第八章光电技术器件的设计及参数选用原则资料.ppt

第八章光电技术器件的设计及参数选用原则,1.光偏转器：按一定规律改变光束在空间传播方向的器件。使激光束相对于原始位置作一定规律的偏转扫描。2.根据使用目的不同分为两类：模拟式偏转光的偏转角是连续变化的，主要用于激光显示技术数字式偏转光的偏转角不连续，在选定空间的某些特定位置上才有光的离散，主要用于光存储,8.1激光偏转器,3.设计或评价一个光偏转器的主要指标：（1）偏转角的大小要达到激光扫描的范围（2）扫描速度要满足快速记录和显示的要求（3）偏转效率：偏转光强与入射光强之比，反映了光偏转器的光能损失（4）分辨率或在扫描范围内可分辨的点数4.目前激光技术中最常用的是以下三种偏转方法：机械式偏转、电光偏转、声光偏转,一、机械偏转,利用反射镜或多面反射棱镜的旋转，或者利用反射镜的振动实现光束扫描。,多面体反射镜偏转器,优点：扫描角度大于30，可分辨像素多，光学损失小等；缺点：受电机转速的限制，扫描速度较低。,多面体反射镜偏转器,若用多面体反射镜绕垂直轴转动，则可获得水平扫描线。反之，若绕水平轴旋转，则可获得垂直方向的扫描线。如果两者结合，选择合理的转速比，则可获得矩形的扫描图形。,偏转原理：在电光晶体上施加电场改变晶体的折射率，使晶体中的光束传播方向发生偏转。实际的电光晶体偏转器是由两个z轴相反的晶体棱镜所组成。,实际的电光晶体偏转器,如果激光垂直一个直角面射到图所示的下面的直角棱镜上，由折射定律可得出射光的偏转角为,（1）模拟式电光偏转,二、电光偏转,施加电压后，上、下层棱镜中传播时光的折射率为,与外加电压U成线性比例关系，通过调节U可使光束发生连续偏转。,为了增大偏转角度，而外加电压又不太高，可采用多块晶体棱镜串联，总的偏转角为单级的m倍。,例如:,时,一个电光偏转器所能获得的偏转角很小,很难满足实际应用的要求,（2）数字式偏转,现代光存储器都是采用二进制的数字式偏转器,双折射原理：沿与光轴成某一角度的非偏振光入射时，将分成垂直分量（o光）和平行分量（e光）二束，分离角为,电光数字式偏转器,当电光晶体不加电压时，o光入射，偏振方向不变，再通过双折射晶体时，传输方向不变；当电光晶体加电压时，o光入射，偏振方向变化成为e光，再通过双折射晶体时，传输方向变化。上述就是一个一级数字偏转器，入射的线偏振光随电光晶体加和不加电压而分别占据两个地址之一，即0和1。,若把n个这样的数字偏转器组合起来，就能做到n级数字偏转。如三级数字偏转器，入射光就分离8个偏转点；如4级串接，就有24=16个偏转点。如果二维组合，就可以偏转到平面不同位置。000代表三个电光晶体都不加电压；110代表S1、S2加电压，S3不加电压，以此类推。,三级数字式偏转器,三、声光偏转,声光偏转器的结构与声光调制器基本相同，所不同之处在于调制器是改变衍射光的强度，而偏转器则是利用改变声波频率来改变衍射光的方向，使之发生偏转，既可以使光束连续偏转，也可以使分离的光点扫描偏转。,声光器件结构示意图,在满足布喇格衍射时，衍射光与入射光束之间的夹角,求微分得,可见光束偏转角与声频的变化成正比。因而，改变声频就可以改变光束方向。,激光宽行打字机原理框图,一、磁光非互易特性（法拉第效应）,当线偏振光通过磁光介质时，在外磁场作用下，出射的线偏振光的偏振面与入射光的偏振面要发生旋转，旋转角度的大小和磁感应强度B成正比，即=VLB其中V是费尔德常数与波长及煤质的温度有关，大多数物质V很小，而且大多数物质V为正，旋转角方向与磁场方向有关。当入射光传播方向与磁场方向一致时（同方向），正的V相当于左旋，当入射光的传播方向与磁场方向相反时，表现为右旋。因此，在外磁场方向不变的情况下，当入射光束往返通过旋光煤质时，旋转角按一个方向增大。这种特性称为磁光非互易特性。,8.2光隔离器,将电信号先转换成与之对应的表变磁场，由磁光效应改变在介质中传输的光波的偏转态，从而达到改变光强等参数的目的。,利用法拉第效应，即不可逆的光学过程，使光波沿一个方向以很小的损耗通过，而沿相反方向时损耗很大，以致可以视为没有反方向传输的光。,二、光隔离器,光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，作用是对光的方向进行限制，使光只能单方向传输，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，提高光波传输效率。,三、光隔离器的应用,用在激光器与光纤之间当光纤与激光器耦合时,其端面或接头处的反射将影响激光器的稳定性。为了消除反射波对激光器的影响,需要在激光器与光纤之间加光隔离器。作为光纤放大器的组成部件光隔离器是光纤放大器的重要组成部件,光隔离器可以防止输出光返回到光纤放大器中产生不良的干扰。用在精密光学测量系统中在光谱分析实验中,如果材料的发光能力不仅很弱,且发光状况容易受外来光的影响,这就要求我们在研究它们的发光机制时更要排除外界物质的反射光对它们的影响,为了消除这些外界的干扰,我们常在发光材料和测量仪器之间加一光隔离器。,8.3光电探测器,一、作用将光信号变换为相应电信号二、激光探测器的分类1.热电探测器：温差电效应、热敏电阻、热释电效应2.光电探测器：光电发射型、光电压型、光电导型,光电发射型：光照射到某些金属或他们的氧化物上，当光子的能量足够大，能够使金属或它的氧化物的表面发射电子。常用的光电管、光电倍增管都属于此类型。光电压型：光照射到半导体器件的PN结时，使结区中的电子、空穴对发生反向移动，产生附加电势，称为光生电动势。如PN结光电二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管等。光电导型：光照射到半导体器件时电导率增加、电阻降低、导电性能改变。如光敏电阻和光导管等。,三、光电探测器的特性和要求,探测灵敏度响应度噪声等效功率探测度及归一化探测度频率响应和相应时间量子效率,各种光电探测器的性能比较,在即频率响应与时间响应方面，以光电倍增管和光电二极管为最好；在光电特性（即线性）方面，以光电倍增管、光电二极管和光电池为最好；在灵敏度方面，以光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电三极管为最好。值得指出的是，灵敏度高不一定就是输出电流大，而输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、雪崩光电二极管和光电三极管；外加偏置电压最低的是光电二极管、光电三极管，光电池不需外加偏置；在暗电流方面，光电倍增管和光电二极管最小，光电池不加偏置时无暗电流，加反向偏置后暗电流也比光电倍增管和光电二极管大；稳定性方面，光电二极管、光电池为最好，其次光电倍增管与光电三极管；在光谱响应方面，以光电倍增管和CdSe光敏电阻为最宽，但光电倍增管响应偏紫外方向，而光敏电阻响应偏红外方向。,8.4光纤维,1.光纤：光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光在光导纤维中的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤被用作长距离的信息传递。特点：光纤的纤心很小，纤内易形成高功率密度，转换效率高、激光阈值低、激光质量好；输出的激光谱线多；光纤的柔绕性很好，易散热。光纤是一种能够传送光频电磁波的介质波导,一、基本概念,2.工作原理：光纤是以SiO2（GeO2、P2O5）为基质材料拉成的玻璃实体纤维，其导光原理是利用光的全反射原理。普通裸光纤一般由中心高折射率玻璃芯、中间低折射率硅玻璃包层和最外部的加强树脂涂层组成。,3.光纤传感器：将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，成为被调制的信号光，在经过光纤送入光电探测器，经解调后，获得被测参数。具有灵敏度高、不受电磁干扰、结构简单、体积小等优点，在激光技术中获得了广泛应用。,4.分类,工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤（0.85m、1.3m、1.55m）。折射率分布：阶跃（SI）型光纤、近阶跃型光纤、渐变（GI）型光纤、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。传输模式：单模光纤、多模光纤。原材料：石英光纤、多成分玻璃光纤、塑料光纤、复合材料光纤（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等。按被覆材料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。制造方法：预塑有汽相轴向沉积（VAD）、化学汽相沉积（CVD）等，拉丝法有管律法（Rodintube）和双坩锅法等。按构造形式：包层式纤维和自聚焦式纤维,包层式纤维自聚焦式纤维,二、光纤的连接,要求：连接面精确对准、光学接触、损耗远远小于整个线路的损耗,永久性光纤连接（又叫热熔）：用放电的方法将连根光纤的连接点熔化并连接在一起。一般用在长途接续、永久或半永久固定连接。其主要特点是连接衰减在所有的连接方法中最低，典型值0.010.03dB/点。但连接时，需要专用设备（熔接机）和专业人员进行操作，而且连接点也需要专用容器保护起来。应急连接（又叫冷熔）：用机械和化学的方法，将两根光纤固定并粘接在一起。这种方法的主要特点是连接迅速可靠，连接典型衰减为0.10.3dB/点。但连接点长期使用会不稳定，衰减也会大幅度增加，所以只能短时间内应急用。活动连接：利用各种光纤连接器件（插头和插座），将站点与站点或站点与光缆连接起来的一种方法。这种方法灵活、简单、方便、可靠，多用在建筑物内的计算机网络布线中。其典型衰减为1dB/接头。,三、光纤与光源之间的耦合,直接耦合：15%20%聚焦透镜耦合:50%辅助透镜和聚焦透镜组合：80%。如：半导体激光器输出椭圆光束，用辅助透镜的特殊的折射率分布将椭圆光束聚焦成圆锥光束；聚焦透镜再将圆锥形光束再一次聚焦成更细的光束耦合到光纤的入射端。,四、光纤传感器的应用,可分为两大类：一类是功能型传感器，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器，又NF型光纤传感器。前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器；后者是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。,激光干涉仪技术激光通信技术激光大气传输技术激光水下探测技术等普通光学元件组成的激光干涉仪中，相干光在空气中传播的，由于空气扰动及声波的干扰，导致空气光程的变化，致使干涉仪工作不稳定。如果利用单模光纤作为干涉仪的光路，就可以排除这些影响，切光纤干涉仪信号处理简单、测量范围大、精度高。,8.5光学天线,作用：发射光信号、接受光信号应用：激光通信、激光测距、激光雷达、激光武器等。,一、发射天线和接收天线,发射天线：将激光束的发散角压缩到容许范围内并将发射光束对准接受天线或目标。要求它发出的发散角要小。但是发散角过小又会造成发射机难以对准接收机或目标，因而发散角又不易太小。接受天线：尽可能多的接收发射来的或从目标散射回来的光能量，并把接收的光能聚焦到探测器的光敏面上。对它的主要要求是接受面积。在接收天线视场角内的非信号光辐射，也就是背景噪声，会同时进入接收天线。因此，接受天线的接受面积和它的视场角有一定的要求，过大则背景噪声大，干扰严重；过小会使有用光信号信息减小。,二、光学天线的结构,折射式发射天线：光学望远系统把激光器输出的横截面较小而发散角较大的光束，变成横截面较大而发散角较小的光束反射式天线：卡塞格伦型和牛顿型可做发射天线，也可做接受天线会聚式天线：单凸透镜组成单凸透镜组成,8.6激光倍频及光参量放大,光学效应：当光作用与介质时，会引起介质的极化，产生振荡电偶极矩。通常用极化强度p来度量极化的程度。线性光学效应：当光强不太强时，极化强度p和电场强度E成正比。如折射、双折射、散射等都是线性的，此时折射率和吸收系数等为一常数。非线性光学效应：当光强很强时，介质的极化强度不止于电场强度的一次方有关，还与二次方、三次方等高次方有关。如光倍频、光差频、光参量振荡等。,一、倍频光,倍频效应：当光束通过晶体后，除了原来的激光波长以外，还检测到波长为1/2的成分，即从晶体中透出光的频率是入射光频率的两倍。倍频效应是弗兰肯(Franken)等人在1961年首先发现的。他们将红宝石激光器输出的波长694.3nm的红光射到石英晶体上。当这束红光通过石英晶体后，他们发现在透射光中除了波长为694.3nm的红光外，还出现了波长为347.1nm的成分。后者的波长刚好等于红宝石激光波长的一半，即频率加倍。,微观解释：非线性是由原子、分子非谐性造成。物质受强光作用后，电子发生位移z，具有位能y(z)，对于无对称中心晶体，与电子位移+z和一z相对应的位能并不相等。非线性极化和线性极化两者有完全不同的性质线性极化波只有一种频率的成分，能够辐射与入射波同频率、同方向的电磁波；而非线性的极化波具有不同的谐波成分，这些谐波成分能够再辐射与各个谐波的频率相对应的电磁波。显然，基频极化波辐射基频波：二次谐频极化波辐射二次谐波，即倍频光等如果从量子力学的观点来看，就更简单了。二次谐波的产生过程可以看成是两个频率为光子的湮没，同时产生一个频率为2的光子。,若光波频率为，光场强度为E=E0cost，忽略三次方以上的非线性项,不随时间变化，是介质两表面恒定电势差,频率为2的电偶极矩，它将辐射二次谐波，即倍频光,二、相位匹配及倍频转换效率,在发现倍频效应的初期，产生二次谐波的效率约为10-3数量级。实验证明，只有具有特定偏振方向的线偏振光，以某一特定角度入射晶体时，才能获得良好的倍频效果，而以其他角度入射时，则倍频效果很差，甚至完全不出倍频光。考虑一片厚为d的非线性晶体，正入射的基频光波在晶体内任一点x的电场强度为E=E0cos(t-k1x)，其中波矢为倍频光的初始相位为(2t-2k1x)，经过厚度为d的晶体后，相位改变为2t-2k1x+k2(x-d)=2t-k2d+(k2-2k1)x，其中k2为倍频光波的波矢,讨论：k=0倍频信号最强获得最高的转换效率（相位匹配条件：倍频光与基频光具有相同的折射率）,k0，若kd/2=时下降到零。定义：dc=/k为相干长度。,X,倍频效率,对于正常色散的材料，倍频光的折射率总是大于基频光的折射率，所以不可能实现相位匹配。双折射晶体，o光和e光的折射率不同，因此可以利用两束光的折射率不同来补偿色散效应，从而实现相位匹配由波矢与相速度关系k=/v，得：在2k=k2时，有v=v2，即折射率相等,等同于基频光和倍频光在晶体内具有相同的传播速度。在倍频晶体中，基频光波和倍频光波的等相位面具有相同的速度，保证了相位关系在整个运动过程中始终不变，即相当于相位差恒定的相干过程，倍频光波将得到同步叠加、干涉增强。,如何实现相位匹配？,当光波面沿着与光轴成角的方向传播时，二者的折射率面有交点，即折射率相等，传播速度相同，实现了相位匹配。这个角度称为匹配角。入射光以一定角度入射晶体，通过晶体的双折射，由折射率的变化来补偿正常色散而实现相位匹配,负单轴晶体的折射率面其中，