第八節(jié)光調(diào)制器件

第八節(jié)光調(diào)制器件1第一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一一、概述

光調(diào)制器件（光控器件）是指利用各種物理效應(yīng)能夠?qū)獾恼穹㈩l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。

光調(diào)制器件的工作基礎(chǔ)是物質(zhì)對(duì)外來作用，產(chǎn)生各種物理效應(yīng)。例如，電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)等。2第二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一二、電光器件1、電光調(diào)制器的工作原理

電光器件是指利用某些物質(zhì)的電光效應(yīng)可以制成的器件。

電光效應(yīng)是指某些光學(xué)介質(zhì)，當(dāng)受到外電場(chǎng)作用時(shí)，它的折射率將隨著外加電場(chǎng)變化，介電系數(shù)和折射率都與方向有關(guān)，在光學(xué)性質(zhì)上變?yōu)楦飨虍愋?；?dāng)不受外電場(chǎng)作用時(shí)，介電系數(shù)和折射率都是標(biāo)量，與方向無關(guān)，在光學(xué)性質(zhì)上是各向同性的。3第三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一迄今已發(fā)現(xiàn)的電光效應(yīng)有兩種：

一種是折射率的變化量與外電場(chǎng)強(qiáng)度的一次方成比例，稱為泡克耳斯(Pockels)效應(yīng)；利用泡克耳斯效應(yīng)制成的調(diào)制器，稱為泡克耳斯盒，其中的光學(xué)介質(zhì)為非中心對(duì)稱的壓電晶體。泡克耳斯盒分為縱向調(diào)制器和橫向調(diào)制器兩種。

另一種是折射率的變化量與外電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成比例，稱為克爾(Kerr)效應(yīng)。利用克爾效應(yīng)制成的調(diào)制器，稱為克爾盒，其中的光學(xué)介質(zhì)為具有電光效應(yīng)的液體有機(jī)化合物。4第四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一5第五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一

當(dāng)不給克爾盒加電壓時(shí)，盒中的介質(zhì)是透明的，各向同性的非偏振光經(jīng)過起偏器P后變?yōu)檎駝?dòng)方向平行于P光軸的平面偏振光，通過克爾盒時(shí)其振動(dòng)方向不變。在光路中起偏器P和檢偏器Q的光軸安裝時(shí)調(diào)成彼此垂直，當(dāng)光到達(dá)檢偏器Q時(shí)，因光的振動(dòng)方向垂直于Q的光軸而被阻擋，所以Q沒有光輸出。非偏振光振動(dòng)方向平行于P光軸的平面偏振光檢偏器Q起偏器P6第六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一

當(dāng)給克爾盒加電壓時(shí)，盒中的介質(zhì)則因有外電場(chǎng)的作用而具有單軸晶體的光學(xué)性質(zhì)，光軸的方向平行于電場(chǎng)。通過它的平面偏振光則改變其振動(dòng)方向。經(jīng)過起偏器P產(chǎn)生的平面偏振光，通過克爾盒后，振動(dòng)方向就不再與Q光軸垂直，而是在Q光軸方向上有光振動(dòng)的分量，此時(shí)Q就有光輸出了。Q的光輸出強(qiáng)弱，與盒中介質(zhì)的性質(zhì)、幾何尺寸、外加電壓的大小等因素有關(guān)。非偏振光振動(dòng)方向平行于P光軸的平面偏振光檢偏器Q起偏器P7第七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一如果外加電壓是周期性變化，對(duì)于結(jié)構(gòu)已確定的克爾盒來說，則Q的光輸出必然也是周期性變化的，因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光偏振和強(qiáng)度的調(diào)制。8第八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一幾個(gè)偏振量的方位關(guān)系如圖所示。其中，光的傳播方向平行于z軸；M和N分別為起偏器P和檢偏器Q的光軸方向，二者彼此垂直；α為M與y軸的夾角，β為N與y軸的夾角。y9第九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一晶體的雙折射現(xiàn)象 當(dāng)一束單色光在各向同性介質(zhì)的界面折射時(shí)，折射光線只有一條，遵守折射定律。 當(dāng)一束單色光在各向異性介質(zhì)的界面折射時(shí)，一般可以產(chǎn)生兩束折射光線，這種現(xiàn)象就叫雙折射 有一束總是遵循折射定律，即不論入射光線方位如何，折射光線總是在入射面內(nèi)，并且入射角的正弦與折射角的正弦之比等于常數(shù)。我們把這束折射光稱為尋常光，用o表示。另一條折射光線則不同，一般情況下，入射角的正弦與折射角的正弦之比不等于常數(shù)，且折射光線不在入射面內(nèi)，即不遵循折射定律，因此稱它為非常光，用e表示。10第十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一設(shè)自然光經(jīng)過起偏器P后所產(chǎn)生的平面偏振光為：y11第十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一平面偏振光的傳播方向垂直于介質(zhì)光軸，它通過介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生雙折射，o光垂直于xz面，e光在xz面內(nèi)。o光的振動(dòng)方向垂直于主截面(光軸與光線所構(gòu)成的平面)，e光的振動(dòng)方向在主截面內(nèi)，o光和e光在介質(zhì)中的折射率不同。o光和e光在介質(zhì)中的傳播速度不同。這兩種光在介質(zhì)的輸入端是同相位的，通過一定厚度的介質(zhì)達(dá)到輸出端時(shí)，將要有一定的相位差。y12第十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一o光和e光在介質(zhì)輸出端的光波振幅表達(dá)式為：式中，l下標(biāo)代表介質(zhì)厚度；φ代表o、e光通過厚度為的介質(zhì)后所產(chǎn)生的相位差。y13第十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)o、e光達(dá)到檢偏器Q時(shí)，只有平行于檢偏器Q光軸N的分量能通過，垂直于N的分量則被阻擋。所以，通過檢偏器Q的光波振幅為:它們?cè)贜方向的合量為:14第十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一由于發(fā)光強(qiáng)度正比于振幅的平方，于是有對(duì)于具有克爾效應(yīng)的介質(zhì)，理論分析指出：o光和e光通過厚度為l的介質(zhì)后，所產(chǎn)生的相位差為式中，k稱為克爾系數(shù)；U為加到克爾盒兩電極板上的電壓；d為兩電極板間的距離?？梢?，克爾盒中φ與U的平方成線性關(guān)系。改變P與Q的相對(duì)方位設(shè)置，可以控制輸出AN?？梢宰C明，當(dāng)α=β=π/4時(shí)輸出最強(qiáng)，此時(shí)上式變?yōu)?15第十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一2、電光調(diào)制器的主要性能參量（1）半波電壓Uλ/2（或Uπ）

半波電壓是使調(diào)制器光輸出達(dá)到最大時(shí)所需的電壓。這個(gè)電壓自然是越小越好，這樣既便于操作，又可減少電功率損耗和發(fā)熱。16第十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一（2）透過率 調(diào)制器的光輸出與光輸入之比稱為透過率。17第十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一（3）調(diào)制帶寬 調(diào)制帶寬與調(diào)制器的等效電容有關(guān)，低頻時(shí)調(diào)制帶寬與調(diào)制功率成正比。要求光波在晶體中的渡越時(shí)間t1要遠(yuǎn)小于調(diào)制信號(hào)的周期T，即式中，l為晶體長(zhǎng)度；n為晶體的折射率；c為真空中的光速；f為調(diào)制頻率。對(duì)于一定的調(diào)制器有一最高調(diào)制頻率，即18第十八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一（4）消光比

消光比是檢偏器的最大輸出與最小輸出之比，即Imax/Imin

由于吸收、反射、散射等損耗，Imax總是小于入射光強(qiáng)，Imin是與光束的發(fā)散角、晶體的剩余雙折射、晶體的厚度和均勻性、電場(chǎng)的均勻性以及對(duì)偏振器的調(diào)整等因素有關(guān)。目前對(duì)單色、小發(fā)散角的激光束來說，消光比可達(dá)100～10000。19第十九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一20第二十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一21第二十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一22第二十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一三、聲光器件1、概述 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)引起介質(zhì)折射率發(fā)生周期性變化，可將此聲波引起的介質(zhì)折射率周期性變化的現(xiàn)象稱為聲光柵，聲光柵的柵距等于聲波的波長(zhǎng)。當(dāng)光波入射于聲光柵時(shí)，發(fā)生光的衍射，這種現(xiàn)象稱為聲光效應(yīng)。

聲光器件是基于聲光效應(yīng)的原理來工作的，他分為聲光調(diào)制器和聲光偏轉(zhuǎn)器兩類，它們的原理、結(jié)構(gòu)、制造工藝相同，只是在尺寸上有所區(qū)別。23第二十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一聲光器件由聲光介質(zhì)和換能器兩部分組成。聲光介質(zhì)有鉬酸鉛晶體(PM)、氧化碲晶體、熔石英等。換能器即超聲波發(fā)生器，它是利用壓電晶體使電壓信號(hào)變?yōu)槌暡?，并向聲光介質(zhì)中發(fā)射的一種能量變換器。24第二十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一聲光相互作用有兩種情形：一種是正常的聲光相互作用，另一種是反常的聲光相互作用。（1）正常的聲光相互作用

介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)是各向同性的，介質(zhì)的折射率與入射光的方向、偏振狀態(tài)無關(guān)。入射光的折射率、偏振狀態(tài)與衍射光的折射率、偏振狀態(tài)相同。能用聲光柵來說明光在介質(zhì)中的衍射現(xiàn)象。25第二十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一（2）反常的聲光相互作用

介質(zhì)在光學(xué)性質(zhì)上的各向異性。介質(zhì)的折射率與入射光的方向、偏振狀態(tài)有關(guān)，入射光的折射率、偏振狀態(tài)與衍射光的折射率、偏振狀態(tài)不同。不能用聲光柵來說明光在介質(zhì)中的衍射現(xiàn)象。

目前，多數(shù)的聲光器件都是利用正常聲光相互作用原理來制作的，所以可用聲光柵來分析。26第二十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一2、聲光調(diào)制器的工作原理 在超聲場(chǎng)中，由于介質(zhì)密度周期性的疏密分布而形成聲光柵，柵距等于1個(gè)超聲波的波長(zhǎng)。如果有一束光入射于聲光柵，則出射光即是衍射光。當(dāng)滿足以下條件時(shí)，衍射光強(qiáng)最大。27第二十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)掠射角i=0時(shí)，聲光柵所產(chǎn)生的衍射光圖案在零級(jí)條紋兩側(cè)，對(duì)稱地分布著各級(jí)衍射光的條紋，而且衍射光強(qiáng)逐級(jí)減弱。這種衍射稱為喇曼一奈斯衍射。28第二十八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一理論分析指出： 衍射光強(qiáng)和超聲波的強(qiáng)度成正比。這就是聲光調(diào)制器的原理。實(shí)現(xiàn)喇曼一奈斯衍射的條件是：式中，L稱為聲光相互作用長(zhǎng)度。29第二十九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)掠射角i0時(shí)，一般情況下，衍射光都很弱，只有在滿足：的條件下，衍射光最強(qiáng)。上式稱為布拉格條件，θB稱為布拉格角。此時(shí)的衍射光是不對(duì)稱的，只有正一級(jí)或負(fù)一級(jí)。衍射效率可接近100％，這種衍射稱為布拉格衍射。30第三十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一3、聲光偏轉(zhuǎn)器的原理 掠射角與衍射角之和，也稱為偏轉(zhuǎn)角。即由此可知： 偏轉(zhuǎn)角正比于超聲波的頻率。故改變超聲波的頻率，即可改變光束的出射方向，這就是聲光偏轉(zhuǎn)器的原理。31第三十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一32第三十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一四、磁光器件1、法拉第旋光效應(yīng) 原來沒有旋光性的透明介質(zhì)，如水、鉛玻璃等，放在強(qiáng)磁場(chǎng)中，可產(chǎn)生旋光性，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。

具體的現(xiàn)象是：把磁光介質(zhì)放到磁場(chǎng)中，使光線平行于磁場(chǎng)方向通過介質(zhì)時(shí)，入射的平面偏振光的振動(dòng)方向就會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)移角度的大小與磁光介質(zhì)的性質(zhì)、光程和磁場(chǎng)強(qiáng)度等因素有關(guān)。其規(guī)律為：式中，φ為振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度；l為光程；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；α為光線與磁場(chǎng)的夾角；V為比例常數(shù)，稱費(fèi)爾德常數(shù)。33第三十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一 不同介質(zhì)，振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)方向不同。順著磁場(chǎng)方向看，使振動(dòng)面向右旋的，稱為右旋或正旋介質(zhì)，V為正值。反之，則稱為左旋或負(fù)旋介質(zhì)，V為負(fù)值。 對(duì)于給定的磁光介質(zhì)振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)方向只決定于磁場(chǎng)方向，與光線的傳播方向無關(guān)，這一點(diǎn)是磁光介質(zhì)和天然旋光介質(zhì)之間的重要區(qū)別。34第三十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一 天然旋光性物質(zhì)的振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)方向，不只是與磁場(chǎng)方向有關(guān)，而且還與光的傳播方向有關(guān)。光線兩次通過天然性的旋光物質(zhì)，一次是沿著某個(gè)方向，另一次是與這個(gè)方向相反，觀察結(jié)果，振動(dòng)面并沒旋轉(zhuǎn)?？墒谴殴馕镔|(zhì)則不同，光線以相反的兩個(gè)方向兩次通過磁光物質(zhì)時(shí)，其振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角是疊加的。35第三十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一在磁致旋光的情況下，使光線多次通過磁光物質(zhì)可得到旋轉(zhuǎn)角累加。在強(qiáng)磁場(chǎng)中放一塊磁光物質(zhì)ab，ab呈平行六面體狀。其相對(duì)的兩表面除留有一個(gè)很窄的縫隙外皆涂以銀，光線從狹縫進(jìn)入磁光介質(zhì)，然后經(jīng)過在鍍銀表面上的多次反射，從另一個(gè)狹縫射出。這時(shí)，出射的偏振光振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角，將與光線在介質(zhì)中多次反射的總光程成正比。36第三十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期一2、磁光器件工作原理

磁光調(diào)制器就是根據(jù)法拉第效應(yīng)制成的。將磁光介質(zhì)置于激磁線圈中。在它的左右兩邊，各加一個(gè)偏振片。安裝時(shí)，使它們的光軸彼此垂直。

沒有磁場(chǎng)時(shí)，自然光通過起偏振