光电子-第4章光调制技术

2017/12/28,第 4 章 光调制技术光信息系统的信号加载与控制,2,绪论,光通信的优点：信息容量高（是无线电波的104倍）相干性好无铜传输节约资源保密性好，传输速度快光调制技术将所传递的信息加载到激光上，以激光作为信息的的载体，通过改变激光的振幅波长相位等参量，使光携带信息，这一过程称为光的调制。光子与电子空穴等带电粒子不同，不能直接用外场调制，通过改变发光机构或用外场改变材料的光学性能实现。,3,光调制的分类内调制：将待传输信号直接加载到激光器上，改变激光器的输出特性来进行调制。外调制：是在激光谐振腔以外的光路上放置调制器，将待传递待传输信号传输信号加载直接加载到调制器进行调制。外调制的基础是外场作用下光与物质的相互作用，其物理本质是外场微扰引起材料的非线性变化，导致光学的各向异性。这种非线性过程使得光波的强度偏振频率传播方向等参量发生变化，实现光的调制。,4,本章内容提要,光在晶体中传播特性电光调制声光调制磁光调制 课时：6课时,5,物质效应,折射率各向同性材料各向异性材料热光效应电光效应声光效应磁光效应,6,4.1光在晶体中的传播,一.概念1.可见光波长范围400-760nm2.自然光：一切实际光源，如太阳，烛光，灯光，特点电场振动方向多得无法计算,7,3.偏振光：电场只在某个方向上振动的光称为偏振光1)线偏振：电场振动方向使终在某一平面内。,4.1光在晶体中的传播,8,4.1光在晶体中的传播,1)线偏振任一电场可沿x,y方向分解,9,4.1光在晶体中的传播,2)圆偏振,10,4.1光在晶体中的传播,圆偏振,11,4.1光在晶体中的传播,3）椭圆偏振,12,4.1光在晶体中的传播,4）部分偏振光自然光传播过程中，由于外界的作用，造成各个振动方向上的强度不等，使某一方向上的振动比其它方向更占优势，这种光称为部分偏振光。部分偏振光可用互相垂直的光矢量表示，但其振幅彼此不等。为了定量的描述偏振程度引入偏振度偏振程度的度量P=1 线偏光; P=0 自然光;0P1 部分偏振光,13,4.1光在晶体中的传播,5）偏振片一种获得偏振光的偏振器件起偏器 检偏器马吕斯定律：表示线偏振光通过检偏器后光强随的变化规律。消光比,14,消光比检测,衡量偏振器件质量的方法：同种器件取两个，一个做起偏器，一个做检偏器，计算其消光比r,15,4.1 光在晶体中的传播,4.马吕斯定律,16,4.1 光在晶体中的传播,二.晶体的介电系数(折射率)与极化率光在不同介质中传播速度不同这一效应用折射率来表示通过一层透明物质的光波,v=c/n,光源,17,电极化,偶极子p=p exp(it),受迫振动,固有频率0,4.1 光在晶体中的传播,18,各向同性物质,设偶极子密度为N，有PNp,电极化矢量: P0E,0为真空中的介电常数， 为电极化常数,电位移矢量： D0E+P= 0rE= E,r1为相对介电常数， 0r为介电常数,相对介电常数： r=n2,4.1 光在晶体中的传播,19,各向异性物质,电极化矢量P一定与外加电场E同方向吗？,非晶态和部分晶体,由晶体的对称性决定,共有7个晶系,部分晶体 ,三斜、单斜、正交、三角四方、六角、正方,4.1 光在晶体中的传播,20,各向异性物质,三斜:abc,单斜:abc,=90, 90,正交:abc,= =90,三角:a=b=c,= 椭圆偏振光椭圆偏振光线偏振光,4.1 光在晶体中的传播,33,1）光沿z方向传播时不产生双折射2）垂直光轴入射允许彼此正交的线偏振光的传播。3）k与光轴任意角度折射率面（猫眼与人眼型）,4.1 光在晶体中的传播,34,各向异性物质,等轴晶体,单轴晶体,以z轴为轴的旋转椭球，z轴称为光轴,双轴晶体,4.1 光在晶体中的传播,35,三.晶体的双折射定义：各向异性晶体的界面产生两束折射光的现象,4.1 光在晶体中的传播,36,三.晶体的双折射右图为方解石晶体的双折射现象,4.1 光在晶体中的传播,37,4.1 光在晶体中的传播,几个术语的定义双折射的两束折射光中，一束遵循折射定律，称寻常光，记为o光。另一束不遵循折射定律，称非寻常光，记为e光光轴：晶体中的一个方向，光沿此方向传播，没有双折射发生。o主平面：光轴+o光线e主平面：光轴+e光线,38,4.1 光在晶体中的传播,主截面：光轴+晶体表面法线光线在主截面内入射时，o主平面和e主平面重合o光和e光都是线偏光，o光的电矢量垂直于o主平面，e光的电矢量平行于e主平面当入射光在主截面内时，o光垂直于e光,39,4.2 电光调制,教学目标：学习电光调制基本原理与调制方式重难点:POCKELS效应引言通过前面的讨论知道，光波在介质中传播受折射率的限制，而折射率由介电常数决定。通常情况下，可以作弱场近似，认为介电常数与电场强度无关；但当电场足够强时，介质内的电子状态将发生变化，以致介质的极化强度及折射率呈现各向异性，这种效应称为电光效应。,40,4.2 电光调制,一.电光效应电光效应的通俗理解是介质的折射率会随着外场的变化而变化。即认为介质的折射率n是外场的函数，即n(E),我们可把此函数用泰勒级数展开：其中,41,4.2 电光调制,当然还有更高次的电光效应，但是通常它们都很小，通常在实际应用中可以忽略。由1所决定的电光效应，n的变化与外场E的一次方成正比称为线性电光效应或Pockles效应。表为：由2所决定的电光效应，称为二次电光效应或Kerr效应。表为：,42,Pockels效应,二.Pockels效应1.电致折射率变化晶体未加外场时，在主介电坐标系中，折射率椭球为（4-9）所示：加外场后，导致折射率椭球发生变形，成为以下形式：,43,引入逆介电张量这是折射率椭球又可表为由于外电场，折射率椭球各系数(1/n2)随之发生线性变化，其变化量可定义为,44,其中 式可以用张量的矩阵形式表示,45,可见为具有中心反演对称性的晶体这时10,即不存在Pockels效应，所以只有非中心反演对称晶体才存在Pockels效应。课本P149列出了一些常用晶体的电光系数矩阵,46,2.,2.KDP晶体的Pockels效应对常用的KDP（KH2PO4）晶体有nx=ny=no，nz=ne，none，只有 ，而且 。得到晶体加外电场E后新的折射率椭球方程式外场引起了折射率椭球中的交叉项，说明椭球主轴发生了变化。新主轴的方向和大小与E的关系确定了电场对光传播的影响。.,47,实际应用中外场方向一般加在某介主轴方向。问题可进一步简化。下面就电场平行和垂直光轴分析KDP晶体受电场作用的折射率变化情况。一般定义A)入射光波矢方向垂直外场方向的电光效应为横向电光效应B) 入射光波矢方向与外场方向一致的电光效应为纵向电光效应,48,1）令外加电场的方向平行于光轴，即Ez=E，Ex=Ey=0，于是有将x坐标和y坐标绕z轴旋转角得到感应主轴坐标系（x，y，z），当 =45，感应主轴坐标系中的椭球方程为,49,50,主折射率变为可见，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轴旋转了45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，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。,51,2）外加电场的方向垂直于光轴,52,53,54,对KDP晶体来说，外加电场垂直于光轴时， KDP晶体的横向电光效应为0,纵向电光效应也很微弱，因而通常不采用这种方式工作。,55,3.电光调制 外加电场能引起折射率的变化，折射率变化又会引起光波在晶体中传播状况的变化，因而，利用晶体的电光效应可以实现对晶体中传播光波的控制改变传播光的幅度、频率、偏振态、传播方向等，这种基于电光效应的原理对光进行的调制就称为电光调制，分强度调制、相位调制、脉冲调制等方式。,56,下面我们主要以外加电场平行于光轴的DP晶体为例，分析利用电光相位延迟实现纵向与横向电光调制的过程。,57,1)电光相位延迟 设沿x方向振动的简谐光沿z向垂直入射到外加电场平行于光轴的KDP晶体表面，则此面为xoy平面于是将E沿x,y ,轴方向分解，得,58,1)电光相位延迟图5给出了某一时刻五Ex、Ey的变化曲线及相应的光场矢量变化情形。,59,则光波沿z方向传播距商l后，两偏振光之间的相位差为其中V=E3l是沿z方向的电压降.由上式可看出,这一位相差完全由电光效应造成,故称之为电光相位延迟.注晶体的电光相位延迟与L无关只与V有关,故可通过改变外加电压,来改变光的偏振特性.,60,电光相位延迟正比于外加电压，而与晶片长度无关。当相位延迟当0时，光场为x方向偏振的线偏振光，当/2时，光场为圆偏振光，当时，光场又变成沿y方向偏振的线偏振光。与对应的偏振光相对入射光旋转了/2 ，其相应的电压,61,称为半波电压，它是表征电光晶体调制特性的一个重要参数，其数值越小，表明在相同的外加电压条件下可以获得的相位延迟就越大，因而调制器的调制效率也就越高。实际上，晶体的电光系数越大，相应半波电压越低，通过测量半波电压可以计算出相应的电光系数。,62,2)纵向电光强度调制 在前述分析KDP晶体电光效应中，令光沿z轴传播，外加电场也为z方向，因而这是纵向电光调制器的构成原理。纵向电光调制器的结构如图58。我们先简述其工作原理再进行详细推导。,63,xx,64,fm,65,由于调制电压幅值一般远小于半波电压，即vvt，因而上式可近似为,66,I0Ii与V的关系曲线如图5所示,67,由图可见，加4波片相当于给调制器增加了一个直流偏压，从而使调制器的丁作点移到I0Ii 1/2这一中心点，在此工作点附近，输出光强随外加电压的变化近似线型，于是很小的正弦信号就能引起不畸变的正弦输出调制光强。,68,3)横向电光强度调制 图511是横向电光强度调制器的结构，长l厚d的45。z切型晶体上沿z方向加电压v，则外加电场为量E3vd。沿y轴传播的入射光先经过一个平行于45。z方向的起偏片这样，沿x和z偏振的两个初始等幅的本征偏振模经过长l的晶体后有相位延迟,69,e,70,式中，第一项表示天然双折射造成的位相差。第二项由电光效应引起，为电光延迟。V为晶体的横向半波电压，对一定传播长度而言，与晶体的厚度成正比，晶体越薄，则横向半波电压越小，越容易实现电光调制。,71,然而横向电光调制器中存在的天然双折射容易受环境温度影响。实验表明KDP晶体的折射宰温度系数相位差影响很大，如当一束氮氖激光射人3cm长的KDP晶体时，温度每变化1就会产生近的相位差这相当于数干伏电压产生的效果，因而根本无法正常工作。因而横向电光调制中必须进行温度补偿或设法消除天然双折射影响。后者实现可能性更大。,72,4)电光相位调制 如图512，长为l的z切KDP晶体上沿z方向加电压v，沿z轴传播的入射光先经过一个x方向的起偏片，这样，射到晶体上的光只有x本征偏振，外加电场不改变入射光的偏振状态，只改变输出相位就是说通过外加调制电压可以实现相位调制,73,5)波导电光调制器 前面所述都是体电光调制器，即由具有电光特性的单一晶体材料所制成，调制电场加在整个晶体上，改变了材料的折射牢，从而使通过的激光束产生相位延迟，引起光调制，因而这类调制器本质上都是相位调制器。,74,图,75,6)电光偏转器件 使一束单色平面光波通过一块折射牢随高度呈线件变化的介质时，出射光波将偏离原传播方向而产生偏转，利用这一原理工作的器件就是光偏转器件。引起偏转的原因可以是介质的几何形状，也可以是折射牢梯度。光楔就是利用介质几何形状引起光偏转的。设平行光垂直入射到光楔上，入射波前是光楔的AB表面。做AB /AB，由于光楔折射率”1， AB面不会是透射光的波前，波前应是倾斜平面AB”，其偏转角为,76,利用电光效应可以使电光晶体的折射率随高度呈线性变化，从而使出射光束方向发生偏转，称为电光偏转。这一偏转利用的是折射率梯度。根据晶体上所加电比的不同，将电光偏转分为两类：若所加电压为数字式，则光束落点在特定间隔位置上；若所加为连续电压，则光束将在传播方向L连续偏转。我们以连续电光偏转为例来进行研究，其光路如图513(b)所示。,77,78,将KDP晶体研磨成两块直角棱镜，然后把它们沿斜面胶合在一起，棱镜的三个直角边分别是沿光轴(z轴)方向加电场时的三个感应主轴x“y和z，但两块晶体的z轴反向平行。光沿y轴方向传播，振动方向平行于x轴。在上棱镜A中，相应折射率为而在下棱镜B中，因为电场相对于z轴反向，因此其折射率为,79,由于”nB nA”光通过两块晶体的光程线性增加，所以光束向下偏转，偏转角与光楔偏转角形式相同，只不过这里。代人式中，得这表明光束偏转角与外加电比V成线性比例关系，通过调节V可使光束发生连续偏转。,80,为使光束偏转更存效，常将m对上述KDP棱镜在光路上串联起来，构成长ML、宽凹、高众的偏转器，于是，总偏转角应为原来一对时的m倍，即 可见，随着对数m的增加，偏转角随之增大实现了有效的电光偏转。,81,7）电光开关利用电光强度调制，可以制作各种电光开关。原理与纵向电光调制类似，电压为半波电压V分类:加压式（图示）和退压式,82,4.2 电光调制,三.Kerr效应。在外场足够强的条件下，即使各向同性介质，也会产生Kerr效应。其特点是响应速度快ns量级。,83,例：利用长度L20mm，厚度100m的玻璃片做成克尔盒(Kerr Cell),若入射光偏振方向与外场Ea方向平行,即沿z方向，试求克尔盒(Kerr Cell)的半波电压 。,解：入射波Ez的位相变化而由此可以看出，Kerr效应的高速调制特性，是以高电压为代价的。,84,4.3 声光效应,概述 不仅电场能引起晶体的折射率变化，声波的应变场也能改变某些类型晶体的折射率，出于声波的周期性，会引起折射率的周期性变化，产生类似于光栅的光学结构从而对入射的光波产生调制，这种调制称为声光调制。声光调制的物理基础是超声波引起晶体的应变场，使射人品体中的光被这种弹性被衍射，这种物理现象称为弹光效应。 弹光效应的物理机制是：晶体在应力的作用下发生形变时，分子问的相互作用力发生改变，导致介电常量 (及折射率n)的改变，从而影响光波在晶体中的传播特性。,85,4.3.1 声光效应,一.声光效应 介质光学性质的变化不仅可以通过外加电场的作用实现，外力的作用也能够造成折射率的改变。这种由于外力作用而引起介质光学性质变化的现象称为弹光效应。声波是一种弹性波（纵向应力波），在介质中传播时，声波使介质产生相应的弹性形变，从而引起介质中各质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替分布，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。,86,由于声波的作用而引起介质光学性质变化的现象称为声光效应。声光效应是弹光效应的一种。对声光效应进一步研究表明，超声场所引起的介质折射率在声波矢方向上的周期性变化，实际上等效于一个光学“相位光栅”，该光栅常数等于声波长s。当光波通过此介质时，会产生光的衍射，衍射光的传播方向、偏振方向、频率和强度都随着超声场的变化而变化。,87,1)行波声场,声波在介质中的传播分为行波和驻波两种形式。超声行波的瞬时相位栅如图1所示。其中深色部分表示介质受到压缩，密度增大相应的折射率也增大。而白色部分表示介质密度减小。设声波的角频率为 ，波矢为 ，则沿x方向传播的声行波方程为：式中a(x,t)为介质质点的瞬时位移；为A质点位移的振幅。,88,可近似认为，介质折射率的变化正比于介质质点沿x方向位移的变化率，即：其中 。则声波为行波时的介质折射率为：其中为无声波时介质的折射率，S为超声波引起介质的应变，P为材料的弹光系数,89,上式说明，在行波声场作用下，介质折射率的增大或减小交替进行，并以声速向前推进。由于声速仅为光速的数十万分之一，所以对光波来说，运动的“声光栅”可以看作是静止的。2）驻波声场声驻波是由波长、振幅和相位相同、传播方向相反的两束声波叠加而成的。如图2所示。设在声光介质中相向传播的两束声波的方程为：,90,则声驻波方程为：上式说明，声驻波的振幅为，它在x轴各点是周期性变化的，而相位为，它在x轴上各点处处均相同，不随空间位置变化，故称为声驻波。由于声驻波波腹和波节在介质中的位置是固定的，所以形成光栅在空间上也是固定的。声驻波形成的折射率变化是,91,声驻波在一个周期内介质两次出现疏密层，且在波节处密度保持不变，因而折射率每个半个周期就在波腹处变化一次。在两次变化的某个瞬间，截至各部分的折射率相同，相当于一个没有声场作用的均匀介质。若超声频率为fs，那么光栅出现和消失的次数则为2fs，因而光波通过该介质后所得到的调制光的调制频率将为声频率的两倍。,92,二.声光衍射光穿越声波传播的介质时，产生了衍射。按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光相互作用可以分为两种类型拉曼-纳斯衍射布喇格衍射。,93,在低声频和相互作用长度(声场厚度)不太大的情况下，发生拉曼奈斯衍射。当光垂直于声波传播方向入射时，拉曼奈斯衍射光谱为对称排列在光束通过的两边、且间距相等的衍射极值分布，其中零级光强度最大，且衍射级数越高相对光强越小；当光斜入射时在光束通过的两边所产生的衍射极值的强度减小但是向着它们的角度方向保持不变。对于垂直人射情形，相对于o。方向的衍射极值角度方向由公式,94,拉曼奈斯衍射时，入射光在相互作用区内部肋传播方向仍保持直线方向，而与折射率变化有关的介质的光学不均匀性只对通过声柱的光的相位发生影响。声波的作用可归结为形成以声速运动的、周期等于声波周期的相位光栅，因而这种衍射遵循普通相位光栅的衍射定律。 在高声频和相互作用长度较大的情况下，发生相拉格衍射其衍射光谱由两个相应于m0和m1的极值组成，不存在m-1和|m|1的高级衍射极值。第一级极值的强度为最大，如果入射光对声波波阵面所成角度满足布拉格条件,95,则相应的B称为布拉格角，大多数声光器件是在布拉格衍射方式下工作的。 布拉格衍射时，声柱内部入射光的传播方向已不是直线方向，产生的周期结构不只是相位光栅：光不仅受相位扰动，还受振幅扰动。拉曼奈斯衍射与布拉格衍射的判断依据用声光互作用特征长度L。来表示,96,拉曼奈斯衍射布拉格衍射 过渡区,97,1.拉曼-纳斯衍射 产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅”。 当光波平行通过介质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制。即通过光密部分的光波波阵面将延迟，而通过光疏部分的光波波阵面将超前，于是通过声光介质的平面波波阵面出现凸凹现象，变成一个折皱曲面，如图3所示。,98,由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光，这种类似于平面光栅的作用而产生的声光衍射就是拉曼-纳斯衍射。下面对光波的衍射方向及光强的分布进行简要分析。设声光介质中的声波是一个宽度为L、沿着x方向传播的平面纵波，其波长为 ，若宽度为q的光波垂直入射这个宽度为L声波柱，入射波长为，如图4所示。声波在介质中引起的弹性应变场为:,99,声光介质中的折射率分布为： 当把声行波近似视为不随时间变化的超声场时，可以略去对时间的依赖关系，这样沿x方向的折射率分布可简化为： 式中， 为无声波时介质的折射率， 为声致折射率变化。,100,由于介质折射率发生了周期性的变化，所以会对入射光波的相位进行调制。设平面光波在声光介质的入射面 处的光波方程为 经过声光介质的传输到达出射面时，不同的x坐标引入了不同的附加位相，其光波方程变为： 显然，除射光已经不再是单色平面波，而是一个相位被调制了的光波，其等相面是由函数n（x）决定的折皱曲面。,101,该出射波阵面可分为若干个子波源，则与y轴夹角为方向上的声场外无限远处P点处总的衍射光强是所有子波源贡献的和，由下列积分决定： (2.4-12)其中， 表示衍射方向的正弦。对 于积分的结果如下：式中，Jr(v)是r阶贝塞尔函数； 。分数部分属于 类型函数，在A=0处取极大值。,102,由上式可以看出衍射光场强度各项取极大值的条件为： 式中m表示衍射几次，当角和声波波矢量的大小确定后，其中某一项取极大值，其它项的贡献几乎为零。因而当m取不同值时，不同角方向的衍射光取极大值。各级衍射的方位角为,103,这样通过对调制超声波强度或频率，实现了对衍射光的强度调制。利用拉曼奈斯效应，可制成拉曼奈斯声光调制器(低频),104,2.布喇格衍射 产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声光作用长度L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，光波在声光介质中要连续穿过多个声波面，入射光在声柱中不是直线传播，介质具有“体光栅”的性质。当入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内部各级衍射光会互相干涉，各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（或1级）衍射光，产生布喇格衍射，如,105,若能合理选择参数，并使超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到+1级（或1级）衍射极值上。因此，利用布喇格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率。,106,可以将折射率周期性变化的介质用一系列相距为声波波长，并以声速运动的部分反射镜来模拟。简单起见，暂且不考虑这些反射镜的移动。光线入射到镜面时，既有在同一层上反射的光线，也有不同层反射的光线。如图6所示。入射光1、 2和3以角度入射至声波场，,107,在B、C、E各点处部分反射，产生衍射光1、2和3。各衍射光相干增强的条件是它们之间的光程差应为波长的整数倍，或者说它们应该同相位。图6（a）表示在同一声波面上的反射，由B，C点反射的1和2光束具有同相位的条件，必须使光程差AC-BD等于光波波长的整倍数,108,要使声波面上所有点同时满足这一条件，只有使由图6（b）表示的相距为声波波长的两个相邻声波波面上的衍射情况。由C，E点反射的2，3同相位，则光程差FEEG必须等于光波波长的整数倍显然，当A定时，若角满足1级(m=1)衍射光条件，就不可能出现其他高级衍射光。于是，在上式中取m1，使得到布拉格衍射条件,109,称为布喇格角。可见，只有入射角等于布喇格角 时，在声波面上衍射的光波才具有同相位，满足相干加强的条件，得到衍射极值，上式称为布喇格方程。例：水中的声光衍射，,110,在上述推导过程中，忽略了声光栅的移动。声场运动的影响可从运动镜面使反射光束产生多普勒频移来推断，其结果应为因此当声波迎向光波传播时，取“”号；反之，若声波背向光波传播，取“”。,111,布喇格衍射光强度与声光材料特性和声场强度的关系。当入射光强为Ii时，布喇格声光衍射的0级和1级衍射光强的表达式可分别写成其中v是光波穿过长度为L的超声场所产生的相位延迟，可表示为： 。因此可得衍射效率为：,112,设介质是各向同性的，由晶体光学可知，当光波和声波沿某些对称方向传播时，由介质的弹光系数P和介质在声场的作用下的弹性应变幅值S决定，即：式中，S与超声驱动功率Ps有关，而超声功率Ps与换能器的面积HL（H为换能器的宽度，L为换能器的长度）、声速Vs与能量密度 有关，即：,113,所以有： (2.4-25)于是 (2.4-26)由上面可知其衍射效率是：,114,式中， 是声光介质的物理参数组合，是由介质本身性质决定的量，称为声光材料的品质因数（或声光优质指标），它是选择声光介质的主要指标之一；Ps超声功率；H为换能器的宽度，L为换能器的长度。可见：1)若在超声功率Ps定的情况下，要使衍射光强尽量大，则要求选择M2大的材料，并要把换能器做成长而窄（即L大H小）的形式；,115,2)当超声功率Ps足够大，使达到/2时，即满足布拉格条件时入射的光能全部转移到1级衍射光上去。3)当改变超声功率Ps时，I1/Ii也随之改变，因而通过控制超声功率Ps（即控制加在电声换能器上的电功率）就可以达到控制衍射光强的目的，实现声光调制。,116,二.声光器件,二.声光器件1.声光调制器 从原理上讲，声光效应既可以用于光强调制也可以用于频率调制。由于衍射光的频率不再与入射光相同，其改变量决定于声波频率，因而可以通过控制声波驱动电信号来实现频率调制。但是，由于声波频率远低于光波频率，衍射光的穆频很小，对于普通的激光束，其线宽已大于声波频率o，所以频率调制的意义不大。下面，我们仅介绍声光强度调制器。,117,1)拉曼奈斯型声光调制器 图519表示了根据拉曼奈斯衍射原理做成的声光调制器的工作原理，其级衍射效率是 如果声波是被载有信息的信号调制的则衍射光也会受到相同信号的调制。在进行调制时，必须用适当的光闹挡住零级光，而且要想获得线性调制，应当使调制指数 。可见，当工作的声波频率较高时，其最大允许工作长度太短，这将导致要求大大提高声功率。所以，拉曼奈斯型声光调制器仅限于低频工作。,118,2)布拉格型声光调制器表示了根据布拉格衍射原理做成的声光调制器的工作原理。其衍射效率是优点：当超声功率Ps足够大，使达到/2时，即满足布拉格条件时入射的光能全部转移到1级衍射光上去。这时,119,则相应的声功率Ps是因此，为了使调制器有较高的效率，应当有一个小的纵横比HL,120,2.声光偏转器声光效应的另一重要应用是使光束偏转。实现声光偏转可以有两种方法广是声波使介质折射率在空间形成梯度分布，当光束通过介质时，传播方向将向折射串增加的方向偏转；二是利用布拉格声光衍射，衍射角与声频在一定范围内存在着比例关系，通过改变声频来改变衍射角，促使光束发生偏转。在这里，我们主要讨论后一种偏转方法。,121,从声光衍射理论的分析中对以看到，衍射角随声波频卑改变。因此改变声波频率就可以按制光的衍射方向，使光束产生相应大小的偏转。,122,在满足布拉格衍射时衍射光与入射光束之间的夹角又所以 将之求微分得,123,可见光束偏转角d与声频的变化d成正比。因而，改变声频就可以改变光束方向。这一改变可以是随机的，也可以是连续的。因此改变声波频率就可以控制光的衍射方向，使光束产生相应大小的偏转。对于光束偏转器来说，d的绝对值大小 不是最主要指标，人们更看中的是所包含互不重叠的光斑的个数(或者说d超过光发散角的倍数),124,由于光束有一定的孔径，因此决定偏转效果的好坏，不仅来自于绝对偏转角，而且同光束的孔径有关。通常定义绝对偏转角同光束发散角的比值是声光偏转器的可分辨光斑数目N。若取激光束的发散角是式中。0是光束直径，于是,125,有一般来说，N越大， 越小，声光偏转器的性能越好。注：提高偏转器分辨率的有效途径是增大带宽,126,应用声光频谱分析器,声光频谱分析器通过声光现在布拉格衍射可实现对射频电信号的频谱分析，这是布拉格光偏转器件的变相应用。,127,应用二声光可调谐滤波器,声光可调谐滤波器利用声光衍射效应还可以制作波长可调谐光谱滤波器。,128,4.4 磁光调制,概述 磁场也能影响果些物质的光学性能，根据这种特性制造的调制器称为磁光调制器，由于一般情况下电场比磁场容易获得，因而电光器件比磁光器件应用更为普遍。磁光效应与磁场作用下物质的折射率变化有关。法拉第在1845年发现：当一束平面偏振光通过磁场作用下的某些物质时，其偏振面受到正比于外加磁场平行于传播方向分量的作用而发生偏转。这种现象称为法拉第效应。,129,4.4 磁光调制,一.旋光现象当线偏振光沿光轴方向通过某些天然介质时，偏振面旋转的现象称为天然旋光，简称旋光现象。旋光作用起因于某些介质对左旋与有旋因偏振光的折射率nL、 nR大小不同。该现象在1811年首先由阿拉果在石英晶体中观察到。后来，比奥在一些各向同性气体和液体中也观察到同样的现象。,130,菲涅尔给出了对旋光现象的解释，旋光作用起因于某些介质对左旋、右旋圆偏振光的折射率nL、 nR大小不同。当一束线偏振光通过某一介质时，将分解为两个同频率、同初相位的圆偏振光。其中，一个圆偏振光的电矢量是逆时针方向旋转的，称为左旋偏振光，而另一个圆偏振光是顺时针旋转的，称为右旋偏振光。,131,这两个圆偏振光在垂直于传播方向的平面内做匀速圆周运动。由于这两个圆偏振光在介质中可能具有不同的传播速度，因此当这两个圆偏振光通过介质后重新合成一个线偏振光时，其偏振方向发生改变。假设一束波长为的偏振