光电子技术(声光调制和声光偏转).ppt

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1、4.6 声光调制的物理基础声光调制的物理基础 超声波的概念超声波的概念 声光效应声光效应 拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 布拉格衍射布拉格衍射 声光调制声光调制 声光偏转声光偏转超声波的概念超声波的概念 世世界界因因为为有有了了声声音音而而充充满满欢欢乐乐。我我们们平平常常听听到到的的各各种种声声音音只只是是声声音音世世界界中中的的一一部部分分，范范围围在在2020赫赫兹兹至至2000020000赫赫兹兹之之间间，而而2000020000赫赫兹兹以以上上的的声声音是超声，尽管听不到，却很有意义。音是超声，尽管听不到，却很有意义。超超声声波波有有两两个个特特点点，一一个个是是能能量量大大，一一个个是是

2、沿沿直直线线传传播播。它它的的应应用用就就是是按按照照这这两两个个特特点点展展开开的。的。理理论论研研究究表表明明，在在振振幅幅相相同同的的情情况况下下，一一个个物物体体振振动动的的能能量量跟跟振振动动频频率率的的二二次次方方成成正正比比超超声声波波在在介介质质中中传传播播时时，介介质质质质点点振振动动的的频频率率很很高高，因而能量很大。因而能量很大。超声波的应用超声波的应用1 1 蝙蝙蝠蝠非非常常善善于于使使用用超超声声。它它们们用用喉喉头头发发出出2020千千赫赫至至120120千千赫赫之之间间的的超超声声啾啾鸣鸣，用用耳耳朵朵接接收收障障碍碍物物的的反反射射回回波波，以以这这个个回回波波

3、来来判判断断猎猎物物的距离、方位、形状和速度。那份灵巧和精确让人瞠目。的距离、方位、形状和速度。那份灵巧和精确让人瞠目。模模仿仿蝙蝙蝠蝠使使用用超超声声的的道道理理，人人类类发发明明了了声声纳纳这这种种装装在在船船只只及及潜潜艇艇上上的的装装置置。靠靠超超声声在在水水中中传传播播时时碰碰到到物物体体产产生生回回波波，来来测测定定距距离离，确定位置。能发现对手，或保证航行安全。确定位置。能发现对手，或保证航行安全。合成孔径声纳可以用于海底测量，水下考古和搜寻水下失落物体等，尤其可以进行高分辨海底测绘，对数字地球研究具有重要的意义。可拦截鱼雷的脉冲声波发射系统可拦截鱼雷的脉冲声波发射系统 在在探探

4、测测到到敌敌方方发发射射的的鱼鱼雷雷后后，这这些些声声波波转转换换器器可可在在瞬瞬间间发发射射出出高高能能脉脉冲冲声声波波，其其强强度度足足以以摧摧毁毁或或者者提提前前引引爆爆被被锁锁定定的的鱼鱼雷雷。由由于于是是在在水水下下，声波拦截鱼雷时的速度可达声波拦截鱼雷时的速度可达1.51.5千米千米/秒。秒。超声波的应用超声波的应用2 2 超超声声不不仅仅是是信信息息载载体体，还还是是一一种种能能量量形形式式，在在传传播播时时可可以以进进行行能能量量的的转转换换。超超声声波波加加湿湿器器就就是是一一个个很很简简单单的的例例子子。它它的的关关键键部部件件是是压压电电陶陶瓷瓷，通通电电之之后后，把把高

5、高频频电电转转化化为为超超声声，使使很很强强的的超超声声波波从从下下方方发发出出。在在水水面面的的局局部部小小区区域域内内，声声能能转转化化为为机机械械能能，引引发发起起强强大大的的机机械械力力，把把水水“打打碎碎”，并并喷喷射射出出来来，形成水雾，加湿空气。形成水雾，加湿空气。在在我我国国北北方方干干燥燥的的冬冬季季，如如果果把把超超声声波波通通入入水水罐罐中中，剧剧烈烈的的振振动动会会使使罐罐中中的的水水破破碎碎成成许许多多小小雾雾滴滴，再再用用小小风风扇扇把把雾雾滴滴吹吹入入室室内内，就就可可以以增增加加室室内内空空气气的的湿湿度度这这就就是是超超声声波波加加湿湿器器的的原理。原理。对对

6、于于咽咽喉喉炎炎、气气管管炎炎等等疾疾病病，药药力力很很难难达达到到患患病病的的部部位位利利用用加加湿湿器器的的原原理理，把把药药液液雾雾化化，让让病病人人吸吸入入，能能够够增增进进疗疗效效利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎超声波的应用超声波的应用3 3 超超声声清清洗洗。把把表表面面生生锈锈和和沾沾有有脏脏污污的的物物体体浸浸泡泡在在水水一一类类的的清清洗洗液液中中，送送入入一一定定量量的的超超声声，使使污污物物从从工工件件表表面面脱脱落落下下来来。金金银银珠珠宝宝配配带带久久了了，失失去去光光泽泽，变变得得难难以以入入目目，化化学学清清

7、洗洗会会损损伤伤饰饰物物表表面面，而超声清洗可以整旧如新取得理想的效果。而超声清洗可以整旧如新取得理想的效果。超超声声悬悬浮浮是是借借助助超超声声产产生生的的强强大大声声场场将将颗颗粒粒或或液液滴滴托托起起，在在密密闭闭装装置置内内进进行行实实验验，保保持持超超纯纯度度，超超精精度度。超超声声马马达达是是利利用用压压电电陶陶瓷瓷把把电电信信号号转转化化成成超超声声振振动动，产产生生一一定定的的力力，带带动动马马达达工工作作，平平稳稳、速速度度可可调调、不不怕怕磁磁干干扰扰，小小的的可可用用于于相相机机的的变变焦焦镜镜头头，大大的的甚甚至至可可以以代代替替现现有有的的汽汽车车马马达达。超超声声焊

8、焊接接是是利利用用超超声声的的高高频频振振动动，把把两两个个不不同同的的物物件件连连接接在在一一起起，因因为为它它基基本本不不发发热热、不不变变形形，在在微微电电子子工工业业中中用用来来焊焊接接集集成成电电路路芯芯片片，尤尤其其是是它它能能焊焊接接某某些些特特殊殊的的稀稀有有金金属属，在核工业、空间技术等领域可以开发更多的用途。在核工业、空间技术等领域可以开发更多的用途。超声波的应用超声波的应用4 44.6 声光调制的物理基础声光调制的物理基础 超声波的概念超声波的概念 声光效应声光效应 拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 布拉格衍射布拉格衍射 声光调制声光调制 声光偏转声光偏转4.6.2 4.6.2

9、声光效应声光效应 晶体光学性质的变化，不仅可以通过外加电晶体光学性质的变化，不仅可以通过外加电场的作用实现，外力的作用也能够造成折射率的场的作用实现，外力的作用也能够造成折射率的改变。改变。弹光效应：由于外力作用而引起介质光学性弹光效应：由于外力作用而引起介质光学性质变化的现象。质变化的现象。声波作为一种弹性波，在晶体中传播时，会声波作为一种弹性波，在晶体中传播时，会造成介质密度的疏密变化，使得介质的折射率分造成介质密度的疏密变化，使得介质的折射率分布也随之改变。布也随之改变。声光效应：由于声波作用而引起光学性质变声光效应：由于声波作用而引起光学性质变化的现象，声光效应是弹光效应的一种。化的现

10、象，声光效应是弹光效应的一种。声光效应与电光效应声光效应与电光效应相似之处：相似之处：晶晶体体在在受受到到外外部部作作用用后后，才才出出现现光光学学性性质质的的变变化，具体表现为折射率的分布发生改变。化，具体表现为折射率的分布发生改变。区别：区别：电光效应中，外加电场的加入是起因。电光效应中，外加电场的加入是起因。声声光光效效应应中中，造造成成折折射射率率变变化化的的因因素素是是应应变变或或应力。应力。4.6 声光调制的物理基础声光调制的物理基础 超声波的概念超声波的概念 声光效应声光效应 拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 布拉格衍射布拉格衍射 声光调制声光调制 声光偏转声光偏转拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍

11、射 1 1、声声光光衍衍射射的的定定性性描描述述：在在晶晶体体中中传传播播的的超超声声波波，会会造造成成晶晶体体的的局局部部压压缩缩或或伸伸长长，这这种种由由于于机机械械应应力力引引起起的的弹弹光光效效应应使使晶晶体体的的介介电电常常量量发发生生变变化，因而折射率也发生变化。化，因而折射率也发生变化。2 2、在在介介质质中中形形成成了了周周期期性性的的有有不不同同折折射射率率的的间间隔隔层层，这这些些层层以以声声速速运运动动，层层间间保保持持声声波波波波长长一一半半（s s/2/2）的的距距离离，当当光光通通过过这这种种分分层层结结构构时时，就就发发生生衍衍射射，引引起起光光强强度度、频频率率

12、和和方方向向随随超超声声场场的变化的变化。声光衍射声光衍射根据光波波长、声波波长，以及相互作用根据光波波长、声波波长，以及相互作用区域的长度等因素，将声光衍射分为：区域的长度等因素，将声光衍射分为：拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射布拉格衍射布拉格衍射拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 1 1、在在低低声声频频和和声声波波束束的的宽宽度度（即即声声光光相相互互作作用用）L L不不大大的的情情况况下下且且k kk ks s时时可可以以将将声声光光介介质质看看成成一一块普通的位相光栅。块普通的位相光栅。2 2、光光束束在在介介质质中中传传播播时时，由由于于折折射射率率随随介介质质密密度度的的变变化化，使使得得出出射射

13、光光波波的的波波前前已已不不再再是是平平面面波波的的波波面面，而而是是波波浪浪状状曲曲面面。波波面面上上的的各各点点作作为为次次波波源源，发发出出子子波波在在空空间间相相互互干干涉涉而而形形成成多多级级衍衍射射条条纹纹。这这种种类类似似于于普普通通面面光光栅栅的的作作用用而而产产生生的的声声光衍射，就称为光衍射，就称为拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射。拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 对对于于垂垂直直入入射射情情形形，相相对对于于0 0度度方方向向的的衍衍射射极极值值角角度度方向由公式方向由公式s入射光入射光L声波阵面声波阵面式中式中mm为第为第m m级衍射极值的偏角。级衍射极值的偏角。拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍

14、射拉曼拉曼奈斯衍射时，入射光在相互作用区奈斯衍射时，入射光在相互作用区内部的传播方向仍保持直线方向，而与折内部的传播方向仍保持直线方向，而与折射率变化有关的介质的光学不均匀性只对射率变化有关的介质的光学不均匀性只对通过声柱的光的相位发生影响。通过声柱的光的相位发生影响。声波的作用可归结为形成以声速运动的、声波的作用可归结为形成以声速运动的、周期等于声波周期的相位光栅周期等于声波周期的相位光栅，因而这种，因而这种衍射遵循普通相位光栅的衍射定律。衍射遵循普通相位光栅的衍射定律。4.6 声光调制的物理基础声光调制的物理基础 超声波的概念超声波的概念 声光效应声光效应 拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 布拉格

15、衍射布拉格衍射1、布拉格条件、布拉格条件2、声光衍射的量子解释、声光衍射的量子解释3、声光相互作用的理论分析、声光相互作用的理论分析 声光调制声光调制 声光偏转声光偏转4.6.4 4.6.4 布拉格衍射布拉格衍射 在在高高声声频频和和相相互互作作用用长长度度较较大大的的情情况况下下，并并且且光光束束与与声声波波波波面面成成一一定定角角度度入入射射时时，发发生生布布拉拉格格衍衍射射。其其衍衍射射光光谱谱只只出出现现零零级级和和+1级级或或零零级级和和-1级。级。如如果果参参数数选选择择合合适适，超超声声功功率率足足够够强强，入入射射光光几几乎乎可可以以全全部部转转移移到到+1级级或或-1级级上上

16、，因因为为布布拉拉格格衍衍射射有有着着较较高高的的转转换换效效率率，所所以以它它比比拉拉曼曼奈奈斯衍射应用更为广泛。斯衍射应用更为广泛。结论结论4.6.4 4.6.4 布拉格衍射布拉格衍射1 1、布拉格条件、布拉格条件同一镜面上任意两点的贡献应同相同一镜面上任意两点的贡献应同相(图图4-16)BCDAx入射光束入射光束衍射光束衍射光束4.6.4 4.6.4 布拉格衍射布拉格衍射1 1、布拉格条件、布拉格条件相邻两镜面的反射光的相位应该相同（图相邻两镜面的反射光的相位应该相同（图4-17）布拉格衍射公式布拉格衍射公式拉曼拉曼奈斯衍射与布拉格衍射的界定奈斯衍射与布拉格衍射的界定 拉拉曼曼奈奈斯斯衍

17、衍射射与与布布拉拉格格衍衍射射的的判判断断依依据声光相互作用特征长度据声光相互作用特征长度L0来表示：来表示：拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射布拉格衍射布拉格衍射4.6.4 4.6.4 布拉格衍射布拉格衍射2 2、声光衍射的量子解释、声光衍射的量子解释 根根据据光光和和声声的的波波粒粒二二象象性性，可可得得知知许许多多声声波波对对光光都都具具有有产产生生布布喇喇格格衍衍射射的的特特性性。据据此此模模型型，具具有有传传播播矢矢量量k、频频率率为为的的一一道道光光束束可可以以看看成成是是由由动动量量k为为和和能能量量 (h/2，h h为为普普郎郎克克常常数数)的的粒粒子子束束(即即光光子子)组组成成。同同

18、样样，声声波波也也可可视视为为由由动动量量k s和和能能量量 s的的粒粒子子(声声子子)所所组组成成。图图4-16所所示示的的衍衍射射可可看看成成是是光光子子与与声声子子的的碰碰撞撞，每每一一次次碰碰撞撞引引起起一一个个入入射射光光子子和和一一个个声声子子消消失失，同同时时沿散射光方向产生一个新的光子。沿散射光方向产生一个新的光子。4.6.4 4.6.4 布拉格衍射布拉格衍射2 2、声光衍射的量子解释、声光衍射的量子解释能量守恒能量守恒决定了衍射光的频率决定了衍射光的频率动量守恒动量守恒决定了衍射波的方向决定了衍射波的方向布拉格衍射波矢图布拉格衍射波矢图V入射光入射光衍射光衍射光i入射光入射光

19、衍射光衍射光iVdikdkiksdikdkiks4.6.4 4.6.4 布拉格衍射布拉格衍射3 3、声光相互作用的理论分析声光相互作用的理论分析电场对电极化矢量的影响：电场对电极化矢量的影响：折射率变化对电极化矢量的影响：折射率变化对电极化矢量的影响：由麦氏方程，有：由麦氏方程，有：上式对入射波和衍射波均成立，故可写成两个标量方程：上式对入射波和衍射波均成立，故可写成两个标量方程：入射光入射光衍射光衍射光4.6.4 4.6.4 布拉格衍射布拉格衍射3 3、声光相互作用的理论分析声光相互作用的理论分析设该波动方程有如下形式的解：设该波动方程有如下形式的解：将解带入标量方程，再注意到能量守恒和动量

20、守恒，可得将解带入标量方程，再注意到能量守恒和动量守恒，可得到耦合波方程：到耦合波方程：4.6.4 4.6.4 布拉格衍射布拉格衍射3 3、声光相互作用的理论分析声光相互作用的理论分析在考虑到只有频率为在考虑到只有频率为i光束入射，且光束入射，且Ed(0)=0(0)=0时，最时，最终结果为终结果为：重要结论：重要结论：1）、对任意的）、对任意的ri，rd，光场的总能量是守恒的光场的总能量是守恒的.2）、当）、当 时，入射波将全部转化成衍射波，时，入射波将全部转化成衍射波，这这就就是是布布拉拉格格衍衍射射最最大大的的优优点点。正正是是这这一一优优点点使使得得布布拉拉格声光调制器件得到大量的应用。

21、格声光调制器件得到大量的应用。4.6 声光调制的物理基础声光调制的物理基础 超声波的概念超声波的概念 声光效应声光效应 拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 布拉格衍射布拉格衍射 声光调制声光调制 声光偏转声光偏转4.6.5 4.6.5 声光调制声光调制 衍射效率的定义为：衍射效率的定义为：衍射光强为：衍射光强为：考虑到声光材料的具体参数，考虑到声光材料的具体参数，可表示为：可表示为：最终决定衍射光强的是声波的强度最终决定衍射光强的是声波的强度Is,通过变化声强可通过变化声强可以达到调制衍射光强的目的。以达到调制衍射光强的目的。4.6.5 4.6.5 声光调制声光调制 从从原原理理上上讲讲，声声光光效效应

22、应即即可可用用于于光光强强调调制制，也也可可以以用用于于频频率率调调制制。由由于于衍衍射射光光的的频频率率不不再再与与入入射射光光相相同同，其其改改变变量量决决定定于于声声波波频频率率，因因而而可可以以通通过过控控制制声声波波驱驱动动电电信信号号来来实实现现频频率率调调制制。但但是是，由由于于声声波波频频率率远远低低于于光光波波频频率率，频频率率调调制制的的意意义义不不大。大。4.6.5 4.6.5 声光调制声光调制拉曼拉曼奈斯声光调制器奈斯声光调制器入射光入射光调制信号a出射光出射光tt00.514.6.5 4.6.5 声光调制声光调制布拉格声光调制器布拉格声光调制器入射光入射光调制信号b出

23、射光出射光tt声光调制器的应用 电电视视机机接接收收到到的的图图像像和和声声音音是是由由电电视视台台将将声声光光信信号号调调制制为为电电信信号号发发射射出出来来的的。电电视视机机接接收收到到电电信信号号再再经经过过解解调调，还还原原成成图图像像和和声声音音。激激光光打打印印机机激激光光器器射射出出的的光光束束也也载载有有数数据据信信息息，这这些些信信息息的的转转换换过过程程也也类类似似于于电电视视机机信信息息传传递递过过程程。只只是是此此过过程程是是由由声声光光调调制制器器转转换换的的。声声光光调调制制器器的的调调制制频频率率可可达达30MHz左左右右，特特性性稳稳定定，因因此此大大多多数数的

24、的激激光打印机都采用这种调制器。光打印机都采用这种调制器。声声光光调调制制器器的的工工作作原原理理是是利利用用声声光光效效应应所所产产生生的的布布雷雷格格衍衍射射的的特特 点点，实实现现对对激激光光束束传传播播方方向向的的控控制制。激激光光束束欲欲完完成成图图文文信信息息的的映映像像任任务务，必必须须用用图图文文信信息息进进行行调调制制，恰恰如如电电视视台台将将图图像像及及声声音音信信号号调调制制到到无无线线电电波波上上去去，方方能能在电视机中解调出图像与在电视机中解调出图像与 声音信号一样。声音信号一样。4.6 声光调制的物理基础声光调制的物理基础 超声波的概念超声波的概念 声光效应声光效应

25、 拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 布拉格衍射布拉格衍射 声光调制声光调制 声光偏转声光偏转4.6.6 4.6.6 声光偏转声光偏转布拉格衍射的前提是动量守恒布拉格衍射的前提是动量守恒4.6.6 4.6.6 声光偏转声光偏转 声声波波频频率率（波波矢矢）的的改改变变将将引引起起动动量量三三角角形形的的失失配配，结结果果是是衍衍射射光光波波的的大大小小几几乎乎不不变变，但但其其方方向向将将向向动动量量失失配配最最小小的的方方向向偏偏转。偏转角为：转。偏转角为：通通常常定定义义绝绝对对偏偏转转角角同同光光束束发散散角角的的比比值为声声光光偏偏转器器的的可分辨光斑数目可分辨光斑数目N。是是声声波波穿穿过过光

26、光束束直直径径所所花花的的时时间间，通通常常称称为为偏偏转转器器的的偏偏转转时时间间。当当声声波波从从频频率率1 1变变为为2 2时时，由由于于声声波波传传播播需需要要一一定定的的时时间间，开开始始时时只只是是在在声声波波源源附附近近的的声声波波频频率率为为2 2，因因此此只只有有此此处处的的光光波波衍衍射射角角由由1 1变为2 2。只只有有经过后后，整整个个光光束束截截面面上上的的声声波波才才能能都都变变为为频频率率2 2 ，衍衍射射光光束束才才能能全全部部偏偏转转到到2方方向向，相相应的偏的偏转速度是速度是1/。讨论：偏转角能否任意加大？讨论：偏转角能否任意加大？不能靠增大来增加偏转角度，

27、否则将不能靠增大来增加偏转角度，否则将使器件偏离布喇格条件甚远，引起衍射使器件偏离布喇格条件甚远，引起衍射效率急剧下降，失去实用意义。效率急剧下降，失去实用意义。复习复习声光效应声光效应声光衍射声光衍射拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射布拉格衍射布拉格衍射布拉格条件布拉格条件声光衍射的量子解释声光衍射的量子解释声光调制声光调制拉曼拉曼奈斯声光调制器奈斯声光调制器布拉格声光调制器布拉格声光调制器声光偏转声光偏转声光器件最新动态声光器件最新动态 美国国家健康研究院美国国家健康研究院(NIH)(NIH)的一个研究小组的一个研究小组使用使用BrimroseBrimrose公司的公司的声光可调滤波器声光可调滤波器

28、(AOTF)(AOTF)作为作为核心部件，成功地研制出用于生物医学研究的拉核心部件，成功地研制出用于生物医学研究的拉曼成像显微镜。曼成像显微镜。声光偏转器件声光偏转器件4.7 4.7 磁光调制磁光调制磁光效应磁光效应 线线偏偏振振光光沿沿着着光光轴轴方方向向传传播播时时，不不会会产产生生光光的的双双折折射射。但但在在某某些些晶晶体体中中，却却存存在在一一种种特特殊殊的的现现象象：光光在在传传播播了了一一段段距距离离后后，偏偏振振面面旋旋转转了了一一定定的的角角度度。这这就就是是旋旋光光现现象象，一一些些物物质质（包包括括晶晶体体以以及及一一些些各各向向同同性性的的气气体体、液液体体）本本身身就

29、就具具有有这这种种特特性性，称称为为天天然然旋旋光光物物质质。也也有有些些晶晶体体，在在受受到到磁磁场场作作用用时时，会会表表现现出出旋旋光光特特性性，具具有有人人为为旋旋光光性性质质。18451845年年法法拉拉第第首首先先发发现现了了这这个个现现象象，因而也称为法拉第效应。因而也称为法拉第效应。4.7 4.7 磁光调制磁光调制磁光效应磁光效应法拉第效应法拉第效应VB起偏器起偏器检偏器检偏器入射光入射光出射光出射光 V 称称为为费费尔尔德德常常数数,与与物物质质的的性性质质、温温度度以以及及光光的的频频率率（波波长长）有有关关。在在一一定定物物质质中中不不论论光光是是沿沿磁磁场场方方向向或或

30、逆逆磁磁场场方方向向传传播播，振振动动面面的的转转向向都都一一样样，只只由由磁磁场场方方向向决决定定。若若转转向向与与磁磁场场方方向向成成右右手手螺螺旋旋关关系系,该该物物质质的的V 取取为为正正值值，即即0。这这样样，光光来来回回传传播播同同样样距距离离后后，其其振振动动面面的的转转角角等等于于单单程程转转角角的的两两倍倍。V 0左旋，左旋，V 0右旋。右旋。4.7 4.7 磁光调制磁光调制磁光效应磁光效应 控控制制电电压压，即即可可控控制制旋旋光光角角度度，从从而而控控制制第第二二个个偏偏振振片片后后的的光光强强，最最终终实实现光调制。现光调制。VB起偏器起偏器检偏器检偏器入射光入射光出射

31、光出射光=589.3nm时时的的V值值介质介质SiOSiO2 2ZnSZnS冕牌冕牌玻璃玻璃火石火石玻璃玻璃NaClNaClV(rad/mTV(rad/mT)4.04.082826.46.423239.69.6磁光材料与天然旋光效应的区别磁光材料与天然旋光效应的区别旋光性物质偏振面的转动角度与光束传播方向有关旋光性物质偏振面的转动角度与光束传播方向有关 光光束束返返回回通通过过天天然然旋旋光光介介质质时时，旋旋光光角角度度与与正正向向入入射射时时相相反反，因而往返通过介质的总效果是偏转角为零；因而往返通过介质的总效果是偏转角为零；磁光材料与传播方向无关，仅与外磁场的方向有关磁光材料与传播方向无

32、关，仅与外磁场的方向有关。光束返回通过法拉第旋光介质时，旋转角度增加一倍。光束返回通过法拉第旋光介质时，旋转角度增加一倍。正向通过正向通过天然物质的旋光性天然物质的旋光性法拉第效应中的旋光性法拉第效应中的旋光性磁光材料与天然旋光效应的区别磁光材料与天然旋光效应的区别法法拉拉第第效效应应的的这这种种特特性性使使人人们们能能够够采采用用将将光光束束多多次次反射进法拉第器件中，从而得到大的旋角度。反射进法拉第器件中，从而得到大的旋角度。磁磁光光调调制制器器的的优优点点是是：工工作作所所需需功功率率低低，受受温温度度影影响响小小，缺缺点点是是仅仅适适用用于于红红外外波波段段。实实际际上上，磁磁光光器器

33、件更多地用在光隔离器、光存储器等方面。件更多地用在光隔离器、光存储器等方面。磁光效应的应用磁光效应的应用显示器件显示器件 一一些些大大分分子子或或长长链链分分子子的的溶溶液液，在在局局部部范范围围内内由由于于相相互互作作用用，会会有有规规则则地地排排列列液液晶晶，从从而而产产生生类类似于晶体的各向异性。似于晶体的各向异性。4设设计计薄薄层层的的厚厚度度使使得得，不不加加电电压压时时，通通光光 （透透 射射光光由由于于分分子子扭扭曲曲，自自然然产产生生90度度的旋转）。的旋转）。4加加电电压压时时，通通光光强强度度随随电电压压的变化而变化。的变化而变化。磁光效应的应用磁光效应的应用光盘的读写光盘

34、的读写LDLD聚焦聚焦透镜透镜光盘光盘写入写入磁头磁头起偏器起偏器准直准直透镜透镜聚焦聚焦透镜透镜分束器分束器聚焦聚焦透镜透镜检偏器检偏器光电转换光电转换磁光效应的应用磁光效应的应用磁光开关磁光开关 磁磁光光开开关关原原理理是是利利用用法法拉拉第第旋旋光光效效应应，通通过过外外加加磁磁场场的的改改变变来来改改变变磁磁光光晶晶体体对对入入射射偏偏振振光光偏偏振振面面的的作作用用，从从而而达达到到切切换换光光路路的效果。的效果。相相对对于于传传统统的的机机械械式式光光开开关关，它它具具有有开开关关速速度度快，稳定性高等优势。快，稳定性高等优势。相相对对于于其其他他的的非非机机械械式式光光开开关关，

35、它它又又具具有有驱驱动动电压低、串扰小等优势。电压低、串扰小等优势。磁光开关设计原理磁光开关设计原理 法拉第效应法拉第效应 线偏振光沿外加磁场方向通过介质时线偏振光沿外加磁场方向通过介质时偏振面发生旋转偏振面发生旋转。晶体的选择晶体的选择 1磁旋光率要尽可能的大。磁旋光率要尽可能的大。2磁光晶体的外加饱和磁场要尽可能的小。磁光晶体的外加饱和磁场要尽可能的小。3.磁磁光光晶晶体体的的各各项项参参数数的的温温度度稳稳定定性性能能，要要求求饱饱和和外外场场强强、法法拉拉第第旋旋转转角角以以及及插插入入损损耗耗等等在等等在-10100内保持稳定。内保持稳定。方案方案利用利用1 1偏振棱镜、偏振棱镜、2

36、garnet2garnet以及以及3 3反射光路反射光路 由由输输入入光光纤纤出出射射的的光光经经过过双双折折射射晶晶体体后后分分为为偏偏振振方方向向相相互互垂垂直直的的o o、e e光光，如如果果两两块块garnetgarnet加加正正向向电电压压时时，透透射射光光偏偏振振面面正正向向旋旋转转4545，再再加加上上正正转转4545膜膜的的作作用用，一一共共正正向向旋旋转转9090，这这时时o o、e e光光偏偏振振态态互互换换，结结果果这这两两束束光光经经过过偏偏振振棱棱镜镜的的对对角角线线时时分分别别反反射射一一次次，透透射射一一次次 ，IN1OUT2,IN2OUT1IN1OUT2,IN2

37、OUT1；如如果果两两块块garnetgarnet加加负负电电压压时时，透透射射光光偏偏振振面面反反向向旋旋转转4545，再再加加上上正正转转4545膜膜的的作作用用，偏偏振振面面没没有有发发生生旋旋转转，这这时时o o、e e偏偏振振态态没没有有改改变变，结结果果这这两两束束光光经经过过偏偏振振棱棱镜镜的的对对 角角 线线 时时 透透 射射 两两 次次 或或 是是 反反 射射 两两 次次，INT1OUT1,INT2OUT2INT1OUT1,INT2OUT2。法拉第法拉第(1917-1867)(1917-1867)17911791年年9 9月月2222日日生生在在一一个个手手工工工工人人家家庭

38、庭，家家里里人人没没有有特特别别的的文文化化，而而且且颇颇为为贫贫穷穷。法法拉拉第第的的父父亲亲是是一一个个铁铁匠匠。法法拉拉第第小小时时候候受受到到的的学学校校教教育育是是很很差的。差的。在大约在大约18301830年以前，法拉第主要是一位化学家。年以前，法拉第主要是一位化学家。法法拉拉第第成成就就最最大大的的时时期期是是18301830至至18391839年年，当当时时他他是对现代电学发现作出贡献的第一流科学家。是对现代电学发现作出贡献的第一流科学家。法法拉拉第第被被公公认认为为最最伟伟大大的的 自自然然哲哲学学家家 之之一一。法法拉拉第第的的伟伟大大成成功功也也许许部部分分地地正正是是由

39、由于于他他所所生生活活的的时时代代。丰丰富富的的想想象象力力加加上上足足智智多多谋谋的的实实验验才才能能，工工作作热热情情和和相相应应的的耐耐性性，使使他他能能够够迅迅速速地地分分辨辨假假象象，统统观观一一切切。他他具具有有哲哲学学思思想想，他他在在几几何何学学和和空空间间上上的的洞洞察察力力，以以及及善善于于持持久久思思考考的的能能力力，正正好补偿了他数学上的不足。好补偿了他数学上的不足。法拉第的发明法拉第的发明铁合金研究（铁合金研究（1818181818241824）；）；氯和碳的化合物（氯和碳的化合物（18201820）；）；电磁转动（电磁转动（18211821）；）；气体液化（气体液化

40、（18231823，18451845）；）；光学玻璃（光学玻璃（1825182518311831）；）；苯的发明（苯的发明（18251825）；）；电磁感应现象（电磁感应现象（18311831）；）；不同来源的电的同一性（不同来源的电的同一性（18321832）；）；电化学分解（电化学分解（18321832年起）；年起）；静电学，电介质（静电学，电介质（18351835年起）；年起）；气体放电（气体放电（18351835年）；年）；光、电和磁（光、电和磁（18451845年起）；年起）；抗磁性（抗磁性（18451845年起）；年起）；“射线振动思想射线振动思想”（18461846年起）；年起）

41、；重力和电（重力和电（18491849年起）；年起）；时间和磁性（时间和磁性（18571857年起）。年起）。大功率薄片激光器大功率薄片激光器出射激光出射激光薄片激光器阵列薄片激光器阵列天基激光器阵列（美国）天基激光器阵列（美国）太空帆船之光子帆船太空帆船之光子帆船 既然直接利用太阳辐射驱动帆船行不通，那么用高亮度、高方向性的既然直接利用太阳辐射驱动帆船行不通，那么用高亮度、高方向性的激光束推进飞船行吗？由于激光束的方向性很好，它可以从太阳系中激光束推进飞船行吗？由于激光束的方向性很好，它可以从太阳系中射出，一直推动宇宙飞船到遥远的太空深处。射出，一直推动宇宙飞船到遥远的太空深处。有人设想，在

42、太阳系中建立强大的激光发射装置，配合高强度的大型有人设想，在太阳系中建立强大的激光发射装置，配合高强度的大型光帆，使得将飞船加速到光速的光帆，使得将飞船加速到光速的1/31/3左右时，所须加速时间约为一年。左右时，所须加速时间约为一年。此后切断激光束，飞船转入惯性飞行此后切断激光束，飞船转入惯性飞行.当想让它停下时，则把光帆的外圈逐次断开，形成同心圆状的三部分，当想让它停下时，则把光帆的外圈逐次断开，形成同心圆状的三部分，把其中最外侧的部分移至飞船的前部，同时再次发射强大的激光束，把其中最外侧的部分移至飞船的前部，同时再次发射强大的激光束，于是飞船外侧的光帆便被笼罩在强光之中，使它获得制动力。当然，于是飞船外侧的光帆便被笼罩在强光之中，使它获得制动力。当然，来自宇宙飞船身后的激光束仍旧照射在光帆上构成推进力。但是宇宙来自宇宙飞船身后的激光束仍旧照射在光帆上构成推进力。但是宇宙飞船外侧的光帆面积是内侧两个光帆面积的飞船外侧的光帆面积是内侧两个光帆面积的9 9倍，制动力将比推进力倍，制动力将比推进力起到更大的作用。在返回前，中间的环状光帆则将与飞船主体脱离，起到更大的作用。在返回前，中间的环状光帆则将与飞船主体脱离，此时它仍在反射激光束。于是，便使飞船获得与来路相反的推进力，此时它仍在反射激光束。于是，便使飞船获得与来路相反的推进力，得以飞返地球。得以飞返地球。