光电子学-第五章

1、光辐射的调制光辐射的调制 光调制概述光调制概述 n光调制目的：使光波携带信息，达到传输信息的目的光调制目的：使光波携带信息，达到传输信息的目的 n光调制的实现手段：使光波中的光调制的实现手段：使光波中的某种可测参量某种可测参量随着信号的随着信号的 变化而变化而变化变化，当接收到被调制后的光波后，记录下被调制参，当接收到被调制后的光波后，记录下被调制参 量的变化就能获得光波所传递的信息量的变化就能获得光波所传递的信息 n用于光通信的光是相干光，相干光的可测参量包括光的用于光通信的光是相干光，相干光的可测参量包括光的强强 度（振幅）度（振幅）、频率频率、位相位相和和偏振态偏振态。 光调制概述光调制

2、概述 n根据被调制的参量将光调制分类：根据被调制的参量将光调制分类： 强度调制强度调制用光电探测器接收用光电探测器接收 频率调制频率调制用外差接收系统接收用外差接收系统接收 相位调制相位调制用外差接收系统接收用外差接收系统接收 偏振调制偏振调制在接收系统中设置偏振片检偏在接收系统中设置偏振片检偏 光调制的基本概念与分类光调制的基本概念与分类 振幅调制振幅调制 n振幅调制：使载波光场的振幅按照调制讯号的规律变化的过程振幅调制：使载波光场的振幅按照调制讯号的规律变化的过程 调制前：调制前： 0 ( )cos() ( )cos cccc m e tAt a tAt 载波 调制讯号 0 ( )(cos

3、)cos() (1cos)cos() ( )cos() cmcc cmcc cc e tAKAtt Amtt A tt 调制后：调制后： -10-5510 t -1 -0.5 0.5 1 Null -10-5510 t -1.5 -1 -0.5 0.5 1 1.5 光调制的基本概念与分类光调制的基本概念与分类 振幅调制振幅调制 n振幅调制：使载波光场的振幅按照调制讯号的规律变化的过程振幅调制：使载波光场的振幅按照调制讯号的规律变化的过程 n调幅波的频谱分析：调幅波的频谱分析： ( )(1cos)cos() cos()cos() 2 cos() 2 cmc cccc c ccm cmc c e

4、tAmtt m AtAt m At 光调制的基本概念与分类光调制的基本概念与分类 调制前：调制前： 调制后：调制后： 22 2 0 0 ( )cos () cos () ( )sin ccc cc m I tAt It a tAt 载波 调制讯号 2 0 ( )( )cos () pcc I tIK a tt n强度调制：使载波光场的光强按照调制信号的规律变化的过程强度调制：使载波光场的光强按照调制信号的规律变化的过程 强度调制强度调制 -10-5510 t 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 -10-5510 t 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Null 光调制的基本概念

5、与分类光调制的基本概念与分类 n强度调制：使载波光场的光强按照调制信号的规律变化的过程强度调制：使载波光场的光强按照调制信号的规律变化的过程 强度调制强度调制 2 0 0 0 00 ( )(1sin)cos () 2 () 2()2 pmcc p p I I tmtt K A I m II 光强最大增量 光强平均值 0 0 1sin 2 pm I mtI 波形不失真要求波形不失真要求mp1，即：，即： -10-5510 t 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 -10-5510 t 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Null 光调制的基本概念与分类光调制的基本概念与分类 ( )

6、( ) cos() ( )( ) ccf cc cc tk a t t tk a t c 调频：常数 e(t)=A 调相：常数 t（t）=总相位：总相位： 调频和调相的相同点：调频和调相的相同点： 是使总相位是使总相位 (t)变化变化按调制信号的规律变化。按调制信号的规律变化。 光调制的基本概念与分类光调制的基本概念与分类 0 0 0 0 0 ( ) ( )cos cos sinsin ( )cos(sin) tt ccfc m t cfmc f cmccfmc m ccfmc tk a t dt a tAt tk Atdt k A tttmt e tAtmt 0 总相位： （t）=（t）dt

7、+ 如 果：，则 （t）= 调频后的电场： 调频过程：调频过程： 光调制的基本概念与分类光调制的基本概念与分类 调频和调相波的频谱调频和调相波的频谱 n调频和调相实质上都是调制总相角，可写成统一的形式：调频和调相实质上都是调制总相角，可写成统一的形式： ( )cossin cos()cos( sin) sin()sin( sin) ccmc cccmccm e tAtmt Atmttmt 024 13 cos( sin)( )2( )cos22( )cos4 sin( sin)2 ( )sin2( )sin3 mmm mmm mtJ mJ mtJ mt mtJ mtJ mt 0 ( )( )c

8、os() ( )cos()( 1) cos() 1 ccc n cncmccmc e tA Jmt AJmntnt n 可以得到最终的调频场为：可以得到最终的调频场为： 光调制的基本概念与分类光调制的基本概念与分类 调频和调相波的频谱调频和调相波的频谱 n调频和调相实质上都是调制总相角：调频和调相实质上都是调制总相角： 0 ( )( )cos() ( )cos()( 1) cos() 1 ccc n cncmccmc e tAJ mt AJ mntnt n n频谱是由光载波频率与其频谱是由光载波频率与其 两边对称分布的无穷多对边两边对称分布的无穷多对边 频所组成的。各边频之间的频所组成的。各边

9、频之间的 频率间隔为调制信号频率频率间隔为调制信号频率 m , , 各边频幅度的大小由贝塞尔各边频幅度的大小由贝塞尔 函数函数Jn(m) 决定。决定。 m 6 m c 0(1) 0.77 J 1(1) 0.44 J 2(1) 0.11 J 3(1) 0.02 J m=1时的角度调制波的频谱时的角度调制波的频谱 光调制概述光调制概述 n光调制按照调制机理分类：电光调制、声光调制、磁光调制光调制按照调制机理分类：电光调制、声光调制、磁光调制 n光调制按照调制对象分类：内调制、外调制光调制按照调制对象分类：内调制、外调制 内调制：直接对光源进行调制内调制：直接对光源进行调制 -调制激光器的激励功率调

10、制激光器的激励功率 -调制激光器共振腔长度调制激光器共振腔长度 外调制：在光传输路径上设置某种介质做成的调制器，通外调制：在光传输路径上设置某种介质做成的调制器，通 过电光、声光、磁光调制手段，过电光、声光、磁光调制手段，改变介质的传输特性改变介质的传输特性，使得，使得 光通过该介质时某种光通过该介质时某种光可变参量随信号变化光可变参量随信号变化，达到调制目的。，达到调制目的。 光调制概述光调制概述 调制调制 机理？机理？ 光通过介质时的传光通过介质时的传 输特性输特性 n外调制器的调制机理都是基于改变调制器介质的光学常外调制器的调制机理都是基于改变调制器介质的光学常 数数折射率和介电张量，引

11、起通过调制器的光波的参量发折射率和介电张量，引起通过调制器的光波的参量发 生变化，从而达到调制的目的。生变化，从而达到调制的目的。 光波在单轴晶体中传播的解析描述光波在单轴晶体中传播的解析描述 n光波在单轴晶体中的传播规律光波在单轴晶体中的传播规律 在单轴晶体中存在两种特许偏振方向的光波：在单轴晶体中存在两种特许偏振方向的光波：o光和光和e光。光。 对应于某一波法线方向对应于某一波法线方向k有两条光线：有两条光线：so和和se. o光折射率不依赖于光折射率不依赖于k的方向，的方向，EoDo, sok e光折射率随光折射率随k的方向改变，的方向改变，Ee与与De一般不平行一般不平行, 但都在但都

12、在k与与 光轴所确定的平面内。光轴所确定的平面内。se与与k亦不重合亦不重合 o光与光与e光的场振动矢量彼此垂直：光的场振动矢量彼此垂直：EoEe, DoDe 折射率椭球折射率椭球迅速直观地描述光波在晶体中的双折射现象迅速直观地描述光波在晶体中的双折射现象 n折射率椭球方程：折射率椭球方程： 222 123 222 123 1 xxx nnn n折射率椭球的物理意义：表征了晶体折射率在晶体空折射率椭球的物理意义：表征了晶体折射率在晶体空 间的各个方向上全部取值分布的几何图形。间的各个方向上全部取值分布的几何图形。 n折射率椭球的性质折射率椭球的性质: (d,n)曲面曲面 x1 x2 0 n2

13、n1 n3 利用折射率椭球分析光在单轴晶体中的传播特性利用折射率椭球分析光在单轴晶体中的传播特性 222 123 222 123 1 xxx nnn 222 123 22 x 1 oe xx nn n折射率椭球主轴坐标系方程折射率椭球主轴坐标系方程 对于单轴晶体有对于单轴晶体有n1=n2=no,n3=ne,所以得到：所以得到： 旋转椭球旋转椭球 : k(0,sin ,cos ) 取 x2ox3截面图 S 3 x 2 x E T D o n sk （ ） o n e n 22 222 cossin1 oe nnn T(0，n”cos , , n”sin )点在椭球上，满足方程：点在椭球上，满足方

14、程： 22 2222 sincos oe oe n n nn oe n =，e光折射率在n 与n 之间 X2 X3 X1 K S D E n在单轴晶体中，与给定单位波矢方向在单轴晶体中，与给定单位波矢方向k对应的对应的o光和光和e光诸光诸 矢量的关系如下图矢量的关系如下图 22 2222 1 sin2 2sincos eo oe nn tg nn 22 2222 sincos oe e oe n n n nn ( )= 理想单色平面波在晶体中的传播理想单色平面波在晶体中的传播 光波在单轴晶体中传播的解析描述光波在单轴晶体中传播的解析描述 222 123 22 x 1 oe xx nn 电光调制

15、电光调制 晶体的电光效应晶体的电光效应 n电光效应电光效应是指晶体在低频外电场作用下，晶体光学特性（折是指晶体在低频外电场作用下，晶体光学特性（折 射率）发生改变的效应。射率）发生改变的效应。 利用电光效应可以方便地实现光调制利用电光效应可以方便地实现光调制 线性电光效应（线性电光效应（Pockels）：折射率的改变与外场电场强度的）：折射率的改变与外场电场强度的 大小大小成正比成正比 二次电光效应（二次电光效应（Kerr）：折射率的改变与外场电场强度的）：折射率的改变与外场电场强度的平平 方方成正比成正比 n电光效应分类电光效应分类 电光调制电光调制 晶体的电光效应晶体的电光效应 n如何描述

16、电光效应？如何描述电光效应？ 光在晶体中的传播规律遵从光的电磁理论。而折射率椭球描光在晶体中的传播规律遵从光的电磁理论。而折射率椭球描 述了晶体的折射率在空间各个方向的取值分布。述了晶体的折射率在空间各个方向的取值分布。 所以通过研究晶体折射率椭球的大小、形状和取向的变化，所以通过研究晶体折射率椭球的大小、形状和取向的变化， 来研究外电场对晶体光学特性的影响。来研究外电场对晶体光学特性的影响。 外加电场对晶体光学特性的影响，必然会通过折射率椭球的外加电场对晶体光学特性的影响，必然会通过折射率椭球的 变化反映出来。变化反映出来。 电光调制电光调制 晶体的电光效应晶体的电光效应 2 2 0 1 1

17、,1, 1 2, 1 3 1 ij ij ijij ijij ij n ij ij ij x x x x x x i x x j n 令 不加外场时折射率椭球 加外场感生折射率椭球 其中 n晶体的折射率椭球的一般形式为晶体的折射率椭球的一般形式为: 电光调制电光调制 n折射率椭球的变化可以用系数变化折射率椭球的变化可以用系数变化ij描述，则描述，则外加电场后外加电场后 的感生折射率椭球可写为：的感生折射率椭球可写为： 晶体的电光效应晶体的电光效应 0 ()1 ijijijijij x xx x 33 1,1 ijijkkijklkl kk l EhE E 线性电光效应，线性电光效应， ijk是

18、三阶张量是三阶张量 二次电光效应，二次电光效应，hijkl是四阶张量是四阶张量 电光调制电光调制 晶体的电光效应晶体的电光效应 n线性电光效应线性电光效应: 0 111121315 0 212222324 0 313233354 6 3 6 ij 2312322 131132133 31131 121122123 211212213 111112113 1 3 2212222232 1 3 3313 3 3 3 3213223 2333 3 23 231 ijkk k E EE E 电光调制电光调制 0 ijijij 2312322 131132133 31131 121122123 2112

19、12213 111112113 1 3 2212222232 1 3 3313 3 3 3 3213223 2333 3 23 231 ijkk k E EE E 111213 212223 1 313233 2m 414243 3 515253 616263 kk E EE E n线性电光系数矩阵线性电光系数矩阵 加电场后的椭球加电场后的椭球 未加电场的折射率椭球未加电场的折射率椭球 电光系数矩阵，电光系数矩阵，27个元个元 外外 加加 电电 场场 电光系数矩阵，电光系数矩阵，18个元个元 u各种晶体的电光系各种晶体的电光系 数矩阵数矩阵 mk可以从相可以从相 应的手册上查出应的手册上查出

20、u mk描述了外加电描述了外加电 场对晶体光学特性的场对晶体光学特性的 线性效应线性效应 u已知晶体系数矩阵已知晶体系数矩阵 和光场，则可以求得和光场，则可以求得 晶体的折射率变化晶体的折射率变化 晶体的线性电光系数矩阵晶体的线性电光系数矩阵 1 ijijjimijkjikmk ij 电光调制电光调制 线性电光效应线性电光效应 1 2 3 0 3 2 2 0 2 2 1 0 1 xxx 111213 1 212223 2 1 3313233 2 4 414243 3 5 515253 6 616263 E E E 222 1 1223342353 1612 2221xxxx xx xx x n

21、求解感生折射率椭球求解感生折射率椭球: 已知：未加电场时折射率椭球已知：未加电场时折射率椭球 加电场后折射率椭球：加电场后折射率椭球： 000 123 126 , , mk E 查出相应的从已知的、及代入上式 可求出加电场后的椭球方程系数：、 、 n电场导致介质折射率发生变化，将会改变光场在该介质中的传输特性电场导致介质折射率发生变化，将会改变光场在该介质中的传输特性 电光调制电光调制 KDP类晶体的线性电光效应类晶体的线性电光效应 nKDP(KH2PO4,磷酸二氢钾磷酸二氢钾)晶体是人工晶体，晶体是人工晶体， 在在0.2 1.5 m波长范围内透明度很高，且抗激光破坏阈值很高。波长范围内透明度

22、很高，且抗激光破坏阈值很高。 它的主要缺点是易潮解。它的主要缺点是易潮解。 222 02202 312 11233 22 000 123 22 1()1 11 , oe oe xxx xxx nn nn 其中 KDP型晶体外型图型晶体外型图 光轴方向为光轴方向为x3轴方向轴方向 nKDP晶体是单轴晶体，属四方晶系。其主轴折射率分晶体是单轴晶体，属四方晶系。其主轴折射率分 别为别为no，ne，无外加电场时，折射率椭球为旋转椭球：，无外加电场时，折射率椭球为旋转椭球： 41 41 63 000 000 000 00 00 00 mk nKDP晶体的电光系数矩阵为：晶体的电光系数矩阵为： 电光调制电

23、光调制 KDP类晶体的线性电光效应类晶体的线性电光效应 0 1 11 0 2 21 1 0 3 33 2 441 4 3 541 5 663 6 000 000 000 00 00 00 E E E 0 1 1 0 2 1 0 3 3 4 411 5 412 6 633 E E E KDP型晶体外型图型晶体外型图 光轴方向为光轴方向为x3轴方向轴方向 感生折射率感生折射率 椭球系数为：椭球系数为： n施加电场施加电场E后，后，KDP晶体的线性电光效应为：晶体的线性电光效应为： 12)(2)( 2136313232141 2 3 0 3 2 2 2 1 0 1 xxExxExxExxx 折射率椭

24、球由原来的正旋转椭球变折射率椭球由原来的正旋转椭球变 为三轴椭球为三轴椭球,三个椭球轴与晶体主轴三个椭球轴与晶体主轴 有了倾斜角有了倾斜角,即变为双轴晶。即变为双轴晶。 电光调制电光调制 KDP类晶体的线性电光效应类晶体的线性电光效应 12)(2)( 2136313232141 2 3 0 3 2 2 2 1 0 1 xxExxExxExxx n加任意电场后加任意电场后KDP类晶体的折射率椭球方程写为：类晶体的折射率椭球方程写为： uE1,E2为垂直于光轴的外加电场，其电光效应与为垂直于光轴的外加电场，其电光效应与 41有关有关 uE3为平行于光轴的外加电场，其电光效应与为平行于光轴的外加电场

25、，其电光效应与 63有关有关 nKDP类晶体的线性电光效应运用方式分类类晶体的线性电光效应运用方式分类 按外加电场方向分类：按外加电场方向分类： 电场加在光轴电场加在光轴(x3)方向方向 63 电场加在垂直于光轴电场加在垂直于光轴x3方向方向 41 3 x 1 x 2 x 3 E 1 E 2 E 电场确定后，又可以按通光方向分为两类：电场确定后，又可以按通光方向分为两类： 纵向电光效应：通光方向与电场方向平行纵向电光效应：通光方向与电场方向平行 横向电光效应：通光方向与电场方向垂直横向电光效应：通光方向与电场方向垂直 电光调制电光调制 63 63电光效应 电光效应 n电场沿电场沿x3（光轴）方

26、向施加（光轴）方向施加,E1=E2=0，此时折射率椭球方程为：，此时折射率椭球方程为： 12)( 21363 2 3 0 3 2 2 2 1 0 1 xxExxx 0 000 1633 163316331633 0000 633163116331633 000 0 333 3 123 : 0000 00000 000000 ij ijij E EEE EEEE xxx 1.对 进行对角化特征方程为：特征根为： 设 、 、 为新椭球的 22222 02020222 30012 16331163323312 22222 1206330633 0 1633 6331 , : () 0 : ()1 1

27、 1 1 xnnxx E xE xxnn nnnnE E E nE e 三个主轴 椭球方程为 2.椭球的三个主轴方位可通过三个特征值相应的特征向量得到： 例如,对 的特征方程为 其中：， 1 0 2123 0 33 1 3 3 12 2123 22 00: , 0 , (, : ,0) 22 00 : x xxxx x xxx xxx x xx ，可解出归一化后得特征向量 表示新坐标系的 轴位于原坐标系 轴和 轴角分线上。 同理可得到 轴位于 轴和 轴的角分线上； 结论 新坐标 轴与 轴重 系绕 轴 合 逆时针转过45 上式有交叉项上式有交叉项椭球变形椭球变形通过主轴化求出感生折射率椭球三主轴

28、大小与方向：通过主轴化求出感生折射率椭球三主轴大小与方向： 电光调制电光调制 63 63电光效应 电光效应 n电场沿电场沿x3（光轴）方向施加，感生折射率椭球绕（光轴）方向施加，感生折射率椭球绕x3 轴转动了轴转动了45，E3正号则逆时针，正号则逆时针，E3负号则顺时针负号则顺时针 1 x 2 x 1 x 2 x o 1 n 0 n 2 n 222 1 2 63 2 0 100633 2 0633 2 0 200633 2 0633 33 0063300633 23 222 1113 1 , 1 2241 1 1 2 1 1 1 2 1 11 2 1 2 xx x n nnnE nE n nn

29、nE nE nnEn x n n xx E e 由于利用级数展开式 可以得到： n电场沿电场沿x3（光轴）方向施加时感生主折射率的变化量为：（光轴）方向施加时感生主折射率的变化量为： 3 110633 3 220633 33 1 2 1 2 o o e nnnnE nnnnE nnn 电光调制电光调制 63 63纵向电光相位延迟 纵向电光相位延迟 21 33 633633 2 () 22 = oo nnd nE dnV 1 x 3 x 2 x 1 x 2 x d 3 E 一般半波电压都很大！一般半波电压都很大！ n通过晶体后两光产生相位差为：通过晶体后两光产生相位差为： 半波电压：所加电压使两

30、线偏振光的相差满足半波电压：所加电压使两线偏振光的相差满足GG。 3 63 2 o V n 输出 L y x x V 输入 L V E KDP 起偏 ) (zz 电光调制电光调制 63 63横向电光 横向电光相位延迟相位延迟 23 3 633 2 () 2 () oeo nnl ll nnn V d n横向运用最大的优点是可以利用增大纵横比来降低半波电压。横向运用最大的优点是可以利用增大纵横比来降低半波电压。 n通过晶体后两光产生相位差为：通过晶体后两光产生相位差为： /2/2 ()() d VV l 纵横 电光调制电光调制 63 63横向电光 横向电光效应的补偿方式效应的补偿方式 L 3 x

31、 2 x 1 x L 1 x 2 x 33 xx E E 1 x 2 x 33 xx n第二块晶体相对于第一块翻转第二块晶体相对于第一块翻转90度放置，电场反向度放置，电场反向 3 E 3 E 电光调制电光调制 63 63横向电光 横向电光效应的补偿方式效应的补偿方式 L y zz x L 2 x y zz E E x y zz n第二块晶体相对于第一块翻转第二块晶体相对于第一块翻转180度放置度放置 电光调制电光调制 KDP类晶体的电光振幅调制类晶体的电光振幅调制 nKDP晶体晶体 63纵向运用纵向运用 入射光强为：入射光强为： 调制光强为：调制光强为： ( ) ( ) xc yc ELAE

32、xp it ELAExp it Expi (0) (0) xc yc EAExp it EAExp it 1 2 1 2 xc o yc o EAExp it EAExp it Expi 电光调制电光调制 KDP类晶体的电光振幅调制类晶体的电光振幅调制 nKDP晶体晶体 63纵向运用纵向运用 2 sin 2 oi II 调制光强为：调制光强为： n调制器的透过率为：调制器的透过率为： n为减小失真，使透过率线性变化：为减小失真，使透过率线性变化： 电光调制电光调制 KDP类晶体的电光振幅调制类晶体的电光振幅调制 n振幅调制或强度调制振幅调制或强度调制:KDP晶体晶体 63纵向运用纵向运用 0

33、1 0 3 1 1. 1 ( )sinsin()sin() 1 : 1sin 2 2. 11 1 sin(sin)()sin() 22 () : () mmm mmmm tm m m tm mmm mm m VVV VVtt VVV IV t IV IV tJ t IV JJ J 当即时， 得 当不太大时 失真程度用来衡量，可得 1 () 3% () m m J 0 1 1sin(sin) 2 tm m IV t IV 输出光强仍为正弦变化输出光强仍为正弦变化, 不失真。不失真。 可见失真程度很小可见失真程度很小 电光调制电光调制 KDP类晶体的电光相位调制类晶体的电光相位调制 3 633 2

34、21 coscos() 2 ccoo EAtn dAtnnEd 光 输出光强为输出光强为: n外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位 电光调制电光调制 光电子学实验光电子学实验-铌酸锂（铌酸锂（LiNbO3）晶体横向调制）晶体横向调制 nLN晶体是单轴晶体，其线性电光系数矩阵为：晶体是单轴晶体，其线性电光系数矩阵为： 2213 2213 33 51 51 22 0 0 00 00 00 00 n没有加电场之前，没有加电场之前，LN的折射率椭球为：的折射率椭球为： 222 123 22 1 oe xxx nn n加上电场之后，其折射率椭球变为：加上电

35、场之后，其折射率椭球变为： 222 222133122213323333 222 51223511 13221 12 111 2221 ooe EExEExEx nnn E x xE x xE x x LN晶体折射率椭球 x3 x2 x1 n1 n2 n n3 3 电光调制电光调制 光电子学实验光电子学实验-铌酸锂（铌酸锂（LiNbO3）晶体横向调制）晶体横向调制 n实验光路为：实验光路为： x1 x3 d Y P A E L U 横向电光调制示意图 横向电光调制：横向电光调制： 123 0,EEEE 222 133123333 22 11 1 oe ExxE x nn n加上横向电场之后，其

36、折射率椭球变为：加上横向电场之后，其折射率椭球变为： n新的主轴折射率为：新的主轴折射率为： 12 3 1 2 3 1313 2 1 2 3 3333 2 11 2 11 2 xxoo o xee e nnEnnE n nEnnE n 电光调制电光调制 光电子学实验光电子学实验-铌酸锂（铌酸锂（LiNbO3）晶体横向调制）晶体横向调制 n实验光路为：实验光路为： x1 x3 d Y P A E L U 横向电光调制示意图 123 0,EEEE nLN的横向电光延迟为：的横向电光延迟为： 33 3313 2 ()() oeeo lU nnnnl d U U 电光调制电光调制 光电子学实验光电子学

37、实验-铌酸锂（铌酸锂（LiNbO3）晶体横向调制）晶体横向调制 n实验光路为：实验光路为： 电光调制实验系统连接方法 激光器 起偏器 电光晶体 1/4波片检偏器 光电探测器 示波器 激光器电源ZYEOM-SS 信号源 电光调制电光调制 光电子学实验光电子学实验-铌酸锂（铌酸锂（LiNbO3）晶体横向调制）晶体横向调制 nLN的横向振幅调制光强：的横向振幅调制光强： 22 2sin 2 t IA 22 sinsinsin 22 t m i I TUt IU n光强透过率光强透过率T为为 0 2 0 22 0 1, 2 11 sin (sin)1sin(sin)1()sinsin 4222 20,

38、 1 sin (sin)() (1cos2)cos2 28 3, 2 m m mm m m m m U UUU U TUtUttt UUU UUU U TUttt UU U UUU 、 ； 、，倍 ； 、失真 电光调制电光调制 电光波导相位调制器电光波导相位调制器 电光波导强度调制器电光波导强度调制器 电光波导调制器电光波导调制器 n超声波通过介质时，介质中的各点将出现随时间和空间周期性变化的弹性应变。超声波通过介质时，介质中的各点将出现随时间和空间周期性变化的弹性应变。 引起介质中各点的折射率产生相应的周期性变化。引起介质中各点的折射率产生相应的周期性变化。 2 2QL 声光调制声光调制 声

39、光衍射效应声光衍射效应 n按照超声波频率的高低和介质中按照超声波频率的高低和介质中声光相互作用长度声光相互作用长度的不同，的不同， 由声光效应产生的由声光效应产生的 衍射有两种常用的衍射有两种常用的极端情况极端情况：喇曼：喇曼乃斯乃斯(Raman-Nath)(Raman-Nath)衍射和布拉格衍射。衍射和布拉格衍射。 衡量参量衡量参量 ： 当当Q-喇曼喇曼乃斯衍射乃斯衍射 当当Q4-布拉格衍射布拉格衍射 n声光效应：当光通过有超声波作用的介质时，相位受到调制，其结果如同它通过声光效应：当光通过有超声波作用的介质时，相位受到调制，其结果如同它通过 一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光束通过这个

40、光栅时就要产生衍射。一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光束通过这个光栅时就要产生衍射。 声光调制声光调制 声光衍射效应声光衍射效应-拉曼拉曼-奈斯衍射奈斯衍射 n拉曼拉曼-纳斯衍射：纳斯衍射： n拉曼拉曼-纳斯衍射的特点：由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，纳斯衍射的特点：由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用， 形成形成与入射方向对称分布的多级衍射光与入射方向对称分布的多级衍射光。 a L L0z 光波 波阵面 声波波 阵面 0 1 1 2 2 x z 声波通过介质声波通过介质介质中产生介质中产生 随时间、空间周期变化的弹性随时间、空间周期变化的弹性 波波折射率周期变化

41、折射率周期变化相相 当于当于“相位光栅相位光栅”发生光发生光 的衍射的衍射 声光调制声光调制 声光衍射效应声光衍射效应-拉曼拉曼-奈斯衍射奈斯衍射 n设宽度为设宽度为D 的光波垂直入射宽度为的光波垂直入射宽度为L 声波柱，则在声场外声波柱，则在声场外P点处总的衍射光强是点处总的衍射光强是 所有子波源贡献的和所有子波源贡献的和. n介质中传播声频行波表示为介质中传播声频行波表示为 ( , )sin()E x tatk x n折射率相应规律变化折射率相应规律变化 0 ( , )sin()n x tnntk x n则在则在L/2处出射光波为处出射光波为 0 0 m ( )exp()exp(sin()

42、 exp sin() s s ss s sos nLL Etaitaitnntk x cc aitkkn Ltk n xnL kL 令= n若在若在-L/2处入射光波为处入射光波为 exp() sis Eait 声光调制声光调制 声光衍射效应声光衍射效应-拉曼拉曼-奈斯衍射奈斯衍射 n设宽度为设宽度为D 的光波垂直入射宽度为的光波垂直入射宽度为L 声波柱，则在声场外声波柱，则在声场外P点处总的衍射光强是点处总的衍射光强是 所有子波源贡献的和所有子波源贡献的和. 平面相位光栅衍射 n从从X点的子波到达点的子波到达P点的扰动为：点的扰动为： 0 00 exp sin() exp sin()sin

43、ssms ssmss aitk n Ltk xk R aitk n Ltk xk Rk x n在在P P点得到的光波复振幅点得到的光波复振幅是全光束口径是全光束口径D上子波和上子波和 2 2 ( )exp sinsin() sin(sin) 2 ()exp () (sin) 2 D Dsm s mms s Ai k xtk xdx D kmk Jimt D kmk 声光调制声光调制 n宽度为宽度为D 的光波垂直入射宽度为的光波垂直入射宽度为L 声波柱，在声场外声波柱，在声场外P点处总的衍射光强点处总的衍射光强 极大值方向：极大值方向： 零级亮纹两边对称分布高级亮纹零级亮纹两边对称分布高级亮纹

44、衍射角大小与声波频率成反比衍射角大小与声波频率成反比 极大值光强：极大值光强： 同级衍射光强相等同级衍射光强相等 衍射光发生频移：衍射光发生频移： sin(sin) 2 ()exp () (sin) 2 s pmms s D kmk EJimt D kmk 22 mmmmm IJJ s m sin0sin s s s k kmkmm k 声光衍射效应声光衍射效应-拉曼拉曼-奈斯衍射奈斯衍射 声光调制声光调制 光电子学实验光电子学实验-拉曼拉曼-奈斯声光调制奈斯声光调制 n 拉曼奈斯衍射各级衍射光的光强度拉曼奈斯衍射各级衍射光的光强度 22 ()() mmmms IJJknL n 对于一级衍射光

45、强度与超声波功率正比对于一级衍射光强度与超声波功率正比 222 111 2 2 3 2 3 ()()() 12 22 mss IJJknLknL PM P nn p HLHL n拉曼奈斯衍射只适用于振幅较大的低频弹性波的情况拉曼奈斯衍射只适用于振幅较大的低频弹性波的情况 2 2 1 2 2 s M L IP H 声光调制声光调制 光电子学实验光电子学实验-拉曼拉曼-奈斯声光调制奈斯声光调制 观察拉曼观察拉曼奈斯衍射现象奈斯衍射现象 超声波信号源的功率影响衍射光的强度超声波信号源的功率影响衍射光的强度 超声波信号源的功率影响衍射角的大小超声波信号源的功率影响衍射角的大小 声光调制声光调制 晶体的

46、声光效应晶体的声光效应-布拉格衍射布拉格衍射 n布拉格衍射布拉格衍射的显著特点是衍射光强分布的显著特点是衍射光强分布 不对称，而且只有零级和不对称，而且只有零级和+1 或或 -1 级衍射级衍射 光光，如果恰当地选择参量，并且超声功率，如果恰当地选择参量，并且超声功率 足够强，可以使入射光的能量几乎全部转足够强，可以使入射光的能量几乎全部转 移到零级或移到零级或 1 级衍射极值方向上。级衍射极值方向上。 n布拉格衍射声光相互作用区较长，必须考虑介质厚度的影响，视为体光栅衍射布拉格衍射声光相互作用区较长，必须考虑介质厚度的影响，视为体光栅衍射 n布拉格衍射是在超声波频率较高，声光作用区较长，光线与超声波波面有一定角布拉格衍射是在超声波频率较高，声光作用区