第五章光调制技术

光调制技术 光的调制 将所传递的信息加载到激光上 将激光作为信息的载体 通过改变激光的振幅 波长 频率 相位 偏振参数 方向等各参量 使光携带信息的过程 内调制 是将待传输的信号直接加载到激光器上 外调制 是在激光谐振腔以外的光路上放置调制器 将待传输的信号加载到调制器上 当激光通过这种调制器时 激光的强度 位相 频率等将发生变化 从而实现调制 我们主要讲外调制技术 概述 这种调制方法由于不涉及激光器的内部结构 可以采用现成的性能优良的激光器 因而成为目前广泛应用的调制类型 晶体光学基础 光在晶体中的传播 电光调制 声光调制 磁光调制 晶体光学基础 晶体结构及其对称性 简介 晶体是组成物质的微粒 原子 分子或离子 或微粒群在空间按照一定的规则周期性排列形成的一种晶态固体 微粒或粒子群 基元 结点 点阵 晶格 格点 习惯上常选基元的重心作为格点 是同一个物体 空间点阵和晶体的格子构造 1 一维点阵 2 二维点阵 平面点阵 3 三维点阵 空间点阵 晶体光学基础 晶体基本重复单元 称为晶胞 晶胞常量 三个棱长 棱与棱之间的夹角 晶体原胞的选择原则为 1 所选择的平行六面体应该能够反映整个空间点阵的对称性 也即平行六面体的对称性应与空间点阵的对称性一致 2 在不违反空间点阵对称性的条件下 平行六面体上棱与棱之间的直角关系应力求最多 3 在符合以上两项原则的基础上 平行六面体的体积应最小 晶体光学基础 布喇菲点阵 根据空间对称性 可以有14种点阵 称布喇菲点阵 或称14种晶胞 14种晶胞分为7个晶系 三斜 单斜 正交 斜方 正方 四角 立方 三角 六角 晶体光学基础 米勒指数 如图 记为 米勒指数 236 布喇菲点阵 晶体的基本性质 1 自限性是指晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体的能力 晶体自限性说明 其外形规则是内部排列有序的体现 2 晶面角守恒同一品种的晶体 生长条件不同 其外形不同 然而同一品种的晶体 不论其外形如何 晶面间的交角总是确定的 晶体光学基础 3 均匀性是指晶体在不同位置上具有相同的物理性质 4 各向异性是指晶体的宏观性质随观察方向的不同而不同 这一性质的本质是晶体沿不同晶轴方向晶格常量不同 也就是由晶格中各个方向格点的排列方式不同而引起的 晶体的解理与双折射是晶体各向异性的典型体现 晶体光学基础 5 晶体的对称性是指晶体的几何形态由于晶体内部结构在某些不同方向或在同一方向的不同位置存在着有规则的重复性 从而体现出的在一些不同方向上自相重合现象的特性 6 最小内能性 在相同的热力学条件下 晶体的内能是最小的 光调制中最为关心的是晶体的各向异性和对称性 晶体光学基础 n次旋转反演 Sn 进行n次旋转后 绕旋转轴的某个点再进行中心反演 镜象反演 以某个面为对称面 中心反演 I 绕某个中心点 把坐标为r的点换到 r上 n次旋转 Cn 绕某轴转n次后回到原位如 某晶体 绕某周转120 后与原来重合 可转三次 该轴称为3次旋转轴 n 3 n可取1 2 3 4 6 恒等操作 E 绕任何轴旋转0或2 角度 晶体的对称性 对晶体实行某种适当的操作 晶体保持不变 晶体光学基础 点群一种晶体可以有多种对称操作 这些对称操作的集合称为 群 KDP晶体 KH2PO4 四角晶系 点群 001 4次旋转反演轴2 010 或 100 2次旋转轴m 110 对称面 砷化镓晶体 GaAs 立方晶系 点群 100 4次旋转反演轴3 111 3次旋转轴m 110 对称面 点群 是晶体结构对称类型的一种标志方法 例 各种点阵 晶体 拥有不同的对称性 因此 各种晶体可以用 点群 来表示 晶体光学基础 第5章光调制技术 晶体光学基础 光在晶体中的传播 电光调制 声光调制 磁光调制 物理量标量 温度 T 质量 m 只有大小 没有方向矢量 电场强度 E 电极化矢量 P 有大小 有方向张量 什么是张量 如何表示 P和E的关系在各向同性介质中 P和E同向 光在晶体中的传播 在各向异性介质中 P和E一般不同向 若 E的每一个分量对P的每一个分量都有贡献 有 P和E的关系由9个常数 或一个物理量的9个分量来决定 这9个分量有规则地排列成一个3x3的矩阵 二阶张量 称为极化系数张量 光在晶体中的传播 矩阵表示法 分量表示法 i 自由脚标 1 2 3 j 哑脚标 1 2 3哑脚标表示对它的全部可能值求和 但省去求和号不写 光在晶体中的传播 由此可见1 各向异性晶体中P每一个分量都与E的三个分量存在着线性关系 P不再与E同向 2 坐标系确定后均为常量 的大小取决于晶体的结构和三个坐标轴相对于晶格结构的选择情况 通过坐标系的恰当选择 使得张量的非对角元素等于零 晶体的主介电坐标系 光在晶体中的传播 考虑对称性后 低级晶族 在直角坐标系中 中级晶族 高级晶族 光在晶体中的传播 晶体光学特性的几何表示 光在晶体中的传播 该波动方程组有非零解的条件为方程组的系数行列式为零 即 光在晶体中的传播 两层曲面通常有四个公共点 通过原点和这些公共点连线方向传播的两个波有相同的相速度 这些方向称为光轴 晶体中至多有两个光轴 1 折射率椭球任一矢径的方向 表示光波电位移矢量D的一个方向 矢径长度表示D沿矢径方向振动的光波的折射率 2 对于任意给定的波矢K 利用折射率椭球可求光波D的偏振方向及相应折射率 通过原点作K的垂面 与折射率椭球相交得一椭圆截面 则这一椭圆截面的两个轴即为两个偏振允许方向 两个轴的长度nI n 为相应的折射率 折射率面 各传播方向上折射率的空间取值分布 任意给定点离开原点的距离等于沿这个方向传播的光波的折射率 相速度面 各传播方向上光速的空间取值分布 等价于波面 给定点离开远点的距离等于沿这个方向传播的光波的速度 晶体的双折射 光在晶体中的传播 分析这三种情况 对于一线偏振光入射 光被分解为o光和e光 其折射率分别为no和nb 在晶体中传播了距离d后 两种偏振光之间出现相位差 波片 波片 2 可导致偏振态的改变 如何改变呢 光在晶体中的传播 电光效应 利用电光效应能在天然双折射晶体 如KDP 中形成新的光轴 或者使各向异性的天然晶体 如GaAs 产生双折射 这种效应弛豫时间很短 仅有10 11秒的量级 外场的施加或撤消导致的折射率变化瞬间即可完成 可用作高速调制器 高速开关等 电光效应 理论与实验证明 介电常量是随电场强度而变化的 如果外加电场较弱 可以做弱场近似 认为介电常量与电场强度无关 但当光介质的两端所加外加电场较强时 介质内的电子分布状态将发生变化 以致介质的极化强度以及折射率也各向异性地发生变化 这种现象称为电光效应 为了突出物理思路 简化推导 本节讨论基于以下条件 1 外加电场相对光场为低频 外加电场频率接近或达到光频时属于非线性光学研究范畴 2 所研究介质为无对称中心的晶体 本节研究线性电光效应 只能存在于无对称中心的晶体中 3 外加电场沿着某一介电主轴作用于晶体 此时D与E的方向一致 因而D只随E的大小变化 线性介电常数 加电场后的介电常量 在光频段 介电常量即便有微小的变化都可以导致明显的光学效应 电光效应 取二阶近似可得 线性电光系数Pockels效应 二次电光系数 Kerr效应 由介质本身的性质决定 电光效应 折射率椭球可以很方便的表示出折射率在晶体空间各方向上的取值分布 这样外加电场对于晶体折射率的影响就可以用折射率椭球的大小 形状和取向等因素的改变来描述 也就是说要研究外加电场对晶体折射率的影响 只要研究折射率椭球如何随外加电场而改变就可以了 光波在各向异性晶体中的传播特性可用折射率椭球来描述 引入逆介电张量 则不加外场时在xyz主介电坐标系中的折射率椭球又可表示为 电光效应 当加上电场后 电光效应 E对n的影响可以用的变化来表示 由外加电场引起的 共9个方程 电光效应 共27个元素 共18个 电光效应 具有反演对称性的晶体 电光效应 KDP晶体 电光效应 KDP晶体的线性电光效应 KDP晶体是人工生长的KH2PO4单晶的简称 属于四方晶系 点群 为单轴晶体 不加外场时 其折射率椭球为 当晶体受到外加电场作用后 其线性电光效应矩阵为 从外加电场平行和垂直光轴两种情况分析KDP晶体受电场作用后的折射率变化情况 定义入射光波矢方向与外加电场一致的电光效应称为纵向电光效应 而称波矢方向垂直于外场的电光效应为横向电光效应 1 外加电场平行于光轴 采用z切割 即沿垂直于光轴方向切割 型晶片 这样其折射率椭球为 主轴发生变化 设新旧主轴之间的夹角为 KDP晶体的线性电光效应 坐标变换矩阵为 新主轴 0 KDP晶体的线性电光效应 标准的双轴晶体折射率椭球方程 下面来求三个主折射率 的量级为 而E的量级为所以 可近似处理如下 KDP晶体的线性电光效应 坐标变换结果表明 1 施加外场E3后 椭球的xoy截面由圆变为椭圆 折射率椭球由旋转椭球面变为一般椭球面 KDP由单轴晶体变为双轴晶体 2 x 方向折射率比原来的折射率no有所减小 而y 方向折射率与原折射率相比有所增大 于是沿x 方向偏振的光传播相速度加大 而沿y 方向偏振的光传播相速度减小 因此称x 轴为快轴 y 为慢轴 KDP晶体的线性电光效应 2 外加电场垂直于光轴 这样其折射率椭球为 主轴发生变化 设新旧主轴之间的夹角为 KDP晶体的线性电光效应 则新主轴坐标系中折射率椭球变为 KDP晶体的线性电光效应 上述结果表明 1 施加外场E2后 新折射率椭球的主轴是由旧主轴绕x2轴旋转角后形成的 与外加电场成正比 但一般是一个小值 2 施加外场E2后 折射率椭球由旋转椭球变为一般椭球 单轴晶体变为双轴晶体 双轴晶体的光轴方向之一仍为原z轴 另一光轴位于以z 轴为对称轴且和z轴对称的方向上 事实上 外加电场垂直于光轴时 KDP晶体的横向电光效应为零 纵向电光效应也十分微弱 因而通常不采用该种工作方式 KDP晶体的线性电光效应 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 因此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 下面以外加电场平行于光轴的KDP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 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 电光调制 其中 电光调制 电光调制 2 纵向电光强度调制 入射光经过偏振片后强度为 电光调制 经过长为的晶体后 相位延迟 检偏器的出射光总场强为 出射光强 设输入电压为正弦调制电压 即 实现了强度调制 电光调制 问题 加交变电压后 输出非线性失真 解决 加入波片 相当引入一固定的相位延迟 将调制器偏置在处 当输入在一定范围内 小信号 获得线性调制 电光调制 电光调制 纵向强度调制器小结 入射光分解为感应主轴方向的两个传播模 找出相位延迟和外加电压 电场 的关系 加入检偏器得到输出光强随外加电压变化 实现强度调制 加入1 4波片提供固定 偏置 以得到线性调制 电光调制 3 横向电光强度调制 450z切型晶体是指光波波矢在xy平面内 并与xy轴成450夹角 即光波沿晶体的 110 方向 电光调制 自然双折射电致双折射 问题 自然双折射项不受调制电压影响 看作固定偏置 电光调制 处 电光调制 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 晶体的横向半波电压 由于光沿y 方向入射 因而 沿x 方向和z方向偏振的分别为o光和e光 所以由于方向选择导致了晶体因为天然双折射而造成的固定工作点偏移 通过恰当改变晶体长度L 可以选择合适的工作点 由此可见 横向电光调制器不仅克服了电极影响问题 还由于天然双折射相位延迟与晶体长度成正比 因而可以通过晶体长度的选择来调节相位延迟大小 以及可以调节工作点的位置 以实现有效的电光调制 4 相位调制 调制电压 电光调制 入射波为 出射波为 5 电光调Q 通常 晶体上加半波电压的一半 自发辐射光一次通过晶体产生 反射后第二次通过晶体 回到偏振片处仍为线偏振 偏振面转 不能通过 损耗大 不能起振 适当时候 突然撤去电压 光沿光轴通过 没有相位延迟 反射后可以通过偏振片 损耗低 起振 产生巨大脉冲 称 退压式 Q开关 电光调制 6 电光光束偏转 由于渡越时间差 波阵面倾斜 法线偏转 电光调制 双KDP楔形棱镜偏转器 上棱镜 E为负 对光A 下棱镜 E为正 对光B 电光调制 作业 P17413 14 15 Thankyou 第5章光调制技术 晶体光学基础 光在晶体中的传播 电光调制 声光调制 磁光调制 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 由于声波的周期性 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 使射入晶体中的光波被这种弹性波衍射 这种物理现象称为弹光效应 声光调制 弹光效应 弹光效应 声场作用 形变 附加的电极化 折射率改变 晶体上不加声场前 在xyz主介电坐标系中折射率椭球方程为 受到外力作用后 外力作用引起弹性应变 使折射率椭球方程变为 外力对n影响的体现 弹光系数张量 采用缩写符号 弹光效应 弹光系数张量 不同的物质 弹光系数矩阵是确定的 熔融石英 以熔融石英为例 施加应力前 折射率椭球为 弹光效应 假设只有x方向有伸缩应变 弹光系数张量 折射率椭球变为 弹光效应 变为单轴晶体 加应变的x方向为光轴方向 感应折射率为 弹光效应 声场作用 形变 附加电极化 折射率改变 弹光效应 当光沿x向传播时 不发生双折射 当光沿y或z向传播时 双折射率为 声光衍射 声波通过介质 介质中产生随时间 空间周期变化的弹性波 折射率周期变化 相当于 相位光栅 发生光的衍射 1 行波声场 可以根据惠更斯 基尔霍夫公式计算在行波声场中衍射光的光强 如果入射声场为 波长 相位 振幅相同 传播方向相反的两束声波叠加后即形成声驻波 设两束反向波为 则合成波为 相应的折射率变化为 2 驻波场 声光衍射 声光衍射 Raman Nath衍射 仍以熔融石英为例 声光衍射 子波元dx对P点处光场的贡献 声光衍射 其中 欧拉公式 声光衍射 讨论 声光衍射 Bragg衍射小 L大 体光栅 折射率周期变化 周期 并沿方向移动 可看作一系列移动的部分反射镜 体光栅 但没有考虑声波的移动 声光衍射 布拉格衍射的输出 根据一系列推导得布拉格最大振幅表达式为 入射光功率转化为衍射光功率的部分表示为 声光品质因数 声波强度 声光衍射 判据 什么时候看作体光栅 什么时候看作面光栅 当光偏离正入射且时 上半部分和下半部分的光程差 由同一光疏层得到的光最弱 当长度后 相邻两光疏层输出的光不能相遇 声光衍射 每个课本定义方式不一样 这个问题自己查资料解决好吗 声光衍射的量子解释 与方向可能不同 但大小相等 波矢图是等腰三角形 声光衍射的量子解释 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 衍射光的频移很小 对于普通的激光束 其线宽已大于声波频率 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 1 拉曼 奈斯型声光调制器 一级衍射效率是 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 声光器件 工作频率较低 一般 10MHz 允许声光相互作用长度L很小 所以衍射效率很低 目前已经较少使用 声光器件 2 布拉格型声光调制器 衍射效率为100 时的声强度 声束宽度 材料品质因数 声光器件 设换能器的高度是h 则相应的声功率为 由此可知 衍射效率随声强单调线性增加 如果声强度受到了信息信号的线性调制 则布拉格衍射可以有效地进行光强调制 由此可知 为了使调制器有较高的效率 应当有一个小的纵横比 声光器件 2 声光偏转器 原理 利用调频声波 改变大小而改变衍射光方向 当时 满足B