第五章光调制技术.ppt

光调制光调制技术技术光的调制：光的调制：将所传递的信息加载到激光上，将激光作为信息将所传递的信息加载到激光上，将激光作为信息的载体，通过改变激光的振幅、波长的载体，通过改变激光的振幅、波长(频率频率)、相位、偏振参、相位、偏振参数、方向等各参量，使光携带信息的过程。数、方向等各参量，使光携带信息的过程。内调制：是将待传输的信号直接加载到激光器上。内调制：是将待传输的信号直接加载到激光器上。外调制：是在激光谐振腔以外的光路上放置调制器，将待外调制：是在激光谐振腔以外的光路上放置调制器，将待传输的信号加载到调制器上当激光通过这种调制器时，传输的信号加载到调制器上当激光通过这种调制器时，激光的强度、位相、频率等将发生变化，从而实现调制。激光的强度、位相、频率等将发生变化，从而实现调制。我们主要讲外调制技术。我们主要讲外调制技术。概概 述述这种调制方法由于不涉及激光器的内部结构，可以采用这种调制方法由于不涉及激光器的内部结构，可以采用现成的性能优良的激光器因而成为目前广泛应用的调现成的性能优良的激光器因而成为目前广泛应用的调制类型。制类型。光调制光调制技术技术 晶体光学基础晶体光学基础 光在晶体中的传播光在晶体中的传播 电光调制电光调制 声光调制声光调制 磁光调制磁光调制光调制光调制技术技术晶体光学基础晶体光学基础晶体结构及其对称性（简介）晶体结构及其对称性（简介）晶体是组成物质的微粒晶体是组成物质的微粒(原子、分子或离子原子、分子或离子)或微粒群在空或微粒群在空间按照一定的规则周期性排列形成的一种晶态固体。间按照一定的规则周期性排列形成的一种晶态固体。微粒或粒子群微粒或粒子群基元基元结点结点点阵点阵晶格晶格格点格点习惯上常选基元的重心作为格点习惯上常选基元的重心作为格点是同一个物体是同一个物体空间点阵和晶体的格子构造空间点阵和晶体的格子构造1.一维点阵一维点阵光调制光调制技术技术2.二维点阵（平面点阵）二维点阵（平面点阵）3.三维点阵（空间点阵）三维点阵（空间点阵）晶体光学基础晶体光学基础光调制光调制技术技术晶体基本重复单元，称为晶胞。晶体基本重复单元，称为晶胞。晶胞常量：晶胞常量：三个棱长：三个棱长：棱与棱之间的夹角：棱与棱之间的夹角：晶体原胞的选择原则为：晶体原胞的选择原则为：1)所选择的平行六面体应该能够反映整个空间点阵的对所选择的平行六面体应该能够反映整个空间点阵的对称性，也即平行六面体的对称性应与空间点阵的对称性一称性，也即平行六面体的对称性应与空间点阵的对称性一致。致。2)在不违反空间点阵对称性的条件下，平行六面体上棱在不违反空间点阵对称性的条件下，平行六面体上棱与棱之间的直角关系应力求最多。与棱之间的直角关系应力求最多。3)在符合以上两项原则的基础上，平行六面体的体积应在符合以上两项原则的基础上，平行六面体的体积应最小。最小。晶体光学基础晶体光学基础光调制光调制技术技术 布喇菲点阵：根据空间对称性，可以有布喇菲点阵：根据空间对称性，可以有14 种点阵，称布种点阵，称布喇菲点阵，或称喇菲点阵，或称 14 种晶胞种晶胞 14 种晶胞分为种晶胞分为 7 个晶系：个晶系：三斜、单斜、正交（斜方）、三斜、单斜、正交（斜方）、正方（四角）、立方、三角、六角正方（四角）、立方、三角、六角晶体光学基础晶体光学基础米勒指数：米勒指数：如图：如图：记为：记为：米勒指数（米勒指数（236）光调制光调制技术技术立方立方正交（斜方）正交（斜方）四方四方单斜单斜三斜三斜六方六方三方三方布喇菲点阵布喇菲点阵光调制光调制技术技术晶体的基本性质：晶体的基本性质：1、自限性、自限性是指晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体的能力。是指晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体的能力。晶体自限性说明，其外形规则是内部排列有序的体现。晶体自限性说明，其外形规则是内部排列有序的体现。2、晶面角守恒、晶面角守恒同一品种的晶体，生长条件不同，其外形不同。然而同一品同一品种的晶体，生长条件不同，其外形不同。然而同一品种的晶体，不论其外形如何，晶面间的交角总是确定的。种的晶体，不论其外形如何，晶面间的交角总是确定的。晶体光学基础晶体光学基础光调制光调制技术技术3、均匀性、均匀性是指晶体在不同位置上具有相同的物理性质。是指晶体在不同位置上具有相同的物理性质。4、各向异性、各向异性是指晶体的宏观性质随观察方向的是指晶体的宏观性质随观察方向的不同而不同。这一性质的本质是晶不同而不同。这一性质的本质是晶体沿不同晶轴方向晶格常量不同，体沿不同晶轴方向晶格常量不同，也就是由晶格中各个方向格点的排也就是由晶格中各个方向格点的排列方式不同而引起的。晶体的解理列方式不同而引起的。晶体的解理与双折射是晶体各向异性的典型体与双折射是晶体各向异性的典型体现。现。晶体光学基础晶体光学基础光调制光调制技术技术5、晶体的对称性、晶体的对称性是指晶体的几何形态由于晶体内是指晶体的几何形态由于晶体内部结构在某些不同方向或在同一部结构在某些不同方向或在同一方向的不同位置存在着有规则的方向的不同位置存在着有规则的重复性，从而体现出的在一些不重复性，从而体现出的在一些不同方向上自相重合现象的特性。同方向上自相重合现象的特性。6、最小内能性：、最小内能性：在相同的热力学条件下，晶体的内能是最小的。在相同的热力学条件下，晶体的内能是最小的。光调制中最为关心的是晶体的光调制中最为关心的是晶体的各向异性各向异性和和对称性对称性晶体光学基础晶体光学基础光调制光调制技术技术 n次旋转反演（次旋转反演（Sn）：）：进行进行 n 次旋转后，绕旋转轴的某个次旋转后，绕旋转轴的某个点再进行中心反演点再进行中心反演 镜象反演（镜象反演（）：以某个面为对称面以某个面为对称面 中心反演（中心反演（I）：）：绕某个中心点，把坐标为绕某个中心点，把坐标为r的点换到的点换到-r上上 n次旋转（次旋转（Cn）：）：绕某轴转绕某轴转n次后回到原位次后回到原位如：某晶体，绕某周转如：某晶体，绕某周转120120后与原来重合，可转三次，后与原来重合，可转三次，该轴称为该轴称为3 3次旋转轴，次旋转轴，n=3n=3，n n可取可取1 1，2 2，3 3，4 4，6 6 恒等操作（恒等操作（E）：）：绕任何轴旋转绕任何轴旋转0或或2 角度角度晶体的对称性：晶体的对称性：对晶体实行某种适当的操作，晶体保持不变对晶体实行某种适当的操作，晶体保持不变晶体光学基础晶体光学基础光调制光调制技术技术v点群点群v一种晶体可以有多种对称操作，这些对称操作的集一种晶体可以有多种对称操作，这些对称操作的集合称为合称为“群群”；KDP晶体（晶体（KH2PO4）四角晶系，四角晶系，点群点群 001 4次旋转反演轴次旋转反演轴 2 010或或100 2次旋转轴次旋转轴 m 110 对称面对称面砷化镓晶体（砷化镓晶体（GaAs）立方晶系，立方晶系，点群点群 100 4次旋转反演轴次旋转反演轴 3 111 3次旋转轴次旋转轴 m 110 对称面对称面“点群点群”是晶体结构对称类型的一种标志方法，例：是晶体结构对称类型的一种标志方法，例：各种点阵（晶体）拥有不同的对称性，因此，各种各种点阵（晶体）拥有不同的对称性，因此，各种晶体可以用晶体可以用“点群点群”来表示；来表示；晶体光学基础晶体光学基础第第5 5章章 光调制技术光调制技术 晶体光学基础晶体光学基础 光在晶体中的传播光在晶体中的传播 电光调制电光调制 声光调制声光调制 磁光调制磁光调制光调制光调制技术技术物理量物理量标量：标量：温度（温度（T），质量（），质量（m）；）；只有大小，没有方向只有大小，没有方向矢量：矢量：电场强度（电场强度（E），电极化矢量（），电极化矢量（P）；）；有大小，有方向有大小，有方向张量：张量：什么是张量？如何表示？什么是张量？如何表示？vP 和和 E 的关系的关系v 在各向同性介质中在各向同性介质中，P 和和 E 同向同向PE线性关系，线性关系，：比例常数，极化率或极化系数比例常数，极化率或极化系数光在晶体中的传播光在晶体中的传播光调制光调制技术技术在各向异性介质中在各向异性介质中，P 和和 E 一般不同向一般不同向若若PEE 的每一个分量对的每一个分量对 P 的每一个分量都有贡献的每一个分量都有贡献有有P 和和 E 的关系由的关系由9个个 常数，或一个物理量常数，或一个物理量 的的9个分量个分量来决定，这来决定，这9个分量有规则地排列成一个个分量有规则地排列成一个3x3的矩阵的矩阵 二阶张量，称为极化系数张量二阶张量，称为极化系数张量 光在晶体中的传播光在晶体中的传播光调制光调制技术技术矩阵表示法矩阵表示法分量表示法分量表示法 i（自由脚标）（自由脚标）=1，2，3；j（哑脚标）（哑脚标）=1，2，3 哑脚标表示对它的全部可能值求和，但省去求和号不写哑脚标表示对它的全部可能值求和，但省去求和号不写光在晶体中的传播光在晶体中的传播光调制光调制技术技术由此可见由此可见 1)各向异性晶体中各向异性晶体中P每一个分量都与每一个分量都与E的三个分量存在着线的三个分量存在着线性关系，性关系，P不再与不再与E同向；同向；2)坐标系确定后坐标系确定后 均为常量，均为常量，的大小取决于晶体的结构的大小取决于晶体的结构和三个坐标轴相对于晶格结构的选择情况。和三个坐标轴相对于晶格结构的选择情况。通过坐标系的恰当选择使得张量的非对角元素等于零通过坐标系的恰当选择使得张量的非对角元素等于零晶体的主介晶体的主介电坐标系电坐标系光在晶体中的传播光在晶体中的传播光调制光调制技术技术考虑对称性后：考虑对称性后：低级晶族低级晶族在直角坐标系中在直角坐标系中中级晶族中级晶族高级晶族高级晶族光在晶体中的传播光在晶体中的传播光调制光调制技术技术晶体光学特性的几何表示晶体光学特性的几何表示光在晶体中的传播光在晶体中的传播该波动方程组有非零解的条件为方程组的系数行列式为零，即该波动方程组有非零解的条件为方程组的系数行列式为零，即光调制光调制技术技术光在晶体中的传播光在晶体中的传播两层曲面通常有两层曲面通常有四个公共点，通四个公共点，通过原点和这些公过原点和这些公共点连线方向传共点连线方向传播的两个波有相播的两个波有相同的相速度，这同的相速度，这些方向称为光轴。些方向称为光轴。晶体中至多有两晶体中至多有两个光轴。个光轴。光调制光调制技术技术光调制光调制技术技术光调制光调制技术技术1)折射率椭球任一矢径的方向，表示光波电位移矢量折射率椭球任一矢径的方向，表示光波电位移矢量D的一的一个方向。矢径长度表示个方向。矢径长度表示D沿矢径方向振动的光波的折射率。沿矢径方向振动的光波的折射率。2)对于任意给定的波矢对于任意给定的波矢K，利用折射率椭球可求光波，利用折射率椭球可求光波D的偏振的偏振方向及相应折射率：通过原点作方向及相应折射率：通过原点作K的垂面，与折射率椭球相的垂面，与折射率椭球相交得一椭圆截面，则这一椭圆截面的两个轴即为两个偏振允交得一椭圆截面，则这一椭圆截面的两个轴即为两个偏振允许方向，两个轴的长度许方向，两个轴的长度 nI I、n n 为相应的折射率。为相应的折射率。光调制光调制技术技术光调制光调制技术技术折射率面（各传播方向上折射率的空间取值分布）折射率面（各传播方向上折射率的空间取值分布）任意给定点离开原点的距离等于沿这个方向传播的光波的折任意给定点离开原点的距离等于沿这个方向传播的光波的折射率射率yzknone正单轴晶体正单轴晶体yzknone负单轴晶体负单轴晶体vo t ve t 光轴光轴 负晶体负晶体(vo ve)相速度面（各传播方向上光速的空间取值分布，等价于波相速度面（各传播方向上光速的空间取值分布，等价于波面）：给定点离开远点的距离等于沿这个方向传播的光波面）：给定点离开远点的距离等于沿这个方向传播的光波的速度的速度光调制光调制技术技术晶体的双折射晶体的双折射光在晶体中的传播光在晶体中的传播光调制光调制技术技术分分析析这这三三种种情情况况光调制光调制技术技术对于一线偏振光入射，光被分解为对于一线偏振光入射，光被分解为o光和光和e光，其折射率分别光，其折射率分别为为no和和nb。在晶体中传播了距离在晶体中传播了距离d后，两种偏振光之间出现相位差。后，两种偏振光之间出现相位差。rbnxEExEb波片：波片：波片：波片：/2可导致偏振态的改变，如何改可导致偏振态的改变，如何改变呢？变呢？光在晶体中的传播光在晶体中的传播光调制光调制技术技术电光效应电光效应利用电光效应能在天然双折射晶体利用电光效应能在天然双折射晶体(如如KDP)中形成新的光中形成新的光轴，或者使各向异性的天然晶体轴，或者使各向异性的天然晶体(如如GaAs)产生双折射。这产生双折射。这种效应弛豫时间很短仅有种效应弛豫时间很短仅有1011秒的量级，外场的施加或秒的量级，外场的施加或撤消导致的折射率变化瞬间即可完成可用作高速调制器、撤消导致的折射率变化瞬间即可完成可用作高速调制器、高速开关等。高速开关等。电光效应：电光效应：理论与实验证明，介电常量是随电场强度而变理论与实验证明，介电常量是随电场强度而变化的如果外加电场较弱，可以做弱场近似，认为介电常化的如果外加电场较弱，可以做弱场近似，认为介电常量与电场强度无关；但当光介质的两端所加外加电场较强量与电场强度无关；但当光介质的两端所加外加电场较强时，介质内的电子分布状态将发生变化，以致介质的极化时，介质内的电子分布状态将发生变化，以致介质的极化强度以及折射率也各向异性地发生变化，这种现象称为电强度以及折射率也各向异性地发生变化，这种现象称为电光效应。光效应。光调制光调制技术技术为了突出物理思路，简化推导，本节讨论基于以下条件：为了突出物理思路，简化推导，本节讨论基于以下条件：1)外加电场相对光场为低频。外加电场相对光场为低频。外加电场频率接近或达到光频时属于非线性光学研究范畴。外加电场频率接近或达到光频时属于非线性光学研究范畴。2)所研究介质为无对称中心的晶体。所研究介质为无对称中心的晶体。本节研究线性电光效应，只能存在于无对称中心的晶体中。本节研究线性电光效应，只能存在于无对称中心的晶体中。3)外加电场沿着某一介电主轴作用于晶体。外加电场沿着某一介电主轴作用于晶体。此时此时D与与E的方向一致，因而的方向一致，因而D只随只随E的大小变化。的大小变化。线性介电线性介电常数常数加电场后的介电加电场后的介电常量常量在光频段，介电常量即便在光频段，介电常量即便有微小的变化都可以导致有微小的变化都可以导致明显的光学效应。明显的光学效应。电光效应电光效应光调制光调制技术技术取二阶近似可得：取二阶近似可得：线性电光系数线性电光系数Pockels效应效应二次电光系数，二次电光系数，Kerr效应效应由介质本身的性由介质本身的性质决定质决定电光效应电光效应光调制光调制技术技术折射率椭球可以很方便的表示出折射率在晶体空间各方向折射率椭球可以很方便的表示出折射率在晶体空间各方向上的取值分布，这样外加电场对于晶体折射率的影响就可上的取值分布，这样外加电场对于晶体折射率的影响就可以用折射率椭球的大小、形状和取向等因素的改变来描述。以用折射率椭球的大小、形状和取向等因素的改变来描述。也就是说要研究外加电场对晶体折射率的影响，只要研究也就是说要研究外加电场对晶体折射率的影响，只要研究折射率椭球如何随外加电场而改变就可以了。折射率椭球如何随外加电场而改变就可以了。光波在各向异性晶体中的传播特性可用折射率椭球来描光波在各向异性晶体中的传播特性可用折射率椭球来描述，引入逆介电张量述，引入逆介电张量则不加外场时在则不加外场时在xyz主介电坐标系中的折射率椭球又可表示为主介电坐标系中的折射率椭球又可表示为电光效应电光效应光调制光调制技术技术当加上电场后：当加上电场后：电光效应电光效应E对对n的影响可以用的影响可以用 的变化来表示的变化来表示由外加电场由外加电场引起的引起的共共9个方程个方程光调制光调制技术技术电光效应电光效应共共27个个元素元素共共18个个光调制光调制技术技术电光效应电光效应具有反演对称性的晶体具有反演对称性的晶体 光调制光调制技术技术电光效应电光效应光调制光调制技术技术KDP晶体晶体电光效应电光效应光调制光调制技术技术KDPKDP晶体的线性电光效应晶体的线性电光效应KDP晶体是人工生长的晶体是人工生长的KH2PO4单晶的简称属于四方晶单晶的简称属于四方晶系；系；点群，为单轴晶体。点群，为单轴晶体。不加外场时其折射率椭球为不加外场时其折射率椭球为:当晶体受到外加电场作用后，其线性电光效应矩阵为当晶体受到外加电场作用后，其线性电光效应矩阵为:光调制光调制技术技术从外加电场平行和垂直光轴两种情况分析从外加电场平行和垂直光轴两种情况分析KDP晶体受电场晶体受电场作用后的折射率变化情况，定义入射光波矢方向与外加电作用后的折射率变化情况，定义入射光波矢方向与外加电场一致的电光效应称为场一致的电光效应称为纵向电光效应纵向电光效应，而称波矢方向垂直，而称波矢方向垂直于外场的电光效应为于外场的电光效应为横向电光效应横向电光效应。1外加电场平行于光轴外加电场平行于光轴采用采用z切割切割(即沿垂直于光轴方向切割即沿垂直于光轴方向切割)型晶片型晶片这样其折射率椭球为这样其折射率椭球为:主轴发生变主轴发生变化，设新旧化，设新旧主轴之间的主轴之间的夹角为夹角为KDPKDP晶体的线性电光效应晶体的线性电光效应光调制光调制技术技术坐标变换矩阵为：坐标变换矩阵为：00001新主轴新主轴0KDPKDP晶体的线性电光效应晶体的线性电光效应光调制光调制技术技术标准的双轴标准的双轴晶体折射率晶体折射率椭球方程椭球方程下面来求三个主折射率下面来求三个主折射率 的量级为的量级为 ，而而E的量级为的量级为 所以所以可近似处理如下：可近似处理如下：KDPKDP晶体的线性电光效应晶体的线性电光效应光调制光调制技术技术 坐标变换结果表明；坐标变换结果表明；1)施加外场施加外场E3后，椭球的后，椭球的xoy截面由圆变为椭圆，折射率椭截面由圆变为椭圆，折射率椭球由旋转椭球面变为一般椭球面，球由旋转椭球面变为一般椭球面，KDP由单轴晶体变为双轴由单轴晶体变为双轴晶体。晶体。2)x方向折射率比原来的折射率方向折射率比原来的折射率no有所减小，而有所减小，而y方向折射方向折射率与原折射率相比有所增大，于是沿率与原折射率相比有所增大，于是沿x方向偏振的光传播相方向偏振的光传播相速度加大，而沿速度加大，而沿y方向偏振的光传播相速度减小因此称方向偏振的光传播相速度减小因此称x轴轴为快轴，为快轴，y为慢轴。为慢轴。KDPKDP晶体的线性电光效应晶体的线性电光效应光调制光调制技术技术2外加电场垂直于光轴外加电场垂直于光轴这样其折射率椭球为这样其折射率椭球为:主轴发生变主轴发生变化，设新旧化，设新旧主轴之间的主轴之间的夹角为夹角为KDPKDP晶体的线性电光效应晶体的线性电光效应光调制光调制技术技术则新主轴坐标系中折射率椭球变为：则新主轴坐标系中折射率椭球变为：KDPKDP晶体的线性电光效应晶体的线性电光效应光调制光调制技术技术上述结果表明：上述结果表明：1)施加外场施加外场E2后新折射率椭球的主轴是由旧主轴绕后新折射率椭球的主轴是由旧主轴绕x2轴旋转轴旋转 角后形成的，角后形成的，与外加电场成正比，但一般是一与外加电场成正比，但一般是一个小值。个小值。2)施加外场施加外场E2后，折射率椭球由旋转椭球变为一般椭球后，折射率椭球由旋转椭球变为一般椭球单轴晶体变为双轴晶体，双轴晶体的光轴方向之一仍为原单轴晶体变为双轴晶体，双轴晶体的光轴方向之一仍为原z轴，另一光轴位于以轴，另一光轴位于以z轴为对称轴且和轴为对称轴且和z轴对称的方向上。轴对称的方向上。事实上，外加电场垂直于光轴时，事实上，外加电场垂直于光轴时，KDP晶体的横向电光效晶体的横向电光效应为零纵向电光效应也十分微弱，因而通常不采用该种应为零纵向电光效应也十分微弱，因而通常不采用该种工作方式。工作方式。KDPKDP晶体的线性电光效应晶体的线性电光效应光调制光调制技术技术电光调制电光调制外加电场能引起折射率的变化，折射率变化又会引起光波在外加电场能引起折射率的变化，折射率变化又会引起光波在晶体中传播状况的变化，因此利用晶体的电光效应可以实现晶体中传播状况的变化，因此利用晶体的电光效应可以实现对晶体中传播光波的控制改变传播光的幅度、频率、偏振对晶体中传播光波的控制改变传播光的幅度、频率、偏振态、传播方向等，这种基于电光效应的原理对光进行的调制态、传播方向等，这种基于电光效应的原理对光进行的调制就称为电光调制，分强度调制、相位调制、脉冲调制等方式。就称为电光调制，分强度调制、相位调制、脉冲调制等方式。下面以外加电场平行于光轴的下面以外加电场平行于光轴的KDP晶体为例，分析利用电光晶体为例，分析利用电光相位延迟实现纵向与横向电光调制的过程。相位延迟实现纵向与横向电光调制的过程。1电光相位延迟电光相位延迟设沿设沿x方向振动的简谐光沿方向振动的简谐光沿z向垂直入射到外加电场平行于光向垂直入射到外加电场平行于光轴的轴的KDP晶体表面晶体表面光调制光调制技术技术三边三边入射光沿入射光沿 z,起偏起偏 处，两传播模有相位差（称作相位延迟）处，两传播模有相位差（称作相位延迟）相位延迟相位延迟输出输出输入输入KDP起偏起偏处入射光分解为处入射光分解为 方向偏振的两个传播模，分别在晶体中传播方向偏振的两个传播模，分别在晶体中传播入射光入射光电光调制电光调制光调制光调制技术技术其中其中半波电压半波电压：使相位延迟达到：使相位延迟达到 所用的电压所用的电压令令得到得到另一个表达式另一个表达式出射光：出射光：处，合成光波的偏振态取决于相位差处，合成光波的偏振态取决于相位差 ，一般是椭圆偏振态，一般是椭圆偏振态几个特殊点：几个特殊点：线偏振；线偏振；圆偏振，圆偏振，线偏振线偏振电光调制电光调制光调制光调制技术技术电光调制电光调制光调制光调制技术技术2纵向电光强度调制纵向电光强度调制入射光经过偏振片后强度为入射光经过偏振片后强度为 ：输入输入KDP起偏起偏检偏检偏电光调制电光调制经过长为经过长为 的晶体后，相位延迟的晶体后，相位延迟光调制光调制技术技术检偏器的出射光总场强为：检偏器的出射光总场强为：出射光强出射光强设输入电压为正弦调制电压，即设输入电压为正弦调制电压，即实现了强度调制实现了强度调制电光调制电光调制光调制光调制技术技术问题：问题：加交变电压后，输出非线加交变电压后，输出非线性失真；性失真；解决：解决：加入加入 波片，波片，相当引入相当引入一固定的相位延迟，将调一固定的相位延迟，将调制器偏置在制器偏置在 处；处；当输入在一定范围内（小信号），当输入在一定范围内（小信号），获得线性调制。获得线性调制。输入输入KDP起偏起偏检偏检偏快快输出输出电光调制电光调制光调制光调制技术技术电光调制电光调制光调制光调制技术技术纵向强度调制器小结：纵向强度调制器小结：入射光分解为感应主轴方向的两个传播模；入射光分解为感应主轴方向的两个传播模；找出相位延迟和外加电压（电场）的关系；找出相位延迟和外加电压（电场）的关系；加入检偏器得到输出光强随外加电压变化，实现强度调制；加入检偏器得到输出光强随外加电压变化，实现强度调制；加入加入1/4波片提供固定波片提供固定“偏置偏置”，以得到线性调制。，以得到线性调制。电光调制电光调制存在问题：存在问题：光沿光沿z轴传播，而外加电压也施加在轴传播，而外加电压也施加在z方向，因方向，因而电极结构必然引起晶体的不均匀性，从而引而电极结构必然引起晶体的不均匀性，从而引入干扰，虽然可通过加圆环形电极而得到部分入干扰，虽然可通过加圆环形电极而得到部分改善，但是并没有根本的改变改善，但是并没有根本的改变光调制光调制技术技术3横向电光强度调制横向电光强度调制450z切型晶体是切型晶体是指光波波矢在指光波波矢在xy平面内，并与平面内，并与xy轴成轴成450夹角，即夹角，即光波沿晶体的光波沿晶体的110方向方向电光调制电光调制光调制光调制技术技术自然双折射自然双折射 电致双折射电致双折射问题：问题：自然双折射项不受调制电压影响（看作固定偏置）自然双折射项不受调制电压影响（看作固定偏置）随温度而变，且变化率不同随温度而变，且变化率不同稳定性差！稳定性差！切割切割，方向通光方向通光入射光分解为沿入射光分解为沿 和和 方向偏振的两个传播模方向偏振的两个传播模 输入输入KDP起偏起偏输出输出电光调制电光调制处处光调制光调制技术技术电光调制电光调制对一定传播长度而言，与晶体的厚度成正比，晶体越对一定传播长度而言，与晶体的厚度成正比，晶体越薄，则横向半波电压越小，越容易实现电光调制。薄，则横向半波电压越小，越容易实现电光调制。晶体的横向半波电压晶体的横向半波电压由于光沿由于光沿y方向入射，因而，沿方向入射，因而，沿x方向和方向和z方向偏振的分别方向偏振的分别为为o光和光和e光，所以由于方向选择导致了晶体因为天然双折光，所以由于方向选择导致了晶体因为天然双折射而造成的固定工作点偏移。通过恰当改变晶体长度射而造成的固定工作点偏移。通过恰当改变晶体长度L，可，可以选择合适的工作点。由此可见横向电光调制器不仅克服以选择合适的工作点。由此可见横向电光调制器不仅克服了电极影响问题，还由于天然双折射相位延迟与晶体长度成了电极影响问题，还由于天然双折射相位延迟与晶体长度成正比，因而可以通过晶体长度的选择来调节相位延迟大小，正比，因而可以通过晶体长度的选择来调节相位延迟大小，以及可以调节工作点的位置。以实现有效的电光调制。以及可以调节工作点的位置。以实现有效的电光调制。光调制光调制技术技术4相位调制相位调制调制电压调制电压电光调制电光调制入射波为入射波为出射波为：出射波为：光调制光调制技术技术5.5.电光调电光调Q Q全反射全反射输出输出KD*P偏振片偏振片激光介质激光介质部分反射部分反射通常，通常，晶体上加半波电压的一半晶体上加半波电压的一半 ，自发辐射光一次通过晶体产生，自发辐射光一次通过晶体产生 ，反射后第二次通过晶体，反射后第二次通过晶体 ，。回到偏振片处仍为线偏振，。回到偏振片处仍为线偏振，偏振面转偏振面转 ，不能通过；，不能通过；损耗大，不能起振。损耗大，不能起振。适当时候，突然撤去电压，光沿光轴通过，没有相位延迟，反射后可以适当时候，突然撤去电压，光沿光轴通过，没有相位延迟，反射后可以通过偏振片；通过偏振片；损耗低，起振，产生巨大脉冲，称损耗低，起振，产生巨大脉冲，称“退压式退压式”Q开关。开关。电光调制电光调制光调制光调制技术技术6.电光光束偏转电光光束偏转Ld晶体晶体假设，折射率沿坐标变化假设，折射率沿坐标变化d光线光线 A 的渡越时间的渡越时间光线光线 B 的渡越时间的渡越时间由于渡越时间差，波阵面倾斜，法线偏转。由于渡越时间差，波阵面倾斜，法线偏转。在晶体内部的偏转角在晶体内部的偏转角由由 y 转向转向 x，取负号，取负号出射到晶体外出射到晶体外若转角较小若转角较小电光调制电光调制光调制光调制技术技术双双 KDP楔形棱镜偏转器楔形棱镜偏转器上棱镜，上棱镜，E 为负，对光为负，对光 A：下棱镜，下棱镜，E 为正，对光为正，对光 B：求得求得将将 m 对棱镜串联使用，总偏转角对棱镜串联使用，总偏转角上上下入射光入射光电光调制电光调制光调制光调制技术技术作作 业业P174 13.14.15 Thank youThank you第第5 5章章 光调制技术光调制技术 晶体光学基础晶体光学基础 光在晶体中的传播光在晶体中的传播 电光调制电光调制 声光调制声光调制 磁光调制磁光调制光调制光调制技术技术不仅电场能引起晶体的折射率变化，声波的应变场也能改不仅电场能引起晶体的折射率变化，声波的应变场也能改变某些类型晶体的折射率，由于声波的周期性，会引起折变某些类型晶体的折射率，由于声波的周期性，会引起折射率的周期性变化，产生类似于光栅的光学结构。从而对射率的周期性变化，产生类似于光栅的光学结构。从而对入射的光波产生调制，这种调制称为声光调制。声光调制入射的光波产生调制，这种调制称为声光调制。声光调制的物理基础是超声波引起晶体的应变场，使射入晶体中的的物理基础是超声波引起晶体的应变场，使射入晶体中的光波被这种弹性波衍射，这种物理现象称为弹光效应。光波被这种弹性波衍射，这种物理现象称为弹光效应。声光调制声光调制光调制光调制技术技术弹光效应弹光效应弹光效应：声场作用弹光效应：声场作用形变形变附加的电极化附加的电极化折射率改变折射率改变晶体上不加声场前，在晶体上不加声场前，在xyz主介电坐标系中折射率椭球方程为主介电坐标系中折射率椭球方程为受到外力作用后，外力作用引起弹性应变受到外力作用后，外力作用引起弹性应变 ，使折射率，使折射率椭球方程变为椭球方程变为外力对外力对n影响的体现影响的体现弹光系数弹光系数张量张量采用缩写符号：采用缩写符号：光调制光调制技术技术弹光效应弹光效应弹光系数张量弹光系数张量不同的物质，弹光系数矩阵是确定的。不同的物质，弹光系数矩阵是确定的。光调制光调制技术技术光调制光调制技术技术光调制光调制技术技术熔融石英熔融石英以熔融石英为例：以熔融石英为例：施加应力前，折射率椭球为：施加应力前，折射率椭球为：弹光效应弹光效应光调制光调制技术技术假设只有假设只有 x 方向方向有伸缩应变：有伸缩应变：弹光系数张量弹光系数张量折射率椭球变为：折射率椭球变为：弹光效应弹光效应光调制光调制技术技术变为单轴晶体，加应变的变为单轴晶体，加应变的 x 方向为光轴方向方向为光轴方向感应折射率为：感应折射率为：弹光效应弹光效应：声场作：声场作用用形变形变附加电极附加电极化化折射率改变折射率改变弹光效应弹光效应当光沿当光沿x向传播时，不发生双折射；当光沿向传播时，不发生双折射；当光沿y或或z向传播时，双折射率为向传播时，双折射率为:光调制光调制技术技术声光衍射声光衍射声波通过介质声波通过介质介质中产生随时间、空间周期变化的弹性波介质中产生随时间、空间周期变化的弹性波折射率周期变化折射率周期变化相当于相当于“相位光栅相位光栅”发生光的衍射发生光的衍射(1)行波声场行波声场可以根据惠更斯基尔霍夫公式计算在行波声场中衍射光的光强。可以根据惠更斯基尔霍夫公式计算在行波声场中衍射光的光强。如果入射声场为：如果入射声场为：光调制光调制技术技术波长、相位、振幅波长、相位、振幅相同，传播方向相相同，传播方向相反的两束声波叠加反的两束声波叠加后即形成声驻波，后即形成声驻波，设两束反向波为设两束反向波为则合成波为则合成波为：相应的折射率变化为：相应的折射率变化为：(2)驻波场驻波场声光衍射声光衍射光调制光调制技术技术两种衍射：两种衍射：RamanNath 衍射衍射 声波频率较低（声波频率较低（较大）较大）声波波束窄声波波束窄 “面光栅面光栅”周期大周期大 声光作用距离短声光作用距离短Bragg 衍射衍射 声波频率较高（声波频率较高（较小）较小）声波波束宽声波波束宽 “体光栅体光栅”周期小周期小 声光作用距离长声光作用距离长光波光波波阵面波阵面声波波声波波阵面阵面声光衍射声光衍射光调制光调制技术技术RamanNath衍射衍射 （仍以熔融石英为例）（仍以熔融石英为例）平面纵声波沿平面纵声波沿 x 方向，声波波束宽度为方向，声波波束宽度为 L质点位移：质点位移：应变场：应变场：单色平面光波，单色平面光波，x方向偏振，沿方向偏振，沿 y方向传输方向传输相应折相应折射率：射率：光波波阵面声波波阵面与声场无关与声场无关与声场有关与声场有关声光衍射声光衍射光调制光调制技术技术（到中心）（到中心）（到子波源（到子波源 dx）（程差）参照物理参照物理 光学的方法，求远场光学的方法，求远场 P 处的光强处的光强将将 y=L 处的波阵面分成许多子处的波阵面分成许多子波元波元 dx,子波元子波元 dx 对对 P 点处光场的贡献点处光场的贡献入射场入射场声光介质中声光介质中空气中空气中与与 dx 大大小成比例小成比例与与 x 无关无关与与 x 有关有关P 点处光强为从点处光强为从 到到 的积分的积分声光衍射声光衍射光调制光调制技术技术其中其中欧拉公式欧拉公式积分结果积分结果函数函数Bessell函函数公式数公式偶阶偶阶奇阶奇阶声光衍射声光衍射光调制光调制技术技术讨论讨论 m 取不同值表示不同方向可能取得极大值取不同值表示不同方向可能取得极大值极大条件极大条件 m：衍射级次：衍射级次对比普通光栅对比普通光栅 可见可见 相当于光栅常数相当于光栅常数各级各级衍射光强：衍射光强：由由正、负同级次衍射光强度相等；正、负同级次衍射光强度相等；各级衍射光总和各级衍射光总和=入射光强入射光强功率守恒，但功率守恒，但各级都不强各级都不强各级各级衍射光均为单色光，但有频移：衍射光均为单色光，但有频移：声光栅是移动的声光栅是移动的衍射光频率：衍射光频率：一般可忽略频移一般可忽略频移声光衍射声光衍射光调制光调制技术技术Bragg 衍射衍射 小、小、L 大，大，体光栅体光栅折射率周期变化（周期折射率周期变化（周期 ）并沿）并沿 方向移动，可看作一系列移动的部分方向移动，可看作一系列移动的部分反射镜反射镜体光栅；体光栅；入射入射 某一方向得到衍射光的条件：某一方向得到衍射光的条件：从同一从同一“镜面镜面”反射的光光程差为零；反射的光光程差为零；得到得到衍射角衍射角=入射角入射角相邻两相邻两“镜面镜面”反射的光，光程差反射的光，光程差=光波长整数倍光波长整数倍得到得到Bragg条件条件但没有考虑声波的移动但没有考虑声波的移动 声光衍射声光衍射光调制光调制技术技术布拉格衍射的输出：布拉格衍射的输出：根据一系列推导得布拉格最大振幅表达式为根据一系列推导得布拉格最大振幅表达式为入射光功率转化为衍射光功率的部分表示为入射光功率转化为衍射光功率的部分表示为声光品质因数声光品质因数声波强度声波强度声光衍射声光衍射光调制光调制技术技术判据判据，什么时候看作体光栅，什么时候看作面光栅什么时候看作体光栅，什么时候看作面光栅？光栅模型：光栅模型：光密层，全不透光光密层，全不透光光疏层，全透光光疏层，全透光厚度分别为厚度分别为当光偏离正入射且当光偏离正入射且 时，上时，上半部分和下半部分的光程差半部分和下半部分的光程差 ，由同一光疏层得到的光最弱；由同一光疏层得到的光最弱；当长度当长度 后，相邻两光疏层输出的光不能相遇；后，相邻两光疏层输出的光不能相遇；则则有有Raman Nath 衍射衍射Bragg 衍射衍射由图由图由由声光衍射声光衍射每个课每个课本定义本定义方式不方式不一样一样这个问题自己这个问题自己查资料解决好查资料解决好吗？吗？光调制光调制技术技术根据波粒二象性根据波粒二象性频率为频率为 ，波矢为，波矢为 的光波的光波 能量为能量为 ，动量为，动量为 的光子流的光子流频率为频率为 ，波矢为，波矢为 的声波的声波 能量为能量为 ，动量为，动量为 的声子流的声子流两种情况两种情况入射光入射光衍射光衍射光声波声波迎向迎向光波，消耗一个光波，消耗一个 光子并吸收一个光子并吸收一个 声子，声子，放出放出 光子光子入射光入射光衍射光衍射光声波声波背着背着光波，消耗一个光波，消耗一个 光光子，放出一个子，放出一个 光光子和一个子和一个 声子声子服从服从 动量守恒动量守恒能量守恒能量守恒声光衍射的量子解释声光衍射的量子解释光调制光调制技术技术通常通常有有即即 与与 方向可能不同，但大小相等，波矢图是等腰三角形方向可能不同，但大小相等，波矢图是等腰三角形从波矢三角形从波矢三角形其中其中即即 Bragg 条件条件满足波矢匹配即满足满足波矢匹配即满足 Bragg 条件条件声光衍射的量子解释声光衍射的量子解释光调制光调制技术技术声光器件声光器件1声光调制器声光调制器从原理上讲，声光效应既可以用于光强调制也可以用于从原理上讲，声光效应既可以用于光强调制也可以用于频率调制。由于衍射光的频率不再与入射光相同，其改变频率调制。由于衍射光的频率不再与入射光相同，其改变量决定于声波频率，因而可以通过控制声波驱动电信号来量决定于声波频率，因而可以通过控制声