高光 北京航空航天大学 期末.doc

1.电光效应对光波进行调制的原理，应用|半波电压电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的电光效应而进行工作的。根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不同，可分为纵向调制和横向调制。电场方向与光的传播方向平行，称为纵向电光调制；电场方向与光的传播方向垂直，称为横向电光调制。横向电光调制的优点是半波电压低、驱动功率小，应用较为广泛。利用电光效应可以实现对光波的振幅调制和位相调制。沿z方向加电场，通光方向沿感应主轴y方向，经起偏器后光的振动方向与z轴的夹角为45。光进入晶体后，将分解为沿x和z方向振动的两个分量，两者之间的折射率之差为n(x1)n（x2），假定通光方向上晶体长度为l，厚度为d(即两极间的距离)，则外加电压为V=Ezd时，从晶体出射的两束光的相位差为：由式(1)可以看出，只要晶体和通光波长确定之后，相位差的大小取决于外加电压V，改变外加电压V就能使相位差随电压V成比例变化。通常使用的电光晶体的主要特性之一是采用半波电压来表征(当两光波间的相位差为弧度时所需要的外加电压称为半波电压)。应用：利用电光效应可以制作电光调制器,电光开关,电光光偏转器等,可用于光闸,激光器的Q开关和光波调制,并在高速摄影,光速测量,光通信和激光测距等激光技术中获得了重要应用光波在光晶体中传播时，当光波的两个垂直分量Ex，Ey的光程差为半个波长时（对应的相位差为180度）所需要加的电压，称为半波电压。2.光波的时间相干性、空间相干性的物理含义以及它们对干涉效果的影响？ 时间相干性：若同一光源在相干时间内发出的光经过不同的路径在空间相遇时，能够产生干涉，则称光具有时间相干性。空间相干性：若通过光波场横向两点的光在空间相遇时能够发生干涉，则称通过空间两点的光具有空间相干性。时间相干性，主要是跟光的频率有关通过计算可以得出，当光的时间相干性越好的时候，干涉条纹越明显，否则干涉条纹的对比度会下降，最后逐渐消失！空间相干性，主要跟光源的长度有关，当光源是点光源的时候，空间相干性最好，而当光源的面积或者长度逐渐增大的时候，干涉条纹的可见性也会逐渐减弱。3.复相干度的定义及物理意义，它与条纹对比度有什么联系？ 考虑到相干因子I12决定着两叠加光波间的相干性，又是时间差的函数，故定义为两叠加光波的互相干函数 （决定叠加光强度的大小和分布特性），为两叠加光波的复相干度。此得干涉条纹的反衬度，即：4.普通单模光纤有哪些主要技术参数，物理意义。模式？单模光纤中基模的截止波长是多少？什么是波导的截止波长？对称行平面波导中基模的截止波长是多少？技术参数： 数值孔径（影响光纤的弯曲特征）MFD（采用高斯近似，光强下降为中心最大值1/e2处直径）MFD与波长有关，l越大，MFD越大。截止波长lc（工作波长应大于lc，lc一般略小于工作波长）几何参数和机械参数。能够在波导内稳定传输的光波，出了要满足全发射的条件外，还要满足谐振条件-相长干涉条件。，因此能够子啊波导内稳定传输的光波的入射角仅仅取一些分立值，每一个对应一个m值，成为波导内波长分布的一种模式。对于给定的波导参数及模式，入射角与波长有关。波长不同，要求入射角不同。当入射光波含有多种波长成分时，则统一模式对应的不同波长成分要求具有不同的入射角，否则该波长的光将不能在波导中形成稳定的传输，这表明波导存在着一个截止波长，且不同模式有不同的截止波长。对称型平面波导中基模的截止波长为无限大，即对称型薄膜波导的基模没有截止波长。因此，任何波长的基模光波均可在对称型薄膜波导内传输。5.范西泰特-策尼克定理：傍轴条件下，准单色扩展光源照明下的光场中两点S1和S2的互强度（空间相干度），等效于以S2点为中心且振幅正比于光源单位辐射强度的会聚球面波，经位于光源平面处且与光源形状相同的孔径，在S1点产生的（归一化）衍射光场的复振幅分布。傍轴条件下个、，准单色扩展光源照明下的光场中两点S1，S2间的空间相干度，等效于光源平面出的光强度函数I(x,y)的归一化傅里叶变换。6.电磁场的能量密度和能流密度的物理意义能流密度为电磁场单位体积内电磁场的能量（J/ ）,其物理意义为表示电磁场储能的性质。能流密度，又称波印廷矢量，表示电磁场传输的功率面密度（W/），其方向代表能量传输方向，数值等于单位时间内垂直至流过单位横截面积的能量，其物理意义为表示电磁场能量的传播性质。平面波（均匀各向同性介质）的能量密度平面电磁波的电场能量与磁场能量相等，各占总量的一半。平面光波的能流密度表达式平面光波的能流S的大小等于其能量密度乘以其相速度，方向与波矢量k一致。平面光波的平均能流密度平面光波的平均能流密度正比于电场强度振幅的平方，在光频波段，通常吧平均恩那个流密度作为光强度，并以I表示。7群速度？相速度？两者有何不同？由于色散，不同频率的光波子啊介质中传播时将会形成复色平面波，合成波的振幅的最大值的传播速度即为合成波的群速度。合成波的等相位面传播的速度即为合成波的群速度。群速度反映了光波能量的传播速度，而相速度反映了光波波面相位的传播速度。有波动方程所确定的光波速度v=c/n称为相速度。8、平面波、球面波、柱面波的数学表达式，并简要说明各参量的物理意义平面波： A（振幅）（位相，决定平面波场各点电矢量的大小）（空间位相）（时间位相）（初位相） （w为角频率，为时间频率，T为时间周期）（k为波数，为波长，空间周期）球面波： -代表会聚球面波 +代表发散球面波 A半径为单位距离处（r=1）的振幅，kr为常数。柱面波： -代表会聚球面波+代表发散球面波9 在各向异性晶体中，点位移矢量D与磁场强度矢量H与波矢量K正交，能量密度矢量与电场强度矢量E及磁场强度矢量H均正交，但是D与E方向一般不同，故K和S的方向也不一致。即在各向异性的晶体中，平面波的波发现方向与其能量传播方向（光线方向）不一致。10.在单轴晶体中，对于给定的波矢方向，可能存在两种不同的传播特性，其中O光的振动方向（E矢量）始终垂直于波矢量K和光轴所构成的平面，而E光的振动方向始终平行于波矢量K与晶体光轴所构成的平面，并且O光的光线方向与波矢方向重合，E光的光线方向与波矢方向存在一定的夹角，但仍位于波矢与光轴构成的平面内。11.衍射的平面波和球面波的理论球面波理论，实际上就是将透过衍射屏的光波场，看成是来自衍射屏平面上不同面元发出的次级球面子波的集合，这些子波相干叠加，便构成了空间各点的衍射广场分布。当场点的离轴距离及衍射屏的横向尺寸和场点到衍射屏的距离相比可取一级近似时，衍射光唱复振幅分布表现为菲涅尔衍射；当场点的离轴距离及衍射屏的横向尺寸与场点到衍射屏的距离相比可忽略时，衍射光场复振幅分布表现为夫琅禾费衍射。菲涅尔衍射又称为近场衍射，夫琅禾费衍射称为远场衍射。衍射的平面波理论：透过衍射屏的光波场，也可以看作是由一系列取向不同的平面波分量的线性叠加结果。也可以说，透过衍射屏的光波场实际上可以看做是一系列具有不同传播方向或空间频率的单色平面波分量的线性叠加。由于平面波理论是将光波场按角度分解，并且空间频率与衍射角对应，故通常又将平面波理论叫做角谱理论。12从麦克斯韦方程推导波动方程波动方程综合题：1设计一个观察全反射倏逝波的实验设置光路，并说明其工作原理如图所示，P1,P2为两块材料相同的直角棱镜，两底面靠紧且有一薄层空气，其间距d（可调节）。光自S入射到AC面,在BC面 上产生全反射，反射光经透镜L2聚焦在探测器D2上。当d很大时，入射光全部被反射到D2上，D2接收的光强最大，而d较小但不为零时，D1，D2都会接收到光，并且各自的大小与d的大小有关；而d=0时，此时的入射光全部透过棱镜P2而聚焦到D1上。这是由于P2侵入空气中的倏逝波的区域中，从而破坏了全反色。透射光的强度与空气层的厚度d有关，当调节d的大小时，可以改变D1，D2上接收到光的强度，从而在P2上可以观察到倏逝波。2.假设已知某光纤输出光波为完全偏振光，设计一套光路测试其偏振态。如图1，采用检偏器和波片检验的方法。首先用检偏器测定椭圆长轴的方位角，当旋转检偏器时，透射光强将随之变化。其透光轴和长轴方向重合，即=0或180时，有最大投射光强；而当互相垂直，即=90或270时，有最小光强。因此可以通过旋转检偏器找到光强最大的位置，从而确定长轴与预订的x轴之间的夹角。在检偏器前插入波片，并使出现最大透射光强，则表明波片快轴方向与椭圆长轴方向一致。由于波片产生p/2的相位差，若入射椭圆偏振光两垂直分量间的(左旋时)则出射光，出射线偏光的光矢量在OC1方位（右旋时），则出射光的，出射线偏光的光矢量在OC2方位。测定时，旋转检偏器，找到消光位置，与此垂直的方向是出射线偏光的方位，便可得到e角，进而得到.其旋向可有线偏振光所在象限得出，实验装置如图2. 对于部分偏振光，实验装置与上一问相同，利用斯托克斯参量的方法测量其偏振度，设：偏振片透光轴在x方向时透射光强度偏振片透光轴在y方向时透射光强度偏振片透光轴在45度的方向时透射光强度即图中。偏振片透光轴在45度方向时前方插入一块方位为零的波片，其透射光强度由上述数据可写出如下形式的斯托克斯参量；偏振度3.试作图并简要说明傅里叶变换光谱仪的工作原理，它与传统的光谱仪，如棱镜光谱仪、光栅光谱仪有何不同？用迈克尔逊双光束干涉仪记录下干涉图；再借助于傅里叶余弦变换获得光源的辐射功率谱分布的方法，称为傅里叶变换光谱学。相应的仪器称为傅里叶变换光谱仪。光源S发射的光由分光器分为相等两部分：光束1和光束2.光束1反射可移动反射镜M2，经过分光器和补偿器到探测器D。另一束光由固定反射镜M1反射回来，最后在检测器处与光束1会合。当两束光达到检测器时，其光程差将随可移动反射镜M2运动而周期变化基于光的相干原理，在探测器处得到的是一个强度变化为余弦形式的信号。在连续改变光程的同时，记录下中央干涉条纹的光强变化，就得到干涉图。当光源为单色光时探测器接收到的光强为: 相位差： 光程差：当光源为复色光时，设其亮度为 探测器接收到的光强为:可以看出探测器接收到的光强是光源的傅里叶积分。记录下干涉图，并作傅里叶余弦变换，就可得到任何波数处的光强棱镜色散型光谱仪（分辨率低，对温度、湿度敏感，对环境要求苛刻）光栅色散型光谱仪（采用先进的光栅刻制和复制技术，提高了仪器的分辨率，拓宽了测量波段，降低了环境要求）傅里叶光谱仪的特点（优点1.高分辨率，2.高信噪比，3.多通道，4.宽的光谱范围。缺点：1.体积庞大，2.价格昂贵，3.机械精度高，4.需要扫描时间，实时性不好。）4.试作图简要说明光子隧道显微镜的工作原理，它与电子扫描隧道显微镜在应用上有哪些不同？假定有一个直角全反射棱镜置于空气中，垂直进入棱镜一个侧面的光束将在棱镜底边发生全反射，这时，若在底边外侧有另一折射率大于空气的透明介质向棱镜底边方向移动如图中的光纤探头，当该光纤探头远离棱镜底边时，对全反射不会产生任何影响，当光纤探头与棱镜底边接触时，接触点将不再发生全反射（因光线折射率接近或大于棱镜材料折射率）问题是当光纤探头与棱镜底边的间距很小时，如接近或小于倏逝波穿透深度d，结果会由于倏逝波的存在，位于该探头顶部处的倏逝波的能量将进入光纤，因而反射光的能量将随之减小，即发生光子隧道效应。光子隧道扫描显微镜（PSTM）就是利用光子隧道效应观察纳米尺度的表明结构，正好弥补了光学显微镜和电子显微镜两者在这一尺度所固有的缺陷。同时，与电子扫描隧道显微镜（STM）相比，光子扫描隧道显微镜对被测试样的导电性没有特殊的要求，其次，基于光子隧道效应的棱镜波导耦合器，可以用来将光信号方便有效的耦合进薄膜波导。5.光纤电流互感器以法拉第磁光效应为基础，以光纤为介质，通过测量光波在通过磁光材料时共偏振面可由电流产生的磁光作用作用而发生旋转的角度来确定被测电流的大小，电源发出的光首先起偏，再45%注入消便宜形成两束相互垂直的线偏光，EX,EY这两束光经过A/4波片，反射镜的作用，EX变成了EY，EY变成了EX，而且他们产生固定的相位差（由法拉第效应）在经过起偏后他们发生干涉，干涉光强可被探测器。干涉光强6.集成光学相位调制器对输入光波实现导波与调制功能光调制器、光源、光电探测器和光放大器是光有源器件的四种重要类型，其中光调制器是高速、长距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一。光发射机的功能是把输入电信号转换成光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路，其中把电信号转换为光信号的过程就是光调制。调制后的光波经过光纤道送到接收端，由光接收机鉴别出它的变化，再恢复原来的信息，这个过程就是光解调。光发射机把电信号转换为光信号的过程是通过电信号对光调制实现的，光信号调制可以分为内调制和外调制，内调制又称为“直接调制”，是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化，这种调制方式技术具有简单、经济、容易实现等优点，是光纤通信常用的调制方式，但只适用于半导体激光器和发光二极管。而且直接调制过程中，不仅输出光强度随电流发生变化，而且输出光功率也会发生波动，也就是说在幅度调制的同时还会受到相位影响，产生激光频率动态滑动而偏离其稳态值，这个现象称为 “啁啾”特性。特别是在微波信号进入高速调制情况下，这种现象更严重。由于啁啾特性的存在，不仅使单个纵模的线宽展宽，而且在单模光纤中传播时，在色散作用下非线性失真将增大。这将对光纤线路产生极其不良的影响。所以一般光纤通讯中使用外调制器，即间接调制。一般光纤通讯系统中的外调制器包括四类：声光（AO）调制器；磁光调制器，即Farady调制器；电光(EO)调制器；电吸收(EA)调制器。现代光纤系统中主要使用两类调制器，一种是依赖于一定平面波导载光方式改变的电光调制器，另一种是内部结构类似于激光器的半导体二极管电吸收调制器，后者能在透过光和吸收光二个状态下切换高速电光调制器有很多用途。高速相位调制器可用于相干光纤通信系统，在密集波分复用光纤系统中用于产生多光频的梳形发生器，也能用作激光束的电光移频器。但在设计40Gbit/s系统使用的LiNbO3光调制器时,需要考虑的因素有驱动电压、光电信号速度匹配、特性阻抗、电信号的衰减常数、调制带宽、波长啁啾量和插入损耗等.驱动电压、信号速度匹配、特性阻抗之间的相关性很强,即使各个参数最佳化,还不能获得最佳的整体性能,这给调制器的设计和制作增加了难度. 要提供产生40Gb/s信号所需要的30GHz以上的带宽，最基本的条件是经过波导的光波和毫米波必须完成严格的速率匹配。为了在最高频率成分（约60GHz）中实现有效的相互作用，电脉冲沿电极传播的群速度必须和光脉冲传播的群速度相同（容差2%）。对于超高频带则必须进一步要求在整个相互作用长度上始终保持转换效率。因此，必须设计共面带状波导结构，以保证电波传播的超低损耗。此外，器件的封装对器件的整体电光特性具有重大影响。输入光波经过一段光路后在一个Y分支处被分成相等的两束，分别通过两光波导传输，光波导是由电光材料制成的，其折射率随外加电压的大小而变化，从而使两束光信号到达第2个Y分支处产生相位差.若两束光的光程差是波长的整数倍，两束光相干加强；若两束光的光程差是波长的奇数倍，两束光相干抵消，调制器输出很小.因此通过控制电压就能对光信号进行调制. 对于各种类型的高速调制器，主要应考虑高频信号的频率限制问题，为此可将高频调制信号以行波形式输入，以确保电光调制器中光波和调制电场具有相同的速度.目前高速长距离系统中，所用调制器大多数是以计算题1杨氏干涉：灯丝（线源） 是波长，r是光源到小孔的