥姆霍兹亥姆霍兹方程方程2023/3/34第四页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用（二）光波在大气中的传播（二）光波在大气中的传播o存在的主要问题：大气分子存在的主要问题：大气分子吸收和散射，吸收和散射，大大气气溶胶的气气溶胶的吸收和散射吸收和散射o1、大气分子的吸收：光在大气中传播时，、大气分子的吸收：光在大气中传播时，大气分子在光波电场作用下产生极化，并以大气分子在光波电场作用下产生极化，并以入射光的频率做受迫振动，为了克服大气分入射光的频率做受迫振动，为了克服大气分子内部阻力要消耗能量，表现为大气分子的子内部阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸收。分子的固有吸收频率由分子内部运动吸收。分子的固有吸收频率由分子内部运动形态决定。形态决定。2023/3/35第五页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用 o不同的分子结构表现的吸收不同不同的分子结构表现的吸收不同n氧气和氮气含量氧气和氮气含量90%，对可见光和红外几乎不，对可见光和红外几乎不吸收，在远红外和微波有较大的吸收吸收，在远红外和微波有较大的吸收n惰性气体在可见光和红外有吸收，但其含量很惰性气体在可见光和红外有吸收，但其含量很小，一般不考虑气吸收小，一般不考虑气吸收n二氧化碳和水汽是可见光和近红外区的重要吸二氧化碳和水汽是可见光和近红外区的重要吸收分子，是主要的大气衰减因素收分子，是主要的大气衰减因素n大气窗口：光波在近红外区透过率较高的波段大气窗口：光波在近红外区透过率较高的波段称为大气窗口。称为大气窗口。2023/3/36第六页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用2、大气分子散射（偏离原方向）、大气分子散射（偏离原方向）o光波通过大气时，电场使得大气分子产生极光波通过大气时，电场使得大气分子产生极化，形成振动的偶极子，从而发出次波。这化，形成振动的偶极子，从而发出次波。这些次波会产生叠加干涉现象，大气的不均匀些次波会产生叠加干涉现象，大气的不均匀性会使光波沿不同方向传播性会使光波沿不同方向传播-导致散射。导致散射。o主要的散射是瑞利散射，散射光的强度与波主要的散射是瑞利散射，散射光的强度与波长的四次方成反比。主要原因是大气分子的长的四次方成反比。主要原因是大气分子的线度很小，比辐射波长要小。线度很小，比辐射波长要小。2023/3/37第七页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用3、大气气溶胶的衰减o大气中存在尺寸在大气中存在尺寸在0.03um-2000um之之间的固态和液态微粒，而且曾悬浮溶胶状态，间的固态和液态微粒，而且曾悬浮溶胶状态，称为大气气溶胶。（浑浊，凝结）称为大气气溶胶。（浑浊，凝结）o光波长大于粒子散射尺寸，叫瑞利散射，与光波长大于粒子散射尺寸，叫瑞利散射，与波长有强烈的依赖关系；波长有强烈的依赖关系；o光波长小于粒子散射尺寸，叫光波长小于粒子散射尺寸，叫米氏散射，米氏散射，主主要依赖粒子的尺寸、密度分布以及折射率，要依赖粒子的尺寸、密度分布以及折射率，与波长关系不如瑞利散射的强。与波长关系不如瑞利散射的强。2023/3/38第八页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用4、大气的湍流效应o湍流状态湍流状态:大气的折射率随空间和时间曾无大气的折射率随空间和时间曾无规则变化。这将使得光辐射在传播过程中随规则变化。这将使得光辐射在传播过程中随机改变其光波参量，出现所谓的强度闪烁、机改变其光波参量，出现所谓的强度闪烁、光束的弯曲和漂移、光束弥散畸变以及空间光束的弯曲和漂移、光束弥散畸变以及空间相干性退化现象，即为湍流效应。相干性退化现象，即为湍流效应。2023/3/39第九页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用（三）光波在电光晶体中的传播（三）光波在电光晶体中的传播o1 1、电光效应：、电光效应：n光波在介质中的传播主要受到折射率的影响，光波在介质中的传播主要受到折射率的影响，理论和实验证明：晶体的介电系数与晶体中的理论和实验证明：晶体的介电系数与晶体中的电荷分布有关，当晶体加上电场后，将引起束电荷分布有关，当晶体加上电场后，将引起束缚电荷的重新分布，其结果将引起介电系数的缚电荷的重新分布，其结果将引起介电系数的变化，最终导致晶体折射率的变化，这样晶体变化，最终导致晶体折射率的变化，这样晶体折射率与电场的变化关系为折射率与电场的变化关系为2023/3/310第十页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用（三）光波在电光晶体中的传播（三）光波在电光晶体中的传播o1 1）线性电光效应（泡克尔效应）：上式中）线性电光效应（泡克尔效应）：上式中的第一项；的第一项；o2 2）二次电光效应（克尔效应）二次电光效应（克尔效应）:第二项第二项2023/3/311第十一页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用 2 2、电致折射率变化、电致折射率变化光在不同介质中传播速度不同光在不同介质中传播速度不同光在不同介质中传播速度不同光在不同介质中传播速度不同这一效应用折射率来表示这一效应用折射率来表示这一效应用折射率来表示这一效应用折射率来表示v=c/nv=c/n通过一层透明物质的光波通过一层透明物质的光波通过一层透明物质的光波通过一层透明物质的光波P光源光源Es到达波到达波Es到达波到达波Eb反射波反射波Es+Ea透射波透射波玻璃板玻璃板2023/3/312第十二页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用 各向同性物质各向同性物质设偶极子密度为设偶极子密度为N，有，有PNp电极化矢量电极化矢量:P P 0 0 E E 0为真空中的介电常数，为真空中的介电常数，为电极化常为电极化常数数电位移矢量：电位移矢量：D D 0 0E+P=E+P=0 0 r rE=E=E E r1 为相对介电常数，为相对介电常数，0 r为介电常数为介电常数相对介电常数：相对介电常数：r r=n=n2 22023/3/313第十三页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用各向异性物质各向异性物质电极化矢量一定与外加电场同方向吗？电极化矢量一定与外加电场同方向吗？非晶态和部分晶体非晶态和部分晶体 由晶体的对称性决定由晶体的对称性决定共有共有7个晶系个晶系部分晶体部分晶体 三斜、单斜、正交、三角三斜、单斜、正交、三角三斜、单斜、正交、三角三斜、单斜、正交、三角四方、六角、正方四方、六角、正方四方、六角、正方四方、六角、正方abc2023/3/314第十四页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用三斜三斜:a a b b c,c,单斜单斜单斜单斜:a a b b c,c,=90=90,9090 正交正交正交正交:a a b b c,c,=90=90 三角三角三角三角:a=a=b=c,b=c,=120 椭圆偏振光椭圆偏振光线偏振光单轴晶体单轴晶体2023/3/340第四十页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用材料折射率随温度变化n密度的变化n折射率本身随温度的变化（密度不变的情况下）热光系数4.2热光效应热光效应2023/3/341第四十一页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用聚合物（=0.2W/mK)石英（=0.2W/mK)2023/3/342第四十二页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用2023/3/343第四十三页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用 4.3电光效应电光效应非线性效应非线性效应线性电光效应Pockels效应具有中心反演对称的晶体无此效应二次电光效应Kerr效应ijk=jik2023/3/344第四十四页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用PockelsPockels效应效应设Bij=1/rij，折射率椭球外场造成B的变化可以写成rijk电光系数或Pockels系数2023/3/345第四十五页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用Pockels效应ijk=jikrijk=rjik18个独立量个独立量rijkrIk,I=1,6ijI2023/3/346第四十六页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用Pockels效应效应r为稀疏矩阵为稀疏矩阵LiNbO3矩阵元素值差别大10-12m/V(r33=30.8,r51=28,r13=8.6,r22=3.4)2023/3/347第四十七页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用Pockels效应效应LiNbO310-12m/V(r33=30.8,r51=28,r13=8.6,r22=3.4)设折射率椭球电场为x方向电场为z方向2023/3/348第四十八页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用Pockels效应效应Bij=1/rij一阶近似zyx入射光入射光入射光入射光V纵向调制纵向调制 1 m，V=9.7kvxzyV入射光入射光入射光入射光横向调制横向调制V 可为伏量级可为伏量级2023/3/349第四十九页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用 4.4声光效应声光效应压光效应Pijkl为压光系数张量，Skl为应变张量声波传播方向2023/3/350第五十页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用声波传播方向声波传播方向入射波入射波透射波透射波衍射波衍射波布拉格方式（透射）布拉格方式（透射）入射波入射波透射波透射波反射波反射波声波传播方向声波传播方向布拉格方式（反射）布拉格方式（反射）声波传播方向声波传播方向入射波入射波0级级1级级1级级2级级2级级拉曼纳斯方式拉曼纳斯方式声波传播方向声波传播方向入射波入射波衍射波衍射波聚焦聚焦布拉格方式（聚焦）布拉格方式（聚焦）2023/3/351第五十一页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用光栅光栅声光声光电光电光V-+-+2023/3/352第五十二页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用 4.5磁光效应磁光效应旋光效应旋光效应光通过某些等轴或沿光轴通过单轴晶体时，线偏振光仍然发生偏转现象。光通过某些等轴或沿光轴通过单轴晶体时，线偏振光仍然发生偏转现象。光通过某些等轴或沿光轴通过单轴晶体时，线偏振光仍然发生偏转现象。光通过某些等轴或沿光轴通过单轴晶体时，线偏振光仍然发生偏转现象。旋光晶体旋光晶体旋光晶体旋光晶体OArAlAAAlAr合振动合振动合振动合振动A(Al)Ar相位差相位差偏转偏转2023/3/353第五十三页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用法拉第效应法拉第效应某些不具备旋光现象的晶体在磁场作用下产生旋光现象。某些不具备旋光现象的晶体在磁场作用下产生旋光现象。某些不具备旋光现象的晶体在磁场作用下产生旋光现象。某些不具备旋光现象的晶体在磁场作用下产生旋光现象。角动量角动量L磁矩磁矩u力矩力矩力矩力矩 =uB=dL/dt=uB=dL/dt B拉莫尔进动拉莫尔进动B拉莫尔进动拉莫尔进动左、右旋圆偏振光的频率分别为左、右旋圆偏振光的频率分别为左、右旋圆偏振光的频率分别为左、右旋圆偏振光的频率分别为 L L和和和和 L L偏转偏转磁光效应磁光效应2023/3/354第五十四页，编辑于星期六：十六点 三十二分。光电子技术与应用o使光波中的某种可测量参量随信号的变化而变化。使光波中的某种可测量参量随信号的变化而变化。o调制方式调制方式n相位调制接收器为外差接收系统相位调制接收器为外差接收系统n强度调制接收器为光探测器强度调制接收器为光探测器n频率调制接收器有分光器频率调制接收器有分光器n偏振态调制接收器设有偏振片偏振态调制接收器设有偏振片o内调制内调制n直接对光源进行调制直接对光源进行调制n简单方便，效率高简单方便，效率高n调制速度有限，带宽比较小调制速度有限，带宽比较小o外调制外调制n在光传输路径上进行调制（声光、电光、磁光等）在光传输路径上进行调制（声光、电光、磁光等）n调制速度高，带宽较大调制速度高，带宽较大 4.6光调制器光调制器2023/3/355第五十五页，编辑于星期六：十六点 三十二分。
