固体光学晶体光学优秀PPT.ppt
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1、固体光学晶体光学第1页,本讲稿共70页一、平行光束的偏振光干涉一、平行光束的偏振光干涉 图图画画出出了了实实现现平平行行光光束束的的偏偏振振光光干干涉涉装装置置示示意意图图。一一束束平平行行的的自自然然光光束束通通过过起起偏偏镜镜A后后成成为为线线偏偏振振光光Io在在晶晶体体C中中分分解解为为振振动动方方向向互互相相垂垂直直、传传播播方方向向一一致致但但速速度度不不同同的的特特殊殊双双折折射射的的二二线线偏偏振振光光,即即o光光和和e光光。设设二二者者振振幅幅均均为为OA,过过c后在空间传播的后在空间传播的o光和光和e具有固定的位相差具有固定的位相差(或光程差或光程差):第2页,本讲稿共70页
2、设设起起偏偏镜镜A与与检检偏偏镜镜P的的夹夹角角为为,起起偏偏镜镜A与与线线偏偏振振光光振振动动D(或或D”)方向成方向成。则。则o光和光和e光的振幅为光的振幅为o光和光和e光在检偏镜振动轴光在检偏镜振动轴OP方向的投影为方向的投影为第3页,本讲稿共70页从从晶晶片片出出射射的的振振动动方方向向互互相相垂垂直直的的o光光和和e光光在在检检偏偏镜镜P上上实实现现具具有有恒恒定定位位相相差差、振振动动方方向向相相同同、频频率率相相同同的的线线偏偏振振光光的的干干涉涉。干涉后的强度为干涉后的强度为式中:式中:马吕斯定律马吕斯定律第4页,本讲稿共70页讨论:正交偏光镜讨论:正交偏光镜(=/2)下的偏光
3、干涉下的偏光干涉如如果果将将晶晶片片c置置于于正正交交偏偏光光镜镜的的载载物物台台上上(不不能能沿沿光光轴轴方方向向通通光光),调好焦距在检偏镜处发生正交偏光干涉。,调好焦距在检偏镜处发生正交偏光干涉。下面分析几种干涉极值情况下面分析几种干涉极值情况当当起起偏偏镜镜(或或检检偏偏镜镜)振振动动轴轴方方向向与与D或或D”)方方向向一一致致或或成成直直角角时时,透透过过检检偏偏镜镜的的干干涉涉强强度度为为零零,视视野野全全暗暗,称称为为消消光光现现象象。此此时时晶晶片片c所所处处的的位位置置称称为为消消光光位位置置。晶晶片片转转360将出现四次消光。将出现四次消光。第5页,本讲稿共70页晶片晶片c
4、 随转动载物台一周,视野将出现四次最亮位置随转动载物台一周,视野将出现四次最亮位置。第6页,本讲稿共70页二、电光开关二、电光开关 近近年年来来电电光光效效应应在在激激光光技技术术,光光信信息息处处理理和和光光通通信信技技术术等等近近代代工工程程技技术术中中有有着着广广泛泛的的应应用用。例例如如,利利用用晶晶体体的的电电光光效效应应可可以以制制成成电电光光快快门门、电电光光调调制制、电电光光偏偏转转器器、电电光光相相位位延延迟迟器器、电电光光调调Q激激光光器器以以及及大大屏屏幕幕显显示示靶靶面面,还还可以用于电光销模技术等。可以用于电光销模技术等。电电光光开开关关就就是是利利用用电电信信号号来
5、来控控制制光光路路通通断断的的装装置置,也也称称电光快门。电光快门。工工作作原原理理是是在在一一般般光光学学系系统统中中加加进进一一对对正正交交的的起起偏偏镜镜P和和检检偏偏镜镜A并并在在其其中中间间放放置置电电光光晶晶体体样样品品构构成成。我我们们现现用用KDP晶晶体体的的Z-切切片片来来讨讨论论电电光光快快门门的的工工作作原原理理及及其其有关概念。有关概念。第7页,本讲稿共70页第8页,本讲稿共70页 在在KDP晶晶体体Z-切切片片上上没没加加电电场场时时,它它是是单单轴轴晶晶体体,Z-切切片片的的主主轴轴x1(或或x2)与与起起(检检)偏偏镜镜平平行行。通通光光方方向向垂垂直直Z-切切片
6、片,无无双双折折射射现现象象垂垂直直z方方向向光光率率体体中中心心截截面面是是一一个个圆,透过检偏镜的光强度满足:圆,透过检偏镜的光强度满足:正交偏光镜正交偏光镜(=/2)下的偏光干涉:下的偏光干涉:第9页,本讲稿共70页当当沿沿Z方方向向外外加加电电场场E3,则则产产生生KDP晶晶体体的的 63纵纵向向电电光光效效向向,即即KDP晶晶体体变变为为双双轴轴晶晶体体。晶晶体体中中二二线线偏偏振振光光沿沿x1或或x2方方向向振振动动,45o。此此时时透透过过检检偏偏镜镜的的光光强为强为:相对透过率相对透过率因为:因为:第10页,本讲稿共70页所以:所以:相相对对透透过过率率 T是是 加加在在KDP
7、晶晶体体Z-切切片片上上纵纵向向电电压压 V3的的 正正弦弦 平平 方方 的的函函数数,T将将随随 V3周周 期期性变化。性变化。第11页,本讲稿共70页相对透过率相对透过率T随着随着V3的增加而周期性的出现最大和最小,的增加而周期性的出现最大和最小,相当于快门的打开和关闭。如果外加瞬时脉冲电压相当于快门的打开和关闭。如果外加瞬时脉冲电压V3V。上。上图就变成了瞬时电光快门。由于电光效应的响图就变成了瞬时电光快门。由于电光效应的响应时间短,这种电光快门的开关速度很快,可达应时间短,这种电光快门的开关速度很快,可达1010次次/秒,这是任何机械快门都不可能达到的。秒,这是任何机械快门都不可能达到
8、的。电光快门的另一个重要参数是消光比,就是最大输电光快门的另一个重要参数是消光比,就是最大输出光强和最小输出光强之比。最小透过光强应该是零,出光强和最小输出光强之比。最小透过光强应该是零,但实际上最小光强很难达到零。这是由于以下几个因但实际上最小光强很难达到零。这是由于以下几个因家所决定:家所决定:第12页,本讲稿共70页a)外加电场的不均匀性。外加电场的不均匀性。b)晶体本身有内应力或内应力不均匀,由弹光效应晶体本身有内应力或内应力不均匀,由弹光效应 引起引起轻微双折射而导致漏光。轻微双折射而导致漏光。c)起偏镜或检偏镜因质量问题使二者不能严格正交或平行。起偏镜或检偏镜因质量问题使二者不能严
9、格正交或平行。d)入射光束的发散度,使光束不能严格的平行光轴方入射光束的发散度,使光束不能严格的平行光轴方向。向。要想获得较大的消光比,应从以上几个方面提高电光要想获得较大的消光比,应从以上几个方面提高电光开关的质量。开关的质量。第13页,本讲稿共70页三、电光偏转器三、电光偏转器 利利用用电电光光效效应应来来改改变变介介质质中中光光束束的的传传播播方方向向的的技技术术通通称称为为电电光光偏偏转转。实实现现光光束束偏偏转转的的途途径径很很多多,除除电电光光效效应应外外,还还可可通通过过弹弹光光效效应应(包包括括声声光光效效应应)、磁磁光光效效应应等等办法控制光束实现数字型偏转或连续型偏转。办法
10、控制光束实现数字型偏转或连续型偏转。光光束束偏偏转转在在激激光光应应用用技技术术、各各种种显显示示技技术术、光光信信息息处处理理与与存存储储技技术术中中有有着着广广泛泛的的应应用用。下下面面分分别别介介绍绍数数字字型型电电光光偏偏转器和连续型电光偏转器的基本原理。转器和连续型电光偏转器的基本原理。第14页,本讲稿共70页1、数字型电光偏转器、数字型电光偏转器 数数字字型型电电光光偏偏转转器器通通常常简简称称为为数数字字偏偏转转器器。它它是是在在普普通通光光学学系系统统中中加加进进起起偏偏器器、电电光光晶晶体体和和双双折折射射晶晶体体组组成成。下下图图为一级数字型电光偏转器的原理图。为一级数字型
11、电光偏转器的原理图。第15页,本讲稿共70页 假假设设电电光光晶晶体体利利用用KDP晶晶体体Z-切切片片 63的的纵纵向向效效应应,双双折折射射晶晶体体采采用用方方解解石石或或硝硝酸酸纳纳。在在图图中中标标出出各各晶晶体体的的方方向向及及起起偏偏器器偏偏振振轴轴的的方方向向。没没对对电电光光晶晶体体(KDP)加加电电场场V3时时,透透过过起起偏偏镜镜的的线线偏偏振振光光D/x2,且且沿沿光光轴轴c(x3)方方向向通通过过KDP晶晶体体正正交交入入射射到到双双折折射射晶晶体体方方解解石石的的界界面面上上。由由于于该该线线偏偏振振光光的的D恰恰好好平平行行方方解解石石的的光光轴轴方方向向,所所以以
12、在在方方解解石石中中只只有有e光光,其其te偏偏离离原原入射方向在晶体中传播并射出入射方向在晶体中传播并射出(如图中实线所示如图中实线所示)。第16页,本讲稿共70页 若若对对电电光光晶晶体体KDP加加电电场场V3使使之之变变为为双双轴轴晶晶体体,则则光光沿沿x3方方向向(不不是是双双轴轴晶晶体体的的光光轴轴)行行进进,便便在在KDP晶晶体体中中形形成成振振动动方方向向互相垂直的两束线偏振光。互相垂直的两束线偏振光。一一般般情情况况下下,它它们们在在透透过过KDP后后将将合合成成由由KDP的的 63纵纵向向效效应应产产生生的的位位相相延延迟迟 决决定定的的不不同同椭椭圆圆线线偏偏振振光。光。第
13、17页,本讲稿共70页如果如果V3=V,从从KDP晶体出来的二线偏光晶体出来的二线偏光=,便合成,便合成为线偏振光在空间传播,其振动方向与为线偏振光在空间传播,其振动方向与V3=0(=0)时时的线偏光振动方向垂直。该线偏振光正交入射到图中的线偏光振动方向垂直。该线偏振光正交入射到图中双折射晶体双折射晶体(方解石方解石)界面,在方解石中只有界面,在方解石中只有o光仍沿光仍沿原来入射光路传播并从方解石射出来原来入射光路传播并从方解石射出来(图中虚线所示图中虚线所示)。通过在电光晶体上是否外加半波电压通过在电光晶体上是否外加半波电压V 来控制光束分来控制光束分别占据两个可能位置之一的目的。如果通过适
14、当的组合可别占据两个可能位置之一的目的。如果通过适当的组合可以控制出射光占据更多的位置从而在二维空间中控制光斑以控制出射光占据更多的位置从而在二维空间中控制光斑的位置。的位置。第18页,本讲稿共70页第19页,本讲稿共70页二二级级数数字字型型电电光光偏偏转转器器,电电光光晶晶体体A1和和A2的的尺尺寸寸和和取取向向应应一一致致,而而双双折折射射晶晶体体B1和和B2的的取取向向一一致致。但但B2的的厚厚度度是是B1的的二二倍倍通通过过改改变变加加在在A1和和A2上上的的电电压压,就就可可以以使使光光束束偏偏转转到到相相应应的的位位置置上上,二二级级数数字字型型电电光光偏偏转转器器共共有有四四个
15、个可可控控光光斑斑位位置置,如如图图所所示示,同同样样n级级电电光光偏偏转转器器,可可以以得得到到2n个个可可控控的的光光斑斑位位置置,如如果果要要使使可可控控位位置置作作二二维维分分布布,只只要要用用被被此此正正交交的的两组电光偏转器组合在一起就可以两组电光偏转器组合在一起就可以(常称为常称为x-y偏转器)偏转器)第20页,本讲稿共70页 将将两两块块同同种种材材料料的的电电光光晶晶体体(如如KDP晶晶体体)按按图图所所示示的的形形式式贴贴在在一一起起,它它们们的的取取向向已已标标在在图图上上,其其特特点点是是;它它们们的的x3轴轴方方向向相相反反。电电场场E3方方向向垂垂直直纸纸面面向向里
16、里,构构成成了了KDP晶体晶体 63横向效应连续型电光偏转器。横向效应连续型电光偏转器。2、连续型电光偏转器、连续型电光偏转器第21页,本讲稿共70页假假设设有有一一束束线线偏偏振振光光沿沿x2方方向向正正交交入入射射到到左左侧侧电电光光晶晶体体A的的界面上,振动方向沿界面上,振动方向沿x1,光在晶体,光在晶体A中的折射率中的折射率:当当光光波波进进入入到到右右侧侧电电光光晶晶体体B中中,光光波波仍仍保保持持沿沿x1方方向向振振动动。由由于于电电场场E3在在A和和B中中的的方方向向恰恰相相反反,所所以以在在B晶晶体体中的折射率与在中的折射率与在A中的不同中的不同:于于是是在在A和和B之之间间出
17、出现现了了折折射射率率梯梯度度,从从而而造造成成了了光光线线方向的偏转。方向的偏转。第22页,本讲稿共70页举例:连续偏转器:举例:连续偏转器:将将三三块块厚厚度度为为h的的电电光光棱棱镜镜组组合合到到一一起起,即即成成为为一一个个连连续续偏偏转转器器它它们们的的光光轴轴都都垂垂直直于于纸纸面面,与与棱棱镜镜的的厚厚度度方方向向一一致,而相邻的两块棱的致,而相邻的两块棱的x3轴是相反的。轴是相反的。在垂直于在垂直于x3轴的棱镜面上镀上电极,当加上电压轴的棱镜面上镀上电极,当加上电压V3时,各块棱镜的感应生轴方向如图中所示时,各块棱镜的感应生轴方向如图中所示nn其中:其中:第23页,本讲稿共70
18、页由三块电光晶体组成的偏转器由三块电光晶体组成的偏转器第24页,本讲稿共70页 当当一一束束线线偏偏振振光光垂垂宜宜人人射射到到棱棱镜镜组组时时,如如果果V3=0,则则光光束束不不偏偏转转,如如果果V3 0,则则光光束束发发生生偏偏转转。在在第第一一块块和和第第二二块块棱镜的交界面上,入射棱镜的交界面上,入射 1=/2,折射角为折射角为 2,有:,有:第25页,本讲稿共70页在第二块和第三块棱镜的界面上,入射角在第二块和第三块棱镜的界面上,入射角 3为为所以:所以:第26页,本讲稿共70页在棱镜组中,第三块棱镜右侧界面的入射角在棱镜组中,第三块棱镜右侧界面的入射角 5为为最后,经过第二三棱镜后
19、,光束的偏转角为最后,经过第二三棱镜后,光束的偏转角为由此可知,偏转角随由此可知,偏转角随V3连续变化,所以可以实现光束的连连续变化,所以可以实现光束的连续偏转续偏转第27页,本讲稿共70页 在在外外加加交交变变信信号号场场(简简称称调调制制信信号号)作作用用下下,调调制制晶晶体体的的折折射射率率也也将将随随着着调调制制信信号号的的频频率率而而变变化化。若若有有一一束束光光波波通通过过该该晶晶体体,则则出出射射光光的的强强度度(或或位位相相)载载有有调调制制信信号号的的信信息息,称称为为光光强强度度(或或位位相相)调调制制。利利用用晶晶体体的的电电光光效效应应使使光光强强度度(或或位位相相)随
20、随电电信信号号而而变变化化的的方方法法,称称为为电电光光调调制制。下下面面简简要要介介绍常用的电光强空绍常用的电光强空(即振幅即振幅)调制。调制。四、电光调制器四、电光调制器第28页,本讲稿共70页 在正交偏振器之间加一个在正交偏振器之间加一个KDP晶体,为了改善性晶体,为了改善性能有时在电光晶体和检偏镜之间插入一个能有时在电光晶体和检偏镜之间插入一个/4波片,就波片,就构成了电光强度调制器构成了电光强度调制器(如上图所示如上图所示)。沿。沿KDP晶体晶体x3轴通光,并利用轴通光,并利用 63纵向效应使其感应主轴纵向效应使其感应主轴x1和和x2与起偏与起偏镜和检偏镜的振动方向成镜和检偏镜的振动
21、方向成45o.第29页,本讲稿共70页 在在没没有有加加纵纵向向信信号号电电压压(Us=0)只只加加直直流流电电压压V 3时时,得得到光通过检偏镜的相对透过率如图曲线。到光通过检偏镜的相对透过率如图曲线。第30页,本讲稿共70页若在电光晶体上加一个载有传递信息的交变信号若在电光晶体上加一个载有传递信息的交变信号电压电压(简称电信号简称电信号)Us,则输出光强将随着电信号,则输出光强将随着电信号Us的大小而变化。的大小而变化。在光路中未加在光路中未加/4波片时,可得到波片时,可得到 63纵向效应的位相纵向效应的位相延迟为:延迟为:出射光与入射光强度之比出射光与入射光强度之比T用下式给出:用下式给
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