光辐射的调制实现方法.ppt

光辐射的调制实现方法 1电光调制2声光调制3磁光调制4机械调制 调制的基本方法激光属于振荡频率在1013 1015Hz的相干电磁波 比无线电波 104 108Hz 微波 109 1011Hz 的频率高几个数量级 一般的电容电感振荡电路 晶体管振荡电路或者磁控管等调制方法已经无法直接对激光进行调制 对激光进行调制 必须考虑光与物质相互作用中 介质中电偶极子振荡机制 利用介质极化率实部 折射率 的变化 对激光进行调制 根据不同的光与物质相互作用类型 可以表现为电场 声场 磁场对光的控制作用 相对应为电光调制 声光调制和磁光调制 1电光调制 基本要求 1 基本原理 2 电光调制器的结构 电光调制的物理基础是电光效应 即某些晶体在外加电场的作用下 其折射率将发生变化 当光波通过此介质时 其传输特性就受到影响而改变 可做成光调制器件 光偏转器件和电光滤波器件 关键词 电光晶体的电光效应 偏光干涉法 光波在介质中的传播规律受到介质折射率分布的制约 而折射率的分布又与其介电常量 电容率 密切相关 晶体折射率可用施加电场E的幂级数表示 即 电光调制的物理基础 或写成 式中 E是一次项 由该项引起的折射率变化 称为线性电光效应或泡克耳斯 Pockels 效应 由二次项bE2引起的折射率变化 称为二次电光效应或克尔 Kerr 效应 对于大多数电光晶体材料 一次效应要比二次效应显著 可略去二次项 故在只讨论线性电光效应 对电光效应的分析和描述有两种方法 一种是电磁理论方法 但数学推导相当繁复 另一种是用几何图形 折射率椭球体 又称光率体 的方法 这种方法直观 方便 故通常都采用这种方法 1 电致折射率变化 在晶体未加外电场时 主轴坐标系中 折射率椭球由如下方程描述 式中 x y z为介质的主轴方向 也就是说在晶体内沿着这些方向的电位移D和电场强度E是互相平行的 nx ny nz为折射率椭球的主折射率 当晶体施加电场后 其折射率椭球就发生 变形 椭球方程变为如下形式 式中 ij称为线性电光系数 i取值1 6 j取值1 2 3 上式可以用张量的矩阵形式表式为 由于外电场的作用 折射率椭球各系数随之发生线性变化 其变化量可定义为 式中 是电场沿方向的分量 具有元素的矩阵称为电光张量 每个元素的值由具体的晶体决定 它是表征感应极化强弱的量 下面以常用的KDP晶体为例进行分析 KDP KH2PO4 类晶体属于四方晶系 42m点群 是负单轴晶体 因此有这类晶体的电光张量为 磷酸二氢钾 KDP 磷酸二氘钾 DKDP 由于其拥有优越的紫外透过 高损伤阈值 双折射系数高等特性 被广泛地应用在多种工业用途 其非线性系数偏低 这两种晶体通常被用于做Nd YAG激光器的二 三 四倍频器件 室温条件下 另外 它们也具有电光系数高的特点 故也被用于制作Q开关等 而且 因此 这一类晶体独立的电光系数只有两个 可得 由此得到晶体加外电场E后的新折射率椭球方程式 由上式可看出 外加电场导致折射率椭球方程中 交叉 项的出现 说明加电场后 椭球的主轴不再与x y z轴平行 因此 必须找出一个新的坐标系 使上式在该坐标系中主轴化 这样才可能确定电场对光传播的影响 为了简单起见 将外加电场的方向平行于轴z 即 于是 为了寻求一个新的坐标系 x y z 使椭球方程不含交叉项 即具有如下形式 式中 x y z 为加电场后椭球主轴的方向 通常称为感应主轴 是新坐标系中的主折射率 由于x和y是对称的 故可将x坐标和y坐标绕z轴旋转 角 于是从旧坐标系到新坐标系的变换关系为 这就是KDP类晶体沿Z轴加电场之后的新椭球方程 如图所示 其椭球主轴的半长度由下式决定 令交叉项为零 即 则方程式变为 由于 63很小 约10 10m V 一般是 63EZ 利用微分式 即得到 泰勒展开后也可得 由此可见 KDP晶体沿z 主 轴加电场时 由单轴晶变成了双轴晶体 折射率椭球的主轴绕z轴旋转了45o角 此转角与外加电场的大小无关 其折射率变化与电场成正比 n值称为电致折射率变化 这是利用电光效应实现光调制 调Q 锁模等技术的物理基础 1 的纵向电光效应 KDP负单轴晶体 强电场E Z轴 KDP由单轴晶体变为双轴晶体 线偏振光沿Z轴入射 分解成X Y方向上振幅相同 但传播速度不同的两个线偏振光 光传播方向与电场方向一致 起偏器 KDP晶体沿z轴加电场时 由单轴晶体变成了双轴晶体 折射率椭球的主轴绕z轴逆时针旋转了450角 此转角与外加电场的大小无关 在新的感应折射率主轴座标系 下 折射率椭球方程变为 沿光轴加电场后 xoy截面由圆变为椭圆 三个感应主轴的折射率分别为 沿x 方向偏振的传播速度加大 x 叫快轴 沿y 方向偏振的传播速度减小 y 叫慢轴 式中 no为KDP晶体o光折射率 为电光系数 相速度 X Y方向两偏振光射出晶体时有光程差 则相位差为 半波电压 造成光程差 电光相位延迟 在X Y两个方向的传播速度如果不同 则在传播过程中会产生相位延迟的现象 即产生相位差 2 的横向电光效应 光传播方向与电场方向垂直 对KDP晶体采用45 Z切 强电场E Z轴 KDP变为双轴晶体 入射光沿X轴方向进入晶体 其偏振方向与Z Y成45 在晶体中分解为Z Y方向两个振幅相同的线偏振光 与Z轴对应的主折射率 与Y轴对应的