光電測試技術(shù)光調(diào)制

光電測試技術(shù)光調(diào)制第一頁，共三十頁，2022年，8月28日光調(diào)制器件概念：利用各種物理效應(yīng)對光的振幅，頻率，相位，偏振狀態(tài)和傳播方向等參量進(jìn)行調(diào)制的器件，又稱為光控器件對光的振幅進(jìn)行調(diào)制也就是對光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制性能穩(wěn)定、調(diào)制度高，損耗小、相位均勻有一定的帶寬工作基礎(chǔ)：物質(zhì)對外來作用產(chǎn)生的各種物理效應(yīng)電光效應(yīng)聲光效應(yīng)磁光效應(yīng)第二頁，共三十頁，2022年，8月28日電光器件一類光學(xué)介質(zhì)受到外電場作用時(shí)，它的折射率將隨著外電場變化，介電系數(shù)和折射率都和方向有關(guān)，在光學(xué)性質(zhì)上變?yōu)楦飨虍愋浴５谌?，共三十頁?022年，8月28日電光效應(yīng)(Inducedopticaleffects)

各向同性物質(zhì)外界作用各向異性物質(zhì)各向異性物質(zhì)外界作用物質(zhì)的各向異性變化第四頁，共三十頁，2022年，8月28日1.機(jī)械感應(yīng)---光彈效應(yīng)(Photoelasticity)

各向同性或異性材料在外力作用下可產(chǎn)生各向異性的變化，

例如：玻璃或塑料 拉伸或壓縮 各向異性

應(yīng)力分析------光彈力學(xué)

工程應(yīng)用干涉色的分布 受力分布

通常情況下，拉伸成為正單軸材料；

壓縮 成為負(fù)單軸材料；

第五頁，共三十頁，2022年，8月28日2.電感應(yīng)---電光效應(yīng)(Electro-opticaleffect)

在一些各向同性材料上加上電場各向異性電致雙折射,雙折射大小與電場強(qiáng)度有關(guān)a.Kerr效應(yīng)（1875年）

各向同性透明介質(zhì)在電場下成為單軸雙折射材料，光軸平行于電場，平行于電場的光振動的折射率為n||，垂直于電場的光振動的折射率為n⊥折射率變化量與外電場強(qiáng)度平方成比例第六頁，共三十頁，2022年，8月28日液晶空間光調(diào)制器(了解)有些物質(zhì)不是直接由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，而是經(jīng)過一個(gè)過渡相態(tài)，這時(shí)，它一方面具有液體的流動性質(zhì)，同時(shí)又有晶體的特性(如光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)的各向異性)，這種過渡相態(tài)稱之為“液晶”。液晶是一種有機(jī)化合物，一般由棒狀柱形對稱的分子構(gòu)成，具有很強(qiáng)的電偶極矩和容易極化的化學(xué)團(tuán)。對這種物質(zhì)施加外場(電、熱、磁等)，液晶分子的排列方向和液晶分子的流動位置就會發(fā)生變化，即改變液晶的物理狀態(tài)。如對液晶施加電場，它的光學(xué)性質(zhì)就發(fā)生變化，這就是液晶的電光效應(yīng)。第七頁，共三十頁，2022年，8月28日a.Kerr效應(yīng)（1875年）

-----各向同性透明介質(zhì)在電場下成為單軸雙折射材料，光軸平行于電場，平行于電場的光振動的折射率為n

||，垂直于電場的光振動的折射率為n⊥

Kerr盒利用kerr效應(yīng)制成的調(diào)制器（內(nèi)裝電致雙折射材料有電光效應(yīng)的液體有機(jī)化合物）液體中的Kerr效應(yīng)裝置第八頁，共三十頁，2022年，8月28日b.Pockels效應(yīng)（1893年）

一些晶體（電光晶體），加上外電場后，單軸晶體成為雙軸晶體，雙折射大小與電場強(qiáng)度得一次方成正比Pockels效應(yīng)（線性電光效應(yīng)）

Pockels實(shí)驗(yàn)第九頁，共三十頁，2022年，8月28日----一次電光效應(yīng)所需電壓比Kerr效應(yīng)要低，同樣可做成高速開關(guān)第十頁，共三十頁，2022年，8月28日

聲波是一種彈性波(縱向應(yīng)力波)，在介質(zhì)中傳播時(shí)，它使介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性形變，從而激起介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)沿聲波的傳播方向振動，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替變化，因此，介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。超聲場作用的這部分如同一個(gè)光學(xué)的“相位光柵”，該光柵間距(光柵常數(shù))等于聲波波長s。當(dāng)光波通過此介質(zhì)時(shí)，就會產(chǎn)生光的衍射。其衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化。

1．3聲光調(diào)制吸聲裝置LaserinLaserout第十一頁，共三十頁，2022年，8月28日

聲波在介質(zhì)中傳播分為行波和駐波兩種形式。圖1.3—1所示為某一瞬間超聲行波的情況，其中深色部分表示介質(zhì)受到壓縮，密度增大，相應(yīng)的折射率也增大，而白色部分表示介質(zhì)密度減小，對應(yīng)的折射率也減小。在行波聲場作用下，介質(zhì)折射率的增大或減小交替變化，并以聲速s(一般為n大n小103m／s量級)向前推進(jìn)。由于聲速僅為光速(108m)的數(shù)十萬分之—，所以對光波來說，運(yùn)動的“聲光柵”可以看作是靜止的。設(shè)聲波的角頻率為s，波矢為ks（＝2/s)，則第十二頁，共三十頁，2022年，8月28日或者寫成：這里n=-ksA，則行波時(shí)的折射率：此處n=-(1/2)no3PS，（1.3-3’)式中，S為超聲波引起介質(zhì)產(chǎn)生的應(yīng)變，P為材料的彈光系數(shù)(激光器件與技術(shù)教程的附錄Ⅲ)。式中a為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)位移，A為質(zhì)點(diǎn)位移的幅度?？山频卣J(rèn)為，介質(zhì)折射率的變化正比于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)沿x方向位移的變化率，即(1.3-1)聲波的方程為第十三頁，共三十頁，2022年，8月28日聲駐波是由波長、振幅和相位相同，傳播方向相反的兩束聲波疊加而成的，如圖1.3-2所示。其聲駐波方程為上式說明，聲駐波的振幅為2Acos(2πx/λs)，它在x方向上各點(diǎn)不同，但相位2πt/Ts在各點(diǎn)均相同。同時(shí)，由上式還可看出，在x＝nλs/2或2nλs/4(n=0,1,2,…)各點(diǎn)上，駐波的振幅為極大(等于2A)，這些點(diǎn)稱為波腹，波腹間的距離為λs／2。在x＝(2n+1)λs／4的各點(diǎn)上，駐波的振幅為零，這些點(diǎn)稱為波節(jié)，波節(jié)之間的距離也是λs／2。(1.3-4)圖1.3-2超聲駐波x＝nλs/2x＝(2n+1)λs／4第十四頁，共三十頁，2022年，8月28日由于聲駐波的波腹和波節(jié)在介質(zhì)中的位置是固定的，因此它形成的光柵在空間也是固定的。聲駐波形成的折射率變化(正比于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)沿x方向位移的變化率,對上式求導(dǎo)并令△n=-4Aπ/λs)(1.3-5)聲駐波在一個(gè)周期內(nèi)，介質(zhì)兩次出現(xiàn)疏密層，且在波節(jié)處密度保持不變，因而折射率每隔半個(gè)周期(Ts／2)就在波腹處變化一次，由極大(或極小)變?yōu)闃O小(或極大)。在兩次變化的某一瞬間，介質(zhì)各部分的折射率相同，相當(dāng)于一個(gè)沒有聲場作用的均勻介質(zhì)。若超聲頻率為fs，那么光柵出現(xiàn)和消失的次數(shù)則為2fs，因而光波通過該介質(zhì)后所得到的調(diào)制光的調(diào)制頻率將為聲頻率的兩倍。第十五頁，共三十頁，2022年，8月28日

按照聲波頻率的高低以及聲波和光波作用長度的不同，聲光互作用可以分為拉曼—納斯(Raman—Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射兩種類型。二、聲光相互作用的兩種類型

當(dāng)超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射(即垂直于聲場傳播方向)，聲光互作用長度L較短時(shí)，產(chǎn)生拉曼—納斯衍射。第十六頁，共三十頁，2022年，8月28日當(dāng)超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射(即垂直于聲場傳播方向)，聲光互作用長度L較短時(shí)，產(chǎn)生拉曼—納斯衍射。由于聲速比光速小很多，故聲光介質(zhì)可視為一個(gè)靜止的平面相位光柵。而且聲波長λs比光波長λ大得多，當(dāng)光波平行通過介質(zhì)時(shí)，幾乎不通過聲波面，因此只受到相位調(diào)制，即通過光學(xué)稠密(折射率大)部分的1拉曼-納斯衍射第十七頁，共三十頁，2022年，8月28日光波波陣面將推遲，而通過光學(xué)疏松(折射串小)部分的光波波陣面將超前，于是通過聲光介質(zhì)的平面波波陣面出現(xiàn)凸凹現(xiàn)象，變成一個(gè)折皺曲面，如圖1.3-3所示。由出射波陣面上各子波源發(fā)出的次波將發(fā)生相干作用，形成與入射方向?qū)ΨQ分布的多級衍射光，這就是拉曼—納斯衍射。第十八頁，共三十頁，2022年，8月28日當(dāng)聲波頻率較高，聲光作用長度L較大，而且光束與聲波波面間以一定的角度斜入射時(shí)，光波在介質(zhì)中要穿過多個(gè)聲波面，故介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。當(dāng)入射光與聲波面間夾角滿足一定條件時(shí)，介質(zhì)內(nèi)各級衍射光會相互干涉，各高級次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級和+l級(或-1級)(視入射光的方向而定)衍射光，即產(chǎn)生布拉格衍射(類似于閃耀光柵），如圖1.3-5所示。因此，若能合理選擇參數(shù)，超聲場足夠強(qiáng)，可使入射光能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到+1級(或-1級)衍射極值上。因而光束能量可以得到充分利用，因此，利用布拉格衍射效應(yīng)制成的聲光器件可以獲得較高的效率。2.布拉格（Bragg)衍射(1)各向同性介質(zhì)中的正常布拉格衍射。第十九頁，共三十頁，2022年，8月28日聲光體調(diào)制器是由聲光介質(zhì)、電—聲換能器、吸聲(或反射)裝置及驅(qū)動電源等所組成，如圖1.3—11所示。(1)聲光介質(zhì)，聲光介質(zhì)是聲光互作用的場所。當(dāng)一束光通過變化的超聲場時(shí)，由于光和超聲場的互作用，其出射光就具有隨時(shí)間而變化的各級衍射光，利用衍射光的強(qiáng)度隨超聲波強(qiáng)度的變化而變化的性質(zhì)，就可以制成光強(qiáng)度調(diào)制器。圖1.3-11聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)吸聲裝置LaserinLaserout三、聲光體調(diào)制器1．聲光體調(diào)制器的組成(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)(3)吸聲(或反射)裝置(放置在超聲源的對面)。(4)驅(qū)動電源它用以產(chǎn)生調(diào)制電信號施加于電—聲換能器的兩端電極上，驅(qū)動聲光調(diào)制器(換能器)工作。第二十頁，共三十頁，2022年，8月28日三、磁致雙折射科頓—穆頓效應(yīng)：某些透明液體在磁場H作用下變?yōu)楦飨虍愋远涡?yīng)磁場很強(qiáng)才能觀察到性質(zhì)類似于單軸晶體光軸平行磁場HC第二十一頁，共三十頁，2022年，8月28日法拉弟發(fā)現(xiàn)，許多物質(zhì)在磁場的作用下可使穿過它的平面偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)（在光的傳播方向上加上強(qiáng)磁場時(shí)）一、法拉弟效應(yīng)（磁致旋光效應(yīng)）Ｈd第二十二頁，共三十頁，2022年，8月28日振動面旋轉(zhuǎn)的角度由經(jīng)驗(yàn)公式給出：

式中為靜磁通量，為光所穿越的媒質(zhì)長度，是比例因子，稱費(fèi)爾德常數(shù)，一種特定媒質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)隨頻率和溫度而變。第二十三頁，共三十頁，2022年，8月28日實(shí)際例子對于氣體，約為，固體和液體為的量級。如對于1厘米長的樣品，高斯的磁場，，此時(shí)振動面將轉(zhuǎn)動。第二十四頁，共三十頁，2022年，8月28日顯然，法拉弟效應(yīng)可用來設(shè)計(jì)光調(diào)制器，欲提高效率必須每單位長度的材料對光的吸收要盡量小，而偏振面旋轉(zhuǎn)的角度要盡量大，為此，人們研制了許多奇特的鐵磁材料，如ＬeCraw利用人工生長的釔鐵石榴石（YIG）磁性晶體，它的費(fèi)爾德數(shù)可以達(dá)到(對波長，溫度范圍)。第二十五頁，共三十頁，2022年，8月28日利用法拉第效應(yīng)測磁場

實(shí)驗(yàn)裝置圖

調(diào)制電壓恒定磁場起偏器起偏器第二十六頁，共三十頁，2022年，8月28日

線偏振光從左面進(jìn)入晶體，橫向的直流磁場使YIG晶體在此方向上引起磁化飽和，而總的磁化強(qiáng)度矢量（由恒定磁場和線圈磁場所引起）可以改變方向，它對晶體軸的傾斜角度正比于線圈中的調(diào)制電流。因?yàn)榉ɡ苄D(zhuǎn)依賴于磁化強(qiáng)度的軸向分量，所以線圈電源控制了角，檢偏器按照馬呂定律把這一偏振調(diào)制轉(zhuǎn)換為振幅調(diào)制。也就是說，要傳遞的信息作為調(diào)制電壓加在線圈上，則出射的激光束以振幅變化的形式攜帶著信息。第二十七頁，共三十頁，2022年，8月28日這樣，為了獲得更大的法拉弟效應(yīng)，可以將放在磁場中的法拉弟材料做成平行六面體，使通光面對光線方向稍偏離垂直位置，并將兩面鍍層反射膜，只留入口和出口，這樣，若光束在其間反射次后出射，則有效旋光厚度為，則偏振面的旋轉(zhuǎn)角度將提高倍。高反射膜第二十八頁，共三十頁，2022年，8月28日

磁致旋光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向僅與磁場方向有關(guān)，而與光線傳播方向的正逆無關(guān)，這是磁致旋光現(xiàn)象與晶體的自然旋光現(xiàn)象不同之處(