第八章光電技術(shù)器件設(shè)計(jì)與參數(shù)選用原則

第八章光電技術(shù)器件設(shè)計(jì)與參數(shù)選用原則第一頁，共46頁。1.光偏轉(zhuǎn)器：按一定規(guī)律改變光束在空間傳播方向的器件。使激光束相對于原始位置作一定規(guī)律的偏轉(zhuǎn)掃描。2.根據(jù)使用目的不同分為兩類：模擬式偏轉(zhuǎn)——光的偏轉(zhuǎn)角是連續(xù)變化的，主要用于激光顯示技術(shù)數(shù)字式偏轉(zhuǎn)——光的偏轉(zhuǎn)角不連續(xù)，在選定空間的某些特定位置上才有光的離散，主要用于光存儲8.1激光偏轉(zhuǎn)器第二頁，共46頁。3.設(shè)計(jì)或評價(jià)一個(gè)光偏轉(zhuǎn)器的主要指標(biāo)：（1）偏轉(zhuǎn)角的大小要達(dá)到激光掃描的范圍（2）掃描速度要滿足快速記錄和顯示的要求（3）偏轉(zhuǎn)效率：偏轉(zhuǎn)光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比，反映了光偏轉(zhuǎn)器的光能損失（4）分辨率或在掃描范圍內(nèi)可分辨的點(diǎn)數(shù)4.目前激光技術(shù)中最常用的是以下三種偏轉(zhuǎn)方法：機(jī)械式偏轉(zhuǎn)、電光偏轉(zhuǎn)、聲光偏轉(zhuǎn)第三頁，共46頁。一、機(jī)械偏轉(zhuǎn)利用反射鏡或多面反射棱鏡的旋轉(zhuǎn)，或者利用反射鏡的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)光束掃描。

多面體反射鏡偏轉(zhuǎn)器

優(yōu)點(diǎn)：掃描角度大于30°，可分辨像素多，光學(xué)損失小等；缺點(diǎn)：受電機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，掃描速度較低。多面體反射鏡偏轉(zhuǎn)器

若用多面體反射鏡繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)，則可獲得水平掃描線。反之，若繞水平軸旋轉(zhuǎn)，則可獲得垂直方向的掃描線。如果兩者結(jié)合，選擇合理的轉(zhuǎn)速比，則可獲得矩形的掃描圖形。第四頁，共46頁。偏轉(zhuǎn)原理：在電光晶體上施加電場改變晶體的折射率，使晶體中的光束傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。實(shí)際的電光晶體偏轉(zhuǎn)器是由兩個(gè)z軸相反的晶體棱鏡所組成。

實(shí)際的電光晶體偏轉(zhuǎn)器如果激光垂直一個(gè)直角面射到圖所示的下面的直角棱鏡上，由折射定律可得出射光的偏轉(zhuǎn)角為

（1）模擬式電光偏轉(zhuǎn)二、電光偏轉(zhuǎn)第五頁，共46頁。施加電壓后，上、下層棱鏡中傳播時(shí)光的折射率為與外加電壓U成線性比例關(guān)系，通過調(diào)節(jié)U可使光束發(fā)生連續(xù)偏轉(zhuǎn)。

第六頁，共46頁。為了增大偏轉(zhuǎn)角度，而外加電壓又不太高，可采用多塊晶體棱鏡串聯(lián)，總的偏轉(zhuǎn)角為單級的m倍。例如:,時(shí),一個(gè)電光偏轉(zhuǎn)器所能獲得的偏轉(zhuǎn)角很小,很難滿足實(shí)際應(yīng)用的要求第七頁，共46頁。（2）數(shù)字式偏轉(zhuǎn)現(xiàn)代光存儲器都是采用二進(jìn)制的數(shù)字式偏轉(zhuǎn)器

雙折射原理：沿與光軸成某一角度的非偏振光入射時(shí)，將分成垂直分量（o光）和平行分量（e光）二束，分離角為電光數(shù)字式偏轉(zhuǎn)器

第八頁，共46頁。當(dāng)電光晶體不加電壓時(shí)，o光入射，偏振方向不變，再通過雙折射晶體時(shí)，傳輸方向不變；當(dāng)電光晶體加電壓時(shí)，o光入射，偏振方向變化成為e光，再通過雙折射晶體時(shí)，傳輸方向變化。上述就是一個(gè)一級數(shù)字偏轉(zhuǎn)器，入射的線偏振光隨電光晶體加和不加電壓而分別占據(jù)兩個(gè)地址之一，即0和1。第九頁，共46頁。若把n個(gè)這樣的數(shù)字偏轉(zhuǎn)器組合起來，就能做到n級數(shù)字偏轉(zhuǎn)。如三級數(shù)字偏轉(zhuǎn)器，入射光就分離8個(gè)偏轉(zhuǎn)點(diǎn)；如4級串接，就有24=16個(gè)偏轉(zhuǎn)點(diǎn)。如果二維組合，就可以偏轉(zhuǎn)到平面不同位置。

000代表三個(gè)電光晶體都不加電壓；110代表S1、S2加電壓，S3不加電壓，以此類推。三級數(shù)字式偏轉(zhuǎn)器

第十頁，共46頁。三、聲光偏轉(zhuǎn)聲光偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)與聲光調(diào)制器基本相同，所不同之處在于調(diào)制器是改變衍射光的強(qiáng)度，而偏轉(zhuǎn)器則是利用改變聲波頻率來改變衍射光的方向，使之發(fā)生偏轉(zhuǎn)，既可以使光束連續(xù)偏轉(zhuǎn)，也可以使分離的光點(diǎn)掃描偏轉(zhuǎn)。

聲光器件結(jié)構(gòu)示意圖第十一頁，共46頁。在滿足布喇格衍射時(shí)，衍射光與入射光束之間的夾角求微分得

可見光束偏轉(zhuǎn)角與聲頻的變化成正比。因而，改變聲頻就可以改變光束方向。第十二頁，共46頁。激光寬行打字機(jī)原理框圖第十三頁，共46頁。一、磁光非互易特性（法拉第效應(yīng)）當(dāng)線偏振光通過磁光介質(zhì)時(shí)，在外磁場作用下，出射的線偏振光的偏振面與入射光的偏振面要發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度θ的大小和磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，即θ=VLB其中V是費(fèi)爾德常數(shù)與波長及煤質(zhì)的溫度有關(guān)，大多數(shù)物質(zhì)V很小，而且大多數(shù)物質(zhì)V為正，旋轉(zhuǎn)角θ方向與磁場方向有關(guān)。當(dāng)入射光傳播方向與磁場方向一致時(shí)（同方向），正的V相當(dāng)于左旋，當(dāng)入射光的傳播方向與磁場方向相反時(shí)，表現(xiàn)為右旋。因此，在外磁場方向不變的情況下，當(dāng)入射光束往返通過旋光煤質(zhì)時(shí)，旋轉(zhuǎn)角按一個(gè)方向增大。這種特性稱為磁光非互易特性。8.2光隔離器第十四頁，共46頁。將電信號先轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的表變磁場，由磁光效應(yīng)改變在介質(zhì)中傳輸?shù)墓獠ǖ钠D(zhuǎn)態(tài)，從而達(dá)到改變光強(qiáng)等參數(shù)的目的。第十五頁，共46頁。利用法拉第效應(yīng)，即不可逆的光學(xué)過程，使光波沿一個(gè)方向以很小的損耗通過，而沿相反方向時(shí)損耗很大，以致可以視為沒有反方向傳輸?shù)墓?。二、光隔離器光隔離器是允許光向一個(gè)方向通過而阻止向相反方向通過的無源器件，作用是對光的方向進(jìn)行限制，使光只能單方向傳輸，通過光纖回波反射的光能夠被光隔離器很好的隔離，提高光波傳輸效率。第十六頁，共46頁。三、光隔離器的應(yīng)用用在激光器與光纖之間

當(dāng)光纖與激光器耦合時(shí),其端面或接頭處的反射將影響激光器的穩(wěn)定性。為了消除反射波對激光器的影響,需要在激光器與光纖之間加光隔離器。作為光纖放大器的組成部件

光隔離器是光纖放大器的重要組成部件,光隔離器可以防止輸出光返回到光纖放大器中產(chǎn)生不良的干擾。用在精密光學(xué)測量系統(tǒng)中

在光譜分析實(shí)驗(yàn)中,如果材料的發(fā)光能力不僅很弱,且發(fā)光狀況容易受外來光的影響,這就要求我們在研究它們的發(fā)光機(jī)制時(shí)更要排除外界物質(zhì)的反射光對它們的影響,為了消除這些外界的干擾,我們常在發(fā)光材料和測量儀器之間加一光隔離器。第十七頁，共46頁。8.3光電探測器一、作用將光信號變換為相應(yīng)電信號二、激光探測器的分類1.熱電探測器：溫差電效應(yīng)、熱敏電阻、熱釋電效應(yīng)2.光電探測器：光電發(fā)射型、光電壓型、光電導(dǎo)型第十八頁，共46頁。光電發(fā)射型：光照射到某些金屬或他們的氧化物上，當(dāng)光子的能量足夠大，能夠使金屬或它的氧化物的表面發(fā)射電子。常用的光電管、光電倍增管都屬于此類型。光電壓型：光照射到半導(dǎo)體器件的PN結(jié)時(shí)，使結(jié)區(qū)中的電子、空穴對發(fā)生反向移動(dòng)，產(chǎn)生附加電勢，稱為光生電動(dòng)勢。如PN結(jié)光電二極管、PIN光電二極管、雪崩光電二極管等。光電導(dǎo)型：光照射到半導(dǎo)體器件時(shí)電導(dǎo)率增加、電阻降低、導(dǎo)電性能改變。如光敏電阻和光導(dǎo)管等。第十九頁，共46頁。三、光電探測器的特性和要求探測靈敏度響應(yīng)度噪聲等效功率探測度及歸一化探測度頻率響應(yīng)和相應(yīng)時(shí)間量子效率第二十頁，共46頁。各種光電探測器的性能比較在即頻率響應(yīng)與時(shí)間響應(yīng)方面，以光電倍增管和光電二極管為最好；在光電特性（即線性）方面，以光電倍增管、光電二極管和光電池為最好；在靈敏度方面，以光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏電阻和光電三極管為最好。值得指出的是，靈敏度高不一定就是輸出電流大，而輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光電二極管和光電三極管；外加偏置電壓最低的是光電二極管、光電三極管，光電池不需外加偏置；在暗電流方面，光電倍增管和光電二極管最小，光電池不加偏置時(shí)無暗電流，加反向偏置后暗電流也比光電倍增管和光電二極管大；穩(wěn)定性方面，光電二極管、光電池為最好，其次光電倍增管與光電三極管；在光譜響應(yīng)方面，以光電倍增管和CdSe光敏電阻為最寬，但光電倍增管響應(yīng)偏紫外方向，而光敏電阻響應(yīng)偏紅外方向。第二十一頁，共46頁。8.4光纖維1.光纖：光導(dǎo)纖維的簡寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達(dá)成的光傳導(dǎo)工具。光在光導(dǎo)纖維中的傳導(dǎo)損耗比電在電線傳導(dǎo)的損耗低得多，光纖被用作長距離的信息傳遞。特點(diǎn)：光纖的纖心很小，纖內(nèi)易形成高功率密度，轉(zhuǎn)換效率高、激光閾值低、激光質(zhì)量好；輸出的激光譜線多；光纖的柔繞性很好，易散熱。光纖是一種能夠傳送光頻電磁波的介質(zhì)波導(dǎo)一、基本概念第二十二頁，共46頁。2.工作原理：光纖是以SiO2（GeO2、P2O5）為基質(zhì)材料拉成的玻璃實(shí)體纖維，其導(dǎo)光原理是利用光的全反射原理。普通裸光纖一般由中心高折射率玻璃芯、中間低折射率硅玻璃包層和最外部的加強(qiáng)樹脂涂層組成。3.光纖傳感器：將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光電探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。具有靈敏度高、不受電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡單、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在激光技術(shù)中獲得了廣泛應(yīng)用。第二十三頁，共46頁。4.分類工作波長：紫外光纖、可觀光纖、近紅外光纖、紅外光纖（0.85μm、1.3μm、1.55μm）。折射率分布：階躍（SI）型光纖、近階躍型光纖、漸變（GI）型光纖、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。傳輸模式：單模光纖、多模光纖。原材料：石英光纖、多成分玻璃光纖、塑料光纖、復(fù)合材料光纖（如塑料包層、液體纖芯等）、紅外材料等。按被覆材料還可分為無機(jī)材料（碳等）、金屬材料（銅、鎳等）和塑料等。制造方法：預(yù)塑有汽相軸向沉積（VAD）、化學(xué)汽相沉積（CVD）等，拉絲法有管律法（Rodintube）和雙坩鍋法等。按構(gòu)造形式：包層式纖維和自聚焦式纖維第二十四頁，共46頁。包層式纖維自聚焦式纖維第二十五頁，共46頁。二、光纖的連接要求：連接面精確對準(zhǔn)、光學(xué)接觸、損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整個(gè)線路的損耗永久性光纖連接（又叫熱熔）：用放電的方法將連根光纖的連接點(diǎn)熔化并連接在一起。一般用在長途接續(xù)、永久或半永久固定連接。其主要特點(diǎn)是連接衰減在所有的連接方法中最低，典型值0.01~0.03dB/點(diǎn)。但連接時(shí)，需要專用設(shè)備（熔接機(jī)）和專業(yè)人員進(jìn)行操作，而且連接點(diǎn)也需要專用容器保護(hù)起來。應(yīng)急連接（又叫冷熔）：用機(jī)械和化學(xué)的方法，將兩根光纖固定并粘接在一起。這種方法的主要特點(diǎn)是連接迅速可靠，連接典型衰減為0.1~0.3dB/點(diǎn)。但連接點(diǎn)長期使用會(huì)不穩(wěn)定，衰減也會(huì)大幅度增加，所以只能短時(shí)間內(nèi)應(yīng)急用?；顒?dòng)連接：利用各種光纖連接器件（插頭和插座），將站點(diǎn)與站點(diǎn)或站點(diǎn)與光纜連接起來的一種方法。這種方法靈活、簡單、方便、可靠，多用在建筑物內(nèi)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線中。其典型衰減為1dB/接頭。第二十六頁，共46頁。三、光纖與光源之間的耦合直接耦合：15%~20%聚焦透鏡耦合:50%輔助透鏡和聚焦透鏡組合：80%。如：半導(dǎo)體激光器輸出橢圓光束，用輔助透鏡的特殊的折射率分布將橢圓光束聚焦成圓錐光束；聚焦透鏡再將圓錐形光束再一次聚焦成更細(xì)的光束耦合到光纖的入射端。四、光纖傳感器的應(yīng)用

可分為兩大類：一類是功能型傳感器，又稱FF型光纖傳感器；另一類是非功能傳感器，又NF型光纖傳感器。前者是利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件，所以又稱傳感型光纖傳感器；后者是利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，用以傳輸來自遠(yuǎn)處或難以接近場所的光信號，因此，也稱傳光型光纖傳感器。第二十七頁，共46頁。激光干涉儀技術(shù)激光通信技術(shù)激光大氣傳輸技術(shù)激光水下探測技術(shù)等普通光學(xué)元件組成的激光干涉儀中，相干光在空氣中傳播的，由于空氣擾動(dòng)及聲波的干擾，導(dǎo)致空氣光程的變化，致使干涉儀工作不穩(wěn)定。如果利用單模光纖作為干涉儀的光路，就可以排除這些影響，切光纖干涉儀信號處理簡單、測量范圍大、精度高。第二十八頁，共46頁。8.5光學(xué)天線作用：發(fā)射光信號、接受光信號應(yīng)用：激光通信、激光測距、激光雷達(dá)、激光武器等。第二十九頁，共46頁。一、發(fā)射天線和接收天線發(fā)射天線：將激光束的發(fā)散角壓縮到容許范圍內(nèi)并將發(fā)射光束對準(zhǔn)接受天線或目標(biāo)。要求它發(fā)出的發(fā)散角要小。但是發(fā)散角過小又會(huì)造成發(fā)射機(jī)難以對準(zhǔn)接收機(jī)或目標(biāo)，因而發(fā)散角又不易太小。接受天線：盡可能多的接收發(fā)射來的或從目標(biāo)散射回來的光能量，并把接收的光能聚焦到探測器的光敏面上。對它的主要要求是接受面積。在接收天線視場角內(nèi)的非信號光輻射，也就是背景噪聲，會(huì)同時(shí)進(jìn)入接收天線。因此，接受天線的接受面積和它的視場角有一定的要求，過大則背景噪聲大，干擾嚴(yán)重；過小會(huì)使有用光信號信息減小。第三十頁，共46頁。二、光學(xué)天線的結(jié)構(gòu)折射式發(fā)射天線：光學(xué)望遠(yuǎn)系統(tǒng)把激光器輸出的橫截面較小而發(fā)散角較大的光束，變成橫截面較大而發(fā)散角較小的光束反射式天線：卡塞格倫型和牛頓型可做發(fā)射天線，也可做接受天線會(huì)聚式天線：單凸透鏡組成單凸透鏡組成第三十一頁，共46頁。8.6激光倍頻及光參量放大光學(xué)效應(yīng)：當(dāng)光作用與介質(zhì)時(shí)，會(huì)引起介質(zhì)的極化，產(chǎn)生振蕩電偶極矩。通常用極化強(qiáng)度p來度量極化的程度。線性光學(xué)效應(yīng)：當(dāng)光強(qiáng)不太強(qiáng)時(shí)，極化強(qiáng)度p和電場強(qiáng)度E成正比。如折射、雙折射、散射等都是線性的，此時(shí)折射率和吸收系數(shù)等為一常數(shù)。非線性光學(xué)效應(yīng)：當(dāng)光強(qiáng)很強(qiáng)時(shí)，介質(zhì)的極化強(qiáng)度不止于電場強(qiáng)度的一次方有關(guān)，還與二次方、三次方等高次方有關(guān)。如光倍頻、光差頻、光參量振蕩等。第三十二頁，共46頁。一、倍頻光倍頻效應(yīng)：當(dāng)光束通過晶體后，除了原來的激光波長以外，還檢測到波長為1/2λ的成分，即從晶體中透出光的頻率是入射光頻率的兩倍。

倍頻效應(yīng)是弗蘭肯(Franken)等人在1961年首先發(fā)現(xiàn)的。他們將紅寶石激光器輸出的波長694.3nm的紅光射到石英晶體上。當(dāng)這束紅光通過石英晶體后，他們發(fā)現(xiàn)在透射光中除了波長為694.3nm的紅光外，還出現(xiàn)了波長為347.1nm的成分。后者的波長剛好等于紅寶石激光波長的一半，即頻率加倍。第三十三頁，共46頁。微觀解釋：非線性是由原子、分子非諧性造成。物質(zhì)受強(qiáng)光作用后，電子發(fā)生位移z，具有位能y(z)，對于無對稱中心晶體，與電子位移+z和一z相對應(yīng)的位能并不相等。非線性極化和線性極化兩者有完全不同的性質(zhì)．線性極化波只有一種頻率的成分，能夠輻射與入射波同頻率、同方向的電磁波；而非線性的極化波具有不同的諧波成分，這些諧波成分能夠再輻射與各個(gè)諧波的頻率相對應(yīng)的電磁波。顯然，基頻極化波輻射基頻波：二次諧頻極化波輻射二次諧波，即倍頻光等如果從量子力學(xué)的觀點(diǎn)來看，就更簡單了。二次諧波的產(chǎn)生過程可以看成是兩個(gè)頻率為ω光子的湮沒，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)頻率為2ω的光子。第三十四頁，共46頁。若光波頻率為ω，光場強(qiáng)度為E=E0cosωt，忽略三次方以上的非線性項(xiàng)不隨時(shí)間變化，是介質(zhì)兩表面恒定電勢差頻率為2ω的電偶極矩，它將輻射二次諧波，即倍頻光第三十五頁，共46頁。二、相位匹配及倍頻轉(zhuǎn)換效率在發(fā)現(xiàn)倍頻效應(yīng)的初期，產(chǎn)生二次諧波的效率約為10-3數(shù)量級。實(shí)驗(yàn)證明，只有具有特定偏振方向的線偏振光，以某一特定角度入射晶體時(shí)，才能獲得良好的倍頻效果，而以其他角度入射時(shí)，則倍頻效果很差，甚至完全不出倍頻光?？紤]一片厚為d的非線性晶體，正入射的基頻光波在晶體內(nèi)任一點(diǎn)x的電場強(qiáng)度為

E=E0cos(ωt-k1x)，其中波矢為倍頻光的初始相位為(2ωt-2k1x)，經(jīng)過厚度為d的晶體后，相位改變?yōu)?/p>

[2ωt-2k1x+k2(x-d)]=[2ωt-k2d+(k2-2k1)x]，其中k2為倍頻光波的波矢第三十六頁，共46頁。討論：△k=0倍頻信號最強(qiáng)獲得最高的轉(zhuǎn)換效率（相位匹配條件：倍頻光與基頻光具有相同的折射率）

π-π2π-2π-3π3π△k≠0，若△kd/2=π時(shí)下降到零。定義：dc=π/△k為相干長度。

ωω2ωω2ω2ωdxLXX倍頻效率第三十七頁，共46頁。對于正常色散的材料，倍頻光的折射率總是大于基頻光的折射率，所以不可能實(shí)現(xiàn)相位匹配。雙折射晶體，o光和e光的折射率不同，因此可以利用兩束光的折射率不同來補(bǔ)償色散效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)相位匹配由波矢與相速度關(guān)系k=ω/v，得：在2kω

=k2ω

時(shí)，有vω=v2ω

，即折射率相等,等同于基頻光和倍頻光在晶體內(nèi)具有相同的傳播速度。在倍頻晶體中，基頻光波和倍頻光波的等相位面具有相同的速度，保證了相位關(guān)系在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中始終不變，即相當(dāng)于相位差恒定的相干過程，倍頻光波將得到同步疊加、干涉增強(qiáng)。如何實(shí)現(xiàn)相位匹配？第三十八頁，共46頁。

當(dāng)光波面沿著與光軸成θ角的方向傳播時(shí)，二者的折射率面有交點(diǎn)，即折射率相等，傳播速度相同，實(shí)現(xiàn)了相位匹配。這個(gè)角度稱為匹配角。

入射光以一定角度入射晶體，通過晶體的雙折射，由折射率的變化來補(bǔ)償正常色散而實(shí)現(xiàn)相位匹配θ負(fù)單軸晶體的折射率面其中，紅色的代表倍頻光；藍(lán)色代表基頻