第七章信息處理材料

第七章信息處理材料2023/2/11電光調(diào)制材料聲光調(diào)制材料磁光調(diào)制材料2023/2/12激光作為傳遞信息的有效工具，首先要解決的問題就是如何將信息加載到激光輻射上去，也就是要解決激光調(diào)制的問題。

激光調(diào)制：把欲傳輸?shù)男畔⒓虞d到激光輻射上的過程激光調(diào)制器：完成激光調(diào)制過程的裝置解調(diào)：由已調(diào)制的激光輻射還原出所加載信息的過程載波：攜載低頻信號作用的激光調(diào)制信號：低頻信號調(diào)制光：已被調(diào)制的激光激光調(diào)制技術(shù)2023/2/13光調(diào)制分類按載波被信號改變的參量振幅調(diào)制頻率調(diào)制位相調(diào)制脈沖調(diào)制調(diào)制方法機械調(diào)制電光調(diào)制磁光調(diào)制聲光調(diào)制電源調(diào)制調(diào)制器與激光器的關(guān)系內(nèi)調(diào)制：在激光振蕩過程中加載調(diào)制信號外調(diào)制：激光形成以后加載調(diào)制信號2023/2/14當激光束通過某些光學介質(zhì)的時候，光學介質(zhì)的光學性質(zhì)（如折射率）會發(fā)生顯著的變化，從而使通過介質(zhì)的激光束的某些特性（如相位）隨之變化。這種能使激光束實現(xiàn)調(diào)制的光學介質(zhì)稱為光調(diào)制材料。根據(jù)不同的調(diào)制機理，光調(diào)制材料分為：電光材料、磁光材料、聲光材料和熱光材料等幾種。光調(diào)制材料2023/2/15電光材料－電光效應(yīng)物質(zhì)的光學特性受電場影響而發(fā)生變化的現(xiàn)象統(tǒng)稱為電光效應(yīng)。外加電場可以使單折射物質(zhì)（光學各向同性）變?yōu)殡p折射物質(zhì)（光學各向異性），也可使本來就具有雙折射的物質(zhì)進一步改變其各向異性性質(zhì)，這類現(xiàn)象都屬于電光效應(yīng)。其中物質(zhì)的折射率受電場影響而發(fā)生改變的電光效應(yīng)分為普克爾效應(yīng)和克爾效應(yīng)。研究表明，材料的折射率與所加電場E之間的關(guān)系可以表示為

n=n0+aE+bE2+…其中n0為沒加電場E時的折射率，a，b是常數(shù)。1-12023/2/16折射率的變化同電場強度有直線關(guān)系，稱為普克爾效應(yīng)?！鱪=n-n0=aE如圖所示，當壓電晶體受光照射并在與入射光垂直的方向上加上高電壓時，晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為普克爾效應(yīng)。電光材料－電光效應(yīng)1-22023/2/17如果折射率的變化同電場平方有直線關(guān)系則稱克爾效應(yīng)?！鱪=n-n0=bE2

電光材料－電光效應(yīng)它與普克爾效應(yīng)的差別除表現(xiàn)在電場與物質(zhì)折射率的變化成二次方關(guān)系外，還表現(xiàn)在所用的材料不是壓電晶體，而是各向同性物質(zhì)(有時是液體)。1-32023/2/18具有對稱中心的晶體，式（1-1）中的奇次項為零，只存在偶次項；不具有對稱中心的晶體，式（1-1）中的所有各項均不為零。這就是說，一次電光效應(yīng)只存在于不具有對稱中心的20類點群中（432點群不具有對稱中心，但因?qū)ΨQ性較高，仍無一次電光效應(yīng)），故壓電晶體一定具有一次電光效應(yīng)，而二次電光效應(yīng)則存在于一切透明介質(zhì)中。一次電光效應(yīng)比二次電光效應(yīng)顯著的多，對于壓電晶體總是用其一次電光效應(yīng)，利用二次電光效應(yīng)的材料主要是立方晶系材料和某些液體（如硝基苯）。它們不具有一次電光效應(yīng)，但二次電光效應(yīng)較大。2023/2/19電光材料－材料舉例

電光材料大部分是晶體，它們最重要的用途是用于制造光調(diào)制元件及用于光偏轉(zhuǎn)、可變諧振濾波和電場的測定等方面。電光材料要求：電光系數(shù)大、折射率高、半波電壓低、介電常數(shù)?。p小高頻損耗）、使用的光波段透光性好、溫度穩(wěn)定性好和化學穩(wěn)定性好。2023/2/110KDP型晶體包括磷酸二氫鉀、磷酸二氘鉀（KD*P）、磷酸二氫銨（ADP）、砷酸二氫銫（CDA）、砷酸二氘銫（CD*A）、砷酸二氫銣（RDA）、α-石英等。KD*P:光學均勻性好，在0.19~2.58μm波段透過率高，容易獲得大尺寸。缺點：易潮解立方鈣鈦礦型晶體包括鉭鈮酸鉀（KTN）、鈦酸鋇（BaTiO3）、鈦酸鍶（SrTiO3）等。優(yōu)點:二次電光系數(shù)大，Vλ/2值低，不吸潮。缺點：不易獲得大尺寸，光損傷閾值低。2023/2/111鐵電性鈣鈦礦型晶體包括鈮酸鋰（LiNbO3）、鉭酸鋰（LiTaO3）等。優(yōu)點:電光系數(shù)大，易生長大尺寸，居里點高。缺點：Vλ/2值高，光損傷閾值低。閃鋅礦型晶體包括ZnS、ZnSe、ZnTe、GaAs、CuCl和Se等。用于中遠紅外的電光器件。鎢青銅型晶體包括Sr0.75Ba0.25Nb2O6（SBN）、K3Li2Nb5O15（KLN）等。優(yōu)點:半波電壓低、光損傷閾值高。缺點：組分不易控制，難以得到優(yōu)質(zhì)單晶。2023/2/112主要電光晶體及其性質(zhì)2023/2/113電光材料－材料舉例陶瓷是將金屬氧化物為主的粉末置于高溫下燒結(jié)而成的，它的顯微結(jié)構(gòu)由細小的晶粒所構(gòu)成，由于晶界的光散射，一般是接近于白色的不透明體。但近年來由于陶瓷制造工藝的發(fā)展，出現(xiàn)了熱壓法、微細粉末精制法等，可制成更致密的陶瓷，以及隨著添加劑研究的進展，成功地研制出致密的、可控制光的界面散射的透光性陶瓷，其代表是PLZT陶瓷。

PLZT陶瓷材料可通過控制材料組成，自由地調(diào)整其電光性質(zhì)。由于陶瓷材料很容易制成任意形狀和大小的元件，故適合于大量生產(chǎn)和加工。與電光晶體相比，價格便宜，是一種性能優(yōu)良的材料。鋯鈦酸鉛通常簡稱PZT陶瓷，屬二元系，是PbZrO3和PbTiO3的固溶體，具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)PLZT：指摻La的鋯鈦酸鉛陶瓷，具有電光效應(yīng)。在鐵電陶瓷中，電疇狀態(tài)的變化伴隨著光學性質(zhì)的改變，通過外加電場對透明陶瓷電疇狀態(tài)的控制，可有電控雙折射{細晶陶瓷}和電控光散射{粗晶陶瓷}等特性。

2023/2/114電光材料－材料應(yīng)用電光效應(yīng)最重要的應(yīng)用是作電光快門。從光源發(fā)出的自然光通過起偏片變成縱向振動的線偏振光，如果電光晶體沒有受外電場作用，這束偏振光通過晶體時將不發(fā)生振動方向的偏轉(zhuǎn)，即仍是縱向振動的線偏振光。但檢偏片只允許水平振動的偏振光通過，縱向振動的偏振光不能通過，因而此時沒有光輸出．相當快門關(guān)閉。2023/2/115如果在電光晶體上施加一個電壓，由于電光效應(yīng)使光的振動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，于是開始有光輸出。隨著施加電壓大小的改變，光輸出的大小也在變化。當所加電壓調(diào)到某一電壓值使光振動方向偏轉(zhuǎn)到水平方向時，光輸出達到最大，相當于快門全部打開。這個電壓稱為半波電壓。當晶體上施加的電壓為半波電壓時，縱向振動的平面偏振光通過晶體后，變成了水平振動的平面偏振光，從而順利地通過檢偏片成為輸出光。電光材料－材料應(yīng)用2023/2/116聲光材料－聲光效應(yīng)聲波作用于某些物質(zhì)之后，該物質(zhì)光學特性發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為聲光效應(yīng)。

超聲波引起的聲光效應(yīng)尤為顯著，這是因為超聲波能夠引起物質(zhì)密度的周期性疏密變化，因而可使正在該物質(zhì)中傳輸?shù)墓飧淖冃羞M方向。普通的衍射現(xiàn)象發(fā)生在光柵上，而聲光效應(yīng)所產(chǎn)生的衍射卻是由于超聲波的作用，在物質(zhì)內(nèi)形成密度疏密波(起光柵作用)。因此，也稱聲光效應(yīng)為“活動性光柵”。2023/2/117聲光材料－聲光效應(yīng)分類外加的超聲波頻率較高時產(chǎn)生布拉格衍射外加的超聲波頻率較低時產(chǎn)生拉曼—納斯衍射2023/2/118布拉格衍射原理圖1-41-5其中：

θ-布拉格角

λ-光波波長

λs-聲波波長

Δ-超聲光柵幅度

I0-入射光強

I1-一級衍射光強2023/2/119拉曼-奈斯聲光衍射中的光頻移2023/2/120聲光材料要求：品質(zhì)因素大、對激光波長透明、對光波和聲波的吸收小、光學性質(zhì)均勻、聲速隨溫度變化小、物理化學性質(zhì)穩(wěn)定、機械強度高

聲光材料主要分為晶體材料、玻璃材料和液體材料三種。聲光材料－材料2023/2/121晶體材料單晶介質(zhì)是最重要的一類聲光材料，適宜制造頻率高于l00MHz的高效率聲光器件。單晶介質(zhì)材料的物理性質(zhì)是各向異性的。可通過選擇聲模和光模的最佳組合，獲得從材料的平均性質(zhì)所預(yù)想不到的有益的聲光性能。聲光材料－材料2023/2/122PbMoO4晶體：品質(zhì)因素高，吸收損耗低，不易吸潮，晶體的生長、處理和加工容易。TeO2晶體：品質(zhì)因素高，吸收損耗低，形成器件體積小、驅(qū)動功率小α-LiIO3晶體：品質(zhì)因素高，具有旋光、倍頻、壓電、電光、聲光等多種效應(yīng)。2023/2/123主要聲光晶體及其性能2023/2/124玻璃最常用的聲光介質(zhì)玻璃有熔融石英玻璃、Te玻璃、重火石玻璃等。玻璃介質(zhì)的優(yōu)點為：易于生產(chǎn)，可獲得形狀各異的大尺寸塊體；退火后，光學均勻性好、光損耗小、易加工、價格低。缺點：在可見光譜區(qū)，難以獲得折射率大于2.1的透明玻璃，玻璃的彈光系數(shù)小。一般來說，玻璃只適用于聲頻低于100MHz的聲光器件。2023/2/125主要聲光玻璃材料及其性能2023/2/126液態(tài)材料液態(tài)材料主要是水、有機碘化物、溴化物。水的品質(zhì)因素較低，但聲損耗小。其它一些液態(tài)聲光材料，盡管品質(zhì)因素高，但聲頻損耗過大，應(yīng)用僅限于低頻。2023/2/127液體聲光材料特性2023/2/128聲光材料－應(yīng)用聲光介質(zhì)材料被廣泛地用采研制聲光偏轉(zhuǎn)器、聲光調(diào)制器和聲光濾波器等各類聲光器件。這些器件不僅廣泛地用來調(diào)制激光束(方向和強度)，而且由于聲光器件具有大帶寬、大容量實時處理信號的能力，而被廣泛地用于時域、頻域?qū)崟r信號處理，并形成一門新的信號處理技術(shù)——聲光信號處理技術(shù)。2023/2/129聲光調(diào)制器示意圖2023/2/130磁光材料－磁光效應(yīng)置于磁場中的物體，受磁場影響后其光學特性發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)。磁光效應(yīng)本質(zhì)上是因為材料具有自發(fā)磁化特性。磁光克爾效應(yīng)磁光法拉第效應(yīng)磁致雙折射效應(yīng)光磁效應(yīng)2023/2/131磁光法拉第效應(yīng)1846年法拉第發(fā)現(xiàn)平面偏振光(直線偏振光)通過帶磁性的物體時，其偏振光面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為磁光法拉第效應(yīng)，或稱磁致旋光效應(yīng)。原因：物質(zhì)內(nèi)部原子或分子中的電子在強外磁場作用下引起的旋進式運動所致。2023/2/132一束偏振光透過置于強磁場中的物質(zhì)時，若磁場方向與光束平行，則光偏振面的旋轉(zhuǎn)角θ可表達為：1-6其中：

θ-偏振光旋轉(zhuǎn)角度V

-維爾德（Verdet）常數(shù)

B-磁感應(yīng)強度

L-樣品長度2023/2/133磁光克爾效應(yīng)克爾發(fā)現(xiàn)照射到強電磁鐵表面上的直線偏振光反射時，其偏振面偏轉(zhuǎn)角度隨磁場強度而變化，這種現(xiàn)象稱為磁光克爾效應(yīng)。2023/2/134法拉第效應(yīng)與克爾效應(yīng)雖同是磁與光之間的物理效應(yīng)，但二者的用法不同。當實驗光對磁光敏感功能材料具有較好的穿透特性時，可應(yīng)用法拉第效應(yīng)制成敏感元器件；當實驗光不能穿透所用磁光材料，而只能在材料表面反射時，則只能設(shè)法利用磁光克爾效應(yīng)制成相應(yīng)的敏感元件。2023/2/135磁致雙折射效應(yīng)在強磁場作用下，一些各向同性的透明磁介質(zhì)呈現(xiàn)出雙折射特性，這一現(xiàn)象稱為磁致雙折射效應(yīng)，又稱科頓-木頓效應(yīng)。雙折射率與磁場強度關(guān)系可表達為：1-7K′為科頓-木頓常數(shù)。原因：分子在強外磁場作用下產(chǎn)生定向排列所致。2023/2/136光磁效應(yīng)物質(zhì)受到光照后磁性能（如磁化率、磁晶各向異性、磁滯回線等）發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光磁現(xiàn)象。原因：光使電子在二價和三價鐵離子間發(fā)生轉(zhuǎn)移從而產(chǎn)生磁性現(xiàn)象。2023/2/137磁光材料－磁光材料

磁光材料是在可見和紅外波段具有磁光效應(yīng)的光學功能材料。它是隨著激光和光電子學技術(shù)的興起與需要而發(fā)展起來的。磁光材料要求：維爾德系數(shù)大，光損耗系數(shù)小。各向同性、不存在結(jié)構(gòu)因素產(chǎn)生的雙折射、具有優(yōu)良的物理、化學穩(wěn)定性能。

磁光材料主要分為晶體材料、玻璃材料和液體材料三種。2023/2/138亞鐵磁性石榴石、尖晶石鐵氧體、正鐵氧體、鋇鐵氧體、二價銪的化合物、鉻的三鹵化物和一些金屬，其中亞鐵磁石榴石研究得比較多。晶體材料特重鉛火石玻璃、磷酸鹽玻璃、硅硼酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、硫?qū)倩衔锊ＡУ?。?yōu)點：成本低、易于獲得大塊、不同形狀的器件。玻璃材料水、丙酮、氯仿、苯等。液體材料2023/2/139磁光材料－應(yīng)用利用材料的磁光效應(yīng)可制成許多磁光器件如磁光調(diào)制器、光